一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，在该共识协议中，车辆可以通过提供服务证明而不依赖第三方可消息认证机构来获得激励(VPoSCoin，虚拟通证)。VPoSCoin可以通过激励车辆参与V2V通信，使得更多节点主动与其他车辆合作。在方案中，设计了基于服务证明(Proof of Services)的共识协议，整个区块链系统由车联网中的路侧单元、车辆维护，信息高度透明。

Design of Consensus Protocol Based on Service Certification and Its Application in Vehicle Networking

The invention discloses a consensus protocol design based on service certification and its application method for vehicle networking. In the consensus protocol, vehicles can be motivated by providing service certification without relying on third-party messaging authentication agencies (VPoSCoin, virtual passport). VPoSCoin enables more nodes to actively cooperate with other vehicles by encouraging them to participate in V2V communication. In the scheme, a consensus protocol based on Proof of Services is designed. The whole block chain system is maintained by roadside units and vehicles in the vehicle network, and the information is highly transparent.

【技术实现步骤摘要】
一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法
本专利技术涉及网络空间安全
，具体涉及一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法。
技术介绍
根据中国公安部提供的数据显示，截至2017年底，中国机动车保有量达3.10亿辆，其中汽车2.17亿辆；机动车驾驶人达3.85亿人，其中汽车驾驶人3.42亿人。同时机动车的年增长量超过2000万台，继续保持快速增长态势。这是一个无论看存量还是看增量都很可观的市场，未来围绕汽车市场来落地的应用，无疑有很广阔的前景。近年来，随着智能制造以及相关产业与技术的不断发展，极大地推动了车联网技术的不断发展，车联网作为由车辆位置、速度、路况和路线等综合信息构成的交互网络，是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础的系统网络。目前，车辆所能装载的设备愈发多样化、智能化，包括传感器、摄像头、激光、雷达等在内的智能设备有力地促进了车辆本身服务能力的提升。传统的车联网依赖集中式的基站作为控制中心，定义车辆与路侧通信单元以及基站设备的通讯方式。然而车辆的日益激增，为这种集中式的车联网构架带来了沉重的负担。其次，车与车通信需要消耗车辆的电池、存储空间、通信带宽等资源，由于缺乏有效的激励机制，很多车辆不愿意共享通信资源，参与车联网信息的通信与消息传播中。此外，在车与车通讯中存在一些恶意行为，例如传播虚假恶意消息、丢弃消息，甚至会出现恶意攻击网络等现象，造成通信阻塞，严重时甚至导致安全事故的发生。最后，目前大部分车与车通信激励机制设计中没有充分考虑用户隐私，很多车辆信息如车内语音或其它相关数据都未经车主允许便交换给了请求者。在传统的基于中心化的车联网激励机制模型中，虽然大多数情况下这类系统都运作良好，但是任何时候的一个单点故障或者恶意攻击都有可能摧毁整个网络，从而直接危及乘客乃至周边道路的所有交通参与者。车辆自组织网络(VANETs)技术以及区块链(BlockChain)技术的横空出世，可以很好地解决车联网中令人担忧的部分。区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。作为一种全新的模式，其主要特点包括：1)去中心化：所有数据由区块链中的节点来共同维护，不存在中心化的硬件或管理机构；2)开放性：存储在区块链上的数据是公开的，任何人都可以通过公开的接口查询数据，整个系统信息高度透明；3)不可篡改：数据一经写入区块链，就会永久地存储起来，数据稳定性和可靠性极高；4)匿名性：账户身份信息是高度加密的，从而保证了数据的安全和个人的隐私。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决目前传统车联网缺乏有效的车与车通信激励机制，提供一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法。在这种共识协议中，车辆可以通过提供服务证明而不依赖第三方可消息认证机构来获得VPoSCoin(即虚拟货币)。VPoSCoin(即虚拟货币)可以通过激励车辆参与V2V通信，激励更多节点自愿、自发地与市场合作。