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CN111050303B - 一种基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统 - Google Patents

一种基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统 Download PDF

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CN111050303B CN201911279272.9A CN201911279272A CN111050303B CN 111050303 B CN111050303 B CN 111050303B CN 201911279272 A CN201911279272 A CN 201911279272A CN 111050303 B CN111050303 B CN 111050303B
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Abstract

本发明特别涉及一种基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统。该基于区块链技术的智能车联网实现方法，首先根据实际情况划定行驶区域，并在行驶区域中选取一中心节点和多个边界节点，与路侧单元RSU共同构建车联网联盟链；车联网联盟链内的行驶车辆不断进行信息共享，并记录存储共享的信息；从各个车联网联盟链的边界节点中分别任意选取一行驶车辆，共同构建侧链；侧链内的行驶车辆不断进行信息共享，并记录存储共享的信息，从而帮助管理部门获取不同行驶区域的车联网联盟链数据的统一记录。该基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统，实现了对车辆安全的主动避险控制及对道路的智能协同管理，更好地促进了智慧交通的发展。

Description

一种基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统
技术领域
本发明涉及车联网技术领域，特别涉及一种基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统。
背景技术
作为物联网重要节点之一的智能网联汽车，具有十分显著的终端设备属性。智能网联汽车内部包含了路侧传感器、控制器、执行器等装置，融合了现代通信与网络技术，能够实现车与X(车、路、人、云等)的智能信息交换、共享，能够感知周围复杂环境即时做出智能决策，帮助驾驶人员达成对智能网联汽车自身的协同控制。然而，在车联网技术的发展过程中也存在着诸多待以解决问题，其中车联网的安全问题是制约其发展的重要因素。
由于车联网通信环境自身的脆弱性，其网络很容易遭受网络攻击，如通信信息的篡改、重放等对消息真实性的威胁，这些都会对车联网体系安全造成严重的后果。车辆在行驶过程中，车联网节点间需进行频繁的信息交互，因此保证信息安全是至关重要的。目前，针对车联网的安全问题还未真正提出完美的解决方案。
传统的中心化车联网信息交互模式为通过路侧T-BOX采用GPRS系统或4G通信技术实现车辆的通信。数据传输受通信信号的限制，在没有信号或信号较差的区域无法通信，故单一的4G移动通信方式已无法满足未来车联网发展对路侧T-BOX数据传输实时性及可靠性的要求。同时车联网的中心化模式会使数据中心遭遇黑客侵入的风险增大，所以说车联网信息安全是车联网部署的前提和关键。
