基于區塊鏈車聯網的隱私保護技術研究

摘要：在信息化時代，大數據、區塊鏈以及人工智能等技術對于人們的生活具有重要作用。這些技術在各個領域開始廣泛使用，5G技術的逐漸普及更進一步促進了社會發展。信息技術不僅為人們的生活和工作帶來便利性，同時也推動社會發展。區塊鏈作為一種顛覆性的新技術，其去中心化以及去信息化的特點已經成為人們關注的重點。在車聯網中應用區塊鏈技術，有助于做好隱私保護工作。因此，本文將對基于區塊鏈車聯網的隱私保護技術進行研究，以期為未來的汽車數據安全工作提供一點靈感。

關鍵詞：區塊鏈；車聯網；隱私保護技術

在信息化時代，雖然物聯網的應用范圍越發廣泛，但車聯網仍然面臨著一系列挑戰和問題。其中，數據被篡改、個人隱私被泄露以及單點故障等問題尤為突出。而更進一步的，車聯網設備的計算能力、電力以及內存等受其性能影響，且建立在可信第三方基礎上的訪問控制模式維護成本高、管理難度大等問題，更是車聯網發展過程中必須解決的難點。目前，經常使用的隱私安全技術為訪問控制技術，該技術能夠有效提升車聯網的數據安全性，防止用戶的個人信息被泄露。然而，在車聯網中應用區塊鏈技術可以進一步保證其安全性和隱私，可以為用戶提供更全面的保障。也就是說，通過區塊鏈技術的引入，可以最大化發揮去中心化作用，解決存在的單點故障問題以及訪問權限問題，保護用戶的隱私。

一、區塊鏈的簡述

區塊鏈是一種由區塊按照順序連接所形成的數據結構，區塊屬于數據之間的合集，同時具備相關信息與記錄，屬于構成區塊鏈的重要單元。區塊的組成部分為區塊頭以及區塊主體，每個區塊中的塊頭皆關聯著上一個區塊體，包括上一個區塊中的哈希值。這里的哈希值是對上一個區塊中的塊頭展開哈希函數計算所產生的，區塊之間會使用這種哈希值和前一個區塊相連接，形成完整的鏈條。區塊主體包括通過區塊鏈節點用私鑰展開加工處理后的數據信息。區塊鏈采用非對稱加密技術解決節點間存在的安全問題，非對稱加密技術會在加密與解密過程中使用私鑰與公鑰，在該過程中這兩個密鑰具有非對稱性。在應用非對稱密鑰過程中，需要成對使用，應用任何一個密鑰進行加密后，必須通過相應的密鑰進行解密。但是公鑰能夠公開，不過不能利用公鑰推算出準確的密鑰。當整個區塊鏈中每個節點傳遞消息時，會擁有一對對應的密鑰，并且在傳遞消息時，會使用一種特殊的密鑰來對其進行密碼化，從而可以在傳遞消息時加入一個數字簽名[1]。在區塊鏈中，公鑰屬于所有節點的共有物，在接收信息之后，可以采用公鑰展開解密處理，當驗證過密鑰且添加的數字簽名后，便能判斷出信息的真實性。

