作者 | 北京交通大學 劉同來
近年來，隨著自動駕駛、物聯網和大數據等技術的飛速發展，車聯網（IoV） 已成為重要的研究領域。IoV通過車與車、車與路、車與人、車與傳感器設備等交互，以移動通信系統為傳輸載體，收集車輛、道路和環境的信息。同時，車聯網在信息網絡平臺上，對多源採集的信息進行加工、計算、共享和安全發布，並根據不同的功能需求對車輛進行有效的引導與監管，以及提供專業的多媒體與移動網際網路應用服務。這些技術的集成旨在為人們創造一個更好的環境和公共空間，提高道路的安全性。作為多方軟體、硬體參與的數據交換和存儲的平臺，從信息採集到展示全流程生命周期，車聯網需要具有安全、透明和不可變的性質，才能實現其預期優質的安全服務目標。關於安全性，隨著區塊鏈技術的發展日趨成熟，其去中心化、開放性、防篡改、匿名性和可追溯等特性被認為可顛覆人類數千年來的交易基礎。而結合區塊鏈構建高安全性車聯網更是未來發展趨勢之一。但是區塊鏈技術與車聯網的融合還面臨新的挑戰，同樣也有新的研究機遇。
通過將區塊鏈引入IoV 中，其結合可以保證數據不可篡改，從而提供了數據的安全性和真實性。然而，區塊鏈是基於不同的技術集成，其本身並不能直接保證安全和隱私。現代密碼學、匿名和鏈式存儲等關鍵技術能夠確保區塊中內容(交易或記錄) 的安全性以及用戶和設備的隱私。為了應對上述挑戰，大量工作採取了一系列措施來確保區塊鏈驅動的IoV的安全性和隱私性。文獻[1]為了防止偽造信息的傳播以及確保車輛的隱私，設計了一個匿名信譽系統。該系統有助於在車載網絡中建立一個保護隱私的信任管理。其中，該系統使用了信譽評估算法，在指定車輛信譽值的幫助下提供該消息的可信度。這些信譽值是通過考慮車輛的歷史交互以及來自其他車輛的間接投票來計算的，並且將被存儲在區塊鏈上。另一方面，為了確保隱私和防止跟蹤攻擊，該文在V2I和V2V通信中使用假名而不是車輛的真實身份。單個車輛的公鑰被當作是它們的假名。假名提供有條件的隱私，以便在任何爭議的情況下，真實身份將被披露給可信的機構來識別車輛。文獻[2]提出了智能交通系統異構網絡的區塊鏈輔助安全框架。該文採用區塊鏈技術來加速異構網絡中的分布式密鑰管理，以獲得更高的效率。該框架由兩個方案組成，分別是區塊鏈輔助的新型密鑰管理方案和動態事務收集方案。在密鑰管理方案中，通過取消中央管理器後引入了多個安全管理器(SMs) 來發揮重要作用，即驗證和認證密鑰傳輸過程。而處理後的記錄將存儲在區塊鏈上，並在SMs中共享。另一方面，動態事務收集方案使得系統能夠在車輛移交期間減少區塊鏈網絡的密鑰傳送時間，並且收集周期可以根據不同的流量水平而動態改變。SMs的其他職責是捕獲車輛離開信息，並在同一網絡中對車輛執行密鑰更新。
文獻[3]主要討論了目前為基於雲的車載網絡設計的可用認證機制的局限性問題。在大多數情況下，這些認證機制不能保證安全可靠的通信，以及車載網絡中高度移動、延遲敏感和去中心化場景中的最佳服務質量。為了解決這一局限性問題，作者引入了一種用於車輛霧計算場景的去中心化認證和密鑰交換機制。該機制基於區塊鏈和橢圓曲線密碼學（ECC）。在該文中，區塊鏈通常用於維護網絡信息，而ECC 則確保車輛和霧節點之間的相互認證、用戶匿名和對參與車輛的重新認證。區塊鏈和ECC將使車輛能夠安全無縫地進入去中心化的霧網絡。文獻[4]中介紹了另一種基於區塊鏈的連接車輛消息認證方案的工作。該方案提供匿名和去中心化的廣播消息。這些消息由連接的車輛交換，使車輛能夠以高效和分布式的方式認證消息。這裡採用基於公鑰的加密和消息認證碼技術進行認證。該方案藉助實用的拜佔庭容錯和PoS機制構建一個去中心化的網絡。
