CN111866066B - 基于DPoS的车联网共识算法 - Google Patents

基于DPoS的车联网共识算法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于DPoS的车联网共识算法，包括以下步骤：S1，证书管理机构通过专家经验和聚类算法确定算法管理的路侧单元集群成员；S2，在路侧单元集群中随机选出区块生产者并由集群成员和证书管理机构验证；S3，区块生产者发布新的区块，其中，新的区块数量等于区块生产者的数量；S4，由集群成员验证新的区块消息内容；S5，广播区块，预设时间后重新开始算法。本发明实现DPoS技术与聚类技术的结合，在区块链技术上加入了第三方认证，实现了自动化和高可伸缩性的区块链应用，同时满足了车联网对区块链安全性的要求。

Description

基于DPoS的车联网共识算法
技术领域
本发明涉及车联网技术领域，具体涉及一种基于DPoS的车联网共识算法。
背景技术
区块链被认为是一种潜在技术可以增强车联网的安全性，效率和鲁棒性。但是，目前的区块链算法无法满足车辆网的自动化以及可扩展性需求。吞吐量作为可扩展性的参数，区块链的吞吐量受到网络带宽的影响。例如，以太坊的吞吐量为10-30次交易/秒，EOS的吞吐量为4000次交易/秒，与此同时在2016年汽车厂商生产了超过4900万辆汽车。由此可以看出目前单个区块链可能无法满足车联网的需求，因此增加区块链数量被认为是一个提高可扩展性的潜在方法。
委托权益证明(DPoS)共识算法可以通过投票和选举流程来保护区块链免受集中化和恶意攻击。DPoS在可扩展性和集中化之间做出了均衡，且已有学者对随机化DPoS作出了研究。但是考虑到汽车的高机动性和区域性，同时考虑到单个区块链受到计算性能和网络带宽的影响，如何设计一个满足车联网需求的自动化多区块链算法是亟待解决的一个问题。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于DPoS的车联网共识算法，实现DPoS技术与聚类技术的结合，在区块链技术上加入了第三方认证，实现了自动化和高可伸缩性的区块链应用，同时满足了车联网对区块链安全性的要求。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于DPoS的车联网共识算法，包括以下步骤：S1，证书管理机构通过专家经验和聚类算法确定算法管理的路侧单元集群成员；S2，在所述路侧单元集群中随机选出区块生产者并由集群成员和证书管理机构验证；S3，所述区块生产者发布新的区块，其中，所述新的区块数量等于所述区块生产者的数量；S4，由集群成员验证新的区块消息内容；S5，广播区块，预设时间后重新开始算法。
所述步骤S1包括：所述证书管理机构根据专家经验和地域管理需求将所述路侧单元划分为多个不同的大类；通过聚类算法根据地理位置将所述大类划分为多个不同的路侧单元集群；根据专家经验调整各路侧单元集群的成员。
所述步骤S2包括：当时间处在设定时间段内时开始选取区块生产者；若无区块生产者，证书管理机构打开权益相关者数据并随机选择生产者；若有区块生产者，区块生产者从证书管理机构获取权益相关者数据并随机选择生产者；由其余权益相关者投票，当同意票数大于2/3时再次由证书管理机构验证；若成功则成功选出新的区块生产者；若在设定时间段内失败则重新开始算法，超时则报错。
在所述步骤S4中，由证书管理机构生成验证序列并发送给所有权益相关者，当新的区块发布时，集群内成员中由验证序列确定的权益相关者验证新的区块。
所述车联网共识算法在车联网中的应用的步骤如下：A，车辆将信息发送给车联网并获得反馈；B，通过所述车联网共识算法中的路侧单元处理对应的反馈并记录到区块链中；C，其他路侧单元从区块链获取信息。
本发明的有益效果：
本发明的基于DPoS的车联网共识算法，实现DPoS技术与聚类技术的结合，在区块链技术上加入了第三方认证，实现了自动化和高可伸缩性的区块链应用，同时满足了车联网对区块链安全性的要求。
附图说明
图1为车联网的结构示意图；
图2为本发明实施例的基于DPoS的车联网共识算法的流程图；
图3为本发明一个实施例的在车联网中加入基于DPoS的车联网共识算法应用的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的车辆将信息发送给车联网并获得反馈的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，目前车联网通常有四层，三层用于服务提供商，一层供用户使用，包括：1.车辆：车辆向服务提供商申请电子凭证，然后发送消息，反馈虚假消息等；2.路侧单元：路侧单元接收车辆的消息和电子凭证申请并转发给安全管理员；3.安全管理员：证书管理机构(认证中心)在顶层控制者网络，在安全管理员验证消息后转发给证书管理机构；4.证书管理机构：证书管理机构签发电子凭证或认证消息，并将消息返回给车辆。
如图2所示，本发明实施例的基于DPoS的车联网共识算法包括以下步骤：
S1，证书管理机构通过专家经验和聚类算法确定算法管理的路侧单元集群成员。
S2，在路侧单元集群中随机选出区块生产者并由集群成员和证书管理机构验证。
S3，区块生产者发布新的区块，其中，新的区块数量等于区块生产者的数量。
S4，由集群成员验证新的区块消息内容。
S5，广播区块，预设时间后重新开始算法。
