CN114189522B - 一种车联网中基于优先级的区块链共识方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车联网中基于优先级的区块链共识方法及系统，在不同地域部署多个服务器组成节点，运行中的新能源汽车通过车载终端向在地理位置上距离最近的服务器上传车辆实时状态数据报文，报文以交易的形式临时存储在服务器内存中开辟的交易池；节点角色分别是矿工节点和领导者节点，通过共识方式进行出块权选举，包括根据节点交易池交易总数、节点交易池中各交易等级系数、交易被打包进新块所需的等待时间获取节点的优先级评分，该评分代表节点在整个区块链系统中相比于其他节点获得出块权的优先程度。本发明避免了传统工作量证明共识方法耗费计算机资源的缺陷，同时根据不同节点的繁忙程度合理快速分配出块权，保持系统的高可用性。

Description

一种车联网中基于优先级的区块链共识方法及系统

技术领域

本发明属于车联网技术领域，具体涉及一种车联网中基于优先级的区块链共识方法及系统。

背景技术

随着IoT(Internet of Things)物联网技术的快速发展，社会生活中的种种物理对象被虚拟化投射到“云”中。物联网技术描述了数据操作、平台开发和计算基础设施建设被抽象为一种服务，提供更加便利的社会生产生活方式。其中，新能源汽车作为实现社会可持续发展的手段之一也透过移动通信网络与后台服务器进行数据交互。凭借大量电气化带来的优势，新能源汽车成为车联网中重要的组成部分。传统的车联网系统中，汽车将车辆状态信息传输至集中式的厂商数据服务器，数据缺乏透明性，也没有有效的监管。某电动汽车制造商与用户之间频繁爆发的矛盾也和这种数据采集存储模式息息相关。同时，集中式的数据存储系统也面临单点故障、DDoS攻击、电力中断等因素带来的失效风险，进而严重影响车辆数据传输以及基于数据提供的各种服务。

凭借分布式系统、共识机制、加密算法带来的去中心化、不可篡改等特性，区块链技术能够有效地缓解车联网面临的问题。随着新能源汽车销量日益增长，接入车联网的车辆越来越多，车联网借助区块链技术实现去中心化的同时，还需要支撑来自车辆端的数量庞大的数据交互请求。传统的区块链共识算法机制无法平衡去中心化程度和系统吞吐率，虽然实现了各节点间的公平性，但是低效的事务处理能力影响了该技术在车联网中的应用。

而现有技术还未出现理想的解决方案，例如相关专利文献有如下缺陷：

申请公布号为CN107045650A的专利提出一种基于区块链和车联网技术管理、预约、分配出行资源的交通云共享SaaS(软件及服务)系统，该系统借助区块链的去中心化、非商业、非政府等特性，形成一种开源、非盈利的分布式自治框架。但该专利并未详细阐述区块链由哪些节点组成、区块链节点如何达成共识、区块链共识算法对系统吞吐率的影响。

申请公布号为CN108053315A的专利提出一种基于区块链物联网的交易方法及系统，出让方与受让方通过部署在区块链上的智能合约达成交易，借助区块链技术实现可靠、可行、安全的物联网交易系统。该专利并未详细阐述区块链由哪些节点组成、区块链节点如何达成共识、区块链共识算法对系统吞吐率的影响。

申请公布号为CN109068299A的专利提出一种基于区块链的车联网架构及其工作方法，该方法将车联网系统分为车辆、路侧单元、核心网和区块链网络四个部分，区块链网络保存核心网中数据存储服务器数据的哈希摘要。若核心网中数据存储服务器宕机则造成原始数据丢失等问题，并且本专利未详细阐述区块链网络中各节点如何达成共识、使用何种共识算法，笼统说明使用智能合约上传数据至区块链网络由矿工打包数据出块。

发明内容

为了适应车联网中安全、可靠、高并发的特性，解决现有区块链技术中共识机制存在的低吞吐性能的问题，本发明提供一种在车联网中基于优先级的区块链共识方法及系统，应用于基于区块链的车联网数据存储平台，实现高性能的去中心化车联网系统，提升车辆数据可靠性，降低用户对数据管理平台的信任忧虑。

