CN114338730B - 用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统 - Google Patents
用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例提供一种用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统，该方法包括：通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中。本发明实施例通过用事务级的DAG数据结构构建区块，然后对一定时空范围内的有向无环图区块进行共识，利用两级共识，从局部到整体，完成高速动态拓扑网络的数据快速同步更新。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，尤其涉及一种用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统。
背景技术
应用于车联网内的区块链，往往采用经典的工作量证明(Proof of Work，简称PoW)或者类股权证明(Proof of Stake，简称PoS)的共识算法，这些共识算法的共同特点是基于区块的时间排序实现交易事务的有序，进而使得用户的交易或者账户不会出现双花或者分叉等问题。另一种面向物联网应用的基于有向无环图(Directed Acyclic Graph，简称DAG)的共识算法也得到了广泛的应用，典型的项目有IOTA、Byteball和Nano等，基于DAG的算法没有区块的概念，区块链或账本的基本单元是单个事务或交易(transaction)。同时在验证和共识的时候，是通过后发布事务验证较早发布的事务，同一时间多个不同的事务发布者可以同时验证多个较早发布的事务，这使得DAG可以异步并发的写入很多交易，提供区块链网络的事务吞吐量。
在基于车用无线通信技术(vehicle to X，简称V2X)的车联网内进行车辆协作时，由于交通领域应用的时空特性，车辆之间的交互事务是频繁且爆发性的。因此现有的区块链共识算法几乎无法满足这种场景下的事务吞吐量需要；而基于DAG结构的共识机制，需要区块链网络内保持较高的事务吞吐量，以维持稳定的事务共识时间，但是由于车联网高速变化的动态拓扑，区块链网络内的事务传递可能出现延迟、不可达或认证次数不足等问题。
因此，现在亟需一种用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于车联网通信场景的区块链共识方法，包括：
通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；
根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中。
进一步地，所述通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，包括：
在预设时间段内，基于预设车辆位置范围和预设事务时间戳范围对事务进行划分，构建车辆区域在预设时间段内的有向无环图；
对所述有向无环图中的事务信息进行共识，若达成共识，则基于共识后的事务信息构建车辆区域对应的逻辑网络切片。
进一步地，所述事务信息至少包括：前置事务ID集合、事务时间戳、车辆地理位置、应用载荷、区域标识和随机数。
进一步地，在所述通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片之前，所述方法还包括：
根据事务时间戳和车辆地理位置，对车联网通信场景进行划分，得到多个车辆区域。
进一步地，所述根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中，包括：
根据每个逻辑网络切片的事务内容，构建每个路边单元对应的区块，所述区块表示为：
区块：＝<区块头，区块体(DAG1,DAG2,…,DAGK)>；
其中，DAGK表示第K个逻辑网络切片的事务内容；
基于类股权证明共识算法，对每个区块进行共识，并将共识流程竞争得到的区块加入到区块链中。
进一步地，所述类股权证明共识算法的随机数设置为SHA256哈希运算。
第二方面，本发明实施例提供了一种用于车联网通信场景的区块链共识系统，包括：
第一共识模块，用于通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；
第二共识模块，用于通过类股权证明共识算法，对每个逻辑网络切片之间的事务内容在区块链网络上进行共识，并将共识后的逻辑网络切片加入到区块链网络中。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所提供的方法的步骤。
本发明实施例提供的一种用于车联网通信场景的区块链共识方法及系统，通过用事务级的DAG数据结构构建区块，然后对一定时空范围内的有向无环图区块进行共识，利用两级共识，从局部到整体，完成高速动态拓扑网络的数据快速同步更新。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的DAG事务网络结构的示意图；
图3为本发明实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在基于V2X技术的车联网内进行车辆协作时，由于交通领域应用的时空特性，车辆之间的交互事务是频繁且爆发性的。因此现有的区块链共识算法几乎无法满足这种场景下的事务吞吐量需要；而基于DAG结构的共识机制，需要区块链网络内保持较高的事务吞吐量，以维持稳定的事务共识时间，但是由于车联网高速变化的动态拓扑，区块链网络内的事务传递可能出现延迟、不可达或认证次数不足等问题。。
本发明实施例提出了一种适用与V2X通信场景的区块链共识方法，在具有时空特性的V2X智能交通应用领域，将车辆按照地理区域进行分组，并根据数据交换的时间戳动态调整分组的存活时间，按照这种时空特性实现车联网网络在应用层的切片。如果以车-车、车-群组的数据交换定义为一次需要在区块链上记录的事务，则该事务需要在区块链网络上完成共识。进一步地，切片内的车辆事务以DAG的数据结构进行，达到快速认证和切片共识，这样可以支撑车辆之间频繁的数据交换业务达成基本有序，实现第一层共识；然后，在一个固定时间间隔内的会产生多个DAG事务网络，通过路边单元(Road Side Unit，简称RSU)将这些DAG进行收集整理，自愿成为矿工的RSU将所有切片的DAG网络打包成区块体，构建各自的DAG区块，通过PoW竞争争取自己的区块被达成共识，，实现第二层共识，进而提升网络的安全性。
