区块链在车联网中的应用
- 写在最前面
- 题目 - 26 车联网安全
- 汇报演讲稿-删减2后，最终版（1469字版本）
- 汇报演讲稿-删减1后（2555字版本）
- 汇报演讲稿-删减前（3677字版本）
- 1 概述
- 1.1 车联网
- 1.2 区块链
- 1.3 区块链在车联网中的机遇与挑战
- 2. 车联网中的区块链框架
- 2.1 链下扩容和链上扩展
- 2.2 六层区块链系统组成
- 3 车联网的集成系统
- 3.1 车联网（IoV）网络架构
- 3.2 区块链在车联网中的集成
- 4 安全隐患—技术原理
- 4.1 网络安全
- 4.2 可扩展性
- 4.3 身份认证
- 4.4 数据完整性
- 4.5 区块生成延迟
- 5 防护手段
- 5.1 内容保密性
- 5.2 身份匿名
- 5.3 访问控制
- 5.4 基于机器学习的入侵检测
- 5.5 多级隐私保护
- 6. 研究挑战和开放性问题
写在最前面
我选的题目是车联网，然后在调研的过程中，我发现车联网有着众多细分方向。我选择了其中最吸引我、同时也是目前非常热门的一个方向：区块链技术在车联网中的应用。
为了深入了解这一主题，我参考了三篇一区的学术论文，并遵循老师提供的研究思路进行梳理。
没错，这个ppt就是一键生成，然后微调的hhh
感兴趣的朋友可以去看看，往期文章对如何自动生成PPT展开介绍过：
[ChatGPT与PowerPoint：AI高效PPT创作、VAB代码]
(https://blog.csdn.net/WTYuong/article/details/135037160)
然后发现内容太多了，于是进行了删减。删减前后的版本，我都放出来给大家参考，希望能有所帮助。
然而最后老师掐着5分钟的表来计时的，所以一半都没说到hh
题目 - 26 车联网安全
当前车联网逐渐兴起，车联网的安全不容忽视，请搜集，研究车物联网发展的现状、结构、功能架构，分析其安全隐患，并给出安全的防护措施。
主要内容：
1 车联网的概念；
2 车联网的框架；
3 车联网的集成系统；
4 安全隐患—技术原理；
5 防护手段
要求：
1可以参考相关文献资料；
2提出自己的观点，大胆阐述自己对主题内容的看法，也可以多参照些他人的观点；
3书写格式要严整，标题，子标题命名要正规，字符（楷体——GB），型号（小四）；行间距标准单行或1；
4字数不少于5000字，或不少于A4的纸6页，无上限；
汇报演讲稿-删减2后，最终版（1469字版本）
汇报主题：《区块链在车联网中的应用》
大家好，我选的题目是车联网，然后在调研的过程中，我发现车联网有着众多细分方向。我选择了其中最吸引我、同时也是目前非常热门的一个方向：区块链技术在车联网中的应用。
为了深入了解这一主题，我参考了三篇一区的学术论文，并遵循老师提供的研究思路进行梳理。下面，我向大家分享我所学习到的内容。
首先，车联网源自物联网，核心组成包括自动驾驶汽车和路边基础设施。它旨在通过网络连接实现车与车、车与路、车与人以及车与传感设备之间的交互，从而提升用户服务质量。
车联网通过传感器、无线射频识别等技术来收集车辆、道路和环境信息，然后上传到信息网络平台上，进行加工、计算、共享，从而提供监管、引导、多媒体服务和移动互联网应用。
由于时间原因，关于机遇和挑战的部分我将在后续的详细介绍中阐述。
在车联网环境中，由于网络资源的限制，资源管理和分配变得非常关键。区块链在车联网中能较好的平衡这一点，主要包括两个方面：链下扩容和链上扩展。
链下扩容的目的是为了减轻区块链上的交易压力。通过将部分计算工作负载转移到链外的可信执行环境，也就是TEE，然后只在区块链上记录交易结果。好处在于，它不仅解决了区块链的可扩展性问题，还降低了计算负载，并提高了隐私保护。
