上?？匕?a target="_blank">信息安全軒轅實(shí)驗(yàn)室提出一種在車聯(lián)網(wǎng)下基于區(qū)塊鏈信任管理的協(xié)作式的、去中心化的認(rèn)證協(xié)議。通過(guò)為一些邊緣交通基礎(chǔ)設(shè)施(路邊單元RSU或者基站)構(gòu)建一個(gè)認(rèn)證代理組從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)協(xié)作式的去中心化的認(rèn)證系統(tǒng)，以計(jì)算信任值的方式進(jìn)行信任評(píng)估,多方協(xié)商聚合出最終的認(rèn)證結(jié)果從而避免了單一中心結(jié)點(diǎn)的認(rèn)證仲裁。

一、引言

區(qū)塊鏈最初作為比特幣底層的支撐技術(shù)，在防篡改和去中心化方面起著巨大作用。現(xiàn)在的區(qū)塊鏈的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅局限于比特幣。區(qū)塊鏈技術(shù)本身可用于多種場(chǎng)景下的信任問(wèn)題。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一個(gè)去中心化的可防篡改的分布式賬本。通過(guò)構(gòu)建點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，區(qū)塊鏈可解決中心化的信任集中問(wèn)題。

作為一個(gè)分布式系統(tǒng)，區(qū)塊鏈在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下的點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)中，利用其去中心化和防篡改特性，在解決中心化信任方面發(fā)揮著巨大的潛力。多種交互模式并存的車聯(lián)網(wǎng)實(shí)體依靠移動(dòng)邊緣計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)共享與交互協(xié)作可以一定程度上提高交通網(wǎng)絡(luò)的效率、減少交通事故的發(fā)生，進(jìn)而輔助構(gòu)建智能交通系統(tǒng)。然而在車聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算中，交通實(shí)體在實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互任務(wù)之前總要有身份認(rèn)證作為其安全保證。對(duì)非法車輛共享交通信息可能會(huì)造成數(shù)據(jù)隱私泄漏甚至交通網(wǎng)絡(luò)癱瘓的風(fēng)險(xiǎn)。V2X模式下的車聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互之前需要事先進(jìn)行身份認(rèn)證保證數(shù)據(jù)傳輸與共享的安全性。多個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的點(diǎn)到點(diǎn)(P2P)網(wǎng)絡(luò)為車聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)區(qū)塊鏈信任管理平臺(tái)。

車聯(lián)網(wǎng)下的V2X交互

一輛在道路上行駛的汽車在向路邊設(shè)施請(qǐng)求路況信息之前，兩者為保證彼此身份的真實(shí)性，需要進(jìn)行身份認(rèn)證。傳統(tǒng)的身份認(rèn)證協(xié)議主要是一對(duì)一式的中心化認(rèn)證模式，比如到達(dá)某一個(gè)路段的汽車需要和路段內(nèi)的某一個(gè)路邊單元(RSU)或者基站進(jìn)行相互認(rèn)證，某一個(gè)RSU或者基站作為一個(gè)固定的邊緣計(jì)算單元，其位置一般是固定且唯一的，其中心化的地理位置使得某一個(gè)RSU獨(dú)裁式地決定來(lái)往的車輛是否合法。傳統(tǒng)認(rèn)證主要有兩個(gè)問(wèn)題：

1. 中心認(rèn)證服務(wù)器負(fù)載過(guò)重：當(dāng)其多輛車進(jìn)行與同一個(gè)路邊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行認(rèn)證，由于邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)資源的有限性，從而造成中心服務(wù)器負(fù)載過(guò)大。

2. 單個(gè)的中心服務(wù)器更容易被惡意攻擊。

傳統(tǒng)的中心化認(rèn)證模式

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二、系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型圖

