區塊鏈在車聯網數據共享領域的研究進展

熊 嘯，李雷孝，高 靜，高昊昱，杜金澤，鄭 岳，牛鐵銘

1.內蒙古工業大學 信息工程學院，呼和浩特010080

2.內蒙古工業大學 數據科學與應用學院，呼和浩特010080

3.內蒙古農業大學 計算機與信息工程學院，呼和浩特010011

4.內蒙古自治區基于大數據的軟件服務工程技術研究中心，呼和浩特010080

在車聯網（Internet of vehicles，IOV）中，移動車輛會不斷產生大量不同類型的數據，包括移動軌跡、交通信息和多媒體數據等附加數據，車輛之間相互通信、交互信息、協同收集和共享數據。車輛之間的數據共享對于提高駕駛安全與增強車載服務起著至關重要的作用。車聯網利用不同的通信類型進行信息交互，為交通參與者提供安全有效的交通信息，營造舒適、安全的駕駛環境。若一些不法分子發布虛假信息或通信信息被攻擊者控制，讓其他參與者做出錯誤的行駛決定，容易引發交通擁堵，甚至引發交通事故，從而導致嚴重的后果。因此，如何高效、安全地利用海量的可用數據來改善駕駛體驗，并在IOV 中提供廣泛的高質量服務，成為一個亟需解決的問題。

在車聯網中數據共享正面臨著4 個關鍵挑戰。首先，存在集中式服務器單點故障的缺陷；其次，數據提供者越來越關注數據安全和隱私問題，對數據上傳、存儲不做任何有效的措施，容易造成隱私信息泄露；此外，數據共享缺乏有效的激勵機制，目的是鼓勵參與者協同收集和共享數據，并保證數據的質量；最后，還存在未經授權訪問車輛間數據共享的問題，缺少為IOV 網絡中的用戶提供訪問權限和特權，容易造成隱私信息的泄露。這些挑戰都阻礙了車輛之間的數據共享，妨礙了IOV 的發展。

近年來，IOV 領域眾多學者認為可以將區塊鏈技術與車聯網結合。首先，利用區塊鏈去中心化的特點，而且每個節點都備份完整的數據信息，可以彌補集中式服務器存在的單點故障缺陷；其次，利用區塊鏈匿名性、不可篡改和可追溯性的技術特征，確保了數據共享的隱私性、安全性和完整性；然后，利用區塊鏈中的共識機制與智能合約形成有效的激勵機制，對促進車輛間數據共享和保證數據質量具有重要意義；最后，利用區塊鏈中的加密算法形成有效的訪問控制，能有效解決未經授權訪問車輛間數據共享的問題。

1 車聯網與區塊鏈介紹

1.1 車聯網

車聯網是利用新一代的信息通信技術將車、路、人緊密地結合實現信息交互，從而提高交通安全，減少和預防交通事故，優化交通訪問服務，提高交通運行的效率，改善交通環境，提高安全服務和控制的大型系統網絡。IOV 將車、路、人等不同的實體緊密地結合成為一個系統，因此擁有不同種類的通信類型，如V2R（vehicle-to-roadside unit）通信、V2V（vehicleto-vehicle）通信、V2I（vehicle-to-infrastructure）通信和V2P（vehicle-to-personal devices）通信，如圖1 所示通信類型。車輛通過多樣化的通信類型可以接受來自不同實體的信息，并利用數據挖掘、深度學習等技術對其進行數據分析，進而為用戶制定滿意的行程規劃，營造舒適、安全的駕駛環境，提高交通服務能力。

圖1 通信類型Fig.1 Communication type

傳統車聯網的結構有三層，分別是感知層即數據采集層、網絡層、應用層。在文獻[10]中，作者提出了IOV 網絡的七層模型。該模型提供了一個全面的框架，用于為設備間通信提供無縫集成。然而，這項研究是基于概念模型，作者只進行了案例研究。通過Qureshi 等提出的IOV 網絡的六層模型，對車聯網的框架結構有了新的理解。IOV 體系結構由六部分組成：感知層、預處理層、通信層、控制管理層、處理層和應用層，其框架和主要結構如圖2 所示。

圖2 車聯網系統架構Fig.2 Internet of vehicles system architecture

IOV 系統架構中每層的具體描述如下：

第一層為感知層：感知層即數據采集層，通過多樣化的通信模式如V2V、V2I、V2P 和V2R 接受來自車輛、智能設備、路邊基礎設施等實體的信息，目的是協同收集信息。

