车联网环境下区块链技术进展研究

摘要：本文对车联网环境下区块链技术的发展情况进行介绍，首先介绍区块链技术以及目前区块链中使用的存储结构；然后从不同的区块链存储结构出发，分别针对不同的存储结构描述了区块链在车联网环境下的研究现状；最后针对目前车联网环境下区块链技术的研究现状，对该领域未来的发展进行展望。

关键词：车联网；区块链；安全；区块链结构；DAG

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.021

中图分类号：TP 393" " " " " " " " "文献标志码：A" " " " " " 文章编码：1672-7274（2025）01-00-03

Research on Blockchain Technology Progress in the Internet of Vehicles

ZHANG Xiaodong， Li Jie

（College of Data Science and Application， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China）

Abstract： This paper introduces the development of blockchain technology in the IoV. Firstly， it introduces blockchain technology and its prevailing storage structures. Following this， the paper examines the research status of blockchain in the IoV， categorized by different blockchain storage structures. Finally， it offers insights into future development based on the existing research status of blockchain technology in IoV.

Keywords： Internet of vehicles; blockchain; security; blockchain structure; DAG

1" "研究背景

区块链技术可以为车联网的信任、安全、透明和不变性提供一种解决方案。首先，区块链中的数据以分布式的方式存储，并且每个节点都冗余存储相同的区块链内容，可以解决车联网中集中化带来的单点故障问题。其次，区块链中的区块以链的结构存储，每个区块都记录上一个区块链的哈希值，通过这种方式可以为车联网中的数据提供不可篡改性和可溯源性。再次，利用区块链的匿名性特征，可以提供隐私保护。最后，区块链利用共识机制以及激励机制可以在不信任的实体之间建立信任，解决车联网环境下节点之间不信任的问题。综上所述，将区块链技术应用在车联网环境中，可以解决车联网面临的问题。

2" "区块链技术及其存储结构

区块链是一种在非安全环境中使用的去中心化分布式技术。可以在不受信任的实体之间建立信任，采用密码学的方法以及哈希函数将数据以链的方式存储来保障数据的不可篡改和溯源，而且该技术采用共识协议保证数据的一致性。目前区块链的应用非常广泛，包括金融经济、物联网、供应链、医疗健康等。目前在区块链中使用的存储结构包括单链结构、有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG）结构以及DAG晶格结构。

2.1 单链结构

单链结构是比特币系统最早采用的结构形式，其中每个区块内的交易通过梅克尔树组织在一起，并通过区块的哈希值按照区块生成时间依次链接形成一条链。单链结构被广泛应用在以太坊（Ethereum）、超级账本（Hyperledger）等主流区块链中。

2.2 DAG结构

随着区块链技术的发展，区块链的结构也从单链结构发展为DAG结构。在DAG结构中，组成单元是交易，每个交易可以指向之前的多个交易，无须打包成区块，允许区块链产生分叉。因此DAG结构可以使得交易并行共识，极大地提高了区块链网络处理交易的速度，即每秒事务处理量（Transaction Per Second，TPS）。目前使用DAG结构的项目有IOTA、Byteball、InterValue，这些项目使用DAG结构搭建了可以长期稳定运行的区块链。

2.3 DAG晶格结构

DAG晶格结构是在DAG结构的基础上发展而来的。最初在项目Nano中提出一种新颖的基于DAG的块晶格结构，项目JURA结合块晶格和DAG结构提出DAG晶格结构。在DAG晶格结构中，每个账户都有自己独立的区块链，发送交易和接收交易是分开的，从而提供几乎瞬时的交易速度和无限的可扩展性。Nano和JURA都是基于区块链的加密货币。

3" "车联网中区块链的研究

目前在车联网与区块链结合的研究内容，主要包括架构、身份认证机制、隐私保护、信任管理、安全的证书管理、节点之间数据的高效共享等。在这些研究中，区块链的存储结构包含单链结构和DAG结构。具体车联网与区块链结合研究分类如图1所示。

3.1 基于单链结构

目前，有关区块链技术应用在车联网的研究成果不断涌现，在车联网和区块链结合的研究中，根据区块链的部署位置，研究可以分为两类，一类是车辆不参与到区块链中，由路边单元或第三方实体维护区块链，为车辆提供区块链服务；另一类是车辆也参与到区块链中，由车辆构成区块链或者由车辆和路边单元构成区块链。

3.1.1 车辆不参与区块链

（1）区块链部署在第三方可信实体。该类研究将区块链作为存储服务部署在车联网外的第三方可信实体中，由第三方可信实体维护区块链的运行。Rahman等人[1]提出了一种安全的车联网框架，该框架允许车辆数据存储在区块链和链下存储库中，以便与感兴趣的社区安全共享，其中区块链提供存储服务。Xu等人[2]介绍了一个用于安全智能车辆数据共享的新框架，即生物识别区块链（BBC）。在BBC中，每个车辆都可以与基于BBC的平台连接，并通过基于BBC的云服务存储其IV-BC。