图1为本发明实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种用于车联网通信场景的区块链共识方法，包括：
步骤101，通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，即事务需要在其所在的逻辑网络切片内达成共识条件，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的，所述逻辑网络切片由多个地理位置相邻的车辆区域组成。
在本发明实施例中，在构建逻辑网络切片之前，首先根据车辆地理位置和车联网应用对车联网通信场景进行划分，得到多个车辆区域；具体地，假设整个车联网按地理位置被划分为K个车辆区域，每个区域内有RSU和车载单元(ON Board Uint，简称OBU)两类节点，为方便理解，本发明实施例以车辆代替OBU进行描述。
步骤102，根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中。
在本发明实施例中，根据逻辑网络切片，由路边单元构建其所在切片的区块，多个逻辑网络切片的不同路边单元，通过共识算法完成区块共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中。具体地，设置预设时间T为DAG区块的出块间隔，所以RSU每T时间竞争一个区块的产生，进而将竞争得到的区块加入到区块链网络中。
本发明实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识方法，通过用事务级的DAG数据结构构建区块，然后对一定时空范围内的有向无环图区块进行共识，利用两级共识，从局部到整体，完成高速动态拓扑网络的数据快速同步更新。
在上述实施例的基础上，所述通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，包括：
在预设时间段内，基于预设车辆位置范围和预设事务时间戳范围对事务进行划分，构建车辆区域在预设时间段内的有向无环图；
对所述有向无环图中的事务信息进行共识，若达成共识，则基于共识后的事务信息构建车辆区域对应的逻辑网络切片。
在本发明实施例中，以车联网中车辆之间的协同感知应用为例，假设第k个车辆区域内，任意一辆A车在t0时刻发出协同感知请求，B车、C车和D车做出响应，即B车、C车和D车作为A车感知端，当4车完成感知数据交换后，A车作为请求发起端，负责记录本次事务全过程，并将该过程生成事务信息在该事务信息中，除必要的字段外，事务信息至少包括：前置事务ID集合、事务时间戳(时间戳)、车辆地理位置(位置)、应用载荷、区域标识和随机数NONCE，构成的事务信息内容/>表示为：/>前置事务ID集合，时间戳，位置，应用载荷，区域标识，NONCE，…>；
其中，应用载荷包含了A车与其余3车的数据交换过程，以及费用结算信息。该事务信息由A车负责广播，k区域内E车辆在t1时刻发起自己的请求，监听到A车发布的未验证的E车将执行/>的验证工作，包括事务合法性和应用载荷内容验证等。若/>完全合法，E车将/>的事务哈希值作为自己事务/>的前置事务ID，表示该验证工作由自己完成，随后/>被发布到网络。在实际的车联网通信场景中，除E车外，可能同时有若干个车辆同时验证/>图2为本发明实施例提供的DAG事务网络结构的示意图，在T时间内，多个车辆同时验证前置事务可参考图2所示。进一步地，在实际的车联网通信场景中，还存在若干事务在同一时间发布到网络内，可参考图2所示，例如，/>和/>并且任意事务的前置事务也可以有多个，例如，对于/>其前置事务为/>和/>在本发明实施例中，DAG由车辆位置和事务时间戳为基准划分，只有当两个要素均符合预设的条件时，事务才属于指定的第k个车辆区域在T时间内的DAG，从而构建第k个车辆区域对应的逻辑网络切片。
本发明实施例根据车联网中车辆的时空位置，将网络内的车辆节点随机组成若干个车辆区域，并基于这些车辆区域内的车辆发布的事务，组成基于DAG构建的逻辑网络区块，从而完成第一层共识过程。其中，DAG的节点由事务组成，每个事务需要包含由经纬度(车辆位置)和事务时间戳产生的唯一标识。
在上述实施例的基础上，所述根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中，包括：
根据每个逻辑网络切片的事务内容，构建每个路边单元对应的区块，所述区块表示为：
区块：＝<区块头，区块体(DAG1,DAG2,…,DAGK)>；
其中，DAGK表示第K个逻辑网络切片的事务内容；
基于类股权证明共识算法，对每个区块进行共识，并将共识流程竞争得到的区块加入到区块链网络中。
在本发明实施例中，假设每个车辆区域内均有多个RSU覆盖所属车辆区域，并作为基础设置提供V2X的通信服务，则第k个车辆区域内存在若干个RSU可以监听到所有数据交互，以及据此发布的事务构成的DAG，由于RSU作为核心基础设施由光纤连接，可以假设RSU之间可以实时交换各自的区域内的DAG。因此，通过上述实施例完成第一层共识，得到每个区域的逻辑网络切片之后，在t+T时刻，任一RSU可以得到整个网络内的所有车辆区域的DAG，并产生对应的区块，该区块结构包含如下内容：
区块：＝<区块头，区块体(DAG1,DAG2,…,DAGK)>
由于RSU可以监听各自车辆区域的通信，并在所有RSU间进行共享，因此，各个DAG的事务内容可以在RSU中进行二次验证，并重构所有DAG为一个时序链。随后，RSU依据标准PoW共识流程，将竞争得到的区块写入权限，提高恶意RSU节点发动分叉攻击的成本，提高区块链网络的安全性。优选地，在本发明实施例中，由于不存在铸币交易，所以为节省资源，将随机数Nonce设置成较低的运算难度，即保持SHA256哈希运算难度不变。
在本发明实施例中，由于每个逻辑网络切片内会包含多个RSU，他们负责共同确定事务验证关系的顺序，完成第一级共识，保证网络的事务吞吐量；而每一个逻辑网络切片内的RSU负责监听所有其他逻辑网络切片内的DAG，使得RSU作为矿工，通过POW共识算法，竞争自己所维护的DAG区块作为网络本轮区块，完成第二级共识，提高恶意分叉攻击的成本以及加强网络安全性。