第二層為預處理層：本層主要是對數據采集層收集的數據進行過濾與預處理，減少網絡擁堵，提高數據質量。

第三層為通信層：本層有如WIFI、無線接入技術（radio access technology，RAT）、短程通信（dedicated short range communications，DSRC)、4G/5G 和長期演進技術（long term evolution，LTE）等多種類型的通信，數據可以在服務器的控制下進行交換與傳輸。

第四層為控制管理層：本層主要是車聯網的網絡服務管理者。交通處理系統（traffic handling system，THS）可以通過監控所有可用數據來處理交通事務以及為IOV 可持續發展政策下的未來服務提供系統。根據網絡類型和場景制定并采用不同的策略。此外，THS 還監控所有靜態和移動交通數據。數據流管理（data flow management，DFM）提供與移動IP 相關的所有信息。采用國外和國內代理的基本概念來實現移動IP。授權/認證系統（authorization authentication system，AAS）系統提供認證和授權服務。服務處理系統（service handling system，SHS）為網絡間的服務集成提供了一個完整的可擴展平臺。

第五層為處理層：云架構提供各種服務，存儲即服務（storage as a service，STaaS）、協作即服務（collaboration as a service，CoaS）、計算即服務（computing as a service，CaaS）、網絡即服務（network as a service，NaaS）、數據即服務（data as a service，DaaS）。這些服務器負責處理從車輛節點接收的有關交通狀況、交通安全、信息娛樂和訂閱服務的所有數據，并對收集到的數據進行處理與分析，提高服務質量。

第六層為應用層：本層主要包含企業與政府機構，如交通管理部門、車企、智能應用開發商等，用于未來基礎設施的開發、制定交通政策、改善道路交通等服務。

1.2 區塊鏈

區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以鏈條的方式組合形成的特定數據結構，并以密碼學方式保證其不可篡改和不可偽造的去中心化、去信任的分布式共享總賬系統。區塊鏈是一種點對點網絡上的分布式賬本，每個節點也都存儲著完整的賬本信息。每個節點都備份完整的賬本信息，可以避免單節點故障引起的數據丟失。區塊鏈主要有私有鏈、公有鏈和聯盟鏈三種應用模式。區塊鏈是利用加密的鏈式區塊結構來驗證和存儲數據，利用P2P 網絡技術、共識機制實現分布式節點的驗證、通信以及信任關系的建立，利用智能合約能夠實現復雜的業務邏輯功能以對數據進行自動化操作，從而形成的一種新的數據記錄、存儲和表達的方法。區塊鏈的基礎框架如圖3 所示。

圖3 區塊鏈基礎框架Fig.3 Basic framework of blockchain

2 車聯網數據共享

根據現有的研究成果，本文分析了傳統車聯網數據共享的缺點和局限性。在此基礎上提出了基于區塊鏈的車聯網數據共享，總結了這類共享方案對比傳統車聯網數據共享方案的優點。

2.1 傳統車聯網數據共享

傳統車聯網數據共享仍具有極其重要的作用，根據現有的研究成果，列舉了以下幾個方面。

（1）安全通信。車輛必須彼此有效且安全地通信，以做出穩健的決策。然而，今天的互聯網在高效的數據傳輸和數據安全性方面存在不足，特別是在移動自組織環境中。比如因為虛假數據或未經授權的控制命令可能導致車輛做出錯誤決策或操縱，從而導致交通事故。Chowdhury 等為解決虛假數據傳播和車輛跟蹤的問題，提出了一種基于命名數據網絡（named data networking，NDN）的自主車輛信任模型，以防止未經授權的車輛或模仿其他車輛的攻擊者注入虛假信息。NDN 是一種新的以數據為中心的Internet 體系結構，為自主車輛之間的安全數據共享提供了更好的基礎。在NDN 中，使用名稱來獲得信任，對數據進行身份驗證，為了降低接受虛假信息的可能性，車輛驗證所有接收到的數據，并使用假名方案來匿名車輛名稱和證書頒發代理來解決車輛跟蹤問題，以進一步保護車輛身份。

