車聯網環境下區塊鏈技術進展研究

摘要：本文對車聯網環境下區塊鏈技術的發展情況進行介紹，首先介紹區塊鏈技術以及目前區塊鏈中使用的存儲結構；然后從不同的區塊鏈存儲結構出發，分別針對不同的存儲結構描述了區塊鏈在車聯網環境下的研究現狀；最后針對目前車聯網環境下區塊鏈技術的研究現狀，對該領域未來的發展進行展望。

關鍵詞：車聯網；區塊鏈；安全；區塊鏈結構；DAG

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.021

中圖分類號：TP 393" " " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-03

Research on Blockchain Technology Progress in the Internet of Vehicles

ZHANG Xiaodong， Li Jie

（College of Data Science and Application， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China）

Abstract： This paper introduces the development of blockchain technology in the IoV. Firstly， it introduces blockchain technology and its prevailing storage structures. Following this， the paper examines the research status of blockchain in the IoV， categorized by different blockchain storage structures. Finally， it offers insights into future development based on the existing research status of blockchain technology in IoV.

Keywords： Internet of vehicles; blockchain; security; blockchain structure; DAG

1" "研究背景

區塊鏈技術可以為車聯網的信任、安全、透明和不變性提供一種解決方案。首先，區塊鏈中的數據以分布式的方式存儲，并且每個節點都冗余存儲相同的區塊鏈內容，可以解決車聯網中集中化帶來的單點故障問題。其次，區塊鏈中的區塊以鏈的結構存儲，每個區塊都記錄上一個區塊鏈的哈希值，通過這種方式可以為車聯網中的數據提供不可篡改性和可溯源性。再次，利用區塊鏈的匿名性特征，可以提供隱私保護。最后，區塊鏈利用共識機制以及激勵機制可以在不信任的實體之間建立信任，解決車聯網環境下節點之間不信任的問題。綜上所述，將區塊鏈技術應用在車聯網環境中，可以解決車聯網面臨的問題。

2" "區塊鏈技術及其存儲結構

區塊鏈是一種在非安全環境中使用的去中心化分布式技術。可以在不受信任的實體之間建立信任，采用密碼學的方法以及哈希函數將數據以鏈的方式存儲來保障數據的不可篡改和溯源，而且該技術采用共識協議保證數據的一致性。目前區塊鏈的應用非常廣泛，包括金融經濟、物聯網、供應鏈、醫療健康等。目前在區塊鏈中使用的存儲結構包括單鏈結構、有向無環圖（Directed Acyclic Graph，DAG）結構以及DAG晶格結構。

2.1 單鏈結構

單鏈結構是比特幣系統最早采用的結構形式，其中每個區塊內的交易通過梅克爾樹組織在一起，并通過區塊的哈希值按照區塊生成時間依次鏈接形成一條鏈。單鏈結構被廣泛應用在以太坊（Ethereum）、超級賬本（Hyperledger）等主流區塊鏈中。

2.2 DAG結構

隨著區塊鏈技術的發展，區塊鏈的結構也從單鏈結構發展為DAG結構。在DAG結構中，組成單元是交易，每個交易可以指向之前的多個交易，無須打包成區塊，允許區塊鏈產生分叉。因此DAG結構可以使得交易并行共識，極大地提高了區塊鏈網絡處理交易的速度，即每秒事務處理量（Transaction Per Second，TPS）。目前使用DAG結構的項目有IOTA、Byteball、InterValue，這些項目使用DAG結構搭建了可以長期穩定運行的區塊鏈。

2.3 DAG晶格結構

DAG晶格結構是在DAG結構的基礎上發展而來的。最初在項目Nano中提出一種新穎的基于DAG的塊晶格結構，項目JURA結合塊晶格和DAG結構提出DAG晶格結構。在DAG晶格結構中，每個賬戶都有自己獨立的區塊鏈，發送交易和接收交易是分開的，從而提供幾乎瞬時的交易速度和無限的可擴展性。Nano和JURA都是基于區塊鏈的加密貨幣。