所提出的区块链共识协议，其区块的产生概率与车辆服务贡献之间的呈强正相关性，即车辆提供的通信服务越多，其挖到矿的概率越大。本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，包括以下步骤：S1、基础设施初始化。基础设施包括路侧单元(RSUs)、消息认证机构(TA)、信息发布方(A)、车辆(V)等，每个单元都由消息认证机构分配一对公私钥，用于验证身份信息、签署消息；S2、消息认证。主要针对信息发布方发布的消息进行认证，本专利技术设计由消息认证机构对消息颁发相应的证书之后才能在车联网中进行传播，即对传播消息进行有效的数字签名；S3、消息传播。本专利技术设计主要包括三种消息传播服务：广播消息(BAM)、传递消息(FAM)、响应消息(ACK)，车辆S会对附近可通信范围内的车辆主动发送消息M，其中，BAM指代车辆S对多台车辆发送消息，FAM指代一对一消息发送，ACK指接收消息的车辆回给S的响应消息，本专利技术设计每种消息都需参与方进行签名确认后才进行发送；S4、共识协议和交易设计。建立基于服务证明的共识协议(ProofofServices,PoSs),通过提供消息服务的数量，再基于一定难度值的概率计算来选择下一个新块产生的矿车，该难度值是可以在短时间内车辆可以计算出来的。此外，本专利技术详细设计三种不同类型的交易类型：原子交易(CoinServiceTransaction)、服务证明交易(ServicesProvidingTransaction)、转账交易(TransferTransaction)；S5、奖励获取。每个消息由消息发布方设置一定的奖金，传播此消息的车辆，可以通过消息传播证明(BAM/FAM/ACK)在智能合约中赎回一定比例的奖励，直到总奖金耗尽，消息传播则结束。本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：(1)整个区块链系统由车联网中的路侧单元和车辆维护，信息高度透明。除了车辆的私有信息被加密，任何车辆都可以获取区块链上的数据，或者参与交易数据的写入。不仅能够为车辆的数据记录提供解决方案，同时还能保证消息的安全有效传；(2)传统的共识协议是基于工作量证明(ProofofWork)，其缺点是造成大量计算资源、存储资源的浪费。本专利技术基于服务证明(ProofofServices)的共识协议，有效降低资源消耗的同时，构建一种面向V2V通信的激励机制；(3)有效减少或降低原本恶意、自私的车辆(不愿意贡献车辆的存储，带宽和计算资源)不参与消息传播的问题；(4)激励兑换不需要经过第三方机构，直接在车辆之间完成。此外，奖励的产生由车挖矿所获得，不依赖第三方金融机构，减少了由于第三方机构不可预测的因素所导致的奖励不可赎回问题；(5)基于区块链的去中心化，可以有效防止车联网恶意车辆联合攻击，例如分布式拒绝服务攻击和女巫攻击；(6)有效抵抗共谋攻击和伪造攻击，区块链节点可以验证交易的有效性，如果交易已记录在区块链中或包含无效数字签名，则区块链节点不会转发或广播交易；(7)消息由消息认证机构授权，并审核消息的有效性，恶意车辆不可能在网络中滥发虚假、恶意消息。消息认证机构负责为每辆车颁发公钥和私钥，支持撤销丢失的密钥或被盗的密钥。附图说明图1是本专利技术公开的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法的消息传播流程图；图2是本专利技术公开的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法的交易图；图3是本专利技术公开的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法的示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例本实施例提出一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法。在该共识协议中，服务证明指代在V2V通信中进行消息传播，每传播一次消息被称为提供一次服务证明。车辆通过提供服务证明而不依赖第三方可消息认证机构来获得激励(VPoSCoin)。激励(VPoSCoin)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，其特征在于，所述的方法包括：S1、基础设施单元初始化步骤，所述的基础设施单元包括路侧单元RSUs、消息认证机构TA、信息发布方A、车辆V，每个基础设施单元都由消息认证机构TA分配一对公私钥，用于验证身份信息；S2、消息认证步骤，针对信息发布方A发布的消息进行认证，由认证机构TA对消息颁发相应的证书之后才能在车联网中进行传播，即对传播消息进行有效的数字签名；S3、消息传播步骤，包括三种消息传播服务：广播消息BAM、传递消息FAM、响应消息ACK，车辆S会对附近可通信范围内的车辆主动发送消息M，其中，广播消息BAM指代车辆S对多台车辆发送消息，传递消息FAM指代一对一消息发送，响应消息ACK指接收消息的车辆回给车辆S的响应消息，以上每种消息都需参与方进行数字签名后才进行发送；S4、共识协议和交易设计步骤，建立基于服务证明的共识协议,通过提供消息服务的数量，再基于一定难度值的概率计算来选择下一个新块产生的矿车，该难度值是在短时间内车辆能够计算出来的，区块链中包括三种不同类型的交易类型：原子交易、服务证明交易、转账交易；S5、奖励获取步骤，针对消息传播的车辆，通过消息传播证明在智能合约中获取一定比例的奖励，直到总奖金耗尽，消息传播则结束，其中，所述的消息传播证明包括广播消息BAM、传递消息FAM、响应消息ACK。...

