基于DAG区块链的可信车联网关键技术研究

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车联网通过车到车、车到基础设施和车到云端等多种通信方式提高了驾驶安全性、效率性和舒适性,然而随之产生的具有不同服务质量(QoS,Quality of Service)需求的应用业务对车联网数据传输提出了巨大的挑战。更为重要的是,由于车联网的开放性和移动性等特点,使得参与通信的车辆之间始终彼此缺乏信任,甚至导致车辆用户出于隐私性不愿与网络共享数据。此外车辆间的数据传输还可能遭受恶意攻击,如数据篡改、Sybil攻击等。另一方面,区块链技术具有去中心化、防篡改和可追溯等特点,能够为车联网参与者建立一个安全、透明和可信的信息交互生态系统。近年来,将车联网与区块链技术相融合建立安全可信的车联网环境逐渐成为学术界和工业界的关注热点。而本文的重点是探索设计一种高效的,能够区分车联网业务优先级的区块链网络架构,实现可信的车联网计算卸载应用。面对车联网中频繁数据传输和节点快速移动的问题,现有区块链技术受限于可扩展性和共识效率,难以满足车联网对高效率和高吞吐量的要求。而由于传统区块链对业务没有进行区分,所以无法保障车联网中不同业务的多样化QoS需求。此外,由于车联网环境的不可信任,网络中可能存在恶意节点和攻击的问题,亟需一种有效的消息可靠度评判机制来建立可信的车辆交互环境。因此,针对区块链应用于车联网的上述挑战,本文提出一种基于有向无环图(DAG,Directed Acyclic Graph)区块链的车联网高效、可信数据传输架构。一种区分业务优先级的可靠共识机制用于增强DAG区块链,以满足车联网中多种QoS需求的业务时延约束。此外,我们对DAG区块链中数据交易的可靠度进行评估,并用于生成车辆的实时信誉值,实现对车辆未来行为的管理和约束。最后,根据车辆行驶轨迹相似度让行驶轨迹相近的车辆尽可能选择到彼此发布的交易进行验证和评估,以提高共识效率和评估准确性。计算卸载是应对车联网中计算密集型应用的有效技术手段。将本文所提出的DAG区块链机制用于计算卸载中,可以实现高效、可信的车联网计算卸载应用。然而与传统车联网计算卸载不同的是,卸载的可信化是以消耗车联网部分系统资源为代价的,这为网络资源的分配和管理引入了新的挑战。因此,针对于车辆计算卸载网络中资源的复杂性,本文在基于DAG区块链的车联网架构下提出一种可信的车辆协同计算卸载策略。具体地,我们分析和量化了车联网计算卸载的通信时延、计算时延等,并通过建立吸收马尔可夫链模型得到区块链确认交易产生的时延开销;接着我们分析车辆计算卸载网络资源和区块链资源开销间存在的冲突性,即粗粒度计算卸载策略能够加速卸载事件在DAG区块链中的上链确认速度,然而会造成较大计算和传输延迟;因此,我们根据数据段分块决策、卸载服务车辆决策以及区块链共识参数决策建立以最小化计算卸载总时延为优化目标的多约束优化问题,并最终采用粒子群算法求解出最优协同计算卸载方案。
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