DSRC即Dedicated Short Range Communications(专用短程通信技术)是一种高效的无线通信技术。它可以实现在特定区域内(通常为数十米)对高速运动下的移动目标的识别和双向通信，例如车辆的“车-路”、“车-车”双向通信，实时传输图像、语音和数据信息，将车辆和道路有机连接。通过主从节点通信实现了车与车的数据交换，保证了车辆间快速稳定的通信，然后通过路边单元的分布式广播与存储，实现了路与路、车与路的数据交换，另外在通信过程中采用数字签名技术，以保证车联网节点间安全可靠的通信。
OBU(On board Unit，车载单元)是采用DSRC技术与RSU(Road Side Unit，路侧单元)进行通讯的微波装置。在ETC系统中，OBU采用DSRC技术，建立与RSU之间微波通讯链路，在车辆行进途中，在不停车的情况下，实现车辆身份识别，电子扣费，实现不停车、免取卡，建立无人值守车辆通道。在车场管理中，采用DSRC技术实现不停车快速车道，自动扣取停车费。
综上所述，针对现有车联网技术的发展与设备存在的缺陷，急需一款传输速度更快，可靠性及安全性更高的车联网终端满足智能交通的飞速发展。
基于上述情况，本发明提出了一种基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的缺陷，提供了一种简单高效的基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于区块链技术的智能车联网实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据实际情况，人为划定行驶区域，并在行驶区域中任意选取一行驶车辆作为中心节点，在行驶区域边界选取多个行驶车辆作为边界节点，与该行驶区域内的路侧单元RSU共同构建车联网联盟链；
第二步，车联网联盟链内的行驶车辆通过去中心化车载T-Box不断进行信息共享，并记录存储共享的信息；
第三步，从各个车联网联盟链的边界节点中分别任意选取一行驶车辆，共同构建侧链；
第四步，侧链内的行驶车辆通过去中心化车载T-Box不断进行信息共享，并记录存储共享的信息，从而实现不同行驶区域的信息共享，帮助管理部门获取不同行驶区域的车联网联盟链数据的统一记录。
所述第一步中，中心节点通过数据通信DSRC模块向周围的车辆或路侧单元RSU发送请求认证信息，双方经服务注册请求、认证，并分配信道接入后即可建立双向的数据传输；在数据交互完成后，通过服务注销结束链接。
所述车联网联盟链和侧链内的每辆行驶车辆的去中心化车载T-Box均通过MerkleTree(默克尔树)算法和共识机制将某一段时间经过验证的路况信息记入对应的存储区块；将时间保存在时间戳字段，Merkle根保存在区块头Merkle根字段中，在区块体中生成路况信息Merkle Tree，从而生成联盟链区块记录/侧链区块记录，保证数据一致性和安全共识性。
所述路侧单元RSU作为车联网联盟链的路侧节点，实时广播路况信息和预警服务信息；所述行驶车辆作为车联网联盟链和侧链的移动节点，利用其搭载的去 中心化车载T-Box 实时广播自身车辆信息，并接收来自路侧单元和其他行驶车辆的广播信息；所述车联网联盟链的中心节点与路侧节点进行信息交互，边界节点不与路侧节点进行信息交互，而是只与其他边界节点和中心节点交互，实现信息共享。
所述路侧节点与中心节点之间，以及边界节点与其他边界节点和中心节点之间的信息交互均采用DSRC数据传输协议；发送端先按照DSRC数据传输协议将需要广播的数据封装成短消息，然后使用广播机制将短消息发送出去；接收端验证接收到的消息并将短消息解码成远程RSU数据和/或车辆信息数据。
本发明基于区块链技术的智能车联网系统，其特征在于：包括车联网联盟链和侧链，所述车联网联盟链内包括同一区域行驶的车辆与该区域的路侧单元RSU，用于实现该区域内车与车之间的信息共享；所述侧链则由各车联网联盟链内分别随机选取的某一辆行驶在区域边界的行驶车辆组成，用于帮助管理部门获取各行驶区域车联网联盟链数据的统一记录；