【技术特征摘要】
1.一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，其特征在于，所述的方法包括：S1、基础设施单元初始化步骤，所述的基础设施单元包括路侧单元RSUs、消息认证机构TA、信息发布方A、车辆V，每个基础设施单元都由消息认证机构TA分配一对公私钥，用于验证身份信息；S2、消息认证步骤，针对信息发布方A发布的消息进行认证，由认证机构TA对消息颁发相应的证书之后才能在车联网中进行传播，即对传播消息进行有效的数字签名；S3、消息传播步骤，包括三种消息传播服务：广播消息BAM、传递消息FAM、响应消息ACK，车辆S会对附近可通信范围内的车辆主动发送消息M，其中，广播消息BAM指代车辆S对多台车辆发送消息，传递消息FAM指代一对一消息发送，响应消息ACK指接收消息的车辆回给车辆S的响应消息，以上每种消息都需参与方进行数字签名后才进行发送；S4、共识协议和交易设计步骤，建立基于服务证明的共识协议,通过提供消息服务的数量，再基于一定难度值的概率计算来选择下一个新块产生的矿车，该难度值是在短时间内车辆能够计算出来的，区块链中包括三种不同类型的交易类型：原子交易、服务证明交易、转账交易；S5、奖励获取步骤，针对消息传播的车辆，通过消息传播证明在智能合约中获取一定比例的奖励，直到总奖金耗尽，消息传播则结束，其中，所述的消息传播证明包括广播消息BAM、传递消息FAM、响应消息ACK。2.根据权利要求1所的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，其特征在于，所述的路侧单元RSUs，用于实现通信区域内的信息交流以及存储完整区块链数据，并存储所有车联网中传播的消息，路侧单元RSUs之间通过互联网连接在一起，定期同步区块链数据；所述的消息认证机构TA，用于生成主公钥Vmk和主密钥Vsk，并实现以下2个功能：1)CertGen(Vsk,pk)根据主密钥和认证车辆的公钥，生成车辆的认证证书；2)SignAdMsg(Vsk,pk,M)根据主密钥、信息发布方的公钥以及消息，生成消息的授权证书；所述的信息发布方A指需要在特定区域内传播消息的实体，信息发布方A首先在消息认证机构TA注册，获得有效证书，当信息发布方A需要传播消息时，先到消息认证机构TA请求授权并附带一定的奖金作为激励，以吸引更多的车辆来传播消息；所述的车辆分为三种类型：全节点车、快速验证车、轻量级车，其中，全节点车具备完整的传感器、存储和计算功能，是区块链中的挖矿节点；快速验证车通过存储部分区块链数据参与交易确认；轻量级车，指通过整车或路侧单元RSUs向区块链网络提交交易的实体，并通过查询区块链来检查交易状态。3.根据权利要求2所的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，其特征在于，所有的车辆公私钥都由消息认证机构TA产生，并对其颁发证明，供消息传播时验证使用，根据车辆消息传播行为，分为两种类型：发送者Sender和证明者Prover，所述的发送者Sender用S标识，将消息发送给附近车辆的实体，发送者Sender每次只能向一辆车发布信息，发送者Sender会收到信息发布方A的请求，目的在于通过传播消息获得通证奖励，每个发送的消息都应该通过身份验证并使用自己的密钥进行签名；信息发布方A向车辆发送有效消息，通过服务证明交易写入区块链后获得服务证明凭证SPVs，服务证明凭证SPVs用来为区块链挖矿提供有效输入；所述的证明者Prover用P标识，指已经接收到消息并向信息发布方A或S发送响应消息的接收者，每条发送消息需要具有证明者P确认的相应响应消息，以用来验证信息发布方A或车辆S真实对外传播了有效消息。4.根据权利要求3所的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方法，其特征在于，所有的车辆在消息认证机构TA注册唯一的ID，与其公钥相对应，包括信息发布方A、车辆S和证明者P在内的车辆从消息认证机构TA获取有效证书，分别表示为和如下描述消息的认证和证明：其他参与者通过消息认证机构TA的公钥来验证消息的有效性，并提取原始的信息内容，通过车辆网络传播，其中，表示通过车辆的私钥对消息M进行数字签名，表示消息发布方公钥，表示消息认证机构TA对消息以及消息发布方绑定后的签名信息。5.根据权利要求3所的一种基于服务证明的共识协议设计及其车联网应用方...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁健，张彬城，李明，陈杰彬，李勇标，李文灏，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44