本发明提供一种车联网中基于优先级的区块链共识方法，在不同地域部署多个服务器，组成基于区块链的车联网数据存储系统，每个服务器都是区块链网络中能够互相通信的节点；运行中的新能源汽车通过车载终端向在地理位置上距离最近的服务器上传车辆实时状态数据报文，报文以交易的形式临时存储在服务器内存中开辟的交易池；交易在交易池中在被打包进新的区块后，对应的内存空间被释放，交易池继续接收新的交易；

数据存储系统中节点拥有两种不同的角色，分别是矿工节点和领导者节点，初始化后由指定领导者节点触发首轮出块权竞选；领导者节点触发出块权竞选后，降级为矿工节点参与出块权竞选；矿工节点在获得足够选票后升级为领导者节点，负责出块和触发下一轮出块权竞选；实现过程如下，

所述出块权竞选中，通过共识方式进行出块权选举，包括根据节点交易池交易总数、节点交易池中各交易等级系数、交易被打包进新块所需的等待时间获取节点的优先级评分，该评分代表节点在整个区块链系统中相比于其他节点获得出块权的优先程度。

而且，出块权竞选实现方式采用以下步骤，

步骤一，初始化后，开启一轮出块权竞选；

步骤二，通过共识方式选举拥有出块权的节点；

步骤三，本轮选举失败，未产生拥有出块权的节点，进入步骤一开启下一轮竞选；

步骤四，本轮选举成功，拥有出块权的节点打包交易产生新区块；

步骤五，拥有出块权的节点广播新块，进入步骤一开启下一轮竞选。

而且，通过节点优先级评分实现出块权的选举，节点优先级评分模型如下公式：

其中，_i表示节点N_i的优先级评分，评分越小，对应节点更加优先获得出块权；为节点N_i交易池中交易数量和静态优先级的优先级评分，S_ij是节点N_i交易池中等级系数为j的交易个数，交易等级系数取值范围为1…k；/>为节点N_i出块等待时间评分，I_i代表节点N_i出块的等待时间，由节点本地最新区块与其最近一次出块的区块高度之差表示；α₁、α₂分别是/> 评分权重值，α₁+₂＝1，β₁、β₂是评分模型归一化调节系数。

而且，仅存在一个领导者节点，承担打包出块和触发出块权选举。

而且，出块权选举过程中，通过多轮消息互传，选举合适的节点承担领导者节点角色。

另一方面，本发明提供一种车联网中基于优先级的区块链共识系统，用于实现如上所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法。

而且，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法。

而且，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法。

本发明通过获取节点的优先级评分来选举拥有出块权的节点，避免节点通过耗费庞大资源进行竞争；同时，考虑各节点的繁忙程度，在实现公平竞争的前提供下，根据节点等待出块时间、节点交易池交易数量以及交易池中不同等级的交易占比来选举拥有出块权的节点。这种共识方法降低了系统资源消耗，更加高效公平，实现了去中心化和高吞吐的平衡。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的区块链系统节点竞选出块的流程示意图；

图2是根据本发明实施例提供的区块链共识方法中节点角色转换示意图；

图3是根据本发明实施例提供的车联网中基于优先级的区块链共识方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。显然，所描述的一个或多个实施例仅为本说明书一部分实施例，用于说明和解释发明，并不用于限定发明。

本发明公开了一种基于优先级的区块链共识方案，区块链系统由多个计算机节点组成，这些计算机节点在物理上分布在城市中的不同区域。区块链系统由拥有出块权的计算机节点产生新的区块，然后广播同步至其他计算机节点。每完成一轮出块流程，区块链系统中的所有计算机节点开启出块权竞选，优先级评分最高者获得本轮出块权，出块完成后开启下一轮竞选。优先级评分与本计算机节点交易池交易总数、交易等待时间和交易优先等级相关。该方法避免了传统工作量证明(PoWProofofWork)共识方法耗费计算机资源的缺陷，同时根据不同节点的繁忙程度合理快速分配出块权，保持系统的高可用性。