在本发明的一个实施例中，步骤S1具体包括：证书管理机构根据专家经验和地域管理需求将路侧单元划分为多个不同的大类；通过K-means等聚类算法根据地理位置(欧式距离)将大类划分为多个不同的路侧单元集群；根据专家经验调整各路侧单元集群的成员。其中，不同的区块链可以放在不同的集群中，这样可以通过调整集群的大小和延迟来满足不同车载网应用的需求。
在本发明的一个实施例中，步骤S2具体包括：当时间处在设定时间段内时开始选取区块生产者；若无区块生产者，证书管理机构打开权益相关者数据并随机选择生产者；若有区块生产者，区块生产者从证书管理机构获取权益相关者数据并随机选择生产者；由其余权益相关者投票，当同意票数大于2/3时再次由证书管理机构验证；若成功则成功选出新的区块生产者；若在设定时间段内失败则重新开始算法，超时则报错。
由于共识是自动完成的，因此不需要所有权益相关者验证新的区块。因此，在步骤S4中，可由证书管理机构生成验证序列并发送给所有权益相关者，当新的区块发布时，集群内成员中由验证序列确定的权益相关者验证新的区块。
参照图3，本发明实施例的车联网共识算法在车联网中的应用的步骤如下：
A，车辆将信息发送给车联网并获得反馈。
B，通过车联网共识算法中的路侧单元处理对应的反馈并记录到区块链中。
C，其他路侧单元从区块链获取信息。
如图4所示，步骤A具体包括：
(1)申请电子凭证：用户有一对公钥和私钥，用户使用公钥和车辆信息向车联网申请电子凭证。电子凭证作为用户的身份证明，可以保护用户的隐私，同时也可以防止一些网络攻击。
(2)上传消息或反馈消息：车辆在道路上形势过程中，使用电子凭证作为身份证明发送消息或对错误的消息进行反馈。
(3)一段时间后，证书管理机构移除电子凭证。或者，证书管理机构发现攻击者并移除攻击者的电子凭证。
和目前的车联网不同的是，在路侧单元接收消息后将消息在集群内共享。可以降低区块链对消息延迟的需求。
本发明一个具体实施例的基于DPoS的车联网共识算法的伪代码如下：
算法1改进的委托权益证明共识算法
输入：time、S个权益相关者：RSU(S)、认证中心:CA。
输出：区块生产者:leader。
a)if(预设时间1<time<预设时间2)//在规定时间更换区块生产者
b)RSU(S)＝request(RSU,CA)//现在的区块生产者从证书颁发中心获得路侧单元集群数据。
c)leader＝随机选择(RSU(S))
d)if(Vote(leader))//如算法2所示
return select(leader)//选举成功
else
MDPoS(time)//重复算法1并输入新时间
e)else if(time>预设时间2)
Return Error//超时向证书颁发中心报错
算法2投票方案(Vote)
输入：下一个区块生产者leader、RSU(S)和CA的投票结果。
输出：投票结果(True or False)。
a)计数器＝0
b)For i＝1:S
If(RSU(i)verify leader＝True)
计数器++
Else
Pass
c)If(计数器>＝S*2/3)
If(认证中心verify leader＝True)
Return True//证书颁发中心确定结果
Else:
Return False
相对于目前的DPoS算法，主要做的改进包括：1.集群内的成员信息由证书管理机构划分；2.将DPoS的投票转换为随机选取和自动认证。
根据本发明实施例的基于DPoS的车联网共识算法，实现DPoS技术与聚类技术的结合，在区块链技术上加入了第三方认证，实现了自动化和高可伸缩性的区块链应用，同时满足了车联网对区块链安全性的要求。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于DPoS的车联网共识算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，证书管理机构通过专家经验和聚类算法确定算法管理的路侧单元集群成员；
S2，在所述路侧单元集群中随机选出区块生产者并由集群成员和证书管理机构验证；
S3，所述区块生产者发布新的区块，其中，所述新的区块数量等于所述区块生产者的数量；
S4，由集群成员验证新的区块消息内容；
S5，广播区块，预设时间后重新开始算法，
所述步骤S1包括：所述证书管理机构根据专家经验和地域管理需求将所述路侧单元划分为多个不同的大类；通过聚类算法根据地理位置将所述大类划分为多个不同的路侧单元集群；根据专家经验调整各路侧单元集群的成员，
所述步骤S2包括：当时间处在设定时间段内时开始选取区块生产者；若无区块生产者，证书管理机构打开权益相关者数据并随机选择生产者；若有区块生产者，区块生产者从证书管理机构获取权益相关者数据并随机选择生产者；由其余权益相关者投票，当同意票数大于2/3时再次由证书管理机构验证；若成功则成功选出新的区块生产者；若在设定时间段内失败则重新开始算法，超时则报错。
2.根据权利要求1所述的基于DPoS的车联网共识算法，其特征在于，在所述步骤S4中，由证书管理机构生成验证序列并发送给所有权益相关者，当新的区块发布时，集群内成员中由验证序列确定的权益相关者验证新的区块。
3.根据权利要求1或2所述的基于DPoS的车联网共识算法，其特征在于，所述车联网共识算法在车联网中的应用的步骤如下：
A，车辆将信息发送给车联网并获得反馈；
B，通过所述车联网共识算法中的路侧单元处理对应的反馈并记录到区块链中；
C，其他路侧单元从区块链获取信息。
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