3" "車聯網中區塊鏈的研究

目前在車聯網與區塊鏈結合的研究內容，主要包括架構、身份認證機制、隱私保護、信任管理、安全的證書管理、節點之間數據的高效共享等。在這些研究中，區塊鏈的存儲結構包含單鏈結構和DAG結構。具體車聯網與區塊鏈結合研究分類如圖1所示。

3.1 基于單鏈結構

目前，有關區塊鏈技術應用在車聯網的研究成果不斷涌現，在車聯網和區塊鏈結合的研究中，根據區塊鏈的部署位置，研究可以分為兩類，一類是車輛不參與到區塊鏈中，由路邊單元或第三方實體維護區塊鏈，為車輛提供區塊鏈服務；另一類是車輛也參與到區塊鏈中，由車輛構成區塊鏈或者由車輛和路邊單元構成區塊鏈。

3.1.1 車輛不參與區塊鏈

（1）區塊鏈部署在第三方可信實體。該類研究將區塊鏈作為存儲服務部署在車聯網外的第三方可信實體中，由第三方可信實體維護區塊鏈的運行。Rahman等人[1]提出了一種安全的車聯網框架，該框架允許車輛數據存儲在區塊鏈和鏈下存儲庫中，以便與感興趣的社區安全共享，其中區塊鏈提供存儲服務。Xu等人[2]介紹了一個用于安全智能車輛數據共享的新框架，即生物識別區塊鏈（BBC）。在BBC中，每個車輛都可以與基于BBC的平臺連接，并通過基于BBC的云服務存儲其IV-BC。

（2）區塊鏈部署在路邊單元。將區塊鏈部署在第三方實體上存在延遲大的問題，因此部分研究者考慮將區塊鏈部署在路邊單元。Zheng等人[3]提出一種可溯源的分布式的車聯網系統框架，為智能車輛之間通信提供了可信環境。網絡中產生的交易都由路邊單元來驗證并存儲在區塊鏈上。Kang等人[4]利用聯盟區塊鏈和智能合約技術來實現車輛邊緣網絡中的安全數據存儲和共享。路邊單元作為邊緣節點，具有較強的計算能力和存儲能力，共同組成了聯盟區塊鏈。在文獻[5]中，Leiding等人提出一個結合以太坊和車聯網的透明、自我管理、去中心化的系統，每個實體擁有以太坊地址，RSU提供已部署到以太坊區塊鏈的基于以太坊的應用程序。

由于網絡的動態性，車輛可能會移動到無法與第三方可信實體或路邊單元通信的地方。在這種場景下，車輛無法實時與區塊鏈交互并獲取到相應的區塊鏈服務。

3.1.2 車輛參與區塊鏈

將區塊鏈部署在第三方實體或路邊單元不僅存在無法保證車輛與區塊鏈實時交互的問題，而且在這兩種方式下把區塊鏈當作分布式存儲的環境，只能保證上鏈數據的安全性（可溯源、不可篡改）。因此一些研究者提出了車聯網中的車輛也參與區塊鏈的架構。在這些架構研究中，區塊鏈由車輛構成或者由車輛和路邊單元共同構成，由它們維護區塊鏈的運行。在文獻[6]中，作者設計了一種基于區塊鏈的車聯網安全通信架構，由路邊單元和車輛車載單元組成區塊鏈網絡。考慮到車輛上通常配備的計算資源和存儲資源有限，因此在該架構中路邊單元作為全節點參與共識過程并存儲全部區塊鏈，車輛作為輕節點不參與共識且只存儲區塊頭數據。Islam等人[7]提出一種用于知識共享的輕量級區塊鏈架構，將智能合約部署在區塊鏈中，實現自動化知識共享，從而增加車聯網系統中車輛通信過程中的信任性、可驗證性以及不可抵賴性。在該架構中車輛充當交易產生節點，路邊單元充當全節點。Cui等人[8]利用聯盟區塊鏈為車輛間安全高效的數據共享提供了可信環境。通過第五代移動通信技術和區塊鏈的結合，將區塊鏈部署在移動的車輛中，使得車輛在沒有路邊單元的參與下可以安全有效地共享數據。