1.? 邊緣計(jì)算模式下的身份認(rèn)證

多輛車可對(duì)同一輛到達(dá)的貨輛進(jìn)行直接邊緣認(rèn)證，即采用V2V邊緣計(jì)算模式直接交互認(rèn)證產(chǎn)生各自的認(rèn)證結(jié)果，無(wú)需進(jìn)行上傳認(rèn)證信息到云端，從而減少系統(tǒng)延遲。如果某輛代理車認(rèn)為當(dāng)前的車輛是合法的，它就產(chǎn)生結(jié)果+1，如果認(rèn)為其不合法就產(chǎn)生結(jié)果-1，如果沒有參與認(rèn)證或者認(rèn)證過(guò)程失敗就產(chǎn)生結(jié)果0。每一輛代理車向同一組的組員進(jìn)行廣播自己使用非對(duì)稱加密的認(rèn)證結(jié)果以及請(qǐng)求其他組員的認(rèn)證結(jié)果，以此構(gòu)建出針對(duì)于某一輛貨車的認(rèn)證表rlist。

認(rèn)證表

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2.? 聚合認(rèn)證結(jié)果計(jì)算信任值

每一輛代理車都會(huì)針對(duì)某一輛自己參與的認(rèn)證組維護(hù)一張rlist認(rèn)證表，該認(rèn)證表里面收錄的都是該認(rèn)證組里各個(gè)子成員針對(duì)同一輛認(rèn)證貨輛的認(rèn)證結(jié)果，如果+1 的個(gè)數(shù)大于-1的個(gè)數(shù)，該代理車則會(huì)對(duì)該輛貨車認(rèn)證通過(guò)，產(chǎn)生自己的最終聚合結(jié)果+1，否則認(rèn)證不通過(guò)，產(chǎn)生聚合結(jié)果-1。

1）?計(jì)算信任偏移值

每一輛代理車將使用sigmoid函數(shù)進(jìn)行計(jì)算自己的信任偏移值以及其他代理組成員的信任偏移值。其中i表示某一輛代理車的索引編號(hào)，j表示駛進(jìn)當(dāng)前路段的貨車的索引編號(hào)。m和n分別是結(jié)果+1的數(shù)量和結(jié)果-1的數(shù)量。如果某一個(gè)組成員的認(rèn)證結(jié)果是+1的話，它就被化分到+1類別中否則將被劃分到-1的類別中，如果其認(rèn)證結(jié)果為0則其偏移值設(shè)置為0。將m和n帶入下面sigmoid函數(shù)即可計(jì)算出認(rèn)證組各組員的信任偏移值。其他組員以P2P模式通信后也可以進(jìn)行構(gòu)建自己的rlist以及進(jìn)行相同的信任計(jì)算過(guò)程。該互發(fā)認(rèn)證結(jié)果以及計(jì)算信任值的過(guò)程我們可以認(rèn)為認(rèn)證組員共同進(jìn)行公開記賬，任何一個(gè)組員修改其他的其他組員的認(rèn)證結(jié)果類別，都將會(huì)造成自己和其他組員信息的不一致，從而以影響其信任的評(píng)估。

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2）?聚合歸一化信任偏移值

每輛代理車在計(jì)算出各個(gè)組成員的信任偏移值之后，進(jìn)行對(duì)所有組員的信任值聚合然后取均值最終進(jìn)行歸一化可以使得偏移值控制在某一范圍，消除奇異信任值對(duì)聚合結(jié)果的不良影響。

3）?聚合信任值

一輛代理車可能會(huì)參與多個(gè)認(rèn)證組，針對(duì)它參與的每一個(gè)信任組計(jì)算出的信任偏移值，將其所有歸一化后的信任偏移值聚合成自己最終的信任值。擁有較大信任值的代理車將可能被競(jìng)選為礦工，由于代理車之間的信息發(fā)送采用P2P廣播，結(jié)合公鑰匙密碼技術(shù)，每輛代理車的信任值都可以被其他代理車進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，由此完成挖礦共識(shí)。系統(tǒng)可采用工作量證明POW(proof of work)以及權(quán)益證明POT(proof of trust)相結(jié)合的方式進(jìn)行競(jìng)選礦工，平衡了樸素單純的POW的挖礦共識(shí)機(jī)制以及出現(xiàn)因多輛代理車因信任值相同而導(dǎo)致的區(qū)塊分叉概率增加的情況。

