基于改進投票證明共識協議的車聯網系統

陳錦宇，劉兆偉

（煙臺大學計算機與控制工程學院，山東煙臺 264005）

0 引言

物聯網（Internet of Things，IoT）是一個能夠將各類信息傳感設備與互聯網結合起來的巨大網絡，其借助互聯網將現實世界中具有不同功能的實體串聯起來。物聯網將現實世界數據化，使得人、機、物能夠在任何時間任何地點進行數據交互，因而具有深遠的應用前景。車聯網（Internet of Vehicles，IoV）是物聯網的重要子類，用于智能連接車輛［1］，其本質是一個由車輛位置、速度、行進路線及周邊交通狀況等信息構成的交互網絡。車聯網能夠根據收集到的信息做出相應的決策，從而將車輛引導到正確的位置或路線上。除此之外，車聯網還具有以下技術優勢：可實時檢測車輛狀態并向車主匯報，從而大大降低由于駕駛故障車輛而造成的安全隱患；可在駕駛過程中為車主提供實時的導航及道路狀況提示，在提高行進效率的同時降低車禍的發生率；也可在車主因意外陷入險境時，迅速地發出求救信息并提供事故發生的具體位置，這樣車主就可以在盡可能短的時間內得到救援。

然而在車聯網系統的設計與實現中也存在許多挑戰。例如，惡意攻擊者可以通過廣播虛假信息的方式來誤導其他車輛［2］；也可以通過劫持車聯網節點來阻礙消息的傳遞，進而影響車聯網的實際運轉。除了惡意攻擊者引發的種種安全挑戰外，如何處理好車輛隱私與安全之間的矛盾也成為了車聯網在實現過程中的另一大難點。作為一門新興技術，區塊鏈在解決車聯網的這些難題上有著顯著的優勢。區塊鏈本質上是一門數據庫技術，是一個去中心化的分布式賬本數據庫。通過使用區塊鏈可以對設備進行自動化管理，也可以進一步提高物聯網設備的數據同步管理效率［3］。

文獻［4］提出了一種基于表決機制和聯盟區塊鏈的共識協議。但是，該協議在角色分工上并不能與車聯網的參與者們相匹配，同時缺乏完善的獎懲機制以應對可能存在的惡意攻擊者。文獻［2］提出了一種基于區塊鏈的車聯網系統，但其使用的共識協議是相對原始的工作量證明（Proof of Work，PoW）協議。PoW 是一種將算力作為主要競爭手段來獲取區塊生成權的共識協議。該協議在生成區塊這一環節會消耗大量的時間和資源，因此會給車聯網帶來額外的負擔。

為了解決這些問題，本文提出了一個基于區塊鏈技術的車聯網系統，從而嘗試將區塊鏈與車聯網相結合。本文設計了一個改進后的投票證明（Proof of Vote，PoV）共識協議，這種改進后的PoV 協議更加貼合車聯網的實際需求，能夠更為高效準確地達成共識。該協議會對車聯網的參與者進行相應的身份劃分，使其能夠分工明確地完成車聯網的各項功能。最后，本文設計的懲罰機制也可以有效地遏制惡意攻擊者的行為并降低其可能造成的損失。

1 相關研究

1.1 車聯網

車聯網通過安裝在車輛上的各類電子設備來實時獲取有關車輛的各類信息，這些信息包括車輛的狀態、速度、位置和路線等。在獲取到這些信息后，車聯網可以對所有車輛的運行狀態進行有效的監管，同時提供綜合服務［5］。車聯網不僅僅是為車輛與車輛（Vehicles to Vehicles，V2V）提供信息交互渠道的網絡，它還可以向車輛與行人（Vehicles to Person，V2P）、車輛與道路（Vehicles to Road，V2R）、車輛與路旁基礎設施（Vehicles to Infrastructure，V2I）、車輛與網絡（Vehicles to Network，V2N）等一系列組合提供服務。確切地說，車聯網不只是簡單地將車輛與車輛進行連接，它還將車輛與行人、道路等連接到一起。車聯網的示意圖如圖1所示。

