论文 | LVBS:用于灾难救援安全数据共享的轻型车辆区块链 1

导读

灾区救援问题广受关注，为了更有效救援，在灾区经常需要共享大量数据，为保证数据的安全可靠，提升灾区救灾能力，大量相关方案被提出，本文基于区块链构建了分布式可信的车辆区块链，并通过RL技术优化共享定价及策略，提供更有价值的数据。

本文是前半部分的翻译与总结。

接下来让我们一起走进今天的文章吧！

LVBS: Lightweight Vehicular Blockchain for Secure Data Sharing in Disaster Rescue

时间：2020

地址：10.1109/TDSC.2020.2980255

摘要

在灾区，为保证安全高效救援与驾驶，需要在地面救援车辆之间传递大量数据，无人机（UAV）被广泛用于即时救援任务，协助地面车联网（IoV）进行数据共享。

当前场景存在网络环境不可信，不良行为追踪问题、共享数据质量低等安全威胁。

本文开发了一种轻型车载区块链安全(LVBS)数据共享框架，用于无人机辅助车联网的灾难救援：

1、提出新型的无人机和区块链辅助的灾区地空协同网络架构。

2、开发基于信用的共识算法，以安全、不变地跟踪无人机和车辆的不当行为并记录数据交易，提高了达成共识的效率和安全性。

3、开发基于强化学习的算法，通过试错为数据贡献者和数据消费者优化数据共享策略的定价和质量。

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引言

1、背景

2、面临的问题

3、基于区块链的相关方案

4、本文工作与贡献

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相关工作

在本节中，我们简要回顾了区块链技术与无线网络或MEC集成的相关工作，然后描述了它们与工业物联网系统的结合。此外，还讨论了区块链支持的基于DRL的工业物联网系统的相关工作。

1、在IoV中应用区块链的数据共享

Kang等[24]将许可链和智能合约技术应用于车辆边缘网络，有效保障道路上的信息共享和便捷的数据服务。Chen等[25]研究了一种区块链辅助下安全高效的车联网数据交易方法，以确保车辆之间的数据交易真实，交易数据的数量和相应的价格由双拍卖算法确定。Li等人[28]提出了一个基于区块链的联盟匿名广告传播框架，用于在车联网中发布广告，通过智能合约禁止搭便车并保护车辆隐私，其中共识阶段由RSU管理。Guo等[29]研究了支持边缘计算的区块链网络中的信任访问认证方案，提高了移动车辆从区块链边缘节点请求计算和缓存资源时的快速认证。Feng等人通过联盟区块链和车辆区域划分技术，设计了一个半分布式的可信数据存储系统TruChain，支持可信数据管理，以应对内外合谋攻击。

缺点：共识管理严重依赖于路边基础设施，可能不适用于基础设施严重受损或无法使用的灾区。

本文：在车辆和无人机之间构建了一种轻型车辆区块链，具有高机动性并可以利用有限的资源用于灾难救援。

2、可信车联网数据共享

基于信任机制的车联网中可信数据共享。

Wu等[31]提出了一个可信的车联网框架，利用车辆作为稀疏连接区域的移动边缘，并开发了一种多层多接入边缘聚类算法，有效集成各种接入技术。Tian等人[32]提出了车联网中的基于声誉的Vcash框架，通过可信性评估来识别行为不佳的车辆并抑制虚假事件的传播，其中RSU被部署，为车辆提供无线通信和反馈聚合。Alnasser[33]等人基于V2X (vehicle-to-everything)通信，设计了一种面向推荐的车辆信任机制，用于防御内部对手的攻击，提高了检测率和网络吞吐量。Kerrache等人[34]通过在社交车联网和在线社交网络之间搭建桥梁，在车联网中设计了一种名为TACASHI的信任感知架构，通过IP连接接入网络，根据司机和乘客的移动特性和社交特性来确定他们的诚实程度。

缺点：然而，现有的信任模型大多依赖于边缘设备或BSs进行信任管理，由于网络基础设施的破坏，无法直接应用于灾后地区。此外，现有的大多数文献都集中存储了信任计算的行为记录和反馈，可能会遭受单点故障攻击和数据篡改攻击。

