基于雙層分片區塊鏈的車聯網跨信任域高效認證分析

錢志奇

摘要：在車聯網系統中，為了提高車聯網系統的安全性、可擴展性和效率，可以利用雙層分片區塊鏈技術進行車聯網跨信任域高效認證。本文主要分析了雙層分片區塊鏈具體技術，提出實現車聯網跨域認證的流程，主要是進行全局層共識、本地層認證及共識、跨域認證、記錄交互信息，通過跨信任域的高效認證，可以確保整個網絡的安全性和可擴展性。雙層分片設計很好地支持了車聯網跨域高效認證的需求，有利于推動車聯網應用的發展。

關鍵詞：雙層分片區塊鏈；車聯網；跨信任域高效認證

引言

基于雙層分片區塊鏈的車聯網跨信任域高效認證，采用了雙層分片的架構，將整個網絡分為兩個層級，即全局層和本地層。在全局層，通過共識算法和分片機制，確保整個網絡的安全性和可擴展性，記錄了所有參與車聯網實體的身份和信任信息。在本地層，每個車輛或設備都有一個本地的區塊鏈，用于記錄本地的交互和認證信息，可以快速進行本地的認證操作，減少了通信延遲和計算開銷。

1. 雙層分片區塊鏈技術

1.1 全局層

在雙層分片區塊鏈技術中，全局層是指整個網絡的頂層結構，是負責維護全局層賬本和處理全局層共識的層級。其主要功能包括四個方面。第一，全局層賬本維護。全局層維護了整體賬本，記錄了所有參與車聯網實體的身份和信任信息。全局層賬本是分布式的，存儲在網絡中的多個節點上，確保了數據的可靠性和安全性。第二，全局層共識。全局層的節點通過共識算法達成一致，確保全局層賬本的一致性和安全性[1]。共識算法可以采用拜占庭容錯算法、Proof of Stake（PoS）、Proof of Authority（PoA）等機制來實現，確保網絡中的節點能夠就賬本的狀態達成一致。第三，跨信任域認證。全局層的賬本記錄了所有參與車聯網實體的身份和信任信息。這使得不同車輛或設備之間可以互相認證和驗證身份和信任信息，實現跨信任域的認證。第四，安全和隱私保護。全局層需要采取相應的安全措施，保護全局層賬本中的數據安全和隱私，可以通過加密技術、訪問控制機制、匿名性保護等手段來實現。

全局層在雙層分片區塊鏈技術中起到了關鍵作用，通過維護全局層賬本和處理全局層共識，實現跨信任域的認證和數據一致性。同時，全局層也提供了一個安全可靠的基礎，為車聯網系統的其他功能和應用提供支持。

1.2 本地層

在雙層分片區塊鏈技術中，本地層是指每個車輛或設備所擁有的本地區塊鏈，用于記錄本地的交互和認證信息。本地層的主要功能也包括四個方面。第一，本地認證。每個車輛或設備可以通過本地層的區塊鏈進行本地認證，驗證其他車輛或設備的身份和信任信息。本地層的認證可以基于加密技術和數字簽名等機制進行，確保交互的安全性和可信性。進行對稱密鑰加密時，使用相同的密鑰進行加密和解密，加密算法采用AES（高級加密標準），其具體公式如下：

加密：密文=AES（明文，密鑰）

解密：明文=AES（密文，密鑰）

例如，明文：“Hello World！”，那么密鑰就是“SecretKey12345”，加密后的密文則是“V2K6n8Cv0FVw4XVdJg1Ykg==”。

進行非對稱密鑰加密時，使用公鑰和私鑰這一對密鑰，其中公鑰用于加密，私鑰用于解密。加密算法采用RSA，其具體公式如下：

加密：密文=AES（明文，公鑰）

解密：明文=AES（密文，私鑰）

第二，本地共識。在本地層，車輛或設備之間需要達成共識，確保本地層區塊鏈的一致性和安全性。本地層的共識機制可以采用類似于全局層的共識算法，也可以根據具體需求設計合適的共識機制。第三，本地層的區塊鏈用于存儲和記錄車輛或設備的交互信息，包括認證結果、交易記錄、位置信息等，這些數據可以被其他車輛或設備查詢和驗證，實現跨域認證和數據交互。本地層的存在使得車輛或設備可以在本地進行快速認證和交互，減少了通信延遲和計算開銷。同時，本地層的區塊鏈也提供了一定的可信度和安全性，為車聯網系統的其他功能和應用提供支持。