圖1 車聯網示例Fig.1 IoV example

基于所使用的各項技術，車聯網具有以下優勢：1）憑借車聯網技術，車輛的當前狀態信息會被實時收集、匯總和分析，這有助于車聯網更快地診斷出車輛存在的故障問題，從而減少安全隱患；2）車聯網系統可以根據在各個區域中收集到的信息對區域的整體交通狀況做出判斷，這種判斷會借助導航系統反饋給行駛在該區域中的所有車輛，以便這些車輛合理地規劃行進路線，從而提高出行效率；3）當前方路段出現較危險的道路狀況（比如車禍、道路坍塌等）時，車聯網可以及時通知即將駛過該路段的所有車輛以避免事故發生；4）對于已經陷入交通事故中的車輛來說，車聯網會在事故發生時立即采取相應的反饋措施，這類反饋措施包括向車主預先設置的緊急聯系人發出求救報警信息等，因此車主可以在盡可能短的時間內獲得救援。

車聯網技術作為物聯網中具有廣闊前景和實際應用價值的一個成熟板塊，現已納入國家“十三五”重大建設項目庫中。管理者借助平臺可以實時獲取車輛分布、用戶畫像以及車輛軌跡等信息，從而掌握城市道路的基本交通狀況，進而在城市規劃上采取相應的舉措。

1.2 區塊鏈

區塊鏈這一概念最初由“中本聰”于2008 年的論文《Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System》［6］7中提出。經過十余年的發展，由區塊鏈衍生出的一系列技術、概念及產品迅速進入人們的視野，區塊鏈所代表的“去中心化”“不可篡改”等特點也日益受到人們的追捧。區塊鏈技術本質上是一種特殊的數據庫技術。每個區塊就像是一個硬盤，將信息保存下來后通過密碼學技術進行加密，這樣被保存的信息就無法被篡改。而區塊鏈的本質則是一個去中心化的分布式數據庫，分布式數據庫的特點在于它的記錄方式并非只是將賬本數據簡單地存儲在各個節點，而是令所有節點同步的復制賬本數據并將其共享。也就是說，區塊鏈這一分布式數據庫會記錄所有曾經發生并經過系統一致認可的交易。

相較于分布式，區塊鏈最具顛覆性的特點在于去中心化。這使得應用區塊鏈技術的產品不再依賴中心化的代理方式，而是實現了一種點對點的直接交互。高效、大規模和去中心化的信息交互方式因此成為了現實。這些優點使得區塊鏈成為當前社會的一大熱點，越來越多的行業開始嘗試將區塊鏈與自己行業的技術相結合。

從結構上來說，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊順序相連的鏈式數據結構。每個數據區塊從結構上分成兩部分：區塊頭與區塊體。區塊頭共80 個字節，通常分成6 個部分：版本號（4 B）、時間戳（4 B）、前區塊哈希值（32 B）、Merkle樹根節點（32 B）、難度值（4 B）以及Nonce 值（4 B）。區塊鏈的基本結構如圖2所示。

圖2 區塊鏈結構Fig.2 Blockchain structure

1.3 PoV協議

PoV 協議的全稱是投票證明。這種共識協議為區塊鏈的網絡參與者設置不同的安全身份，PoV 共識協議可以在不依賴第三方中介或公眾意識的情況下，根據機構在聯盟中的投票結果對區塊的提交和驗證做出決定［4］。通過與文獻［3］的研究相對比，可以證實PoV有更加出色的工作效率。

PoV協議的具體機制是將參與者劃分為4種不同的身份：專家、管家、管家候選者以及普通用戶。共識結果則在身份的交互下通過投票來決定。4 種身份的分工如下，其系統結構設計如圖3所示。

圖3 PoV結構Fig.3 PoV structure

1）專家。專家的主要職責是維護整個聯盟區塊鏈。專家們有權推薦指定的用戶成為管家候選人，并在隨后的管家選舉中行使投票權；同時，專家還會對當前工作的管家進行評估，并根據評估結果在下一輪投票選舉中決定自己的投票對象；此外，專家還負責核實區塊內容，當超過半數的專家對區塊中的信息表示認可時，該區塊會被標記為有效區塊。

2）管家。管家只負責生成區塊，并不需要通過競爭來獲取區塊的生成權。管家們通過收集消息池中的信息來制作區塊，但區塊是否有效由專家決定，因此，管家們不需要為了搶占區塊的生成權而浪費計算資源和時間。管家只能從管家候選者中誕生。

3）管家候選者。一個節點想要成為管家候選者的話必須通過以下3 個步驟：首先，該節點必須在系統中注冊用戶身份；其次，該節點需要向系統申請成為管家候選者，提交申請的用戶必須獲得至少一名專家的支持；最后，該節點需要上繳一定數額的押金作為擔保。管家會在任期結束后卸任并以管家候選者的身份并加入下一輪選舉。