链上扩展通过分层结构来实现，它将区块链分成多个独立的部分，我们称之为“切片”。每个切片负责处理其独立的数据和事务。比如说，区块链可以分为两个部分：一个较小的本地区块链部分，通常部署在终端设备上，另一个则是较大的全局区块链部分，部署在云服务器上。全局区块链以分段的形式存储本地区块链的数据，并定期更新。
然后，组成区块链系统的六个层面，根据车联网的特定需求来调整区块链应用。
区块链系统在车联网中的集成，实际上形成了一个复杂的设备和节点协作网络。在这个网络中，各个节点共同维护着一组共享的全球状态，并执行可能会改变这些状态的交易。
那么，智能合约在这里起着什么作用呢？一旦满足了合约的条件，相关的操作就会自动执行，从而增加了整个系统的效率和可靠性。
此外，区块链的数据管理采用了分布式账本的形式，这个账本包含了所有历史和当前的状态信息。所有参与方必须对账本的任何更新达成共识。而共识算法则确保所有节点都对交易及其顺序达成一致。
在安全隐患防护方面，主要为四个核心领域：可靠交互、网络安全与数据隐私、可信环境和可扩展性。网络安全和数据隐私的解决方案中，基于机器学习的入侵检测系统（IDS）学习正常和恶意行为的特征，以更准确地识别和防御各种攻击。
（啊这部分最后也没说到，好可惜）
前面，我们一起梳理了车联网中区块链技术的特征、技术和解决方案。最后，我们探讨一下其中的挑战和未来的研究方向。
首先，是安全性和隐私性改进方面的挑战，如何在解释性与安全性之间找到平衡，并防御对抗性攻击。主流研究方向包括：如何激励数据共享、维护数据一致性、防御区块链攻击、基于密码学的安全防御，如何抵御量子攻击和设计后量子加密算法。
其次，是如何平衡系统开销与效率的挑战。随着车联网数据量的剧增，提高信息传输效率和防止网络拥塞成为了重要议题。研究方向包括：机器学习的可扩展性问题、如何有效地分摊计算负担、提高训练速度、以及平衡学习性能与计算复杂度。
链下可信计算和轻量级共识协议也是重要研究方向。探索有效的链下计算解决方案，保证安全性和鲁棒性。同时，探究如何在安全性、可扩展性与共识协议轻量级实现之间平衡。
最后，如何设计出既安全又高效的智能合约，考虑其安全性、可解释性和适用性。
以上是我今天想和大家分享的内容，希望能帮助大家更好地理解区块链在车联网中的应用。谢谢大家。
汇报演讲稿-删减1后（2555字版本）
汇报主题：《区块链在车联网中的应用》
大家好，我选的题目是车联网，然后在调研的过程中，我发现车联网有着众多细分方向。我选择了其中最吸引我、同时也是目前非常热门的一个方向：区块链技术在车联网中的应用。
为了深入了解这一主题，我参考了三篇一区的学术论文，并遵循老师提供的研究思路进行梳理。下面，我向大家分享我所学习到的内容。
首先，车联网源自物联网，核心组成包括自动驾驶汽车和路边基础设施。它旨在通过网络连接实现车与车、车与路、车与人以及车与传感设备之间的交互，从而提升用户服务质量。
车联网通过传感器、无线射频识别等技术来收集车辆、道路和环境信息，然后上传到信息网络平台上，进行加工、计算、共享，从而提供监管、引导、多媒体服务和移动互联网应用。
区块链是一种分布式的加密货币技术，它推动了数据处理从传统的集中式架构向去中心化架构的转变。主要特点包括去中心化、不可变性和透明度。
从结构上看，区块链由一系列数据块构成，这些块按照时间顺序连接。每个区块包含了一组经过加密的交易记录。在功能上，区块链通过其独特的结构，在没有中央授权机构的情况下，在网络的多个参与者之间建立信任。由于其去中心化的特性，即使系统发生单点故障，区块链也能保持运行。
由于时间原因，关于机遇和挑战的部分我将在后续的详细介绍中阐述。
在车联网环境中，由于网络资源的限制，资源管理和分配变得非常关键。区块链在车联网中能较好的平衡这一点，主要包括两个方面：链下扩容和链上扩展。