（2）數據安全。在車聯網中，如果不能保證通信數據的安全，車主可能不愿意共享他們的數據。Sherif等組織乘車共享，為保護數據安全，使用加密數據上的相似性度量技術來保護出行數據的隱私，數據存儲在一個第三方機構中。同樣的Shen 等提出了一種既支持有效密鑰更新又支持車載自組織網絡（vehicular ad hoc network，VANET）動態特性的數據共享方案。在組合數學中引入對稱平衡不完全塊設計（symmetrical balance incomplete block design，SBIBD）以確保安全和高效的VANET，同時采用不可區分性混淆的概念來支持有效的密鑰更新，實現高效加密共享信息，數據存儲和密鑰管理也由第三方機構來管理。

（3）數據質量。IOV 應用程序提供的服務通常是安全關鍵的，因此確保此類服務的可靠性非常重要。數據質量問題可能會損害以數據為中心的服務的可靠性。Zhang 等將IOV 服務的可靠性保證確定為解決數據質量問題，采用基于頻繁模式的實時技術來提高IOV 數據的質量，并使用離群點檢測來識別數據異常，使用頻繁模式來修復錯誤或缺失的數據。

（4）可靠服務。隨著自動駕駛技術的不斷發展，車聯網的應用場景越來越豐富，但也面臨著越來越多的安全威脅。Wang提出了一種適用于車聯網的信任模型，保證車輛間共享信息的真實性和可靠性。通過建立和維護車輛之間的信任關系，信任管理可以保證交互行為的可靠性和共享信息的真實性。該模型以車主的線下社會關系為基礎設置車輛節點的初始信任，通過信息交互得到車輛節點的即時滿意度，并在此基礎上評估車輛節點的直接信任。該模型有助于在車輛之間建立穩定可靠的信任關系，降低信任管理中價值不平衡攻擊和合謀攻擊的風險。

綜上所述，可以看出傳統車聯網數據共享的一些不足。雖然在安全通信方面有杜絕虛假信息傳播和防止車輛跟蹤的措施，但在解決數據竊取、篡改和集中式服務器單點故障的問題上仍有不足；在數據安全方面，雖然使用了一些加密手段來保證數據通信安全，但在數據隱私保護方面仍略顯不足；雖然一些方案保障了數據質量，但是用戶參與缺乏積極性，缺少激勵機制；通過建立車輛間的信任來保證服務的可靠性和共享信息的真實性，是以線下社會關系為基礎設置信任值，預先確定身份，未滿足細粒度訪問控制效果，無法解決IOV 節點動態接入的問題，在訪問控制方面仍需提高。

2.2 新一代車聯網數據共享

車聯網領域的眾多研究者們發現區塊鏈去中心化、匿名性、不可篡改的特點，為數據共享帶來了新的去中心化的解決方案，有利于增強車聯網數據的安全共享。車聯網與區塊鏈技術結合可以形成可靠的計算、高效的訪問控制、有效的激勵機制和安全存儲，保證了數據隱私安全，對促進數據共享具有重要意義。

區塊鏈具有的以下特性，在一定程度上彌補了傳統車聯網數據共享的一些不足。

（1）去中心化。在區塊鏈系統中，數據的存儲以及數據的驗證不再依賴某個中心提供的服務器，所有加入區塊鏈的節點具有平等的地位。解決了集中式服務器單點故障的問題，所有節點都保存整個系統的狀態信息，任何一個節點被攻擊都不會影響整個網絡，實現了數據安全存儲的目的。

（2）匿名性。區塊鏈采用公鑰編碼而成的地址來作用戶的標識，不需要傳統的基于PKI（public key infrastructure）的第三方認證中心（certificate authority）頒發數字證書來確認身份。用戶只需要公開地址，無需公開真實身份，且地址也可以隨意變換。可以解決目前車聯網存在的數據隱私安全、車輛匿名性的問題。

（3）不可篡改。區塊鏈通過共識機制、加密算法等關鍵機制保證了數據的不可篡改性，數據一旦經過驗證并上傳區塊，篡改鏈上的數據需要花費巨額的算力代價，個人或組織幾乎不可能掌握這種算力。在車聯網中，像交通事故數據、違章數據等一旦上傳區塊鏈，能夠被永久記錄，無法篡改，確保了數據的完整性和安全性。