為了實現遠程認證，文獻[5]中提出了一種基於隱私保護區塊鏈的安全模型，稱為RASM(遠程認證安全模型)，用於V2X網絡中的智能車輛。該安全模型旨在提高隱私保護安全性，同時確保去中心化性、可追溯性和不可否認性。RASM 包括兩個主要步驟。首先是身份認證，車輛向區塊鏈網絡共享其可信身份作為證據。然後，車輛通過計算和評估某些標準來做出自己的決策。這一步還包括由一些預先選擇的節點對存儲在區塊鏈上的記錄進行匯總。為了向用戶提供高效的關鍵詞搜索能力，文獻[6]中介紹了針對區塊鏈和基於雲的車輛社交網絡應用的去中心化可搜索加密方案。可搜索加密是一種加密原語，允許在雲伺服器等存儲設備中搜索數據，同時確保用戶數據的安全性。為了保護用戶的隱私，該方案還提供了前向和後向隱私。因此，該方案被稱為BSPEFB。圖1展示了BSPEFB 的系統模型和工作流程。對於去中心化，區塊鏈採用智能合約來解決單點攻擊，並檢查返回的結果是否正確。
圖1 文獻[6]中介紹的分散可搜索密碼方案的系統模型概述
為了控制訪問，文獻[7]為區塊鏈輔助運輸系統提出了一種新穎的輕量級策略驅動籤名方案，稱為PDS。因為這些類型的交易通常具有一定的訪問權限，PDS是特別為私有和許可的區塊鏈系統開發的。如圖2所示，策略集用於控制訪問，以確保只有滿足策略集的籤署者才能參與某些交易。區塊鏈網絡中的用戶應該具有包含策略集的籤名密鑰。此外，該方案依賴於基於屬性的籤名和無證書密碼體制。該方案的目的是提供較短的籤名長度和較少的計算處理時間。與傳統的ABS 框架相比，PDS採用了不需要任何可信認證機構的無證書加密技術，所以其更適合區塊鏈的要求。最後，文獻[8]提出了在區塊鏈輔助智能交通系統中使用基於位置服務的車輛位置隱私保護方案。該方案的目的是解決目前流行的隱私保護技術-分布式k 匿名的局限性問題，如無法檢測惡意車輛和敏感位置隱私洩露。該方案考慮了車輛的可信度，以及在此基礎上車輛之間相互協作。
圖2 文獻[7]中提出的區塊鏈輔助運輸系統的策略驅動籤名方案
將區塊鏈引入IoV系統可能需要在高度動態的移動車輛環境中處理大量數據和交易的能力。這是目前區塊鏈技術在IoV應用的一個問題。因此，由於對海量數據的依賴和移動性，由區塊鏈驅動的IoV網絡的性能指標與其安全性和隱私性同等重要。這些性能指標包括延遲、能耗、吞吐量和可擴展性。
有一些研究關注於改善性能指標，特別是支持區塊鏈的IoV。例如：文獻[9]解決了由於更新車輛和區塊鏈網絡之間的帳本，需要過多的交易相關消息，從而導致車輛高能耗相關問題。為了最大幅度節省能量，該文引入了分布式聚類方法。該方法能最優地控制事務的數量。該文通過數值分析對該方法的性能進行了定量討論。與傳統方法相比，該方法節能40.16%，交易量減少82.06%。文獻[10]提出了一種區塊鏈輔助IoV的基於深度強化學習(DRL)技術的性能優化框架，用來解決可擴展性問題和處理車輛生成的海量數據。該框架側重於最大化事務吞吐量，並考慮三個主要的區塊鏈屬性，如去中心化、安全性和延遲。在此框架下，該文首先提出了一種定量的方法來評價區塊鏈的性能。其次該文利用DRL 技術，通過選擇區塊生產者，和根據車輛的動態分布調整區塊大小和間隔時間來提高性能。
當下主流的共識機制主要是為加密貨幣應用設計的。然而，由於IoV 的性質不同，在IoV 中使用這些機制存在還一些問題，例如區塊驗證、安全性、獎勵和懲罰方案以及能量消耗等問題。
IoV在特定環境下優化的共識機制能夠提高將區塊鏈納入IoV的適用性。在文獻[11]中，通過增強安全性的委託利益證明(DPoS)共識機制，提出了一種面向基於區塊鏈的IoV應用。這篇文章的貢獻主要有兩個部分。第一部分是基於信譽的有效選擇礦工投票方案。這個方案的基礎是多權重主觀邏輯模型。其中，信譽的概念旨在防止富裕的利益相關者和候選人之間的勾結。多權重主觀邏輯模型用來準確計算候選礦工的信譽。為了計算礦工候選人的聲譽，該方案考慮了過去的互動和推薦情況。而高優先級的候選人將被分為兩類：主動候選人和備用候選人。第二部分提供激勵機制，鼓勵聲譽良好的備用候選人在再次審核後驗證新區塊。這種驗證的目的是減少主動候選人之間的勾結。在第二部分中，引入合約理論對主動候選人和備用候選人之間的交互進行建模，並考慮了安全性、延遲時間以及區塊管理器和驗證器的效用優化。