（2）区块链部署在路边单元。将区块链部署在第三方实体上存在延迟大的问题，因此部分研究者考虑将区块链部署在路边单元。Zheng等人[3]提出一种可溯源的分布式的车联网系统框架，为智能车辆之间通信提供了可信环境。网络中产生的交易都由路边单元来验证并存储在区块链上。Kang等人[4]利用联盟区块链和智能合约技术来实现车辆边缘网络中的安全数据存储和共享。路边单元作为边缘节点，具有较强的计算能力和存储能力，共同组成了联盟区块链。在文献[5]中，Leiding等人提出一个结合以太坊和车联网的透明、自我管理、去中心化的系统，每个实体拥有以太坊地址，RSU提供已部署到以太坊区块链的基于以太坊的应用程序。

由于网络的动态性，车辆可能会移动到无法与第三方可信实体或路边单元通信的地方。在这种场景下，车辆无法实时与区块链交互并获取到相应的区块链服务。

3.1.2 车辆参与区块链

将区块链部署在第三方实体或路边单元不仅存在无法保证车辆与区块链实时交互的问题，而且在这两种方式下把区块链当作分布式存储的环境，只能保证上链数据的安全性（可溯源、不可篡改）。因此一些研究者提出了车联网中的车辆也参与区块链的架构。在这些架构研究中，区块链由车辆构成或者由车辆和路边单元共同构成，由它们维护区块链的运行。在文献[6]中，作者设计了一种基于区块链的车联网安全通信架构，由路边单元和车辆车载单元组成区块链网络。考虑到车辆上通常配备的计算资源和存储资源有限，因此在该架构中路边单元作为全节点参与共识过程并存储全部区块链，车辆作为轻节点不参与共识且只存储区块头数据。Islam等人[7]提出一种用于知识共享的轻量级区块链架构，将智能合约部署在区块链中，实现自动化知识共享，从而增加车联网系统中车辆通信过程中的信任性、可验证性以及不可抵赖性。在该架构中车辆充当交易产生节点，路边单元充当全节点。Cui等人[8]利用联盟区块链为车辆间安全高效的数据共享提供了可信环境。通过第五代移动通信技术和区块链的结合，将区块链部署在移动的车辆中，使得车辆在没有路边单元的参与下可以安全有效地共享数据。

3.2 基于DAG结构

为了提高车联网环境下区块链的TPS，许多研究者考虑使用DAG结构存储区块链数据。Ramneek等人[9]基于DAG结构提出一个轻量、安全的车载边缘计算框架，该框架利用IOTA记录边缘计算资源分派的交易以及用于定价边缘计算资源的微交易。Hassija等人[10]提出一种面向车联网的轻量级点对点通信模型，称为DAGIoV。该模型通过DAG形成的缠结（Tangle）结构来存储交易。Chai等人[11]提出一种基于自适应异步分布式学习和区块链的智能车辆知识分享框架，通过异步学习来提高知识分享的效率，并通过基于DAG结构的区块链保证分享的知识的安全性。在该架构中，为DAG设计了轻量级的Tip选择算法。Li等人[12]基于DAG结构提出一种解决社交车联网中同行披露问题的去中心化方案。在该方案中，针对不信任的车辆，设计了一种相互监督算法。监督车辆将捕获的违规图片或紧急情况、监督者假名、位置、信誉等信息打包成一个区块，上传到由车辆维护的区块链平台，形成IOTA中的缠结结构。Xie等人[13]基于DAG结构的区块链提出一种车联网环境下安全高效的协同任务卸载方案，可以保证不同紧急程度任务的时延需求。在该方案中，通过对IOTA原始的用于Tip选择的随机游走算法进行改进，提出一种具有优先级和可靠性的随机游走共识算法，考虑车辆信用分以及任务的截止日期和数据大小。Yang等人[14]提出一种用于社交车联网的基于DAG结构的轻量级区块链，将交易作为图的顶点。这种细粒度的交易结构不仅提高了交易的上链效率，而且方便社交车联网中数据的管理。

4" "未来发展展望

基于单链结构的区块链的TPS比较低，例如，比特币系统平均每秒完成7笔交易，以太坊区块链平均每秒完成15笔交易。在车联网环境下，由于网络的动态连通性造成区块链网络中区块同步困难、频繁产生分叉，使得TPS更低，无法满足车联网的实时性需求。虽然通过DAG结构的引入提高了交易吞吐量，但由于网络的动态性，仍然难以保证每个车辆上的DAG内容一致。在基于DAG结构的区块链中，与基于单链结构一样，仍然需要节点保存全部区块链内容，这对于资源受限的车辆无法满足。因此，在未来的发展中，针对车联网的特点，可以从以下两个方面展开研究：