图3为本发明实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识系统的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供了一种用于车联网通信场景的区块链共识系统，包括第一共识模块301和第二共识模块302，其中，第一共识模块301用于通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；第二共识模块302用于通过类股权证明共识算法，对每个逻辑网络切片之间的事务内容在区块链网络上进行共识，并将共识后的逻辑网络切片加入到区块链网络中。
本发明实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识系统，通过用事务级的DAG数据结构构建区块，然后对一定时空范围内的有向无环图区块进行共识，利用两级共识，从局部到整体，完成高速动态拓扑网络的数据快速同步更新。
本发明实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
图4为本发明实施例提供的电子设备结构示意图，参照图4，该电子设备可以包括：处理器(processor)401、通信接口(Communications Interface)402、存储器(memory)403和通信总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过通信总线404完成相互间的通信。处理器401可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行如下方法：通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中。
此外，上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于车联网通信场景的区块链共识方法，例如包括：通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种用于车联网通信场景的区块链共识方法，其特征在于，包括：
通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；
根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中，其中，每个逻辑网络切片中包含多个路边单元，每个路边单元共同确定事务验证关系的顺序，完成第一级共识；每个逻辑网络切片内的路边单元监听其他逻辑网络切片内的有向无环图，通过工作量证明共识算法，竞争自身所维护的有向无环图区块作为区块链网络本轮区块，完成第二级共识。
2.根据权利要求1所述的用于车联网通信场景的区块链共识方法，其特征在于，所述通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，包括：
在预设时间段内，基于预设车辆位置范围和预设事务时间戳范围对事务进行划分，构建车辆区域在预设时间段内的有向无环图；
对所述有向无环图中的事务信息进行共识，若达成共识，则基于共识后的事务信息构建车辆区域对应的逻辑网络切片。
3.根据权利要求2所述的用于车联网通信场景的区块链共识方法，其特征在于，所述事务信息至少包括：前置事务ID集合、事务时间戳、车辆地理位置、应用载荷、区域标识和随机数。
4.根据权利要求2所述的用于车联网通信场景的区块链共识方法，其特征在于，在所述通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片之前，所述方法还包括：
根据事务时间戳和车辆地理位置，对车联网通信场景进行划分，得到多个车辆区域。
5.根据权利要求1所述的用于车联网通信场景的区块链共识方法，其特征在于，所述根据逻辑网络切片，构建路边单元对应的区块，并通过共识算法，对每个区块在区块链网络上进行共识，并将共识后的区块加入到区块链网络中，包括：
根据每个逻辑网络切片的事务内容，构建每个路边单元对应的区块，所述区块表示为：
区块：＝<区块头，区块体(DAG1，DAG2，...，DAGK)>；
其中，DAGK表示第K个逻辑网络切片的事务内容；
基于类股权证明共识算法，对每个区块进行共识，并将共识流程竞争得到的区块加入到区块链网络中。
6.根据权利要求5所述的用于车联网通信场景的区块链共识方法，其特征在于，所述类股权证明共识算法的随机数设置为SHA256哈希运算。
7.一种用于车联网通信场景的区块链共识系统，其特征在于，包括：
第一共识模块，用于通过有向无环图共识算法，对车辆区域中车辆之间的事务信息在区块链网络上进行共识，若共识结果满足预设条件，得到所述车辆区域对应的逻辑网络切片，其中，所述车辆区域是通过将车联网通信应用场景进行划分得到的；
第二共识模块，用于通过类股权证明共识算法，对每个逻辑网络切片之间的事务内容在区块链网络上进行共识，并将共识后的逻辑网络切片加入到区块链网络中，其中，每个逻辑网络切片中包含多个路边单元，每个路边单元共同确定事务验证关系的顺序，完成第一级共识；每个逻辑网络切片内的路边单元监听其他逻辑网络切片内的有向无环图，通过工作量证明共识算法，竞争自身所维护的有向无环图区块作为区块链网络本轮区块，完成第二级共识。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述用于车联网通信场景的区块链共识方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述用于车联网通信场景的区块链共识方法的步骤。
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| CN114338730A CN114338730A (zh) | 2022-04-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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