為了解決目前集中式通信所產生的IoV難題，如安全性、性能和通信等，文獻[12]開發了一種用於IoV 的共識算法。首先，該文根據去中心化的區塊鏈體系結構，修改了當前的集中式體系結構，取消了中心節點，並將所有節點劃分為與網際網路連接的車輛節點和路邊計算節點。隨後，該文採用拜佔庭共識算法，使得所有節點都能夠不依賴於任何中央權威的認證。此外，在網絡中的惡意節點出現故障或向其他節點傳播虛假數據的情況下，該算法也能夠使節點達成足夠的共識。此外，該算法利用時間序列技術和Gossip協議來提高通信和共識效率。在這種情況下，文獻[13]提出了一種卸載方法，可以將權益證明(PoS)的驗證過程卸載到邊緣或雲計算平臺。根據可滿足性模理論(SatisfiabilityModulo Theories，SMT)將這種方法稱為ECbroker。卸載驗證過程能夠提高事務的吞吐量並減輕處理開銷。理論分析表明，當車輛卸載驗證過程時，ECbroker實現了77.7%的額外利潤，同時消耗了39.2%的能量。通過SMT，ECbroker決策出在本地驗證還是將過程卸載到邊緣還是雲端。在做出決策時，車輛還會考慮其計算資源和移動性。
基於公有鏈和聯盟鏈的IoV通常依賴於一個或多個實體。包括新區塊的驗證、確認、相關數據生產和區塊鏈存儲等。向貢獻者提供獎勵，是促進區塊鏈相關行為的關鍵。由此，大量工作提出了一些專門針對IoV的應用的激勵機制。例如，在獲得許可的區塊鏈的幫助下，文獻[14]為車輛能源網絡引入了激勵機制，該網絡被稱為BSIS。圖3展示了BSIS 的網絡模型。該激勵機制以定價理論為基礎，對車輛的充放電過程進行優化調度，以實現車輛效用最大化並且平衡區域能源。此外，文獻[14]還引入了信譽證明(PoR)共識機制來支持BSIS，其中驗證者可根據其信譽值進行選擇。這種信譽技術可增強區塊鏈網絡的安全性。同時，文獻[15]提出了另一種新的激勵方案，以提高區塊鏈輔助車輛數據共享中委託利益證明(DPoS)共識機制的安全性。此激勵方案的目的是在驗證新區塊的同時，解決潛在的內部共謀攻擊。主動驗證者可能會與惡意參與者相勾結，以獲得相應的獎勵。為了解決這個問題，新的區塊將被發送到備用驗證器，以進行進一步的審核和驗證。激勵機制是基於合約理論設計的，使得主動驗證者和備用驗證者可以相互作用。備用驗證者可以根據貢獻得到一部分獎勵。數值結果表明，該激勵方案能夠在優化所有驗證器效用的同時，通過防止合謀攻擊，來提高DPoS的安全性。文獻[16]在區塊鏈和基於RSU 的車載網絡的背景下，提出了一種去中心化的獎勵和懲罰機制。該機制的目的是確保基於區塊鏈輔助車載網絡的可信度。該機制考慮了影響單個車輛信任值評級的因素。而RSU的責任是分配和管理信任值。網絡中的車輛根據其活動，接受處罰和獎勵。例如，一旦RSU檢測到車輛發送的惡意信息，RSU會對該特定車輛進行負面評級。這個負面評價使得該車輛的信任值降低，並使得該車輛受到處罰。此外，具有低信任值的車輛不允許生成任何新消息。通過這種方式，網絡將能夠增強所連接車輛之間的可信度和效率。
圖3 文獻[14]中提出的激勵機制網絡模型
與通常資源受限的輕量級物聯網智能設備不同，智能汽車具有足夠的計算資源，如CPU、內存以及能源供應等。這些智能汽車擁有的資源能夠滿足參與計算昂貴的新區塊驗證過程的實質性要求。但是出於移動性的本質，智能車輛可以採用邊緣計算模式來促進這些過程。在IoV場景中，存在邊緣節點是靜止的情況，這能夠提供一種方便的方式來執行區塊鏈計算和存儲。車輛可以將驗證過程卸載到邊緣節點，如RSUs。