所述行驶车辆均装有去中心化车载T-Box和车载单元OBU；所述去中心化车载 T-BOX通过车载单元OBU实时采集自身车辆信息，同时负责实现车与车数据共享以及与路侧单元RSU的通信，从而获取到实时交通服务信息，包括实时路况信息、优化交通路线和避免碰撞。
所述去中心化车载T-Box包括微处理器，数据采集CAN模块，数据通信DSRC模块，数据存储EMMC模块，WiFi热点模块，GPS/北斗定位模块，RTC实时时钟模块和电池管理PMU模块；
所述数据采集CAN模块用于采集车辆运行数据和CAN总线上的诊断信息；所述数据通信DSRC模块负责实现车与车之间、车辆与路侧单元RSU之间的无线通讯连接；所述数据存储EMMC模块负责利用区块链技术将数据采集CAN模块采集的数据信息和数据通信DSRC模块接收的数据信息分别存储到对应的加密存储区块。
本发明的有益效果是：该基于区块链技术的智能车联网实现方法及系统，应用DSRC 通信技术通过主从节点通信实现了车与车的数据交换，保证了车辆间快速稳定的通信；同时通过路边单元的分布式广播与存储，实现了路与路、车与路的数据交换；另外在通信过程中采用数字签名技术，保证了车联网节点间安全可靠的通信；从而实现了对车辆安全的主动避险控制及对道路的智能协同管理，更好地促进了智慧交通的发展。
附图说明
附图1为本发明去 中心化车载T-Box硬件结构示意图。
附图2为本发明基于区块链技术的智能车联网实现方法示意图。
附图3为本发明车联网联盟链构建流程示意图。
附图4为本发明基于区块链技术的智能车联网数据存储方法示意图。
附图5为本发明去 中心化车载T-Box功能结构示意图。
附图6为本发明基于区块链技术的智能车联网应用场景示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
该基于区块链技术的智能车联网实现方法，包括以下步骤：
第一步，根据实际情况，人为划定行驶区域，并在行驶区域中任意选取一行驶车辆作为中心节点，在行驶区域边界选取多个行驶车辆作为边界节点，与该行驶区域内的路侧单元RSU共同构建车联网联盟链；
第二步，车联网联盟链内的行驶车辆通过去中心化车载T-Box不断进行信息共享，并记录存储共享的信息；
第三步，从各个车联网联盟链的边界节点中分别任意选取一行驶车辆，共同构建侧链；
第四步，侧链内的行驶车辆通过去中心化车载T-Box不断进行信息共享，并记录存储共享的信息，从而实现不同行驶区域的信息共享，帮助管理部门获取不同行驶区域的车联网联盟链数据的统一记录。
所述第一步中，中心节点通过数据通信DSRC模块向周围的车辆或路侧单元RSU发送频率为5.8GHz的请求认证信息，双方经服务注册请求、认证，并分配信道接入后即可建立双向的数据传输；在数据交互完成后，通过服务注销结束链接。通过这样一个可跳跃的双向链接，附近的车辆可以共享自身的状态信息，位置信息等，从而支持广泛的互联汽车、协同式智能交通和自动驾驶汽车应用，如碰撞避免预警、盲区检测、紧急车辆信息通告、协作式智能交通信号灯、车队车辆协同、智能交通设施等。V2X可有效避免80％以上汽车碰撞事故，实现交通设施的智能化，大幅提升交通安全和效率。
所述车联网联盟链内的每辆行驶车辆的去中心化车载T-Box均通过Merkle Tree(默克尔树)算法和共识机制将某一段时间经过验证的路况信息记入对应的存储区块；将时间保存在时间戳字段，Merkle根保存在区块头Merkle根字段中，在区块体中生成路况信息Merkle Tree，其他内容保存在相应的字段中，从而生成联盟链区块记录。所有行驶车辆的去中心化车载T-Box基于自身计算能力来求解Merkle Tree的SHA256，该方法虽然计算复杂但容易验证，能够保证数据一致性和安全共识性。
当车联网联盟链生成存储区块后，侧链才开始工作。此时每个车联网联盟链通过轮流选取的方式从边界节点中选择一个广播节点，分别由该广播节点负责将各自车联网联盟链中的数据在侧链中进行广播。所有广播节点交换联盟链数据，通过上述的Merkle Tree(默克尔树)算法和共识机制记入侧链区块，从而形成全国车联网联盟链数据的统一记录。