本文：在地面车辆和无人机之间建立了车辆区块链背景下的信用评估机制，以永久追踪不当行为，激励合法节点诚实行为。

3、车联网数据共享的激励机制

激励机制是车联网数据共享的基础。现有的研究主要集中在通过定价、拍卖、合同设计和联盟形成等方法，通过博弈模型来刺激车辆贡献和提供高质量的数据。Hui等[35]在基于边缘计算的内容发布框架中开发了基于逆向拍卖的两阶段中继选择算法，有效激励车辆参与内容传播并选择中继车辆。Li et al.[36]通过将资源丰富的停放车辆作为通用计算节点来执行计算任务，设计了一种基于合约的节能激励方案，激励停放车辆贡献闲置资源。Chen等人[37]提出了一种基于联盟博弈的车对车合作(V2V)内容传播机制，以促进具有高移动性、有限带宽和间歇性无线连接的相邻车辆之间流行内容的传播。Zhou等人[38]提出了一个基于协作博弈的资源分配问题，通过高度动态和不可靠的多跳V2V链路来最小化平均网络延迟。

缺点：现有场景难以提供博弈论假设中所需的准确数据。

本文：提供基于学习的激励机制，在不依赖网络参数显性知识的情况下激励高质量数据共享。

3

系统模型

在本节中，我们介绍系统模型，包括网络模型、移动模型、数据模型、通信模型和安全模型。

1、网络模型

下图是对网络模型的简短描述：

2、移动模型

3、数据模型

4、通信模型

5、安全模型

在网络中，数据传输时考虑以下几种攻击。

车辆数据篡改攻击。在多跳V2V数据传输过程中，已发送的车辆数据可能被恶意中继节点篡改、替换，甚至注入恶意软件和病毒，干扰相邻车辆的正常行驶活动。

恶意行为篡改攻击。网络攻击者可以通过各种攻击(如DDoS攻击、单点故障攻击)，对负责不良行为追踪的中心节点进行攻击，非法删除、替换、伪造、篡改不良行为记录，从而逃避相应的惩罚。

无意义且低质量的数据传播攻击。由于无人机和地面车辆自身的自私特性，在没有足够激励的情况下，为节约数据共享成本，可能会传播无意义、低质量的数据，从而对驾驶安全造成潜在威胁。

表一总结了本文中使用的符号。

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LVBS

在本节中，我们提出了LVBS，一种轻型车载区块链网络，用于灾难救援场景中无人机和地面车辆之间的安全数据共享。

1、LVBS概览

在LVBS中，只有注册后获得授权的个人才能参与去中心化网络。LVBS中的授权节点集记为：

  

LVBS采用基于DPoS的共识协议，因为它可以更快地实现共识验证，并避免共识过程中的电能损耗，比其他可扩展性更强、更民主、更环保的[44]、[45]。但是，由于参与者投票不活跃，见证人选举周期较长，基于DPoS的区块链在证人妥协导致的共识安全性方面存在缺陷。为了克服这些问题，LVBS进一步结合信用值来激励节点进行投票和证人DPoS中的选举。具体来说，在LVBS中，需要进行以下阶段：

1、实体注册和角色选择。在这一阶段，每个节点在注册后获得授权。然后，每个被授权的节点获取其密钥对，并在网络中选择其类型。

2、事务生成和广播。这个阶段生成和广播网络中节点之间的点对点交易。

3、基于信用的DPoS共识过程。在这个阶段，每个节点运行一个基于信用的DPoS协议，在网络中就一组交易达成共识，并通过节点投票、证人选举和信用评估将它们记录在车辆区块链中。

2、实体注册和角色选择

3、交易产生及传播

4、基于信用的DPoS共识过程

5、安全分析

少数证人串通。我们假设恶意或故障证人的比例不超过1/3[44]。如果选择恶意或故障节点作为块生产者，可能会产生区块链分叉。在这种情况下，少数分支只创建一个块，而多数分支可以创建更多块。因此诚实多数分叉比少数分叉长，通过采用最长链原则，区块增长过程会正常运行。

网络分段。由于灾区地空网络稀疏，可能连接不良，部分目击者可能无法与其他目击者同步。网络碎片化可能带来的后果是，没有分支拥有多数证人。在这种情况下，最长的链指的是拥有最大少数群体的分叉。一旦网络连接恢复，其他少数群体将切换到最长的链。因此，将恢复明确的共识意见。

通过区块链中的抗碰撞哈希算法和非对称加密，通过检查接收到的数据贡献者和中继节点的签名，验证接收到的数据的哈希值，确保车辆数据的完整性、身份验证和不可抵赖性。因此，可以解决车辆数据篡改攻击。在网络中，节点的负面或恶意行为记录在车辆区块链中，并由所有见证人维护。如果恶意证人试图修改一个块中的数据，被修改的块需要来自其他证人的不少于2/3的协议，这是非常昂贵的。此外，恶意证人在下一轮选举中将无法获得合法完整节点的选票，因为一旦发现恶意证人的不当行为，恶意证人的信用值将被大幅降低作为惩罚。因此，可以高概率地解决错误行为篡改攻击。

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