链下扩容的目的是为了减轻区块链上的交易压力。通过将部分计算工作负载转移到链外的可信执行环境，也就是TEE，然后只在区块链上记录交易结果。好处在于，它不仅解决了区块链的可扩展性问题，还降低了计算负载，并提高了隐私保护。
链上扩展通过分层结构来实现，它将区块链分成多个独立的部分，我们称之为“切片”。每个切片负责处理其独立的数据和事务。比如说，区块链可以分为两个部分：一个较小的本地区块链部分，通常部署在终端设备上，另一个则是较大的全局区块链部分，部署在云服务器上。全局区块链以分段的形式存储本地区块链的数据，并定期更新。
然后，让我们来看看组成区块链系统的六个层面。首先是数据层，这一层的功能是负责存储交易和数据块。为了优化这一层，我们使用轻量级的密码学方法，比如椭圆曲线密码学，来进行数据加密。接着是网络层，这一层涵盖了点对点网络、数据广播、传输、转发以及身份验证机制。我们在这一层确保数据的高效和安全传输。然后是共识层，这里包含了多种共识算法，使网络节点能够就数据的一致性达成共识。为了优化这一层，我们用轻量级算法替代了传统的计算密集型共识算法，并将挖矿任务卸载到其他服务器，以减少计算延迟。激励层的功能是通过发行和分配数字资产来激励网络参与者，并确保激励机制适应车联网环境。合约层包含了脚本、算法和智能合约，支持区块链的可编程功能。我们使用智能合约来自动执行代码，并处理不同类型的交易。最后，应用层使区块链技术可以应用于车联网等各种应用场景和系统。我们根据车联网的特定需求来调整区块链应用。
区块链系统在车联网中的集成，实际上形成了一个复杂的设备和节点协作网络。在这个网络中，各个节点共同维护着一组共享的全球状态，并执行可能会改变这些状态的交易。作为一种特殊的数据结构，区块链能够安全地存储历史记录和交易数据，确保系统中的所有节点都对交易及其顺序达成一致意见。
那么，智能合约在这里起着什么作用呢？智能合约是可以在区块链网络上运行的自主计算机程序。它们可以被预先编程，以自动执行合同条款，而不需要可信任权威的干预。这意味着一旦满足了合约的条件，相关的操作就会自动执行，从而增加了整个系统的效率和可靠性。
接下来，让我们来看看区块链的数据管理。区块链采用了分布式账本的形式，这个账本包含了所有历史和当前的状态信息。所有参与方必须对账本的任何更新达成共识。而共识算法则确保所有节点都对交易及其顺序达成一致。
在安全隐患防护方面，主要为四个核心领域：可靠交互、网络安全与数据隐私、可信环境和可扩展性。本次报告，主要讨论网络安全和数据隐私的解决方案。
首先，内容保密性。通过使用密码技术，车辆能够确保传输内容的机密性，并防止信息泄露。其次是身份匿名性。车辆可以利用公钥基础设施（PKI）、智能合约（SC）或区块链技术来保障与匿名身份的交互。这为车联网中的交互提供了额外的安全层。再来，是访问控制。基于SC或基于属性的解决方案被用于实现对区块链的访问控制，确保只有授权的用户能够访问和修改数据。此外，结合机器学习（ML）和入侵检测系统（IDS），用于检测网络中的恶意行为，能够实现多层次的隐私保护。
在车联网中，基于机器学习的入侵检测系统（IDS）学习正常和恶意行为的特征，以更准确地识别和防御各种攻击。
联邦学习是其中的关键应用。有研究提出了一种基于联邦学习的协作入侵检测方法，通过将模型训练卸载到边缘设备，利用分布式方法来降低数据隐私泄露的风险。此外，通过将学习任务从服务器转移到分布式车辆节点上，有效地检测恶意攻击。联邦学习还被用于恶意软件检测系统，允许所有节点以分布式和协作的方式训练全局模型。通过只更新训练参数而不是共享所有数据，联邦学习有效地减少了隐私泄露的风险。
前面，我们一起梳理了车联网中区块链技术的特征、技术和解决方案。最后，我们探讨一下其中的挑战和未来的研究方向。