4）普通用戶。普通用戶不參與區塊的生成過程，僅負責消息的生成和轉發。

此外，PoV共識協議中的這4種身份在滿足一定條件的前提下可以進行相互轉換，具體的轉換過程如圖4 所示，這在一定程度上提高了整個系統的靈活性。憑借明確的分工合作，PoV 共識協議具有良好的可靠性和優異的共識效率，因此可以在不消耗大量時間及計算資源的前提下達成共識。

圖4 PoV中的身份轉換Fig.4 Role change in PoV

2 改進系統的結構設計

在PoV 共識協議中，網絡參與者按照各自的身份進行不同的活動，在這些活動的共同影響下，參與者會對某一觀點達成共識。此外，在滿足一定條件的情況下，參與者的身份可以發生轉換，這種身份轉換的主要目的是讓參與者能夠擔任更適合自己的角色，從而提高共識效率及結構穩定性。由于車聯網的主要用戶是處于不斷移動中的車輛，因此車聯網中的參與者會具備更高的流動性，而這種流動性會導致車聯網中的參與者們不斷地發生更新變動，因而傳統PoV 共識協議中對于身份的轉換操作很難應用在車聯網中。除此之外，在已知車聯網參與者數量可能極為龐大的現實情況下，如果繼續允許這些參與者們轉換身份，必然會給整個車聯網體系帶來巨大的額外負荷。綜上所述，本文最終選擇對傳統PoV 共識協議中關于身份轉換的部分進行優化，使其能更好地與車聯網相結合。

PoV 共識協議將參與者分為專家、管家、管家候選者以及普通用戶4 個部分，其中普通用戶負責消息的發送、接收及傳遞，管家負責將普通用戶發送的多條消息進行歸納整理后轉交給專家，而專家則負責對這些消息進行檢查和判斷。由于管家的人數受到限制［4］，且PoV 共識協議中的參與者存在身份不固定這一特點，因此，為了對申請成為管家的用戶們進行篩選，PoV 設立了管家候選者這一身份，管家候選者身份的獲得必須由一名專家進行擔保，并且需要交付一筆額外的押金來增加犯錯成本。然而，結合上文中對于車聯網并不需要身份轉換的論證，管家候選者也成為了PoV 與車聯網相結合過程中的冗余部分。為了更好地服務于車聯網，本文根據車聯網的實際需求對PoV 共識協議進行了改進。改進后的PoV 共識協議重新對車聯網內的節點賦予不同的功能，其系統結構設計如圖5所示。

圖5 改進的PoV結構Fig.5 Improved PoV structure

圖5 主要由生產者、制造者和審核者組成，其具體分工如下。

生產者 生產者是信息產生的源頭，它們負責生成、接收和傳遞消息。生產者由連接在車聯網中的車輛及路邊的基礎設備組成，它們本身不會參與到區塊制作的過程。生產者會實時收集周圍車輛及環境的數據，并在簽名后將這些消息發送出去。生產者總體上對應傳統PoV 體系中的普通用戶身份，但考慮到車聯網在現實生活中可能會遇到的一些實際問題，又對其做出了一定的改進。為了能更加及時地處理行駛過程中遭遇的緊急事件，生產者除了周期性地發送常規信息外，還可以在特別標注后發送緊急消息，這種緊急消息將在后續的流程中被優先接收和處理，從而進一步保障了車聯網用戶的安全。

制造者 制造者只負責生成區塊。它們類似于傳統虛擬貨幣（例如比特幣）中的礦工，但是車聯網并不會限制制造者們生成區塊的速度，因此它們無需消耗額外的計算資源和時間來搶奪區塊的生成權。制造者們隨機地收集生產者們發送的各類信息并將它們打包成區塊，隨后制造者會通過簽名的方式在自己的區塊上進行署名，區塊最終是否有效將由審核者來進行判斷。在區塊的制作過程中，帶有生產者標記的緊急消息將會被制造者們優先收集并提交給審核者。

審核者 審核者由專業團隊組成，這些專業團隊一般由車聯網所在地的交通部門負責，審核者主要負責判斷區塊是否有效以及處理車聯網內的惡意攻擊者或故障節點。車聯網中生成的每個區塊都需要發送給審核者們進行投票表決，審核者們會根據區塊內信息的真實性做出相應判斷。區塊只有獲得半數以上的審核者認可才會被認為是有效的，有效的區塊將會被上傳至區塊鏈中并在生產者中廣泛傳播。此外，針對車聯網中可能存在的惡意攻擊者及故障節點，審核者也會進行及時處理。