然而，邊緣節點實際上有可能是第三方擁有的不在車輛信任域內的RSUs。因此，它可能會在區塊鏈輔助的IoV 應用中產生安全性問題。具體而言，存在關鍵問題是從邊緣節點獲得的區塊鏈處理結果可能不完全可信和正確。為了保證結果的可信度，我們應該提供邊緣節點處理正確性的可驗證性。因此，一個叫做可驗證計算的概念被引入，來實現這些目標。這種可驗證的計算提供了相對輕量級的實體，來將不同輸入上的一些函數F的計算任務，卸載到其他更強大的計算節點。強大的計算節點可能不受信任，所以他們需要發回帶有證明的結果，以便輕量級實體能夠驗證計算是否已經正確執行。因此，設計高效的可驗證計算方案將是未來邊緣計算關鍵的研究領域之一。而區塊鏈驅動的IoV系統可以驗證邊緣節點完成的區塊鏈計算過程的正確性。
對於聯盟使用和私有(如許可區塊鏈)的應用場景，其安全性依賴於PKI。PKI指的是一種使設備、人和其他相關實體的身份，能夠被附加到各自的公鑰的方法。公鑰通過網際網路傳輸，然後用於加密和數字籤名驗證。這種附加方法是由證書頒發機構(CA)提供的證書頒發方法形成的。證書頒發機構使任何人都能夠檢查自己的公鑰是否已分配給特定實體。因此為了獲得公鑰基礎設施，每個實體必須與證書頒發機構連接。除此之外，PKI還有另一個受信任的實體，稱為註冊機構(RA)，負責維護註冊過程的驗證和正確性的保證。
利用公鑰加密技術可實現安全的通信，PKI是IoV應用場景的一個有利選擇。在文獻[17]中，這種公鑰基礎設施應用在區塊鏈輔助的IoV場景。另一方面，因為PKI 依賴於證書頒發和註冊機構，對於車輛而言，直接將PKI應用於IoV可能會導致延遲、可用性和可擴展性問題。因此，如何解決上述問題並同時實現PKI的功能成為新的挑戰。具體而言，為了使車輛能夠提供低延遲服務，機構儘可能設置在本地。在公鑰基礎設施中，使用智能合約能夠夠抵抗可用性攻擊同時保持低延遲通信。與此同時，如果證書頒發和驗證機構的地理位置靠近車輛，智能合約將能夠確保其得到相應的信任。因此，在公鑰基礎設施領域進行IoV研究有著巨大的潛力。
在許多IoV情景下，需要將車輛生成的數據發送到雲平臺、RSUs和相鄰車輛。此外，為了提高駕駛體驗，一些車輛可以與其他車輛共享駕駛信息和位置。然而，因為惡意用戶可能會發現車輛的真實位置、位置歷史、現場位置和真實身份，在這一領域出現了一些隱私問題。上述關鍵隱私問題可能主要由以下原因引起:
( 1 ) RSUs可能由第三方服務提供商維護。由此它們比雲服務提供商提供更少的隱私保護，車輛用戶無法確保RSUs數據交易記錄
( 2 ) 卸載的任務可能包含私有或敏感數據
( 3 ) 收集數據用以訓練機器學習模型
( 4 ) 區塊鏈交易的公共存儲安全
( 5 ) 對車輛的移動和通信行為以及共享數據進行分析
為了防止洩露任何信息，保護其隱私也非常重要。同樣，為了解決隱私問題，經典的區塊鏈技術提供了一種隱私保護技術，即使用假名隱藏車輛的真實身份。除此之外，還採用了幾種加密技術來確保區塊鏈交易的隱私。
儘管基於密碼技術的方法被認為是一種領先的策略，但有時這種方法可能並不完善。此外，它可能會帶來某些限制，如管理密鑰、需要大量計算資源以及犧牲性能等。與此同時，我們有必要探索更先進的隱私保護方法，來解決未來因區塊鏈技術帶來的不同數據結構、架構而出現的新問題。在這方面，差分隱私是其中一種保護隱私的方法。