（1）由于车联网的高动态性导致传统区块链存储结构下区块链的性能低下，因此可以考虑使用新的存储结构（比如DAG晶格结构）代替单链结构或DAG结构。

（2）为了保证区块链的安全性，区块链中所有节点需要同步完整的区块链内容。随着系统的运行，区块链中的数据越来越大，这给存储资源受限的设备（比如车辆）带来了巨大的存储压力。因此，可以考虑研究轻量化区块链架构，使得资源受限的车辆也可以加入到区块链中。

5" "结束语

本文对车联网环境下区块链技术的发展情况进行了介绍，首先介绍区块链技术以及目前区块链中使用的存储结构；然后从不同的区块链存储结构出发，分别针对不同的存储结构介绍了区块链在车联网环境下的研究现状；最后总结了目前车联网环境下区块链技术现存的问题，并且从区块链存储结构和轻量化区块链架构两个方面对该领域未来的发展进行了展望。■

参考文献

[1] Rahman M A， Rashid M M， Barnes S J， et al. A Blockchain-based Secure Internet of Vehicles Management Framework[C]//2019 UK/ China Emerging Technologies （UCET）. IEEE， 2019： 1-4.

[2] Xu B， Agbele T， Jiang R. Biometric Blockchain： A Secure Solution for Intelligent Vehicle Data Sharing [M]. Deep Biometrics. Cham， Switzerland; Springer. 2020： 245-256.

[3] Zheng D， Jing C M， Guo R， et al. A Traceable Blockchain-Based Access Authentication System With Privacy Preservation in VANETs[J]. IEEE ACCESS， 2019， 7： 117716-117726.

[4] Kang J， Yu R， Huang X， et al. Blockchain for Secure and Efficient Data Sharing in Vehicular Edge Computing and Networks[J]. IEEE Internet of Things Journal， 2019， 6（3）： 4660-4670.

[5] Leiding B， Memarmoshrefi P， Hogrefe D. Self-managed and blockchain-based vehicular ad-hoc networks[C]//Proceedings of the 2016 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing： Adjunct. ACM， 2016： 137-140.

[6] 黎北河．基于区块链的车联网安全通信技术研究 [D]．重庆：重庆邮电大学， 2019.

[7] Islam S， Badsha S， Sengupta S. A Light-weight Blockchain Architecture for V2V Knowledge Sharing at Vehicular Edges[C]//2020 IEEE International Smart Cities Conference （ISC2）. IEEE， 2020： 1-8.

[8] Cui J， Ouyang F， Ying Z， et al. Secure and Efficient Data Sharing Among Vehicles Based on Consortium Blockchain[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2022， 23（7）： 8857-8867.

[9] Ramneek， Pack S. A Lightweight and Secure Vehicular Edge Computing Framework for V2X Services[C]//2022 IEEE 42nd International Conference on Distributed Computing Systems （ICDCS）. IEEE， 2022： 1316-1317.

[10] Hassija V， Chamola V， Han G， et al. DAGIoV： A Framework for Vehicle to Vehicle Communication using Directed Acyclic Graph and Game Theory[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（4）： 4182 - 4191.

[11] Chai H， Leng S， Wu F， et al. Secure and Efficient Blockchain based Knowledge Sharing for Intelligent Connected Vehicles[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems， 2022， 23（9）： 14620 - 14631.

[12] Li Y， Tao X， Zhang X， et al. A DAG-Based Reputation Mechanism for Preventing Peer Disclosure in SIoV[J]. IEEE Internet of Things Journal， 2022， 9（23）： 24095 - 24106.

[13] Xie Y， Wu F， Zhang K， et al. A DAG-based Secure Cooperative Task Offloading Scheme in Vehicular Networks[C]//2021 IEEE 21st International Conference on Communication Technology （ICCT）. IEEE， 2021： 870-875.

[14] Yang W， Dai X， Xiao J， et al. LDV： A Lightweight DAG-based Blockchain for Vehicular Social Networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（6）： 5749 - 5759.

资助项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（编号2024QN06022）；自治区直属高校基本科研业务费项目（编号JY20220283）。

作者简介：张晓东（1991—），男，汉族，内蒙古呼和浩特人，讲师，博士研究生，主要研究方向为车联网、区块链。

李" " 杰（1990—），男，汉族，内蒙古呼和浩特人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为区块链。