2. 應用雙層分片區塊鏈技術實現車聯網跨域認證的流程

2.1 全局層共識

全局層共識在車聯網跨域認證流程中起到了關鍵作用，確保了數據一致性、節點信任、交易順序和有效性，以及系統的可擴展性，是實現車聯網系統安全可靠的基礎。所以，在進行跨信任域高效認證的時候，要進行全局層共識操作[2]。首先，進行共識節點選擇，從參與車聯網的節點中選擇一部分節點作為全局層的共識節點，這些共識節點負責驗證和打包交易，并參與共識算法的運算。其次，進行交易驗證，當車輛需要進行認證時，將認證請求發送給全局層的共識節點。共識節點首先對認證請求進行驗證，確保請求的合法性和有效性。驗證包括檢查車輛的身份信息、簽名等。接下來，開展交易打包，經過驗證的認證請求會被打包成交易，并廣播給全局層的其他共識節點，交易包括認證請求的相關信息，如請求的發起方、目標方、認證類型等。最后，實現共識算法運算，全局層的共識節點通過共識算法進行運算，以達成一致并確定交易的有效性和順序。共識算法可以采用拜占庭容錯算法、PoS、PoA等機制，確保節點能夠就全局層的賬本狀態達成一致。

例如，使用拜占庭容錯算法，這是一種能夠在存在惡意節點的情況下依然保證共識正確性的算法。假設有5個共識節點（節點A、節點B、節點C、節點D、節點E），其中節點C是一個惡意節點，其他節點都是誠實的，這些節點需要就某個認證交易達成共識。

提案：節點A：發送消息：{value：10}；節點B：發送消息：{value：10}；節點C（惡意節點）：發送消息：{value：5}；節點D：發送消息：{value：10}；節點E：發送消息：{value：10}。

投票：每個節點對提案進行投票，表明它們對提案的同意或不同意。節點A、節點B、節點D、節點E表示同意，節點C作為惡意節點，不同意。

匯總：共識節點匯總所有的投票結果，并計算出多數派的決策。在這個案例中，4個節點都同意提案。

驗證：每個節點驗證最終的決策是否滿足共識算法的要求。在這個案例中，滿足多數派同意的條件。

確認：最終決策被確認，并將認證交易添加到全局層的賬本中。

通過拜占庭容錯算法，即使存在惡意節點（節點C）試圖破壞共識過程，其他誠實節點仍然能夠達成共識，并確保認證交易的正確性和一致性。

最后，當共識節點達成共識后，認證交易被確認，并將其添加到全局層的賬本中。這使得全局層的賬本保持一致，并可以被所有參與車輛或設備訪問和查詢，實現跨域認證，這樣可以確保全局層賬本的一致性和安全性，實現車聯網系統的跨信任域認證。

2.2 本地層認證及共識

在進行本地認證的時候，每個車輛或設備在本地層進行認證，驗證其他車輛或設備的身份和信任信息。本地認證可以基于加密技術和數字簽名等機制進行，確保認證的安全性和可信度，本地認證主要包括驗證對方的數字證書、身份信息、信任度等。而進行本地共識時，在本地層，車輛或設備之間需要達成共識，確保本地層區塊鏈的一致性和安全性。本地共識可以使用一些輕量級的共識算法，例如Proof of Authority（PoA）或Proof of Stake（PoS）。這些算法不需要復雜的計算過程，而是依賴于特定的節點或權益來決定共識節點和區塊的生成[3]。例如，在車聯網系統啟動時，先確定一組可信任的權威節點，這些節點將負責本地層的共識過程，權威節點一般由系統管理員或特定的機構進行指定。當車輛A需要對車輛B進行認證時，車輛A生成認證請求，并將請求發送給本地層的權威節點。權威節點收到認證請求后，首先對請求進行驗證，包括檢查數字簽名、驗證身份證書、驗證認證請求的完整性等，只有通過驗證的認證請求才能進入本地層的共識過程。通過驗證的認證請求進入共識過程后，權威節點根據PoA算法進行計算。具體公式為：

計算結果=f（認證請求，額外信息）

其中，f（）是一個特定的計算函數，它接受認證請求和額外的信息作為輸入，并生成一個計算結果。在PoA算法中，權威節點負責生成和驗證區塊，而不需要進行復雜的計算任務，權威節點打包認證請求為一個區塊，并將其添加到本地層的區塊鏈中。當車輛或設備進行認證時，本地層需要驗證認證請求的有效性和合法性。這可能涉及檢查數字簽名、驗證對方的身份證書、檢查認證請求的完整性等步驟，只有通過了驗證的認證請求才能進入本地層的共識過程。通過本地層的認證和共識，車輛或設備可以在本地進行快速認證和交互，減少了通信延遲和計算開銷。

2.3 跨域認證

車聯網系統中存在多個域，每個域都可能有自己的認證機制和信任標準，通過跨域認證，不同域中的車輛或設備可以相互認證，建立起跨域的信任關系，從而實現安全可靠的跨域通信和相互操作。而且通過跨域認證，合法授權的車輛或設備可以跨域訪問其他域中的數據，從而支持更靈活的數據交換和應用場景。進行跨域認證請求，當車輛A需要對車輛B進行跨域認證時，在本地層完成本地認證后，車輛A生成跨域認證請求，并將請求發送給全局層。

