随着车辆通过Tthings互联网(Iot)日益连接,确保车辆之间的安全通信已成为一项关键挑战。车辆对车辆(V2V)通信使车辆能够分享关于速度、位置、道路条件和迫在眉睫的危害的实时数据,从而提高安全和交通效率。然而,这种连接也带来了严重的网络安全弱点,包括数据篡改、偷盗和未经授权的接入。Blockchain技术提供了一个分散、不可改变和透明的框架,既能解决这些安全漏洞,又能维持V2V网络的低纬度要求。 本条探讨了基于区链的解决方案如何确保V2V通信,审查所涉技术组件,讨论实施障碍,并概述这一有希望的整合的未来。

车辆与车辆通信的基本原理

V2V通信依赖于专用短程通信(DSRC)或蜂窝车对每件东西(C-V2X)协议,在频率不超过10赫兹时广播诸如基本安全信息(BSMS)等标准化信息。 这些信息包含诸如位置、速度、航向和制动状态等关键数据。 通过处理这些广播,车辆能够探测潜在的碰撞、盲点危险以及实时的紧急事件,速度比人类反应所允许的要快。 美国国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)估计,V2V系统可以降低高达80%的未受损车辆撞车的严重程度。 然而,同样允许这种功能的开放广播性质也使系统暴露在恶意攻击面前。

V2V网络的网络安全威胁

V2V网络面临一系列的网络威胁,这些威胁既会破坏安全,也会破坏信任。攻击者可以发出虚假的信息(扫射)、改变过境(打探)中的合法信息,或用垃圾数据(拒绝服务)淹没网络。它们还可以进行重播攻击——捕捉和转播合法信息,以混淆车辆。在最坏的情况下,受损的车辆可能充当恶意节点,传播虚假的危险警报或位置数据,造成碰撞或交通堵塞。传统的公用钥匙基础设施可以认证消息发送者,但引入了故障中心点,不能提供防篡改的审计线索。随着连接车辆数量的增加,攻击表面会迅速扩大,因此需要一个更具弹性的安全架构。

如何减少这些威胁

块链通过在所有参与的节点下放信任来解决这些弱点。 并不是依赖单一权威来验证交易,而是将每条消息(或一批消息)记录为必须经过协商一致机制批准的块。 这一结构使得攻击者在计算上无法改变过去的记录,而不能控制网络的大部分计算能力(工作证明)或股份(购买证明)。 由于分类账是几乎实时的,所以所有车辆都可以独立地核查所收到数据的完整性。 即使恶意节点成功地注入了虚假信息,但一旦其他节点与块链历史交叉引用,该信息也会被拒绝。 此外,块链的透明度使得事件后能够进行法医分析,帮助确定攻击的来源。

V2V区块链关键技术部件

权力下放和共识

分散管理消除了单一的故障点. 在V2V区块链中,每个车都可以充当节点,保存分类账副本. 共识算法必须优化于车辆网络的高通量,低纬度环境. 实用拜占庭故障容忍(PBFT)和委托采信(DPoS)是常用的研究替代高能耗的验证工作方法,这些算法允许区块以毫秒确认,使其适合安全临界V2V应用.

不可移动的编目器

一旦一个消息块附在链条上,如果不对后续的块进行明显的重新挖掘,它就不能被更改或删除。 这种不可更改性保证了事件历史——如车辆在特定时间报告的位置——是永久记录和可核查的。 在诉讼或事故重建中,块链记录可以作为权威证据。 分类账的完整性也阻止攻击者伪造不可辩驳的虚假行为证据。

智能合同

智能合同在不受人干预的情况下自动实现安全协议和数据验证。 例如,智能合同可以定义可接受的速度或位置变化的阈值;如果收到的信息超过这些阈值(例如突然100公里/小时跳速),则合同标注为可疑,并触发验证或拒绝。 智能合同还可以为持续广播不可靠数据的车辆提供自动处罚或声誉评分,激励诚实行为。

执行挑战和新出现的解决办法

延迟和可扩展性

车辆高速行驶,许多安全应用需要100毫秒次信息潜伏. 传统的区块链网络(如比特币)每10分钟确认区块——显然不适合V2V. 然而,轻量级区块链协议,如IOTA Tangle或定向环形图结构,提供零费,可伸缩确认,且高度低,足以用于车辆使用. 侧链和脱链支付通道也允许高频信息交换,同时只在主链上结算最终汇总数据.

能源效率

工作证区块链消耗了大量能量,这对电池受限的电动车辆来说是不切实际的。 幸运的是,正在针对V2V设计节点(roadside units), 以节能、授权或声誉为基础的协议等节能共识机制。 此外,边缘计算节点(roadside ) 能够代表车辆进行验证,减少单个汽车的能量和加工负荷。

混合办法

许多研究者主张混合模式将区块链与常规加密方法相结合。 例如,一个载体可以使用公钥基础设施在信息上进行数字签名,同时定期将一批签名的信息捆绑到区块链块中,以备审计和篡改证据。 这一方法平衡了低相关性认证与长期不可移动性安全保障的关系。 欧洲电信标准研究所(ETSI)公布了可以与区块链层整合的标准。

未来展望和5G和边缘电子计算一体化

随着区块链技术的成熟,它在V2V系统中的应用预计将更加普及。 5G的超可靠低纬度通信(URLLC)和边缘计算相结合,将为路边实时区块链共识提供必要的基础设施。 移动边缘节点可以立即处理和验证区块,为车辆在其覆盖区内的缓存结果。 此外, NIST研究 表明区块链可以通过支持零知识证明来增强隐私,允许车辆在不透露敏感身份信息的情况下证明其数据的有效性。 来自SAE International[和EE Vehicular Technologyal Society的新标准开始将区块链作为推荐的安全层纳入其中。

自主驾驶和车队管理将特别受益于基于区块链的V2V安全。 当每个数据点被散放在一个不可改变的链上时,完全依赖传感器和同行数据的自驾车可以维持更高的信任标准。 与此同时,车队运营商可以使用区块链对司机的行为、车辆健康以及分散管理的方式遵守安全条例的情况进行审计。

结论

保障V2V通信不是可选的,而是安全部署连接和自主车辆的先决条件。区块链提供了满足防篡改、透明度和分散化的安全要求的令人信服的架构。尽管仍然存在一些挑战,例如耐久性和能源消耗,但目前对轻度共识、混合计划以及5G/对等计算一体化的研究正在迅速弥合这一差距。随着汽车工业向4级和5级自主发展,基于区块链的解决方案将发挥不可或缺的作用,确保车辆之间交换的数据仍然可信,最终拯救生命和优化运输网络。为了进一步阅读,请参考NHTSA的V2V概览和最近IEE关于区块链的V2X安全调查。