綜上所述，本系統的結構設計如圖6所示。

圖6 整體系統的結構設計Fig.6 Structure design of overall system

從圖6 中可以直觀地發現，以車輛1、車輛2、路測單元（Road Side Unit，RSU）等為代表的生產者不停地收集著自身及周邊的各項消息及數據，并將這些收集到的消息全部上傳至制造者處。制造者在接收到生產者發送的消息后將其打包至區塊，隨后發送到審核者處接收校驗，審核者會對制造者提交的區塊進行校驗并給出相應的反饋。

3 算法設計

3.1 消息生產

生產者負責消息的生成，生產者主要由行駛在車聯網中的車輛及道路周邊的基礎設備（監控設備、測速儀等）組成。生產者主要以兩種方式來生成消息：

1）生產者會周期性地匯報自身的狀況及周邊的路況，例如當前車輛的各項基礎信息（油量、車速及故障問題等）或所駕駛路段的基本信息（天氣情況、周圍的車輛數目等）。

2）當遇到緊急情況時，例如車輛突發故障或前方路段出現的事故等，生產者會立即對當前情況進行匯報。在消息生成后，生產者會對自身生成的消息進行簽名以確定消息來源。

如果當前生成的消息的方式屬于第2 種，那么生產者會在簽名后追加一個固定值，被標注過的緊急消息會被制造者們優先納入當前正在制作的區塊并交由審核者判斷。

為了保證消息的及時性，生產者在生成消息的時候應當加入當前的具體時間。這樣，簽名后的消息結構應為以下格式：

其中：message為具體的信息內容，time為生成消息時的具體時間，pk為生產者的公鑰，k負責判定當前消息是否緊急。

3.2 區塊制作

制造者負責區塊的制作，制造者的身份可由互聯網中的任意節點申請獲得，為了保證車聯網中時刻有人收集信息制作區塊，車聯網所在地的交通部門中應當有一批固定節點擔任最基礎的制造者。制造者從事務池中隨機地獲取消息并將它們打包到一個區塊中，其中的緊急消息會被優先獲取。制造者不停地獲取這些消息直至本輪的工作時間ΔT1到期或收集到一條緊急消息，隨后制造者會停止收集消息并將裝有這些信息的區塊發送給所有審核者，含有緊急消息的區塊會被制造者特殊標記出來。如果審核者對區塊中包含的消息認同時，會將自己的簽名反饋給制造者。具體的算法設計如下。

算法1 區塊制作算法。

3.3 區塊校驗

審核者負責區塊的校驗，審核者由車聯網所在地的交通部門所指定的專業人員構成，這里假設審核者的數量為N。審核者在接收到制造者生成的區塊后會通過投票來決定是否認可區塊中的信息，當審核者對當前區塊中的所有信息都做出評價后，它們會對區塊頭進行加密并將簽名返還給區塊的相應制造者，簽名信息中包含審核者對于該區塊中具體消息的審核結果。在等待時間ΔT2到期或收到所有審核者的簽名反饋后，制造者會對收到的所有簽名信息進行匯總統計，當存在至少N/2+1 個審核者在簽名中對區塊內的某條消息表示認可時，制造者將該消息標記為有效信息。統計結束后，制造者將此時區塊中的有效信息保留并刪除其余不實信息，具體的算法設計如下。

算法2 區塊校驗算法。

在實際的執行過程中，消息必然存在一定的時限性。因此，在對區塊頭的加密過程中，審核者會向區塊頭中添加一個值，用以表示該區塊內消息的有效時間，根據區塊內所包含消息內容的不同，有效時間也會有出入。具體的有效時間由對區塊消息認可的審核者共同決定，設最終有效時間為T，對區塊消息認可的審核者數量為N1，第i個審核者提出的有效時間為ti，i∈｛1，2，…，N1｝，則T的值為：