（4）開放透明性。除了用戶的私人信息被加密不可訪問外，數據記錄對全網透明，數據對所有人開放，公開接口查詢，可以保證系統服務的可靠性。

（5）可追溯性。區塊鏈采用帶有時間戳的鏈式區塊結構存儲數據，從而為數據增加了時間維度，便于數據的查詢，可以辯證其真偽，確保了數據的真實性。

綜上所述，區塊鏈技術在車聯網中能有效地保證數據的完整性、真實性和安全性，還解決了集中式服務器單點故障的問題，實現了數據的安全存儲，還可以形成有效的激勵機制與訪問控制，彌補了傳統車聯網數據共享的不足。下文將詳細介紹區塊鏈技術如何保證車聯網數據安全共享。

3 基于區塊鏈的車聯網數據共享

在2.2 節提出基于區塊鏈的車聯網數據共享的優點之后，本文對其進行總結。首先，根據傳統車聯網數據共享所面臨的挑戰，將區塊鏈應用于車聯網數據共享的方案可以從共享數據可靠性、共享數據安全性、激勵機制、訪問控制四方面來展開。其次，對其補充了在可擴展性、存儲方式方面的研究。最后，提出了三種通用數據共享模型，并對比了它們的結構和優缺點。

3.1 基于區塊鏈的車聯網數據共享方案

隨著電子信息技術的發展，在未來10 到20 年間，注冊在案的車輛將達到20 億輛，即使只有一部分車輛與智能網絡設備結合形成車聯網，也不可避免地會產生海量的數據。為了應對海量數據產生的挑戰，車輛云便由此而生。基于物聯網（Internet of things，IOT）的車輛云將智能交通系統、無線傳感器網絡和移動云計算的特點結合起來，通過引入邊緣計算或霧計算技術，使得依賴于V2X（vehicle to vehicle，vehicle to infrastructure）通信技術的自動駕駛和高級輔助應用成為可能。車聯網在帶來許多便利的同時，其所產生的海量數據會極大地消耗云存儲空間，而且敏感信息也極易從中心化的云泄露，如圖4（a）所示。由此可見，車聯網正面臨著嚴峻的數據安全共享挑戰。一方面，由于車聯網數據具有巨大的經濟價值，數據竊取、攻擊與濫用等行為越來越嚴重；另一方面，車聯網實體眾多而且擁有多樣化的通信方式，對數據安全共享的管理的任務日益加重，很難控制其他實體對數據的訪問和控制。隨后，研究者們將中心式存儲改成分布式存儲，不僅提高了系統的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴展，如圖4（b）所示。2017 年Kromtech 安全中心發生了一起集中式服務器泄露50 多萬條車輛信息事件，泄露包括行駛軌跡、出行路線和用戶個人信息等，造成用戶的隱私安全受到威脅。可見，傳統的車聯網系統仍存在單一節點故障，造成數據缺失的問題，如圖4（c）所示。因此，實現數據安全存儲對車聯網數據共享發展至關重要。

圖4 存儲架構Fig.4 Storage architecture

在2016 年，Yuan 等首次利用區塊鏈技術構建了一個安全可信的分布式自治交通系統。Leiding等為實現車輛間安全通信，提出了一種基于以太坊的分布式存儲的車聯網系統。在文獻[35-37]中，為保證參與信息交互的車輛或交通事故取證的執法機關提供可靠的參考、可信的數據，利用區塊鏈技術構建了數據分布式存儲。如圖4（d）所示，區塊鏈系統由大量的分布式節點構成，每一個節點記錄的是完整的賬目，彌補了集中式服務器存在的單點故障的缺陷，而且沒有中心服務器，不會泄露交易者的個人隱私，數據一旦上傳，能夠被永久記錄，無法篡改，確保了數據的完整性、真實性和安全性。區塊鏈取代了傳統意義下的“受信任的第三方”。

有效的數據收集和處理是許多IOV 應用的前提。眾包是區塊鏈的一個很有前途的應用。空間眾包技術已被作為一種有效的數據收集和處理方法。在空間眾包中，任務接收者接受分配的任務，然后收集數據并上傳到任務服務器。在接收到任務數據之后，任務服務器處理數據，提取有用的信息并將其反饋給任務請求者。然而，隨著海量數據在空間眾包服務中產生，這些數據通常涉及大量車輛隱私信息，犯罪分子很可能通過這些信息獲取用戶的日常路線或他們的身份。因此，車輛必須彼此有效且安全地通信。

