一种车联网信誉管理中的区块链共识方法

本发明涉及车联网区块链技术，具体涉及一种车联网信誉管理中的区块链共识方法。

背景技术：

1、车辆在车联网环境中通过发送和接收大量消息实现高度连接，基于车辆之间交换信息的质量，为车辆构建评级，进一步形成车辆信誉管理系统。车辆的信誉是其消息可靠性的重要判断依据，传统的车辆信誉系统由一个完全可信的中央服务器进行管理，这种方式存在通信效率的瓶颈，在面对较多请求时会导致较大的延迟，同时面临单点故障的挑战。

2、为克服传统中心式架构的缺陷，现有车辆信誉管理系统大多基于区块链进行构建，由区块链存储车辆的信誉值。由于区块链分布式的特性以及车辆网络的高移动性，需要一种有效的共识机制对网络中的消息进行打包收集管理，在保障安全性的同时保障共识的效率。

3、共识算法可以系统化分为基于选举和基于投票的算法。基于选举的如工作量证明(pow)和权益证明(pos),其中工作量证明(pow)对节点的算力有较高要求，考虑到车联网中节点的计算能力有限，若将工作量证明(pow)的共识方法应用于车联网当中会导致系统性能较差；权益证明(pos)基于节点所持有的权益进行矿工选举，可能会导致权益向少部分节点集中，缺乏公平性，同时，pos只在权益变化不是很快的系统中效果较好，不适用于车联网快速变化的网络拓扑。基于投票的共识算法主要是拜占庭容错方法(pbft)及其变式，pbft的共识方法由共识参与者对主节点提出的候选区块进行投票，以决定是否可以将其写入区块链，pbft共识在系统中节点较少时具有较好的共识效果，但节点数量的增加会导致很大的通信开销。而车辆网络当中存在有大量的车辆节点，若将pbft共识直接应用于车联网中，会导致高延迟和高通信开销。

4、因此，需在传统共识上进行改进，设计一种更适用于车联网环境和车辆信誉管理的共识方法。

5、与cn_113038427_b与cn_111756546_a相比，本发明在共识节点的选择上兼具了随机性和信息的有效性。在对比的两种方案中，共识节点的选择依据信誉值产生，选择信誉值排名靠前的一部分节点，可能会导致区块链的记账权向一部分节点集中，破坏区块链网络的去中心化。本发明的共识节点选举未直接采用信誉值，而是将rsu节点在周期内收集的车辆消耗的选票数作为权益，选票数反映了上个周期内此rsu附近区域的车辆的活跃程度。在共识候选节点筛选中，执行一次哈希函数计算，使得更活跃地区的车辆信息更有可能优先写入区块链网络，及时更新整个网络信息。同时，借助哈希函数运算的随机性，保障所有节点参与共识过程的可能性，防止参与共识的权力集中到部分节点手中，保障整个网络的去中心化。

6、与cn_111478785_b相比，cn_111478785_b设计的方法重在共识过程内部的调整，激励节点参与共识，但是未改变共识的外部适用特征，适用范围有限。本发明的主要目的在于构建适用于车联网信誉系统的区块链共识方法，将车辆行为、信誉以及网络拓扑变化的因素考虑进共识过程中，在保障去中心化的前提下，使得区块链的共识过程可以及时更新对网络整体更有价值的信息，并及时将车辆的行为反映到其信誉值的变化上，同时激励车辆更诚实积极的参与进车辆网络中。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种车联网信誉管理中的区块链共识方法多样化车。

2、技术方案：本发明的一种车联网信誉管理中的区块链共识方法，将路边节点rsu作为区块链中的节点，共同维护一个区块链，路边节点rsu和区块链由交通部门进行部署和初始化，具体包括以下步骤：

3、步骤(1)、车辆注册入网

4、车辆用户为车辆vehiclei向可信第三方ca申请注册，通过验证后可信第三方ca向车辆vehiclei颁发证书{idi,pki,ski}，idi为车辆vehiclei的标识符，pki为车辆的公钥，ski为车辆的私钥；车辆vehiclei首次加入车辆网络时，由最近的路边节点rsu为其分配初始的信誉值和初始的选票数量；

5、步骤(2)、车辆创建消息并广播

6、车辆vehiclei观察到交通事故或者具体事件之后，创建一条消息reportingm并向周边车辆vehiclej进行广播，创建消息则消耗一枚选票，每个选票均有对应唯一的标识符，以便于区分不同用户的选票，

7、消息reportingm的数据包格式为：

8、reportingm：{idi,mk,location,ticketi,t}

9、其中mk表示消息，location是车辆发送该消息时所处的位置，ticketi则是车辆vehiclei创建消息使用的选票，t表示消息创建的时间；

10、车辆创建消息数据包之后，使用车辆的私钥ski进行签名，向其通信范围内的其他车辆vehiclej发送；

11、步骤(3)、车辆对消息投票

12、车辆vehiclej接收到消息reportingm后，根据实际观测情况或者向rsu查询消息广播车辆vehiclei的信誉值来判断该消息是否可信，若可信则对其进行赞成投票votingm，创建投票votingm消耗选票；