通过上述去中心化的方式，每个节点都会拥有一份车联网数据记录的副本，可以有效保证车联网数据的真实性和安全性，同时也为驾驶员提供更加全面安全的信息服务。
所述路侧单元RSU作为车联网联盟链的路侧节点，实时广播路况信息和预警服务信息；所述行驶车辆作为车联网联盟链和侧链的移动节点，利用其搭载的去 中心化车载T-Box 实时广播自身车辆信息，如车辆定位信息、速度、时间点、行驶方向等，并接收来自路侧单元和其他行驶车辆的广播信息；所述车联网联盟链的中心节点与路侧节点进行信息交互，边界节点不与路侧节点进行信息交互，而是只与其他边界节点和中心节点交互，实现信息共享。
所述路侧节点与中心节点之间，以及边界节点与其他边界节点和中心节点之间的信息交互均采用DSRC数据传输协议；发送端先按照DSRC数据传输协议将需要广播的数据封装成短消息，然后使用广播机制将短消息发送出去；接收端验证接收到的消息并将短消息解码成远程RSU数据和/或车辆信息数据。
该基于区块链技术的智能车联网系统，包括车联网联盟链和侧链，所述车联网联盟链内包括同一区域行驶的车辆与该区域的路侧单元RSU，用于实现该区域内车与车之间的信息共享；所述侧链则由各车联网联盟链内分别随机选取的某一辆行驶在区域边界的行驶车辆组成，用于帮助管理部门获取各行驶区域车联网联盟链数据的统一记录；
所述行驶车辆均装有去中心化车载T-Box和车载单元OBU；所述去中心化车载 T-BOX通过车载单元OBU实时采集自身车辆信息(包括车辆的仪表盘信息、各行车电脑 ECU状态信息和故障信息等)，同时负责实现车与车数据共享以及与路侧单元RSU的通信，从而获取到实时交通服务信息，包括实时路况信息、优化交通路线和避免碰撞。
所述去中心化车载T-Box包括微处理器，数据采集CAN模块，数据通信DSRC模块，数据存储EMMC模块，WiFi热点模块，GPS/北斗定位模块，RTC实时时钟模块和电池管理PMU模块；
所述数据采集CAN模块用于采集车辆运行数据和CAN总线上的诊断信息；所述数据通信DSRC模块负责实现车与车之间、车辆与路侧单元RSU之间的无线通讯连接；所述数据存储EMMC模块负责利用区块链技术将数据采集CAN模块采集的数据信息和数据通信DSRC模块接收的数据信息分别存储到对应的加密存储区块。WiFi热点模块用于将数据连接手机，将数据发送到手机APP，实现路与人、路与路的加密通信。
此外，所述去中心化车载T-Box通过车联网联盟链之间的数据交换，生成车与车之间的加密存储区块。同时，具有休眠唤醒功能，在新能源客车钥匙信号关闭情况下模块会进入休眠状态。
所述车与车之间、车辆与路侧单元RSU之间交换基本的安全信息(BSM)，BSM主要包括车辆本身的数据信息：速度、位置、方向、刹车、转向、路灯信息、前方障碍预警等。
每个应用程序的要求和通用机制如下：
(1)车-车分散式环境通知应用程序，提供关于事件和道路特征的信息，这些信息是驾驶员在特定的区域和时间里感兴趣的。
该应用程序包含3个应用实例：监测器、发送者、接收者。监测器主要包括现有道路上基础设施，如交通监控系统，可见性传感器，桥上的风力传感器，道路信息警示等，监测器在采集到相关数据后通过互联网连接将消息发送到附近的路侧单元RSU，消息包括分布参数(例如优先级，有效性)、认证数据(例如签名)、位置和使用标准化的风险类型方案描述的事件和道路信息。然后路侧单元RSU扮演发送者的角色，使用广播或地域性群播的机制发送消息到周围的车辆或在一个地理区域内的车辆。车辆的车载T-Box作为接收者解码收到的消息同时确认消息的有效性，保存有效的消息并丢弃无效的消息。然后按照标准化的风险类型方案集群描述相同事件或道路信息的消息，优先考虑集群分布的信息，并以最高优先级传递到到车辆人机界面。该应用程序中，消息包含了关于事件和路况的信息。注意路况可以是静态的或动态的，(例如冻雨—静态，交通堵塞—动态)。每个消息包含关于一个单一事件或路况的信息，为了独立的发布信息。