此外，對于等待時間ΔT2結束前仍未返還簽名反饋的審核者，系統會對其做出一定的懲罰，詳見3.4節的懲罰機制。

3.4 懲罰機制

在區塊上傳至車聯網后，車聯網中的參與者將會根據這些區塊中的信息采取相應的措施。但當這些參與者發現區塊內的信息與實際情況有出入時，審核者會根據參與者反饋的信息做出判斷，從而決定是否對生產者進行懲罰。如果匯報區塊信息不實的消息時間超過了區塊信息的有效時間，審核者不會對生產者進行懲罰；否則，審核者會根據該消息對應生產者的過失記錄做出不同級別的懲罰。

關于如何對生產者進行懲戒，本文設立了如下機制：在審核者處存有一份加密過的生產者名單，這份加密名單的密鑰經過拆分后由審核者各自保管一部分，這樣可以盡可能地保證用戶的個人隱私及安全。當審核者中有人根據區塊信息對比發現存在惡意生產者發送虛假消息時，審核者可以進行投票，當超過半數的審核者認為之前通過的區塊信息為虛假信息時，它們會將各自保管的密鑰進行匯總以“拼接”出完整的密鑰。在使用密鑰獲取到生產者名單后，審核者根據惡意生產者的過往記錄進行不同級別的懲罰：對于初犯或較長時間內無過錯記錄的生產者，審核者借助車聯網對其進行警告；對于多次存在過錯記錄的生產者，審核者可以在一段時間內取締其生產、傳遞消息的權力；對于造成較重后果的生產者，審核者應當將其信息移交至執法部門進行相應的處理。

此外，對于3.3 節中提到的在等待時間結束前仍未返還校驗結果的審核者以及在投票中對虛假信息表示認可的審核者也應給予懲戒，本文計劃使用一項單獨的指標來評價審核者的可信度。每次懲罰都會扣除犯錯審核者的一部分指標分數，當其可信度低于一個閾值時，車聯網會取消其審核者的身份。

上述的所有懲罰內容最終將會被制作在一個區塊內并上傳至車聯網中。自此，對于懲罰機制的算法設計如下。

算法3 懲罰機制。

3.5 算法中的時間問題

在上述的算法過程中，除在提出時就給出了詳細解釋的最終有效時間T外，本文還設置了兩個時間變量ΔT1和ΔT2，分別用來表示制造者在收集消息制作區塊時的時間上限以及在區塊校驗時制造者等待審核者反饋的時間上限。

工作時間ΔT1的時長根據制造者收集消息的效率發生變化，該時長應在保證制造者能夠收集到至少一條消息的同時對其收集消息的上限做出一定限制。之所以需要對收集的消息數做出限制，是為了盡可能地縮短包含有效信息的區塊上傳至車聯網的間隔時間，以便于保障消息的及時性，從而使得在車聯網覆蓋區域內的車輛能夠更加及時地獲取第一手消息。這里，本文設制造者R在本輪區塊制造中擁有的工作時間為ΔT1(R)，同時設其在上一輪區塊制造中擁有的工作時間為tb，并且在上一輪區塊中制造者R獲取的消息數為G。那么，該制造者在本輪區塊制造中獲得的工作時間應為：

其中g為一個固定的正整數，其具體的取值應當結合部署車聯網區域的實際情況來決定。

等待時間表示審核者在校驗區塊時擁有的時間上限，超出這一時間上限會使下游的制造者不再等待區塊的校驗結果。等待時間同審核者們的可信度存在直接關系，設編號為k的審核者可信度為λk，審核者k在校驗區塊時擁有的等待時間會隨著可信度λk的變化而變化。當可信度λk的數值低于閾值S時，k會失去自己審核者的身份，其擁有的等待時間也隨之降為0。此外，為了防止審核者k擁有過長的等待時間，應對等待時間的上限做出一定的約束。綜上所述，本文將審核者k所擁有的等待時間ΔT2(k)設置如下：

采用對數函數既可以防止發生等待時間過長影響消息的及時性，又對低可信度的審核者進行限制。

4 實例模擬

假設當前有車輛A駛入部署了車聯網的區域，A在駛入車聯網的時候會自動地注冊成為車聯網的用戶，若A滿足成為生產者的條件，車聯網會將A的基本信息寫入生產者名單并賦予A生產者的身份和權限。車輛A在獲得生產者的認證后會開始周期性地發送自身信息及周邊路況的信息，假設車輛A在周期性地發送了消息M1后突然發現前方路段出現交通事故，那么車輛A會立即生成一條緊急消息M2來匯報事故的發生。具體的流程如圖7所示。