首先，是安全性和隐私性改进方面的挑战，如何在解释性与安全性之间找到平衡，并防御对抗性攻击。主流研究方向包括：如何激励数据共享、维护数据一致性、防御区块链攻击、基于密码学的安全防御，如何抵御量子攻击和设计后量子加密算法。
其次，是如何平衡系统开销与效率的挑战。随着车联网数据量的剧增，提高信息传输效率和防止网络拥塞成为了重要议题。研究方向包括：机器学习的可扩展性问题、如何有效地分摊计算负担、提高训练速度、以及平衡学习性能与计算复杂度。
链下可信计算和轻量级共识协议也是重要研究方向。探索有效的链下计算解决方案，保证安全性和鲁棒性。同时，探究如何在安全性、可扩展性与共识协议轻量级实现之间平衡。
最后，如何设计出既安全又高效的智能合约，考虑其安全性、可解释性和适用性。
这就是我今天想和大家分享的内容，希望能帮助大家更好地理解区块链在车联网中的应用。谢谢大家。
汇报演讲稿-删减前（3677字版本）
汇报主题：《区块链在车联网中的应用》
大家好，我选的题目是车联网，然后在调研的过程中，我发现车联网有着众多细分方向。我选择了其中最吸引我、同时也是目前非常热门的一个方向：区块链技术在车联网中的应用。
为了深入了解这一主题，我参考了三篇一区的学术论文，并遵循老师提供的研究思路进行梳理。下面，我向大家分享我所学习到的内容。
首先，我们需要了解什么是车联网。车联网，源自物联网。核心组成包括自动驾驶汽车和路边基础设施。它旨在通过网络连接实现车与车、车与路、车与人以及车与传感设备之间的交互，从而提升用户服务质量。
车联网通过传感器、无线射频识别等技术来收集车辆、道路和环境信息。这些信息被上传到信息网络平台上，进行加工、计算、共享，并安全发布。车联网系统不仅能有效监管和引导车辆，还能提供专业的多媒体服务和移动互联网应用。随着无线技术和人工智能（AI）的发展，车联网在数据采集和存储方面展现出了显著的增长。
接下来，我们来了解区块链技术。区块链是一种创新的、分布式的加密货币技术，它推动了数据处理从传统的集中式架构向去中心化架构的转变。其主要特点包括去中心化、不可变性和透明度，这些特点共同构成了区块链的独特价值和广泛应用潜力。
从结构上看，区块链由一系列数据块构成，这些块按照时间顺序连接。每个区块包含了一组经过加密的交易记录。在功能上，区块链通过其独特的结构，在没有中央授权机构的情况下，在网络的多个参与者之间建立信任。由于其去中心化的特性，即使系统发生单点故障，区块链也能保持运行。区块链的应用范围非常广泛。
由于时间原因，关于机遇和挑战的部分我将在后续的详细介绍中阐述。
在车联网环境中，由于网络资源的限制，资源管理和分配变得非常关键，特别是当我们讨论到区块链的实施时。在车联网中实现区块链的一个核心思想是智能框架，这主要包括两个方面：链下扩容和链上扩展。
首先，让我们谈谈链下扩容。这个方法的目的是为了减轻区块链上的交易压力。实现这个目标的方式是，将部分计算工作负载转移到链外的可信执行环境，也就是TEE，然后只在区块链上记录交易结果。这种方法的好处在于，它不仅解决了区块链的可扩展性问题，还降低了计算负载，并提高了隐私保护。
接下来是链上扩展。这个方法是通过分层结构来实现的，它将区块链分成多个独立的部分，我们称之为“切片”。每个切片负责处理其独立的数据和事务。比如说，区块链可以分为两个部分：一个较小的本地区块链部分，通常部署在终端设备上，另一个则是较大的全局区块链部分，部署在云服务器上。全局区块链以分段的形式存储本地区块链的数据，并定期更新。