本发明实施例提供一种在车联网中基于区块链的数据存储系统，该系统包括：

在城市中的不同地域部署n个服务器，这些服务器组成车联网中基于区块链的数据存储系统中n个对等节点N₁,N₂,…,N_n，记为Nⁿ＝{N₁,N₂,…,N_n}；运行中的新能源汽车通过车载终端向在地理位置上距离最近的服务器上传满足特定通信协议及数据格式规范的车辆实时状态数据报文，这些报文以交易的形式临时存储在服务器内存中开辟的交易池。交易在交易池中等待一段时间，被打包进新的区块，对应的内存空间被释放，交易池继续接收新的交易。交易池能够存储交易的容量上限根据实际需求、服务器性能进行设置。

系统中节点拥有两种不同的角色，分别是矿工节点和领导者节点；系统初始化后，可由指定领导者节点触发首轮出块权竞选；

领导者节点触发出块权竞选后，降级为矿工节点参与出块权竞选；

矿工节点在获得足够选票后升级为领导者节点，负责出块和触发下一轮出块权竞选。

交易池中每一笔交易拥有相同或不同的等级系数，其取值范围为1…k。等级系数越小，交易被打包进新块所需的等待时间越短；具体实施时，等级系数上限k可采用预设的数值。

因此，每个节点N_i交易池中交易总数S_i满足如下公式：

其中，S_ij是节点N_i交易池中等级系数为j的交易数量。

进一步地，根据节点交易池交易总数、节点交易池中各交易等级系数、交易被打包进新块所需的等待时间获取节点的优先级评分，该评分代表节点在整个区块链系统中相比于其他节点获得出块权的优先程度。该评分模型利用下式表示：

其中，P_i表示节点N_i的优先级评分，评分越小，对应节点更加优先获得出块权；为节点N_i交易池中交易数量和静态优先级的优先级评分，S_ij是节点N_i交易池中等级系数为j的交易个数，交易等级系数取值范围为1…k；/>为节点N_i出块等待时间评分，I_i代表节点N_i出块的等待时间，由节点本地最新区块与其最近一次出块的区块高度之差表示；α₁、α₂分别是/> 评分权重值，α₁+α₂＝1。β₁、β₂是评分模型归一化调节系数。具体实施时，节点优先级评分模型中评分子项、权重及归一化参数可根据实际项目和需求进行匹配。

根据以上模型，某个节点的优先级评分P_i由该节点交易池中交易数量和静态优先级的优先级评分节点出块等待时间评分/>组成。节点优先级评分越小，对应节点越优先获得某一轮竞选中的出块权。

进一步地，所有节点通过基于优先级的区块链共识方法，竞选出块权。拥有出块权的节点打包一定数量本节点交易池中的交易，附上其他区块信息产生新区块并广播至区块链网络中的其他节点。其他节点收到新区块后保存到本地节点的磁盘中。具体实施时，出块权选举过程中，通过多轮消息互传，选举合适的节点承担领导者节点角色。消息互传过程中，节点等待消息的超时时间根据实际项目和需求进行匹配。

本发明实施例还提供一种车联网中基于优先级的区块链共识方法，该方法包括：

节点角色分为两种，领导者和矿工。在上述节点集Nⁿ＝{N₁,N₂,…,N_n}中，最多存在一个领导者节点，承担打包出块和触发出块权选举，其余均为矿工节点；领导者节点打包本地交易池中的交易生成新区块并广播至区块链网络中的其他矿工节点，矿工节点收到新区块后，存储到节点本地磁盘中；