全局層接收到跨域認證請求后，進行驗證，包括檢查數字簽名、驗證身份證書、驗證認證請求的完整性等，只有通過驗證的跨域認證請求才能進入全局層的共識過程。通過驗證的跨域認證請求進入全局層的共識過程，全局層的共識可以采用一些更為復雜的共識算法，如拜占庭容錯算法，以確保在跨域環境中的一致性和安全性。跨域認證結果生成，全局層的共識節點根據共識算法生成跨域認證結果，并將其添加到全局層的區塊鏈中。當其他節點驗證通過后，最終達成全局層共識，跨域認證結果被確認并添加到全局層的區塊鏈中。

例如，車輛A的身份信息為ID_A，認證請求數據為Data_A；車輛B的身份信息為ID_B，認證請求數據為Data_B。

車輛A生成數字簽名：Signature_A=Sign（Data_A，PrivateKey_A）。

全局層驗證車輛A的身份：Verification_A=Verify（Signature_A，Data_A，PublicKey_A）

全局層生成認證結果：AuthResult_A=Hash（ID_A+Data_A+Signature_A）

全局層將認證結果和車輛A的身份信息存入全局層區塊鏈。

車輛B生成數字簽名：Signature_B=Sign（Data_B，PrivateKey_B）

全局層驗證車輛B的身份：Verification_B=Verify（Signature_B，Data_B，PublicKey_B）

全局層生成認證結果：AuthResult_B=Hash（ID_B+Data_B+Signature_B）

全局層將認證結果和車輛B的身份信息存入全局層區塊鏈。

全局層將車輛A和車輛B的認證結果發送給車輛A和車輛B。

通過全局層的跨域認證操作，車輛或設備可以在不同的域中進行認證，并確保認證結果的一致性和可信度。全局層的區塊鏈提供了一個共享的信任機制，使得不同域中的車輛或設備可以相互認證，并建立起跨域的信任關系。

2.4 記錄交互信息

記錄交互信息可以實現交互過程的可追溯性，通過區塊鏈的不可篡改性和分布式存儲，可以確保交互信息的完整性和真實性，保證交互過程中的每一步操作都可以被追溯和審計[4]。而且通過加密和數字簽名等技術，交互信息可以得到保護，防止信息被篡改或冒充，同時，區塊鏈的去中心化和分布式特性也增加了系統的抗攻擊能力。

首先生成交互信息，當車輛A與車輛B進行跨域認證時，雙方會進行信息交互，交互信息可以包括認證請求、認證結果、證書、數字簽名等。為保護交互信息的安全性和隱私，可以采用加密算法對交互信息進行加密。為確保交互信息的完整性和真實性，可以使用數字簽名技術對交互信息進行簽名。簽名可以使用私鑰對信息進行加密，并與公鑰一起發送給對方，接收方可以使用公鑰驗證簽名的有效性。交互信息可以通過網絡廣播或點對點通信傳輸給其他參與方，在全局層中，交互信息會被廣播給其他全局層節點進行驗證和存儲。接收方收到交互信息后，首先進行驗證。驗證包括解密加密的交互信息、驗證數字簽名的有效性以及驗證交互信息的完整性和合法性。驗證通過的交互信息會被存儲在全局層的區塊鏈中，區塊鏈提供了分布式存儲和共享的機制，確保交互信息的安全性和可信度。通過記錄交互信息，可以實現交互過程的可追溯性、增強安全性、建立信任關系、促進數據共享和合作。

結語

綜上所述，基于雙層分片區塊鏈技術，對車聯網跨信任域進行高效認證，可以提高車聯網系統的安全性、可擴展性和效率，為車聯網應用提供了更加可靠和高效的認證機制。在進行高效認證的時候，主要是從全局層、本地層兩個方面入手，實現全局層、本地層的共識和認證，最終實現雙層跨域認證，保證不同車輛之間的可靠身份認證，并且避免跨分片通信，減少了驗證延遲，提升認證效率，保證網絡的安全。

參考文獻：

[1]張金龍.分布式環境下的跨信任域之間的信任管理策略[J].移動通信，2023， 47（8）：74-78.

[2]劉雪嬌，鐘強，夏瑩杰.基于雙層分片區塊鏈的車聯網跨信任域高效認證方案[J].通信學報，2023，44（5）：213-223.

[3]霍煒，張瓊露，歐嵬，等.面向區塊鏈的物聯網終端跨域認證方法綜述[J].計算機科學與探索，2023，17（9）：1995-2014.

[4]夏瑩杰，朱思雨，劉雪嬌.區塊鏈架構下具有條件隱私的車輛編隊跨信任域高效群組認證研究[J].通信學報，2023， 44（4）：111-123.

作者簡介：錢志奇，在讀博士研究生，高級工程師，研究方向：車聯網、智慧交通。