区块链在车联网中的应用综述

郎 平，田大新，林椿眄

（北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 102206）

1 引 言

伴随着新一代信息通信技术的演进发展，智能化的汽车与道路正成为汽车、交通等行业关注与研究的重点。而车与路的智能化都离不开网络通信的连接，这使得车联网系统成为融合交通、汽车、通信等多个产业发展重点的关键技术领域[1]。车联网通过建立车-车、车-路、车-人以及车-云间的高效稳定连接，能够实现一系列提升交通安全、提高交通效率的典型应用场景，并有利于促进自动驾驶的进一步落地[2]。但在大规模部署环境下，当前的车联网系统仍然面临网络的安全与可信以及数据大范围同步共享所带来的新挑战。区块链技术作为一种新兴的去中心化的数据共享与安全防护技术，提供了在不可信网络中进行信息传递与交换的可信机制[3]，恰好能够满足车联网系统在安全和协作方面的新需求。

2019年10月24日，中共中央政治局就区块链技术发展现状和趋势进行第十八次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时强调：“区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。我们要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投入力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展。”我国在2019年印发的《交通强国建设纲要》中也明确提出“推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合”的发展重点，将区块链作为未来车联网跨行业发展的重要技术。因此，将区块链技术应用于车联网系统中，符合国家的战略与发展需求，将有力提升车联网的安全性水平与协同共享能力，提供车联网技术发展的新动能。

针对区块链技术在车联网领域的应用问题，本文首先介绍了区块链的基本概念并给出了其具体的技术架构；其次基于区块链技术的基础资源的需求，归纳并总结了区块链与边缘计算协同应用框架；然后在协同应用的基础上综述了区块链在车联网中应用的特点与当前研究进展；最后根据应用研究现状对该领域的未来发展趋势进行了分析与展望。

2 区块链技术概述

2.1 区块链的概念与特征

2009年，随着比特币[4]这种加密数字货币的出现，区块链这项在密码学等传统技术上发展出的去中心化记账技术得到了前所未有的关注。目前来看，区块链是一种由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改的记账技术，典型的区块链以块-链结构存储数据[3]，图1 以比特币为例给出了区块链的具体结构。在区块链系统这个“大账本”中，实时产生的数据被抽象为一条条交易在节点间传输交换，为防止数据被随意篡改，当交易信息到达一定数量时，新数据将被某个节点存储到区块当中，并采用基于密码学算法的链式连接方法将不同时间产生的区块连成一条链，形成我们所说的区块链。为防范恶意节点的攻击，负责生成区块的节点将由系统按照事先约定好的规则即共识机制选择，同时，其生成的区块数据一经其他节点的确认上链，就只可进行查询访问，难以修改和删除，保证了区块链数据的难以篡改。

图1 比特币的区块链结构Fig.1 Bitcoin's blockchain structure

区块链依靠其独特的信任机制，构建了去中心化的共享数据库，与传统数据库相比，区块链技术具有以下特征[3,5]：

● 去中心化共享存储：不同于传统分布式系统将数据分散存储在不同节点上，区块链技术在系统中每个节点均存储了完整的块-链数据，在没有中心节点的情况下实现了数据在整个网络的共享。

● 基于共识的安全防护：区块链的共识机制保证了系统中每个区块都由全网络选出的可信节点生成，除非攻击者控制了系统中大多数节点，否则恶意节点就难以破坏系统的安全性。

● 数据不可篡改：区块链取消了传统数据库中修改和删除的操作，而是基于密码学算法，按时间顺序单项推进数据链，保证了链上数据难以篡改，同时也实现了历史数据的完整可追溯。

2.2 区块链技术架构

区块链作为一类在不可信环境中建立信任的新型计算范式和协作模式的统称，包含着多种具体的技术实现方式。为了能够更清晰地理解区块链技术的整体架构，本文结合多项已有研究[3,5-6]，给出如图2 所示的区块链分层架构。

图2 区块链技术架构Fig.2 Architecture of blockchain

基础资源层：基础资源层主要包括计算资源、网络资源、存储资源等区块链系统运行所必需的软硬件基础设施，以此为上层应用提供基本支撑与保障。

数据层：数据层主要用来描述区块链中数据的具体存在形式，应用产生的实时数据将被压缩抽象为交易信息。多条交易信息将通过区块链的多方共识验证打包到区块当中，每个区块都将包含其链上前一个区块的信息。