4）?建立共識(shí)機(jī)制，競(jìng)選礦工，產(chǎn)生新塊

挖礦的過(guò)程主要就是多個(gè)結(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)地尋找一個(gè)合適的隨機(jī)值nonce去計(jì)算某一哈希值使其滿足小于一個(gè)給定的門限閾值，該門限閾值的難度值可以依據(jù)代理群組車輛的信任值的整體變化情況而動(dòng)態(tài)調(diào)整，使得難度值和數(shù)值較大的成反比。代理車組成員挖礦的過(guò)程就是比誰(shuí)最先找到這個(gè)滿足條件的隨機(jī)值nonce，該過(guò)程就是不停地隨機(jī)試探直到搜索到一個(gè)有效的數(shù)。最先找到合適的隨機(jī)值nonce進(jìn)行哈希計(jì)算后小與某一門限目標(biāo)閾值的代理車就有可能競(jìng)選為礦工，門限閾值可以結(jié)合來(lái)進(jìn)行制定，由此控制其難度系數(shù)和相關(guān)。競(jìng)選成功的礦工首先進(jìn)行廣播可以將本段時(shí)間內(nèi)更新信任值的代理車的信任度信息以及認(rèn)證交易記錄寫入新塊最終鏈接在區(qū)塊鏈上，區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。區(qū)塊中包含認(rèn)證交易數(shù)據(jù)記錄(Ad)、當(dāng)前區(qū)塊根哈希（Hash）、前一區(qū)塊根哈希、時(shí)間戳、nonce值以及其他信息。

區(qū)塊結(jié)構(gòu)

認(rèn)證交易數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)過(guò)程中，采用默克爾樹形式，而區(qū)塊根哈希實(shí)際就是數(shù)據(jù)記錄樹的根節(jié)點(diǎn)哈希，為根據(jù)數(shù)據(jù)記錄樹自下而上逐步通過(guò)SHA-256等哈希算法計(jì)算得出。

5） RSU將通過(guò)區(qū)塊鏈的記錄間接完成對(duì)來(lái)往車輛的認(rèn)證

由此，某一個(gè)路段內(nèi)的RSU所委托構(gòu)建的代理車認(rèn)證組可進(jìn)行維護(hù)一條認(rèn)證區(qū)塊鏈，RSU通過(guò)查詢信任度高的代理車，參考其認(rèn)證結(jié)果，可知道駛進(jìn)當(dāng)前路段的貨車的合法情況，從而間接地完成對(duì)貨車的認(rèn)證。TA (可信權(quán)威)可分配RSU的一些偽身份標(biāo)識(shí)以及RSU所屬的路況地理位置信息給其代理車，從而方便貨車完成對(duì)RSU的路段認(rèn)證。

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三、區(qū)塊鏈解決的問(wèn)題

去中心化：多個(gè)代理車邊緣計(jì)算結(jié)點(diǎn)共同維護(hù)一條區(qū)塊鏈，認(rèn)證記錄分布式存儲(chǔ)，不依賴中心處理結(jié)點(diǎn)(RSU或者基站)從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式記錄、存儲(chǔ)和更新。

透明：區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄對(duì)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是透明的，所有節(jié)點(diǎn)都可以審查，追溯歷史認(rèn)證記錄。

不可篡改：區(qū)塊鏈?zhǔn)褂脭?shù)字簽名加哈希操作以分布式統(tǒng)一存儲(chǔ)使得區(qū)塊鏈中的信息一旦經(jīng)過(guò)認(rèn)證寫入，就會(huì)永久存儲(chǔ)，無(wú)法存改。