二、區塊鏈隱私安全的相關定義

在區塊鏈中數據處于公開狀態，所有人皆可看到區塊鏈中的數據，所以區塊鏈還存在著一定的隱私問題，該隱私問題可包括身份隱私安全以及交易隱私安全。所謂的身份隱私安全是在區塊鏈系統中確保攻擊者不能利用分析交易與部分背景知識，明確用戶的具體身份。在車聯網系統中，每個用戶皆會生成相應的地址，其在進行交易時，不同用戶產生的地址不同，但地址皆處于公開狀態，所有人都能得到區塊鏈中的全部數據，攻擊者能夠借助分析區塊鏈中的交易，找出哪些地址為同一個用戶以及該用戶具體的支付情況[2]。比如某個用戶分別前往兩個地址，且支付賬戶中還存在一些資金時，攻擊者可以分析得到兩個地址為同一個用戶，而且該地址中的資金地址也為該用戶，若是該用戶在互聯網或者其他地方公布了自身的收款地址，這時攻擊者便能借助該用戶所公布的地址與交易信息，推測其具體的身份。而身份隱私安全的主要目標是讓其他人不能利用分析交易，把區塊鏈中的用戶與現實中的具體身份相聯系。而交易隱私安全則是其他人不能利用區塊鏈中的交易獲得某個用戶具體的資金應用情況。在信息化時代中交易具有一定的公開性與透明性，能夠看出某一個地址中具體的地址來源和資金的應用情況，目前，在租車與打車時可以使用支付寶、微信等支付方式進行支付，攻擊者能夠借助某公司所發布的收款地址，找出其具體的營業額以及客戶數據，若是當消費者的真實身份被暴露后，其不能否認自己原來在該平臺中進行過消費，而區塊鏈中的交易隱私安全，則是讓其他人不能利用分析獲得相關信息。

三、車聯網的發展現狀

車聯網屬于根據特殊通信協議完成車和行人、路況以及車輛互聯網等進行信息交換與無線通信的一種大型網絡，同時也是可以完成動態信息化服務以及人工智能智慧交通的一種一體化網絡。在車載網絡中，汽車可以使用裝配在車內的傳感器，讓其收集所需的信息，并將自己對應的定位和周圍的環境信息與車聯網中所覆蓋的其他車輛進行信息共享，以此幫助車輛及時了解附近環境、實時車況、自身位置等信息[3]。并且，通過融合特定的感應器，可以快速地推算出車輛與其他汽車之間的安全間距，從而改善行車安全，減少車禍發生。不過，在車輛將自己當作節點融入車聯網內，自身將會處于一個開放狀態，從而導致自身受到攻擊的危險性被提升。

在信息化時代，車聯網的安全通信環境基本是借助身份認證協議進行保障的，當驗證消息為合法且明確消息未被篡改后，可以利用驗證系統，驗證該信息源的可靠性。在攻擊方調整自身感知系統的性能后，攻擊方會向接收方發送虛假的信息，接收方不能驗證攻擊方的真實身份，一旦接收方接收到虛假的環境、車輛的定位等信息，就很可能會產生不好的效果。從某個角度來講，若是無法明確信息來源的可靠性，即便信息合法且驗證未被篡改，也缺乏實質意義。因此，對于通信安全來講，驗證系統十分重要。驗證系統通常是對一個真實可靠的信息源進行驗證，路邊輔助設備以及服務供應商皆可作為信息源，在這一中心化的網絡結構中，當車聯網中具有眾多設備訪問或者具有大量車輛時，容易導致中心網絡癱瘓[4]。另外，驗證系統在偏遠地帶到基站設備無法全面輻射時，也無法發揮出自身作用。