Zhao 等提出了一種空間眾包任務總數最大化的方法，將復雜的工作者依賴圖分解為更小的獨立工作者簇，利用樹構造算法達到任務分配的目的，但存在服務器單點故障導致的隱私泄露問題。于是，Hadian 等提出了一種隱私感知的任務調度方案，通過選擇中間目的地（ID）為自主車輛所有者和自主車輛請求者執行隱私保護匹配。盡管這些工作是有助于隱私保護的空間眾包，但仍存在敏感任務中包含的隱私信息在任務發布和分配過程中泄露的問題。

利用區塊鏈和深度強化學習（deep reinforcement learning，DRL）不僅解決了車聯網中的空間眾包出現的問題，還增強了對數據隱私安全的保護。將深度強化學習、區塊鏈與空間眾包技術相結合，通過使用DRL 來選擇可靠的任務接收器（例如工作人員）并動態選擇區塊鏈的共識算法、塊大小、塊生成時間和塊生成節點，來保證數據的隱私安全，是一種基于深度強化學習和區塊鏈的空間眾包系統（deep reinforcement learning and blockchain spatial crowdsourcing system，DB-SCS），具有減少訪問控制、直接管理區塊節點的數量、降低訪問控制的負擔等特點。DB-SCS 模型如圖5 所示。

圖5 DB-SCS 模型Fig.5 DB-SCS model

Lin 等人利用深度強化學習提出一種基于區塊鏈的分層任務管理方法，具有良好的吞吐量、高性能任務分配和低開銷的特點。但是在利用深度強化學習進行任務指派時，需要訓練數據集，這樣就易造成數據的竊取或者丟失，于是研究者提出利用聯邦學習來替代。聯邦學習旨在實現數據可用不可見的隱私保護技術，這也是聯邦學習系統中引入區塊鏈技術的關鍵原因。聯邦學習和IOV 的結合使IOV環境具有更好的效率、更好的隱私、更短的響應時間和更強的實用性。

聯邦學習是分布式場景中隱私保護邊緣智能的一種有前途的方法，聯邦學習通過以隱私保護的方式從分布式數據中學習來實現邊緣智能，并利用區塊鏈在不可信的參與者之間提供有保證的協作方案來實現高效共享。在文獻[50-51]中，研究者們利用基于區塊鏈的聯邦學習新架構，來保護車聯網的數據隱私安全，并通過選擇參與節點，以最小化總成本來進一步提高聯邦學習的效率，并通過集成區塊鏈存儲和驗證模型參數，來提高方案的可靠性和安全性。系統架構如圖6 所示。

圖6 基于區塊鏈的聯邦學習系統架構Fig.6 Blockchain based federated learning system architecture

綜上所述，利用機器學習不僅可以降低提供商共享惡意和冗余數據等不合格數據的風險，保證共享數據的安全性與質量，還實現對區塊節點的動態選擇與控制，來解決敏感任務中包含的隱私信息在任務發布和分配過程中泄露的問題，提高了系統的吞吐量與效率。未來在數據共享領域中的激勵機制、訪問控制與可擴展性等方面，結合機器學習、區塊鏈和車聯網技術將是重要的研究方向。

數據共享的一個關鍵挑戰是鼓勵用戶參與數據的收集和共享。如果沒有合理的激勵機制，用戶缺乏激勵，很難讓數據共享持續下去。而且激勵與懲罰是相對的，這樣才會保證共享數據的可信度與高質量。例如可能存在惡意車輛，廣播虛假的公告消息，以誤導其他車輛。如果一車輛廣播了虛假的公告消息，那么惡意車輛應該被追溯并受到懲罰。激勵機制大體分為兩種，一種是數字貨幣，一種是信譽值，詳情見表1。

表1 激勵機制Table 1 System of encouragement

由此可知，利用激勵機制不僅能鼓勵用戶參與數據的收集和共享，還能保障數據的可信度與高質量，對促進智慧城市和智能交通的發展具有重要影響。未來人無信則不立，但是虛擬貨幣缺乏回兌機制，易引發市場混亂，網民合法權益難以得到有效保障，容易引起通貨膨脹，這些都不利于虛擬貨幣的可持續發展。未來激勵機制的發展將會趨向于信譽機制的研究。