账本层：账本层根据基于资产或基于账户的数据记录方式对区块数据进行组织管理。典型的区块链数据账本采用时间顺序将区块连接到一条链上，并以此保证数据的不可篡改与可追溯性。

共识层：共识层保证区块链系统中各节点数据记录的一致性，利用工作量证明（PoW, Proof of Work）[4]、股权证明（PoS, Proof of Stake）[7]、授权股权证明（DPoS, Delegated PoS）[5]和实用拜占庭容错（PBFT, Practical Byzantine Fault Tolerance）[8]等机制同步各区块链节点的账本信息，实现区块链的数据透明共享特性，表1 给出了区块链典型共识算法对比[3]。

表1 区块链典型共识算法对比Table 1 Comparison of typical consensus algorithms in blockchain

激励层：激励层是维持区块链稳定运行的一种经济平衡手段，系统采用发行比特币、以太币等经济激励的方式，为参与运算节点提供酬劳和奖励，保证系统以一种去中心化的方式持续运行。

合约层：合约层利用脚本和智能合约等技术为区块链系统带来可编程特性。合约可以以条件触发的方式自动执行，在无人为干预的情况下实现数字资产的处理。

应用层：应用层包含数字金融、物联网、智能制造等国民经济的多个领域，是区块链推动产业创新发展的重要体现，本文便是聚焦于区块链在车联网系统中的应用，探究区块链对汽车、交通、通信等行业的推动作用。

运维管理层：运维管理层贯穿整个区块链架构，服务于上述的每个层级，良好的运维管理理念与模式将有助于提高整个区块链系统的可用性。

3 区块链与边缘计算协同应用

区块链技术专注于构建一种能够有效防范安全和隐私风险的去中心化数据共享存储系统，其通过全网节点的共识与备份存储来保证数据的安全添加与完整保存，但这种全网节点的大规模高频交互需求对底层的基础资源提出了更大的挑战。首先，区块链的不可篡改与可追溯特性要求各节点存储完整的链上数据，随着区块的不断生成，节点对存储空间的需求将持续增加。其次，节点对区块的共识验证过程需要实时交互大量数据，要求网络必须具有较高的数据吞吐能力。同时，各类数据的实时性需求要求节点具有强大的计算能力以快速完成交易处理与区块验证工作。因此，区块链系统的部署应用对底层存储、计算与网络资源具有较高要求，传统的车联网基础设施难以满足其需求。

边缘计算技术作为一种新型的计算范式，将传统网络中心的计算与存储资源迁移到了网络边缘上，就近为终端应用提供高带宽、低延迟的计算和存储服务[9]。但由于网络边缘系统的异构性与复杂性，边缘计算在系统安全和隐私方面面临着多项挑战。首先，边缘节点的分布式部署与异构特性使得其更容易遭受恶意行为的攻击，影响服务的安全与稳定。其次，边缘网络采取分布式的方式处理和存储数据，大规模网络下数据的完整性与一致性难以保证。而且，边缘计算中终端用户需要将自身应用的代码与数据卸载到边缘节点来执行处理，这也就带来了更大的安全和隐私保护挑战。因此，当前的边缘计算技术能够提供较强的底层基础资源，但需要新的安全机制来在不影响网络性能的情况下提升其安全性水平。

不难看出，将区块链与边缘计算进行协同应用，恰好能够实现二者的优势互补，有助于为区块链系统提供充足的计算、存储与网络资源，从而保证边缘节点数据的安全和一致性，并提升整个系统的隐私保护能力。这里，我们以该领域典型研究为例，探讨区块链与边缘计算协同应用方向，相关研究情况对比如表2 所示。

在系统架构层面，Yang 等人[5]确定了区块链和边缘计算协同应用的几个重要方面，即动机、框架、功能和挑战。在其中基于现有的研究，总结了区块链与边缘计算的协同应用典型框架，反映了这一协同系统的基本思想和机制，并详细讨论了该协同应用系统如何满足网络、存储和计算的要求。但由于已有的每个架构都有其独特的设计思路与应用场景，所以这一典型框架难以涵盖其所提到的所有架构。