四、基于區塊鏈車聯網的隱私保護技術

（一）區塊鏈和車聯網聯系

因為區塊鏈技術具有不可篡改信息與去中心化等特點，以及與信息化時代車聯網技術所存在的問題特征相融合，將其用于車聯網技術，可以對其進行改進，從而提升車聯網中車輛進行通信的穩定性與安全性。將車載互聯技術與區塊鏈技術結合起來，為了對進入網絡的節點進行檢驗，需要對新節點進行審查，但是，在審核通過之后，還必須使用數字簽名來確定，只有超過半數的節點都進行數字簽名的確認，新數據才能被允許進入。對于不合法的節點，幾乎無法讓超過半數的節點進行驗證，所以可以實現網絡保護。但是，當將虛擬信息傳送給一個已經過審查的節點時，必須對信息內容進行確認。因為車輛在流動時速度相對較快，會在某個范圍中多次出入，而且攻擊者或者虛假信息通常不會對距離相對較遠的車輛展開攻擊[5]。因此，需要在固定范圍中展開信息源驗證操作。為防止新增加的結點在進行審查之后，再向結點發送錯誤的信息，就需要對信息進行校驗。在進行檢驗時，由于車輛的型號以及設備、性能等存在著一些差異，不能確保其具有一致性，因此無法確保在驗證信息源時具有一致性，這時須加入一個閾值在固定概率中確保信息源具有可靠性。若是高于該閾值，便能判斷為此信息源具有可靠性，反之若是小于該閾值，則判斷為此信息源屬于虛假信息。車輛使用車載傳感器采集附近環境信息以及自身的參數信息和區塊鏈技術相結合，把信息通過加密后進行數字簽名，隨后將其打包成塊，不需要通過中心管理節點，在范圍中的其他車輛均能接收相關信息。當其他車輛接收到信息后進行解密，將自己的傳感器設備所收集的信息與發送車輛對應位置對接所得到的信息進行比較，并進行檢驗，產生驗證信息真實性的可信程度，并將該認證信息封裝成一個區塊，并將其上載到區塊鏈中，一直到所有車輛全部把驗證信息上傳在區塊鏈中。之后，在距離最遠的車輛收到對應的區塊鏈認證信息時，對其進行分析。若可信度比預期值高，即可將其判斷為可靠信息進行廣播宣傳，反之若是可信度較低，則將其判斷成不良信息進行消除[6]。使用區塊鏈特征能夠保證通信信息不被篡改，而且通過若干車輛與自身附近環境相結合得出驗證結果的這一方法能夠減少帶來的信息影響，其中提升通信整體的安全性以及可靠性。

（二）基于區塊鏈的車聯網客運系統的設計

本文所分析的基于區塊鏈車聯網的隱私保護技術所形成的車聯網絡系統的組成部分為司機端、訂單合約、共享系統、乘客端、支付合約和智能篩選合約等[7]。底層去中心化系統借助采用區塊鏈技術建設去中心化交易系統，車輛客運系統的具體工作流程，為圖1所示。

①在該系統中，客戶與司機皆需要進行登記、注冊與審核，在實際應用時，乘客需要在乘客端提交出行訂單，司機可以在司機端看出乘客的需求以及出發地點與目的地，根據自身實際情況進行回應。②在該系統中，借助智能篩選合約，找出最適合的司機，該系統將最優司機的范圍設置在3km內，評價分數在4分、5分及以上的司機篩選指標，該評價分數的總分為5分。篩選出的司機可以在司機端選擇是否接單，若確認接單，便可形成訂單。③在訂單生成之后，便會觸發訂單合約進行自動執行。④區塊鏈中所有的節點，皆會對本訂單展開全程跟蹤，以此保障乘客的安全。⑤當司機在司機端確認已將乘客送達指定地點后，這時支付系統會被觸發，從而進行自動執行支付。⑥當乘客完成評價之后，便會觸發智能篩選司機，本合約將會詳細記錄每一位司機具體的評價分數，給篩選司機提供真實的參考數據。

（三）基于區塊鏈車聯網的隱私保護系統

1.加密過程

基于區塊鏈車聯網的隱私保護系統為保證交易各方的隱私以及交易的私密性，會對相關信息進行加密處理。接收方B會把公鑰B_ pk與進行過加密處理的公鑰B_ pk_enc傳遞給發送方A，隨后由發送方A把生成的一個臨時性的非對稱密鑰對esk與epk。為確保交易具有較高的完整性，預防攻擊者攻擊，發送方A還會再生成一對非對稱密鑰對PrivKey和PubKey把RandomSeed、PubKey、 Note_ id展開哈希產生交易簽名Note_ sig，以此提升交易的安全性和完整性。緊接著發送方A會使用esk與B_ pk_enc建設相應的共享秘密，并產生非對稱密鑰Kenc。在該過程中發送方A可以使用對稱密鑰Kenc把交易數據展開加密處理，以此保證交易的隱私。而且發送方A在實際發送交易前，會使用零知識證明技術為隱藏的交易數據形成證據π，預防雙花交易并保證交易的準確性[8]。最后，發送方A把加密處理過后的秘密文件Cenc，交易簽名Note_ sig，把臨時公鑰epk打包傳遞至區塊鏈中。