為了實現數據的機密性，實現IOV 鏈上數據的安全、靈活共享，需要設計為IOV網絡中的用戶提供訪問權限和特權，具有靈活訪問、控制鏈上數據的保護方法。

當區塊鏈技術與車聯網相結合時，訪問控制作為車聯網數據保護的關鍵技術之一，成為主要的結合領域。目前結合方式主要是區塊鏈技術與現有的車聯網訪問控制模型結合，區塊鏈充當現有訪問控制模型的可信實體。目前主要的研究見表2，包括區塊鏈與基于屬性的訪問控制（attribute-based access control，ABAC）模型結合、區塊鏈與基于角色的訪問控制（role-based access control，RBAC）模型結合以及其他車聯網場景下模型的結合。

表2 將區塊鏈融入車聯網訪問控制模型的研究Table 2 Research on integrating blockchain into Internet of vehicles access control model

在文獻[65]中，使用分區的方式控制訪問，但對數據的機密性保護不足。在文獻[64]中，利用區塊鏈與基于角色的訪問控制方式，雖然保證了數據的隱私性，但依舊不夠靈活高效。由此可見，通過挖掘不同角色之間的屬性權限的關聯，達到一對多實體、多角色的數據安全共享效果，具有更高效、靈活的訪問控制車聯網數據共享場景。

基于區塊鏈的車聯網數據共享系統通常采用單條鏈的形式架構，但是區塊鏈本身也存在不少問題和挑戰。首先，區塊鏈龐大的體積對節點的壓力過大，隨著區塊鏈的不斷延伸，節點存儲的區塊鏈數據會越來越大，存儲和計算的壓力也會越來越大。車聯網中存在海量的信息交互，會觸發大量的交易，如果采用傳統的單鏈結構設計，必定會遇到節點硬件方面的瓶頸，不利于車聯網的擴展，因此在設計數據共享的區塊鏈結構時需要重點解決區塊鏈的可擴展性。目前主要的提高可擴展性的方法有側鏈、有向無環圖（directed acyclic graph，DAG）、分片和分層。詳細研究見表3。

表3 可擴展性模型的研究Table 3 Research on scalability model

由此可知，提高可擴展性就是讓車輛節點聚焦于與自己業務相關的數據，不用浪費空間和計算力去同步其他區域的數據，減少數據同步的時間，從而降低了業務的時延。通過區域的劃分，降低對節點存儲能力和計算能力的要求，也降低了區域內區塊的生成時間，提高了每條鏈內交易的處理頻率，從而提高系統的吞吐量。雖然提高了可擴展性，但是需要考慮區塊鏈自身的差異性、訪問控制策略沖突、智能合約適應性等一系列問題，未來研究者可以將提高吞吐量作為研究方向。

現有的研究發現基于區塊鏈的車聯網數據共享實現數據存儲方式有四種：第一種是將收集的數據存儲在云服務中，而數據的索引存儲在區塊鏈中。第二種是將收集的數據存儲在分布式文件中，而數據的索引存儲在區塊鏈中。第三種是以路側單元（RSU）作為區塊鏈節點存儲數據。第四種以受信任車輛作為區塊鏈節點存儲數據。詳細研究見表4。

表4 存儲方式的研究Table 4 Research on storage mode

由此可知，眾多研究者將數據以不同方式存儲，其目的就是保護數據與緩解存儲壓力。緩解與改善存儲壓力是未來的研究重點。

綜上所述，基于區塊鏈的IOV 數據共享系統滿足了數據的完整性、真實性和安全性，實現了數據隱私保護和安全存儲，形成了高效的訪問控制、有效的激勵機制，這是傳統車聯網數據共享所不能比的。這對車聯網在智慧交通、無人駕駛、智能城市的未來發展中具有重大意義。

3.2 基于區塊鏈的車聯網數據共享模型

在3.1 節提出基于區塊鏈的車聯網數據共享方案之后，對其數據共享模型進行了總結。這里介紹三種基于區塊鏈的車聯網數據共享模型，如云存儲-車聯網數據共享模型、鏈上分布式存儲-車聯網數據共享模型和鏈下分布式存儲-車聯網數據共享模型。