圖7 車輛A發送消息M1與M2Fig.7 Vehicle A sends messages M1 and M2

所有車輛發送的消息均會進入一個公共事務池，制造者從這個事務池中獲取消息以制造區塊。公共事務池中各消息的具體信息如表1所示。

表1 消息信息表Tab.1 Message information table

制造者以ΔT1為工作周期不停地在公務事務池中遍歷并獲取各類信息。假設此時公共事務池中存在消息集合M=｛M1，M2，…，Mn｝，其中M2為車輛A發送的緊急消息，那么當制造者獲取到緊急消息M2或本輪工作周期已結束時，它們會將已經收集到的所有信息打包至當前正在制造的區塊中，隨后將其發送至審核者處。

審核者會對收到的區塊內容進行校驗，具體步驟同算法2的描述一致，校驗過程如表2所示。審核者根據消息內容中的信息對該消息是否有效做出評價，同時指出該消息的有效時間，超出有效時間的消息將同樣被認為失效。最后，審核者根據隸屬區塊的不同對這些消息的校驗結果進行歸類，歸好類的校驗結果會反饋給區塊所屬的具體制造者。

表2 信息校驗表Tab.2 Information checking table

在等待時間到期或獲取到所有審核者的反饋后，制造者對審核者的校驗結果進行匯總統計，如表3 所示。在表3 中，使用T 來表示審核者對消息結果表示認同，使用F 來表示審核者對消息表示否定，同時用tij來定義第j位審核者對審核區塊中的第i條消息的有效時長建議。根據校驗結果的匯總，制造者們可以快速地對區塊內的消息進行相應的處理：對于被大多數審核者認可的消息，制造者將其標記為有效信息并借助式（2）計算其最終的有效時間；對于大多數審核者均不認可的消息，制造者會將其從區塊及公共事務池中刪除。例如，在表3中，制造者根據匯總的結果判定該區塊中的第1、2、4條消息為有效信息，并計算出它們的最終有效時間T1、T2、T3。同時，將第3、5 條消息從該區塊及公共事務池中刪除，最終將修改后的區塊上傳至整個互聯網。至此，該區塊的審核結束，整個審核過程可以用圖8來表示。

表3 校驗結果匯總表Tab.3 Summary table of checking results

圖8 審核過程Fig.8 Verification process

經過上述的審核過程，車輛A成功地將“前方路段發生車禍”這一消息上傳至整個車聯網，那么后續的車輛在行駛或即將駛入該路段時都會獲得該信息并采取相應的措施，事故發生的現場也會獲得及時的救援。

而假如車輛A是車聯網中的一名惡意攻擊者，前方路段事實上并沒有發生車禍，那么下一輛駛入該路段的車輛所匯報的信息必然會與之發生沖突。這種情況下，審核者們會對之前車輛A發送的消息進行復核，在確定車輛A所發送的消息不實后，審核者們會對發布虛假消息的車輛A以及認可該虛假消息的其他審核者們做出相應的懲戒。

5 仿真實驗與分析

本章借助邏輯分析及模擬實驗對以下兩個方面進行證明：1）改進后的PoV 共識協議在共識效率上擁有更出色的表現；2）改進后的PoV 共識協議依然具有較高的可靠性及安全性。

本章的具體實驗內容是在個人計算機上通過模擬該算法進行測試來完成的。測試環境為操作系統64 位Windows10、CPU 型號為i5、主頻3.2 GHz，內存8 GB DDR4，編程語言為Go和Python，集成開發環境為GoLand2019和Pycharm2019。

PoV 共識協議誕生的初衷就是為了加速區塊的生產。為了使區塊能夠更快速地生成，PoV 的設計者并沒有采用傳統共識機制（例如PoW）中通過工作量比較來爭奪區塊生成權的做法，而是將生產區塊的權利開放給獲得了生產權限的每個節點（在PoW 中，即使獲得了生產權限，礦工們仍需依靠算力來爭奪區塊），因此它擁有較短的延遲事務驗證時間和較高的吞吐量。PoV 在開放區塊生產權限的同時借助管家—專員的監督體系有效地保證了區塊的有效性，管家并不負責區塊內容的可靠性，而是通過專員之間的投票機制來達成最終共識，這使得PoV 在保證區塊生成效率的同時維持了區塊信息的可靠性，區塊的確認時間也因此縮短。