2.解密過程

當加密交易傳遞至區塊鏈后，共識節點CN將會針對交易進行驗證，保證交易的完整性與準確性。在對交易進行過驗證之后，會利用加密這一形式在區塊鏈中進行存儲。接收方B將會利用加密過后的公鑰B_ pk_enc與臨時公鑰epk一起形成對稱密鑰Kenc，隨后使用對稱密鑰Kenc針對加密處理過后的交易Cenc展開解密處理，獲得交易內容。若是接收方B屬于智能合約，這時加密過后的交易將會被放入在可信執行環境內容[9]。與此同時，還會形成對稱密鑰Kenc對交易展開解密，得到發送方A的公鑰A_ pk以及有關數據、私鑰簽名Sig_A _sk。

（四）基于區塊鏈的車聯網客運系統的實現

本文采用B/S架構與Truffle框架完成所提出的基于區塊鏈車聯網客運系統中的每個模塊，借助Web3. js完成若干智能模塊和每個接口之間的連接。乘客與司機在中心化支付過程中，同時包括乘客請求節點、創建支付合約以及乘客和司機點對點支付，所使用的支付形式為以太幣支付。支付合約建設在以太坊系統，能夠完成乘客與司機的點對點支付，這樣可以消除第三方系統帶來的影響，產生不可更改效果以及不可偽造效果，能夠提升交易效率，減少中介費用，保障乘客的隱私安全。

五、結束語

在車聯網中，車輛與其他車輛進行通信時往往會產生虛假信息源，這可能導致不良信息流傳甚至整個中心節點網絡癱瘓等問題。因此，區塊鏈技術可以被用來優化這一過程，使連接到同一車載網絡中的車輛能夠進行點對點通信。這樣可以滿足車輛流動性較大、通信較為密集的需求，并解決車聯網客運系統中存在的安全系數較低以及中心化明顯等問題。從司機與乘客兩個角度制定車聯網客運系統的設計內容及工作過程，并在以太坊客戶端中實施，能夠有效完成去中心化提升通信效果，保證客戶隱私，提升乘客的安全性。在司機工作過程中能夠評價具有較高的真實性，這有助于使人們更加了解司機的工作態度以及工作情況等，能夠起到一定的監督作用。

作者單位：童偉 "龍軍 "?？诮洕鷮W院騰競依智網絡學院

參 "考 "文 "獻

[1]熊玲，李發根，劉志才. 車聯網環境下基于區塊鏈技術的條件隱私消息認證方案[J]. 計算機科學，2020，（11）：55-59.

[2]郭瑞雪.基于區塊鏈技術的網絡數據隱私保護方法研究[J].現代信息科技，2020，（13）：164-166

[3]關振宇，陳永江，李大偉，等．一種基于區塊鏈的車聯網跨域認證方案[J]．信息安全與技術，2020（009）：62-69

[4]錢文君，沈晴霓，吳鵬飛，等.大數據計算環境下的隱私保護技術研究進展[J].計算機學報，2022（4）：669-701

[5]王彩玲.位置大數據中基于隱私保護的加密技術研究[J].網絡空間安全，2020（6）：5-9.

[6]熊玲.車聯網環境下基于區塊鏈技術的條件隱私消息認證方案[J].計算機科學，2020（11）：55-59.

[7]王瑞錦，唐榆程，張巍琦，等.基于同態加密和區塊鏈技術的車聯網隱私保護方案[J].網絡與信息安全學報，2020（1）：46-53.

[8]喬瑞.基于區塊鏈的車聯網隱私保護技術研究[J].無線互聯科技，2022（5）：75-76

[9]殷一丹. 車聯網中基于區塊鏈的跨域信息共享安全機制研究[D].杭州師范大學，2021.