3.2 基于DAG結構

為了提高車聯網環境下區塊鏈的TPS，許多研究者考慮使用DAG結構存儲區塊鏈數據。Ramneek等人[9]基于DAG結構提出一個輕量、安全的車載邊緣計算框架，該框架利用IOTA記錄邊緣計算資源分派的交易以及用于定價邊緣計算資源的微交易。Hassija等人[10]提出一種面向車聯網的輕量級點對點通信模型，稱為DAGIoV。該模型通過DAG形成的纏結（Tangle）結構來存儲交易。Chai等人[11]提出一種基于自適應異步分布式學習和區塊鏈的智能車輛知識分享框架，通過異步學習來提高知識分享的效率，并通過基于DAG結構的區塊鏈保證分享的知識的安全性。在該架構中，為DAG設計了輕量級的Tip選擇算法。Li等人[12]基于DAG結構提出一種解決社交車聯網中同行披露問題的去中心化方案。在該方案中，針對不信任的車輛，設計了一種相互監督算法。監督車輛將捕獲的違規圖片或緊急情況、監督者假名、位置、信譽等信息打包成一個區塊，上傳到由車輛維護的區塊鏈平臺，形成IOTA中的纏結結構。Xie等人[13]基于DAG結構的區塊鏈提出一種車聯網環境下安全高效的協同任務卸載方案，可以保證不同緊急程度任務的時延需求。在該方案中，通過對IOTA原始的用于Tip選擇的隨機游走算法進行改進，提出一種具有優先級和可靠性的隨機游走共識算法，考慮車輛信用分以及任務的截止日期和數據大小。Yang等人[14]提出一種用于社交車聯網的基于DAG結構的輕量級區塊鏈，將交易作為圖的頂點。這種細粒度的交易結構不僅提高了交易的上鏈效率，而且方便社交車聯網中數據的管理。

4" "未來發展展望

基于單鏈結構的區塊鏈的TPS比較低，例如，比特幣系統平均每秒完成7筆交易，以太坊區塊鏈平均每秒完成15筆交易。在車聯網環境下，由于網絡的動態連通性造成區塊鏈網絡中區塊同步困難、頻繁產生分叉，使得TPS更低，無法滿足車聯網的實時性需求。雖然通過DAG結構的引入提高了交易吞吐量，但由于網絡的動態性，仍然難以保證每個車輛上的DAG內容一致。在基于DAG結構的區塊鏈中，與基于單鏈結構一樣，仍然需要節點保存全部區塊鏈內容，這對于資源受限的車輛無法滿足。因此，在未來的發展中，針對車聯網的特點，可以從以下兩個方面展開研究：

（1）由于車聯網的高動態性導致傳統區塊鏈存儲結構下區塊鏈的性能低下，因此可以考慮使用新的存儲結構（比如DAG晶格結構）代替單鏈結構或DAG結構。

（2）為了保證區塊鏈的安全性，區塊鏈中所有節點需要同步完整的區塊鏈內容。隨著系統的運行，區塊鏈中的數據越來越大，這給存儲資源受限的設備（比如車輛）帶來了巨大的存儲壓力。因此，可以考慮研究輕量化區塊鏈架構，使得資源受限的車輛也可以加入到區塊鏈中。

5" "結束語

本文對車聯網環境下區塊鏈技術的發展情況進行了介紹，首先介紹區塊鏈技術以及目前區塊鏈中使用的存儲結構；然后從不同的區塊鏈存儲結構出發，分別針對不同的存儲結構介紹了區塊鏈在車聯網環境下的研究現狀；最后總結了目前車聯網環境下區塊鏈技術現存的問題，并且從區塊鏈存儲結構和輕量化區塊鏈架構兩個方面對該領域未來的發展進行了展望。■

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資助項目：內蒙古自治區自然科學基金項目（編號2024QN06022）；自治區直屬高校基本科研業務費項目（編號JY20220283）。

作者簡介：張曉東（1991—），男，漢族，內蒙古呼和浩特人，講師，博士研究生，主要研究方向為車聯網、區塊鏈。

李" " 杰（1990—），男，漢族，內蒙古呼和浩特人，講師，碩士研究生，主要研究方向為區塊鏈。