每个消息由以下3部分组成：
1、用于消息管理的参数：这个信息用于满足消息的独立处理。它包含：一个随机的且独一无二的消息ID。由于车辆独立的生成消息ID，不能保证完全的唯一性除非它包含位置和时间信息，这将导致很长的ID。因此系统必须避免ID重复。消息的时间戳、优先级、发起者设定的消息的可靠性、目标区域的限制、到期时间。
2、位置信息：这个信息是必须的，为了集群信息和帮助驾驶员识别相关消息。因此，不同消息的位置信息必须被匹配且自己的驾驶路径必须和消息匹配。为了实现匹配，不仅要将事件位置加入到消息中而且要增加位置追踪描述符。这个追踪信息必须和专用的数字地图配合。
3、事件和路况信息：事件和路况信息使用标准化的、可扩展的方案编码。
下面以危险预警用例说明该应用程序的具体实现方式，监测器监测像交通事故或危险情况这样的事件。
为了避免信息丢失，检测器会及时将危险事件消息发送到事故发送区域内的路侧单元，路侧单元在事故区域和特定的时间内广播交通事故危险预警消息。区域内的车辆通过车载T-Box接收广播的消息并完成消息的解码与相同事件的集群，然后将危险预警事件通过USB传递到车辆人机界面递交给驾驶员(例如，听觉、视觉和触觉)。此外，基于该应用程序实现的用例还包括堵车提前预警、危险地段车-车通知、安全服务点、盲区警告等。
(2)基础设施-车(单向)通信应用程序，支持车辆与路边基站(RSU)之间无持续通信链路时从路边基站(RSU)到车辆的通信。
该应用程序既不能建立双向的通信链路也不能接收和转发危险警告。双向的通信链路以及危险警告的接收和转发将通过车-车分布式环境通知实现。本应用程序包含2个应用实例：路侧单元(RSU)和车载T-Box。其中路侧单元(RSU)作为发送者按照DSRC数据传输协议将需要广播的数据封装成短消息，然后使用广播机制将消息发送到周围车辆。车载T-Box作为接收者验证接收到的消息并将消息解码成远程RSU数据，然后根据用例要求评估消息的内容。并将评估结果传递到车辆人机界面。
以车速限制广播用例说明该应用程序的实现方式，动态限速标志根据当天的时间或交通堵塞等特殊情况显示不同的限制，该区域的RSU将周期性地广播包含速度限制的消息。此外，消息将包含额外的关于速度限制的信息例如它的地理或定向限制。区域内的车辆通过车载T-Box收到广播消息后完成消息的解码，将消息中的一些地理或定向限制与车辆的本地数据进行比较来决定本地车辆是否应用速度限制。如果T-Box采集的车辆速度超过当前限制速度，T-Box会通过USB将超速信息发送到车辆人机界面给驾驶员发送一个警告。此外，基于该应用程序实现的用例还包括绿灯最佳速度咨询、危险地段I2V通知等。
(3)车-车单播交换应用程序，能够使能两辆车之间用于交换信息的通信链路。
这个应用由4个不同的阶段组成：发现、连接、维护和关闭。发现阶段是指一个车辆决定连接其他车辆的阶段。在随后的连接阶段车辆发起一个请求发送到其他车辆从而打开一个连接。其他车辆必须决定是否允许这个连接。维护阶段是当两个车辆正在交换数据的同时保持连接打开。关闭阶段是当两个车辆中的一个决定停止交换数据并关闭连接。发起者将发送一个连接请求到目标车辆，一旦连接被建立，发起者必须执行实现用例所需的双工或双向的通信协议。这包括将车辆信息打包成消息和在合适的时间发送消息，发起者可能随时关闭连接。应答者应当回应所有的连接请求，接受或拒绝。当和某个发起者的连接被建立，应答者应该执行实现用例所需的双工或双向的通信协议。这包括将车辆信息打包成消息和在合适的时间发送消息。应答者应当视用例的情况从车辆系统请求信息和发送信息到车辆系统，应答者可能随时关闭连接。该应用一般用于建立车辆间的及时通讯。
以上所述的实施例，只是本发明具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于区块链技术的智能车联网实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，根据实际情况，人为划定行驶区域，并在行驶区域中任意选取一行驶车辆作为中心节点，在行驶区域边界选取多个行驶车辆作为边界节点，与该行驶区域内的路侧单元RSU共同构建车联网联盟链；