（1）云存儲-車聯網數據共享模型，如圖7 所示。通過物理層、平臺層和應用層這三層的合作，實現交通數據的安全存儲與共享。

圖7 云存儲-車聯網數據共享模型Fig.7 Cloud storage-Internet of vehicles data sharing model

每層的具體描述如下：

物理層：本層主要包括車輛、路邊基礎設施和RSU。車輛負責收集數據，RSU 可以接收并臨時存儲車輛發送的數據，然后將數據上傳至平臺層。

平臺層：本層由具有強大的計算能力和存儲能力的高性能服務器組成的云計算平臺和區塊鏈網絡組成。收集到的數據存儲到云服務器中，而數據的索引存儲在區塊鏈中，當數據訪問者訪問數據時，先到區塊鏈獲得數據索引，再向云服務器發送訪問請求，然后下載云中的數據。

應用層：本層主要是企業、智能應用開發商與政府機構，可以與平臺層進行信息交互，利用強化學習、數據挖掘等技術對數據進行分析，分析的數據可以用于未來基礎設施的開發，也可以提供各種服務，如定位導航、廣播通信、道路交通狀況監測、信號控制等。

（2）鏈上分布式存儲-車聯網數據共享模型，如圖8 所示。通過邊緣層、區塊鏈層和應用層這三層的合作，實現交通數據的安全存儲與共享。

圖8 鏈上分布式存儲-車聯網數據共享模型Fig.8 Onchain distributed storage-Internet of vehicles data sharing model

每層的具體描述如下：

物理層：本層主要包括車輛、可信機構和RSU。車輛負責收集數據，RSU 可以接收并臨時存儲車輛發送的數據，然后將數據上傳至平臺層。可信機構（trusted authority，TA）負責驗證車輛加入網絡的合法性，為合法車輛頒發證書，并通過安全通道分發密鑰。

區塊鏈層：本層由區塊鏈網絡和分布式存儲文件組成。分布式存儲文件如DHT、IPFS、Swarm 和BigchainDB 等，主要為數據共享提供海量的分布式存儲空間，方便進行數據存儲。區塊鏈網絡用于接受數據訪問、數據存儲和用戶撤銷請求。

應用層：本層主要是一些企業、智能應用開發商與政府機構等訪問實體，提供各種服務，如監控、導航、定位、通信等。

（3）鏈下分布式存儲-車聯網數據共享模型，如圖9 所示。通過邊緣層、共識層和應用層這三層的合作，實現交通數據的安全存儲與共享。

圖9 鏈下分布式存儲-車聯網數據共享模型Fig.9 Offchain distributed storage-Internet of vehicles data sharing model

每層的具體描述如下：

邊緣層：本層主要包括5G 基站、車輛、RSU 和可信機構（TA）。5G 基站只負責轉發消息，而不參與計算任務。每一車輛都配備有車載裝置和可信平臺模塊（trusted platform module，TPM），其 中 安 裝 了TPM 以存儲傳感信息。TPM 中存儲的數據不能被篡改。RSU 可以接收并臨時存儲車輛發送的數據。TA負責驗證車輛加入網絡的合法性，為合法車輛頒發證書，并通過安全通道分發車輛的公鑰和私鑰。TA存儲區塊鏈地址和車輛偽身份的映射。此外，使用黑名單機制，當車輛有違法行為時，TA 將根據車輛行為的嚴重程度決定是否將車輛的區塊鏈地址添加到黑名單中。TA 定期向車輛網絡廣播黑名單。區塊鏈節點將拒絕與黑名單上的車輛通信。

共識層：本層可以設計一個有效的共識算法，如工作量證明機制（proof of work，POW）、權益證明機制（proof of stake，POS）和股份授權證明機制（delegated proof-of-stake，DPOS）等共識算法，以減少網絡規模，提高區塊鏈的交易吞吐量。層中的區塊節點代表車聯網設備（車輛或RSU 等）。

應用層：即車聯網中數據的訪問實體，例如車輛用戶、車企、智能應用開發商、交通管理局等，進行信息交互，提供各種服務，如道路監測、定位導航、廣播通信、信號控制等。

通過對上述數據共享模型的分析，從表5 可以看出數據共享模型之間的比較。

表5 數據共享模型之間的比較Table 5 Comparison between data sharing models

4 未來研究與展望

車聯網與區塊鏈技術的結合確實解決了傳統車聯網數據共享出現的問題，但是車聯網與區塊鏈技術各自的特性也帶來了許多研究挑戰，下面對未來發展中將面臨的問題和挑戰進行討論。