表2 区块链与边缘计算协同应用典型研究Table 2 Typical studies on cooperative application of blockchain and edge computing

在性能优化层面，为了提高协同应用系统下区块链系统的吞吐量和边缘计算系统中用户的服务质量，Guo 等人[10]考虑了时变的无线链路和边缘服务器的计算能力，将频谱分配、区块的大小和每个生产者的生产区块数量制定为一个联合优化问题。随后基于深度强化学习技术提出了这一问题的具体求解算法。

具体到应用系统中的边缘计算卸载问题上，Feng 等人[11]利用区块链系统来解决边缘节点间交互造成的数据安全和隐私问题，提出了针对区块链与边缘计算协同应用系统的协作式计算卸载和资源分配框架。在该框架中，通过联合优化卸载决策、功率分配、区块大小和区块间隔，最大化边缘计算系统的计算速率和区块链系统的交易吞吐量，实现了安全高效的协作式计算卸载。

从这些典型研究中可以看出，结合了区块链与边缘计算技术的协同应用框架已成为提升边缘计算系统安全性与数据共享能力的重要方案，有力促进了边缘计算技术的创新应用。同时，由于传统车联网系统的基础设施难以满足区块链系统的应用要求，区块链与边缘计算的协同应用便成为区块链在车联网领域应用的重要抓手，能够进一步促进车联网系统的创新与变革。

4 区块链在车联网领域应用

区块链与边缘计算协同应用系统借助区块链与边缘计算的各自优势，在较为充足的基础资源下提供了安全高效的数据同步与共享机制。同时，边缘协同计算服务已成为车联网系统降低终端部署成本、提升系统处理能力与效率的关键[12]。因此，将区块链与边缘计算协同应用到车联网领域便顺理成章地成为提升车联网系统安全性水平与协同共享能力、促进车联网产业持续稳步发展的新动能。

结合区块链与边缘计算协同应用的特点，不难发现区块链在车联网领域的应用主要体现为三个方面。一是协作与同步：借助叠加在边缘节点上的区块链服务，车联网中不同边缘节点之间的信息孤岛将被连接起来，形成异构节点的跨网合作，为车辆提供无缝服务。二是安全与信任：区块链的完整性保证和防篡改特性能够为车联网系统建立数据安全信任机制，形成去中心化的身份认证，防范恶意攻击，实现数据安全传输。三是数据共享：区块链可以保证多个参与者数据的一致性，在边缘计算的组织生态中形成互联互通，在车联网系统中实现可信传输、数据同步和资源共享，典型的区块链在车联网中应用场景如图3所示。

目前，区块链在车联网系统的应用还主要集中在理论研究层面，因此我们同样以该领域的典型研究为例，探讨区块链在车联网领域的应用情况，相关研究情况对比如表3 所示。

图3 区块链在车联网中典型应用场景Fig.3 Typical scenario of blockchain in IoV system

表3 区块链在车联网领域应用典型研究Table 3 Typical studies on vehicular blockchain system

针对车联网的数据共享问题，Kang 等人[13]结合联盟区块链和智能合约技术，实现了车辆边缘网络的安全数据存储和共享，有效防止了未经授权的数据共享问题。此外，他们还提出了一种基于信用的数据共享方案，并利用三权主观逻辑模型对车辆的信用进行精确管理，在车辆边缘计算网络中实现了高效率和高安全性的数据共享。

为实现动态无线环境中高效和安全的学习，Fu 等人[14]提出了一个基于区块链的针对网联自动驾驶车辆的群体式学习框架。该框架使各个分布式的自动驾驶车辆能够在本地训练机器学习模型，并利用边缘计算节点上传到区块链网络，以实现所有网联车辆的“群体智能”，在避免了大量的数据传输的同时应用区块链来保障模型共享过程中的安全和隐私，提高了自动驾驶车辆的模型训练效率。