领导者节点向其他矿工节点广播新区块的同时，向其他所有矿工节点发送开启下一轮出块权竞选的消息，本节点角色也降级为矿工节点，参与下一轮出块权竞选；

参见图1，本发明实施例中提供的一种在车联网中基于区块链的数据存储方法，采用以下步骤实现：

步骤101，系统初始化；

步骤102，开启出块权竞选；

步骤103，判断本轮选举是否成功。若本轮选举失败，未产生拥有出块权的节点，进入步骤102开启下一轮竞选；反之，进入步骤104；

步骤104，本轮选举成功，拥有出块权的节点打包交易产生新区块；

步骤105，拥有出块权的节点广播新块，进入步骤一开启下一轮竞选。

进一步地，矿工节点收到前领导者节点发送的启动竞选消息后，向区块链网络中的所有其他矿工节点发送包含本节点优先级评分的评分消息。被降级为矿工节点的领导者节点同样发送包含本节点优先级评分的评分消息至区块链网络中的其他矿工节点。

进一步地，矿工节点在一段时间T₁内收到其他矿工节点的评分消息后，提取其中的节点辨识信息和对应的节点优先级评分，得到数据集APS^m＝{{A₁,PS₁},{A₂,PS₂},…,{A_m,PS_m}}。其中，A为节点在区块链网络中的唯一标识地址，A₁,A₂,…A_m为第1,2,…,m个节点在区块链网络中的唯一标识地址；PS表示该节点的优先级评分，PS₁,PS₂,…PS_m为第1,2,…,m个节点的优先级评分。矿工节点在数据集合寻找优先级评分最低的成员，评分最低的成员即是该矿工节点选举的候选领导者节点。该矿工节点向区块链网络中的其他矿工节点发送包含本矿工节点选举的候选领导者节点地址A的投票消息；

进一步地，矿工节点在一段时间T₂内收到其他矿工节点发送的投票消息，提取其中的候选领导者节点地址，得到数据集C^r＝{C₁,C₂,…,C_r}。其中C表示各个矿工节点选举的候选领导者节点地址，C₁,C₂,…,C_r为第1,2,…,r个矿工节点选举的候选领导者节点地址。矿工节点将本节点地址与数据集中C^r的每个成员进行比对，若地址相同，则矿工节点在本轮竞选中的得票数加1。遍历数据集后，若本矿工节点的得票数超过区块链网络中所有节点总数n的一半，则该矿工节点晋升为领导者节点；得票不足或得票为零的矿工节点维持矿工节点的角色；领导者节点确定后，重复上述步骤，区块链系统持续对外提供数据上链存储服务。

如图2所示，本发明实施例中的区块链共识方法节点角色转换流程如下：

节点集Nⁿ＝{N₁,N₂,…,N_n}中存在两种节点角色，分别是矿工节点和领导者节点。矿工节点接收来自领导者节点的消息，参与出块权选举和区块数据同步。领导者节点负责开启出块权选举和挖掘新区块；