本文在嘗試將PoV 與車聯網結合的過程中也根據車聯網的實際情況對PoV 做出相應的改進。改進后的PoV 共識協議去除了在車聯網中并不需要的冗余部分——身份轉換功能，這是由于車聯網自身的高流動性帶來的用戶不固定問題所導致的必然選擇。此外，本文還對PoV 的模型進行了一定的精簡，主要體現在進一步放開了節點獲取區塊生產權的條件。傳統PoV 中用戶想要獲得具有生產區塊功能的“管家”一職需要在高權限者的擔保下贏得選舉才可以，而無論是獲取擔保還是選舉過程都需要耗費額外的時間及計算資源；在改進后的PoV 共識協議中這種限制被取消，“管家候選人”這一身份同樣被取締，生產者身份的獲得難度也因此進一步下降。綜上所述，本文所設計的改進后的PoV 共識協議在車聯網中擁有更高的共識效率。

雖然區塊生成者的身份獲得變得更加容易，但由于新增了監督及懲罰功能，改進后的PoV 共識協議并沒有失去安全性及可靠性。憑借普通用戶對于區塊信息真實性的及時反饋和審核者的監督懲罰，改進后的PoV 共識協議依然可以有效地防止錯誤信息的傳播，而車聯網本身高流動性的現實特點也使得整套系統難以被攻擊。

本文通過設計實驗對改進PoV 擁有更高共識效率這一點加以證明：對諸如Ethereum、Litecoin、Bitcoin、Degecoin 等傳統區塊鏈進行模擬實驗，記錄實驗結果并將其同基于傳統PoV的區塊鏈以及基于改進PoV 的區塊鏈在相同實驗上的表現做比較。該實驗分別計算每種區塊鏈生成1 000 個區塊所需要消耗的時長，通過當前生成的區塊與上個生成的區塊之間的時間差來獲得區塊生成的間隔時間數據。隨后，實驗將上述實驗過程中得到的實驗數據與不同區塊鏈所要求的確認函數次數結合，計算出這些區塊鏈的確認交易時長。最終，借助實驗模擬獲得了基于改進PoV 的區塊鏈與基于傳統PoV 的區塊鏈及一些基于PoW的區塊鏈的共識效率對比圖，如圖9所示。

圖9 中曲線表示基于不同共識算法的區塊鏈在確認交易時間及區塊間隔時間上的表現。從圖9 中可以較為直觀地看出，基于改進PoV 的區塊鏈及基于傳統PoV 的區塊鏈在共識效率上明顯高于使用其他共識算法的區塊鏈。而由于改進后的PoV 共識協議在模型、程序上的精簡，它擁有比傳統PoV 共識協議更高的共識效率，確認交易時長和區塊間隔時長也由0.25 min降低至0.2 min。

對于具有監督及懲罰功能的改進PoV 共識協議在維護系統安全性及可靠性上的表現，同樣借助一組對比實驗來進行說明，該實驗對比結果如表4所示。

該實驗將1 000 條消息分別導入兩個使用改進PoV 共識協議系統，這些消息中存在部分假消息。兩個系統的其中一個具有監督及懲罰功能，另一個則將這些功能刪除。在運行一段時間后，分別檢索這兩個系統中被認證為有效信息的消息，統計其中的真消息及假消息數量并進行比較。

圖9 基于不同共識算法的區塊鏈在共識效率上的對比Fig.9 Comparison of consensus efficiency of blockchains based on different consensus algorithms

表4 不同的改進PoV共識協議在可靠性上的對比Tab.4 Comparison of reliability of different improved PoV consensus protocols

從表4 中可以直觀地看出，兩個改進的PoV 共識協議以是否具有監督及懲罰機制作為區分，在可靠性上有著明顯的差異。顯然，添加了監督及懲罰機制的改進PoV 共識協議所通過的假消息數量要少于沒有這種機制的另一方。因此得出結論：新增的監督及懲罰功能使得改進后的PoV 共識協議同樣具有較高的可靠性及安全性。

6 結語

本文嘗試對現有的PoV 共識協議進行了一定的改進，使其能夠更好地滿足車聯網的各項現實需求。改進后的PoV 共識協議去除了現有PoV 共識協議中的身份轉換功能及一項身份分工，令其在更適配車聯網的同時進一步提高了共識效率。此外，本文還在這種改進的PoV 共識協議中增添了監督和懲罰機制，以保證消息的真實性、有效性。借助實驗本文證明了這種改進共識算法的有效性。實驗結果表明，改進后的PoV共識協議可以進一步提高區塊鏈的共識效率。