13、步骤(4)、路边节点rsu收集事务

14、消息发送车辆vehiclei在接收到一定数量的投票回复后，将原消息和投票构建成一个事务txk，路边节点rsu对一个周期内的事务进行收集，每个事务均包括对应的消息和选票；

15、步骤(5)、路边节点rsu计算收集的投票总数

16、每个路边节点rsu均统计其在一个共识周期内收集到的选票数，收集到的选票总数反映一个周期内路边节点rsu附近车辆的活跃程度，将收集的选票总数作为路边节点rsu筛选成为共识候选节点的权益；

17、fi＝min{sumi,fmax}

18、fi表示节点rsui拥有的权益值，fmax表示一个节点拥有权益的上限，防止某节点权益过大；

19、步骤(6)、共识节点筛选

20、根据一个周期内路边节点rsu收集到的选票数筛选出参与共识的节点，每个rsu节点进行一次哈希函数运算，小于特定目标值的rsu成为参与共识的节点；哈希函数运算公式如下：

21、hash(idi,time,prehash,nonce)≤di

22、di表示筛选计算的目标值，与不同rsu节点的权益fi相关，其计算如下：

23、

24、

25、nm表示哈希函数输出的位数(例如，对于sha-256，n＝256)，int(.)返回值的整数部分,η和μ是调节筛选的目标值的系统参数

26、步骤(7)、共识及信誉值更新

27、参与共识的路边节点rsu，对上个周期中所收集事务包含的车辆的信誉值reputation进行聚合计算，并发送给主节点rsu，主节点rsu将车辆信誉值reputation更新情况和事务打包，经过其他节点共识验证，写入区块链。

28、本发明将车辆在区块链活动中使用的选票与信誉值相关联，车辆相关的事务(交易)被写入区块链时可以增加车辆的信誉，激励车辆的诚实行为；将rsu收集到总选票数作为共识候选节点筛选的权益，利用哈希函数进行一次随机计算，保障了较活跃交通地区的信息有更大概率被写入区块链网络，也保障了共识的随机性。

29、进一步地，所述步骤(3)车辆对消息投票的具体过程为：

30、若车辆vehiclej接收到车辆vehiclei创建的某个消息，并对消息内容赞同，则车辆vehiclej首先创建投票votingm，其格式为：

31、votingm：{idi,idj,mk,ticketj,t}

32、idj表示投票车辆vehiclej的标识符，mk表示消息，ticketj则是车辆vehiclej创建投票使用的选票，t表示投票创建的时间；

33、创建投票votingm之后，车辆vehiclej对其签名并回复给消息发送车辆vehiclei，车辆vehiclei在接收到其通信范围内一半以上车辆对于消息mk的投票回复之后，将投票回复和原消息构建成一个事务txk，并将其发送给最近的rsu；事务txk具体格式如下：

34、txk：{reportingm,votingm1,…,votingmn}

35、reportingm为车辆vehiclei创建的消息reportingm，votingm1,…,votingmn分别是一个周期内其他车辆对于消息reportingm的投票回复；

36、车辆vehiclei在形成事务之后将其广播至最近的rsu。

37、进一步地，所述步骤(4)路边节点rsu完成一个周期内的车辆网络中事务的收集工作后，将所有事务打包，等待经过共识写入区块链；

38、所述区块链的每个区块头中包含有区块标识符block id、rsu的标识符rsu id和区块的创建时间t，并通过存储前一个区块的哈希值(prev hash)的方式与前一个区块连接，默克尔根(merkel tree root)由区块体中的数据计算得出并存储在区块头中，其用来保障数据的完整性，nonce值和目标值di则是与共识候选节点筛选计算有关的值；

39、所述区块链的区块体中包括有rsu收集的事务，以及车辆的信誉值列表。

40、进一步地，在步骤(7)共识及信誉值更新的过程中，rsu使用beta信誉函数更新车辆的信誉，并将更新的分数记录在区块链中；每辆车有不同诚实使用选票的概率h，利用γ函数对beta(h|pos,neg)作如下定义：

41、

42、其中0≤h≤1，pos,neg>0,pos和neg分别是消极行为和积极行为的计数，beta分布函数的概率期望值为将此期望值用作信誉分数，取值范围是[0,1]；

43、每一个rsu计算车辆vehiclei所使用过的存储在区块链账本中的选票数量st，以及使用过但未存储至区块链账本中的选票数量st*，然后计算车辆的信誉值：

44、

45、其中，pos的数量等于st+1，neg的数量等于st*+1；

46、所有rsu计算出车辆信誉值，广播给pbft中产生的主节点，由主节点写入区块链。

47、有益效果：本发明提出的共识机制可以在保障共识安全性、随机性的同时，提高共识的效率，使车联网中发生的事件能够及时反映到车辆信誉的更新上，加强了数据传输的效率，提高了车辆信誉系统的服务质量。