考虑网联车辆的定位校准问题，Li 等人[15]从保证合作者和数据的安全性与可信度出发，提出了一种基于区块链的车辆GPS 定位误差演化共享框架来提高车辆定位精度。通过对GPS 误差的分析，在传感器丰富的车辆和普通车辆之间共享特定时间与地点的定位误差演化来实现协作。并通过运行在边缘服务器上的基于深度神经网络的预测算法获得定位误差演化。他们还设计了相应的智能合约，以自动高效地执行存储和共享任务，并解决时间尺度的不一致问题，有效提升了车联网定位纠错和数据共享方面的准确性与安全性。

进一步将区块链与自动驾驶应用结合，Jiang等人[16]提出了一种基于区块链的模型共享方法来提高自动驾驶系统目标检测的跨域适应性能。基于区块链和边缘计算技术，跨节点训练了一个跨域自适应的目标检测模型，可以显著降低不同对象类别的领域差异。此外，他们还开发了智能合约来高效完成数据存储和模型共享任务，并通过区块链共识保证了模型共享的可靠性。这种基于区块链的跨域模型共享方法将有助于提高自动驾驶车辆的目标检测能力，降低其大规模部署成本。

可见，结合车联网的边缘计算技术，基于区块链的安全同步与共享机制正广泛应用于车联网系统数据、模型等目标元素的安全共享研究中，用以提高车联网大规模部署下的系统协同能力与安全性水平。

5 未来发展方向

从第4 章所介绍的区块链在车联网领域的应用情况可以看出，当前区块链在车联网领域的应用主要集中在理论研究上，较为纯粹地基于假设条件下的推导与仿真来验证其应用的有效性，还处于一种纸上谈兵的阶段，缺乏系统级的实现与部署，难以支撑应用的落地实践。所以，实际应用的部署落地将成为未来区块链技术在车联网领域布局发展的关键技术挑战，也将是区块链技术与智能交通建设融合创新发展的重要方向。而在车联网乃至智能交通系统中，车与路均是促进应用创新与落地部署的核心元素，因此，我们从车联网系统中的车和路两个角度来探讨未来区块链技术在车联网领域应用的发展方向。

从车辆的角度来看，将区块链应用到车联网当中，有助于进一步整合边缘计算技术，为智能网联汽车提供一种安全、协同的计算模式。在该模式下，车辆为了解决自身计算和存储资源有限的问题，可以利用区块链技术所提供的安全共享与同步机制将本地的存储和计算任务迁移到其他邻居车辆或高性能的路侧服务节点上，实现本地-邻居-路侧多节点协同计算。同时，为了防范系统中恶意节点的攻击，各边缘节点上运行的区块链系统可以在该协同体系内建立起有效的共识与信任机制，保障协同计算的安全与可信水平。未来这种协同化的计算架构将促进车联网系统由当前的单车智能化迈向群体智能化，从而有效降低智能车辆部署成本，提高交通运行效率。

从路侧基础设施的角度来看，借助区块链和边缘计算技术，将为交通系统提供一种安全可靠的区域联动控制架构。基于路侧到云端的分层计算模式，路侧系统可以利用区块链技术将具有容时性和密集数据量计算的任务上传云端执行，并将具有低延时、高可靠性需求的控制优化任务的数据同步到区域内多个边缘节点进行协同优化计算。在这一区域联动控制架构中，区块链将利用其数据同步与不可篡改特性保证数据的一致性，建立起数据安全共享机制，并在此基础上基于全局化知识对车路行为进行协同化决策，实现区域内多个路口的合作与同步，从而使路侧交通控制单元能够快速响应区域交通流的负荷，推动交通系统由当前单点孤立的交通控制向区域联动控制转变。

6 结束语

车联网系统利用新一代信息通信技术促进了交通系统中人-车-路的进一步耦合联动，助力交通系统从人-车-路协调转为多尺度协同化发展。区块链作为在不可信环境下建立信任的新兴计算范式与协作模式，能够为交通系统这一复杂的耦合联动体系提供有效的数据共享、协作同步与安全可信保障。在全球都在加快布局区块链技术发展的大背景下，推动区块链在车联网这一交通强国与新基建重点领域的应用，将有利于进一步促进汽车、交通与通信等行业的跨行业发展，提升城市管理的智能化、精准化水平，加速实现“人民满意、保障有力、世界前列”的交通强国建设总目标。