在差分隱私中，可以通過添加所需數量的噪聲來保存大量數據（如數據集和實時數據），同時保持準確性和隱私之間的良好平衡。此外，差分隱私在IoV場景中還實時保護位置隱私。通過對位置和身份進行數據擾動，從而確保位置和車輛的隱私。這種方法通過使用不同的隱私來計算噪聲的量，然後將這種噪聲添加到查詢數據中，以確保數據對於觀察者來說是安全且不可區分的。這種幹擾方法會對已報告數據的準確性產生影響，同時幹擾越多的數據將加強隱私保護。其中的一個優點是用戶能夠控制隱私級別。但是，這種方法有可能會給某些在與區塊鏈合併後需要準確報告數據的IoV應用帶來困難。總而言之，差分隱私可以通過不同的方式在很大程度上增強隱私保護，具有很大的發展潛力。
道路安全應用：通過獲取車輛產生的數據，IoV可以進行實時數據處理。如果出現任何危險數據，附近的RSUs和其他車輛將負責保存記錄並通知所有人，以便其他人通過提前採取必要的措施來避免潛在的風險。在這種場景中，信任作為決定性因素。因此，在將區塊鏈與道路安全應用相結合後，車輛將能夠信任由RSUs和其他同行車輛建立的區塊鏈網絡。
汽車大數據拍賣：近幾年，針對網絡服務許多工作引入拍賣理論。它們的共同目標是在買賣雙方之間進行不同服務和產品的拍賣。同樣，拍賣理論在車載傳感器大數據場景中得到了廣泛的應用。這樣的拍賣存在預先定義的、可信任的中央權威機構，但在另一方面，也產生了一些困擾，主要產生了額外的處理開銷以及存在內部和外部威脅的可能性。因此，智能合約與區塊鏈聯合將是解決這些問題的合適解決方案之一。
內容緩存：隨著數據流量的指數級增長，利用RSUs 和車輛的存儲資源作為雲的補充伺服器以達到緩存流行內容的方法受到越來越多的關注。特別地，與其他應用和服務相比，數據傳輸密集型的應用和服務大多數採用了內容緩存的方法。這種內容緩存減少了對回程連接的依賴，同時確保了低延遲通信以及提供更好的用戶體驗。因此，如何利用區塊鏈技術實現高效、快速、經濟可行的內容緩存非常重要。在IoV場景中，區塊鏈和智能合約將在兩個方面做出貢獻。第一個是利用區塊鏈結構，只保留緩存內容的輕量級塊頭，這將能夠比傳統的緩存系統更快地在車輛和緩存節點之間實現互相信任。另一個是為緩存貢獻者開發經濟激勵友好的智能合約，由此來鼓勵貢獻者。
區塊鏈技術已經被開發用於具有穩定和固定網絡連接的應用場景。另一方面，在IoV生態系統中，車輛是移動的，即頻繁地從一個地方移動到另一個地方。並且只要通信條件允許，車輛會試圖通過無線方式與其他車輛建立連接。因此，要使區塊鏈適用於這種可能經常出現不穩定的無線連接的場景，是一項具有挑戰性的任務。此外，隨著區塊鏈的發展，頻譜、存儲和計算資源可以被共享，同時區塊鏈使建立對等資源共享變得更加容易。然而，結合區塊鏈技術會產生一些新的的研究問題。
( 1 ) 如何通過車輛、邊緣節點來聚合資源，並將聚合的資源整合到區塊鏈生態系統中；
( 2 ) 如何在邊緣設備、服務提供商、車輛、經紀人和對聚合有貢獻的參與者之間分割和分配利潤，使得所有實體將根據他們的貢獻正確地分配利潤；
( 3 ) 如何運用定價理論量化不同的資源，優化各方利益，使各方都願意參與；
( 4 ) 如何開發合適且實用的方法，使得在保持長期穩定連結的同時與周圍節點建立連接；
( 5 ) 如何通過在交易資源時使用區塊鏈或智能合約來確保和維護實體的可信度；
( 6 ) 如何發現惡意和不誠實的實體可能有意拒絕交易，並拒絕給予獎勵或商定的資源；
( 7 ) 如何對因無線連接而退出和下線的貢獻者進行適當的利潤和激勵量化；
本文進一步強調了四個關鍵挑戰，並介紹了應對這些挑戰的相關研究工作，包括安全性與隱私性、性能、IoV 場景下優化的共識機制以及激勵機制等。隨後，本文詳細討論了一些區塊鏈驅動的架構和框架。最後，該文簡要探討了該領域未來的研究機遇。綜上所述，區塊鏈技術和IoV的結合有望顯著增強與豐富車載傳輸系統的功能。
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