第二步，车联网联盟链内的行驶车辆通过去中心化车载T-Box不断进行信息共享，并记录存储共享的信息；
第三步，从各个车联网联盟链的边界节点中分别任意选取一行驶车辆，共同构建侧链；
第四步，侧链内的行驶车辆通过去中心化车载T-Box不断进行信息共享，并记录存储共享的信息，从而实现不同行驶区域的信息共享，帮助管理部门获取不同行驶区域的车联网联盟链数据的统一记录。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的智能车联网实现方法，其特征在于：所述第一步中，中心节点通过数据通信DSRC模块向周围的车辆或路侧单元RSU发送请求认证信息，双方经服务注册请求、认证，并分配信道接入后即可建立双向的数据传输；在数据交互完成后，通过服务注销结束链接。
3.根据权利要求1所述的基于区块链技术的智能车联网实现方法，其特征在于：所述车联网联盟链和侧链内的每辆行驶车辆的去中心化车载T-Box均通过Merkle Tree算法和共识机制将经过验证的路况信息记入对应的存储区块；将时间保存在时间戳字段，Merkle根保存在区块头Merkle根字段中，在区块体中生成路况信息Merkle Tree，从而生成联盟链区块记录/侧链区块记录，保证数据一致性和安全共识性。
4.根据权利要求2或3所述的基于区块链技术的智能车联网实现方法，其特征在于：所述路侧单元RSU作为车联网联盟链的路侧节点，实时广播路况信息和预警服务信息；所述行驶车辆作为车联网联盟链和侧链的移动节点，利用其搭载的去中心化车载T-Box实时广播自身车辆信息，并接收来自路侧单元和其他行驶车辆的广播信息；所述车联网联盟链的中心节点与路侧节点进行信息交互，边界节点不与路侧节点进行信息交互，而是只与其他边界节点和中心节点交互，实现信息共享。
5.根据权利要求4所述的基于区块链技术的智能车联网实现方法，其特征在于：所述路侧节点与中心节点之间，以及边界节点与其他边界节点和中心节点之间的信息交互均采用DSRC数据传输协议；发送端先按照DSRC数据传输协议将需要广播的数据封装成短消息，然后使用广播机制将短消息发送出去；接收端验证接收到的消息并将短消息解码成远程RSU数据和/或车辆信息数据。
6.一种实现权利要求1~5所述方法的基于区块链技术的智能车联网系统，其特征在于：包括车联网联盟链和侧链，所述车联网联盟链内包括同一区域行驶的车辆与该区域的路侧单元RSU，用于实现该区域内车与车之间的信息共享；所述侧链则由各车联网联盟链内分别随机选取的某一辆行驶在区域边界的行驶车辆组成，用于帮助管理部门获取各行驶区域车联网联盟链数据的统一记录；
所述行驶车辆均装有去中心化车载T-Box和车载单元OBU；所述去中心化车载T-BOX通过车载单元OBU实时采集自身车辆信息，同时负责实现车与车数据共享以及与路侧单元RSU的通信，从而获取到实时交通服务信息，包括实时路况信息、优化交通路线和避免碰撞。
7.根据权利要求6所述的基于区块链技术的智能车联网系统，其特征在于：所述去中心化车载T-Box包括微处理器，数据采集CAN模块，数据通信DSRC模块，数据存储EMMC模块，WiFi热点模块，GPS/北斗定位模块，RTC实时时钟模块和电池管理PMU模块；
所述数据采集CAN模块用于采集车辆运行数据和CAN总线上的诊断信息；所述数据通信DSRC模块负责实现车与车之间、车辆与路侧单元RSU之间的无线通讯连接；所述数据存储EMMC模块负责利用区块链技术将数据采集CAN模块采集的数据信息和数据通信DSRC模块接收的数据信息分别存储到对应的加密存储区块。
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