步骤201：节点初始化后，默认为矿工角色；

步骤202：矿工节点在一轮出块权竞选中，获得超半数的选票即可升级为领导者节点；

若矿工得票不足，则保持其矿工节点角色；

步骤203：领导者节点在出块完成后，开启新一轮出块权竞选并降级为矿工节点，参与新一轮出块权竞选流程。

本发明实施例中的角色转换方法在实现节点权益公平的同时，通过领导者角色实现系统的高事务处理能力。不同角色通过共识方法达成一致，具体流程如图3所示。

如图3所示，为本说明书实施例中一种车联网中基于优先级的区块链共识方法流程示意图，所述共识方法可以包括以下步骤：

步骤301：节点集Nⁿ＝{N₁,N₂,…,N_n}中领导者节点发送启动竞选消息至其他全部矿工节点。领导者节点发送完启动竞选消息后，降级为矿工节点；

步骤302：矿工节点向其他所有矿工节点发送附带本节点优先级评分的评分消息至其他全部矿工节点；

矿工节点等待一段时间T₁后，获得一定数量其他矿工节点发送的评分消息。该矿工节点根据一定数量的评分消息获取本节点的意向候选领导者；

步骤303：矿工节点将意向候选领导者的信息附在投票消息中，发送至其他全部矿工节点；

矿工节点等待一段时间T₂后，获得一定数量其他矿工节点发送的投票消息。该矿工节点根据一定数量的投票消息判断本节点是否获得足够的选票；

步骤304：矿工节点获得足够选票，该矿工节点升级为领导者节点，完成出块并发送至其他全部矿工节点；

矿工节点未获得足够选票，该矿工节点保持矿工角色，等待领导者节点发送的新块消息和下一轮竞选启动消息；

步骤305：矿工节点收到领导者节点发送的新区块后，向领导者节点发送确认消息；

步骤306：领导者节点收到矿工的确认消息后，开启下一轮出块权竞选，进入步骤301。

上述技术方案的工作原理：车联网中基于区块链的数据存储，为车辆上传数据提供安全、可靠的保障。基于优先级的区块链共识方法，实现节点公平的同时使系统具有高吞吐的能力。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

在一些可能的实施例中，提供一种车联网中基于优先级的区块链共识系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法。

在一些可能的实施例中，提供一种车联网中基于优先级的区块链共识系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种车联网中基于优先级的区块链共识方法，其特征在于：在不同地域部署多个服务器，组成基于区块链的车联网数据存储系统，每台服务器都是区块链网络中的能够互相通信的节点；运行中的新能源汽车通过车载终端向在地理位置上距离最近的服务器上传车辆实时状态数据报文，报文以交易的形式临时存储在服务器内存中开辟的交易池；交易在交易池中在被打包进新的区块后，对应的内存空间被释放，交易池继续接收新的交易；

数据存储系统中节点拥有两种不同的角色，分别是矿工节点和领导者节点，初始化后由指定领导者节点触发首轮出块权竞选；领导者节点触发出块权竞选后，降级为矿工节点参与出块权竞选；矿工节点在获得足够选票后升级为领导者节点，负责出块和触发下一轮出块权竞选；实现过程如下，

所述出块权竞选中，通过共识方式进行出块权选举，包括根据节点交易池交易总数、节点交易池中各交易等级系数、交易被打包进新块所需的等待时间获取节点的优先级评分，该评分代表节点在整个区块链系统中相比于其他节点获得出块权的优先程度；

通过节点优先级评分实现出块权的选举时，节点优先级评分模型如下公式：

其中，P_i表示节点N_i的优先级评分，评分越小，对应节点更加优先获得出块权；为节点N_i交易池中交易数量和静态优先级的优先级评分，S_ij是节点N_i交易池中等级系数为j的交易个数，交易等级系数取值范围为1…k；/>为节点N_i出块等待时间评分，I_i代表节点N_i出块的等待时间，由节点本地最新区块与其最近一次出块的区块高度之差表示；α₁、α₂分别是 评分权重值，α₁+α₂＝1，β₁、β₂是评分模型归一化调节系数。

2.根据权利要求1所述车联网中基于优先级的区块链共识方法，其特征在于：出块权竞选实现方式采用以下步骤，

步骤一，初始化后，开启一轮出块权竞选；

步骤二，通过共识方式选举拥有出块权的节点；

步骤三，本轮选举失败，未产生拥有出块权的节点，进入步骤一开启下一轮竞选；

步骤四，本轮选举成功，拥有出块权的节点打包交易产生新区块；

步骤五，拥有出块权的节点广播新块，进入步骤一开启下一轮竞选。

3.根据权利要求1或2所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法，其特征在于：仅存在一个领导者节点，承担打包出块和触发出块权选举。

4.根据权利要求1或2所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法，其特征在于：出块权选举过程中，通过多轮消息互传，选举合适的节点承担领导者节点角色。

5.根据权利要求3所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法，其特征在于：出块权选举过程中，通过多轮消息互传，选举合适的节点承担领导者节点角色。

6.一种可读存储介质，其特征在于：可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如权利要求1-5任一项所述的一种车联网中基于优先级的区块链共识方法。