（1）存儲優化

區塊鏈網絡中的節點需要同步自創世節點以來的所有數據，存儲日益增長的海量數據是極為困難的。車聯網中數據量的增長速度非常快，數據同步會對車聯網中的設備造成很大的存儲壓力，因此需要減少區塊鏈的存儲壓力。目前的解決方法有兩種：第一，壓縮區塊鏈中存儲的數據，使相同大小的區塊存儲更多的內容；第二，將區塊鏈與區塊鏈存儲解耦，區塊鏈中存儲的是指向某個內容的哈希值。

（2）可擴展性優化

在基于區塊鏈車聯網的數據共享應用中，區塊鏈的可擴展性可以通過每秒的交易吞吐量相對于車聯網節點的數量以及并發工作負載的數量來衡量。許多區塊鏈系統正遭受吞吐量低下的困擾。利用側鏈、DAG、分片和分層，都可以提高系統的可擴展性，但仍有一些局限性，如對惡意節點的判斷、節點的選擇、區塊的生成等，若利用深度強化學習或者聯邦機器學習來動態選擇區塊鏈的共識算法、塊大小、塊生成時間和塊生成節點，系統將具有良好的吞吐量、高性能任務分配和低開銷的特點。

（3）訪問控制優化

目前基于區塊鏈的車聯網數據共享的方案中，使用多鏈并存讓車輛節點聚焦于與自己業務相關的數據，不用浪費空間和計算力去同步其他區域的數據，然而在不同區塊鏈間實現跨鏈的訪問控制不僅需要解決區塊鏈自身的差異性，而且需要解決訪問控制策略沖突、智能合約適應性等一系列問題。因此，跨組織與跨鏈的訪問控制也是一個挑戰性的工作。改善車聯網中區塊鏈的訪問控制的性能有三種方案：第一，通過設計新的共識算法來提高共識速度,提高區塊鏈產生區塊的速度；第二，將區塊鏈的鏈式結構改為網狀結構并行產生多個區塊；第三，利用多個側鏈和主鏈合作，主鏈保證安全性，側鏈實現具體業務功能，通過多個鏈并行工作提高性能。

（4）模型的優化

區塊鏈為數據共享提供可信的計算和存儲，但是實現可信的代價是存儲在區塊鏈上的數據會向所有人公開，對于許多區塊鏈應用而言，此功能可能是不友好的，尤其對于一些商業組織而言，許多帳戶和交易信息也很重要，用戶和組織都無意與其他同行公開共享他們的秘密。目前的思路是選擇車聯網數據共享中的一些功能利用區塊鏈來實現，實現哪些功能是一個值得研究的方向。

（5）物理設備的優化

在車聯網的數據共享應用中，通常需要在道路中部署基礎設備（如RSU 等）用于傳遞數據，但是大量的基礎設備造價過于昂貴，損壞后也不易維修，而且在車聯網中，車輛是高速移動的，車輛間進行信息交互時就需要快速且可靠的網路來支持，這時就需要更優越、更便宜的物理通信設備。5G 移動通信技術擁有更加優越的通信質量，擁有更高的網絡容量，并且可為每個用戶提供每秒千兆級的數據速率，以滿足網絡服務質量（quality of service，QoS）的要求。當然利用6G 通信技術，提高邊緣服務器上車輛用戶服務請求的命中率，實現對用戶資源請求的高效處理，也是一個值得研究的方向。

5 結束語

車聯網中會產生大量的數據，且存在大量數據交互的場景，這些數據在科研、商業、交通治理上都有非常重要的價值，因此車聯網需要高效、安全地共享數據。本文總結了傳統車聯網數據共享方案中存在的數據安全存儲、數據隱私保護、激勵機制、訪問控制的問題，剖析了利用區塊鏈技術結合車聯網實現數據安全共享的優勢。根據國內外車聯網結合區塊鏈技術實現數據安全共享的研究，分別從共享數據可靠性、共享數據安全性、激勵機制、訪問控制、可擴展性和存儲方式六方面進行了探索，提出了三種通用數據共享模型，并分析了當前面臨的挑戰，以及未來的研究機遇。隨著車聯網與區塊鏈技術不斷發展，相關的安全研究也必將不斷深入，成為車聯網數據共享發展的重要支柱。