现在，让我们来看看组成区块链系统的六个层面。首先是数据层，这一层的功能是负责存储交易和数据块。为了优化这一层，我们使用轻量级的密码学方法，比如椭圆曲线密码学，来进行数据加密。接着是网络层，这一层涵盖了点对点网络、数据广播、传输、转发以及身份验证机制。我们在这一层确保数据的高效和安全传输。然后是共识层，这里包含了多种共识算法，使网络节点能够就数据的一致性达成共识。为了优化这一层，我们用轻量级算法替代了传统的计算密集型共识算法，并将挖矿任务卸载到其他服务器，以减少计算延迟。激励层的功能是通过发行和分配数字资产来激励网络参与者，并确保激励机制适应车联网环境。合约层包含了脚本、算法和智能合约，支持区块链的可编程功能。我们使用智能合约来自动执行代码，并处理不同类型的交易。最后，应用层使区块链技术可以应用于车联网等各种应用场景和系统。我们根据车联网的特定需求来调整区块链应用。
继续探讨区块链系统在车联网中的集成。区块链系统在车联网中的集成实际上形成了一个复杂的设备和节点协作网络。在这个网络中，各个节点共同维护着一组共享的全球状态，并执行可能会改变这些状态的交易。作为一种特殊的数据结构，区块链能够安全地存储历史记录和交易数据，确保系统中的所有节点都对交易及其顺序达成一致意见。
那么，智能合约在这里起着什么作用呢？智能合约是可以在区块链网络上运行的自主计算机程序。它们可以被预先编程，以自动执行合同条款，而不需要可信任权威的干预。这意味着一旦满足了合约的条件，相关的操作就会自动执行，从而增加了整个系统的效率和可靠性。
接下来，让我们来看看区块链的数据管理。区块链采用了分布式账本的形式，这个账本包含了所有历史和当前的状态信息。所有参与方必须对账本的任何更新达成共识。而共识算法则确保所有节点都对交易及其顺序达成一致。
在共识算法方面，我们可以看到不同的类型。有基于计算的算法，比如比特币使用的工作证明（PoW），它使用计算证明来随机选择执行下一个操作的节点。还有基于通信的算法，如实用拜占庭容错（PBFT），其中每个节点具有平等的投票权，并需要多轮通信来达成共识。此外，还有混合类型的算法，如经过时间证明（PoET）和权威证明（PoA），这些算法结合了计算和通信方法。
最后，让我们来了解一下不同类型的区块链及其性能。公共和无权限的区块链，如使用PoW、PoS和DPoS的区块链，其特点是高可扩展性、低吞吐量和高确认时间。而许可的区块链，如使用PBFT和RAFT的区块链，其特点是低可扩展性、低确认时间和高吞吐量。
在探讨车联网中区块链的应用时，我们不能忽视其在安全隐患防护方面的重要性。这方面主要集中在四个核心领域：可靠交互、网络安全与数据隐私、可信环境和可扩展性。本次报告将重点讨论网络安全和数据隐私的解决方案。
首先，关于内容保密性。通过使用密码技术，车辆能够确保传输内容的机密性，并防止信息泄露。其次是身份匿名性。车辆可以利用公钥基础设施（PKI）、智能合约（SC）或区块链技术来保障与匿名身份的交互。这为车联网中的交互提供了额外的安全层。
再来，让我们讨论访问控制。基于SC或基于属性的解决方案被用于实现对区块链的访问控制，确保只有授权的用户能够访问和修改数据。此外，我们还需要考虑基于机器学习的入侵检测。结合机器学习（ML）和入侵检测系统（IDS），这些技术用于检测网络中的恶意行为。此外，通过结合密码学、区块链和机器学习，我们能够实现多层次的隐私保护。
我现在主要和大家分享一下基于机器学习的入侵检测。在车联网中，基于机器学习的入侵检测系统（IDS）是提高网络安全的关键技术。这些系统利用ML算法学习正常和恶意行为的特征，以更准确地识别和防御各种攻击。
联邦学习在IDS中的应用也非常关键。例如，有研究提出了一种基于联邦学习的协作入侵检测方法，通过将模型训练卸载到边缘设备，利用分布式方法来降低数据隐私泄露的风险。此外，有基于深度学习的IDS被介绍，通过将学习任务从服务器转移到分布式车辆节点上，有效地检测恶意攻击。
联邦学习还被用于恶意软件检测系统，允许所有节点以分布式和协作的方式训练全局模型。通过只更新训练参数而不是共享所有数据，联邦学习有效地减少了隐私泄露的风险。
最后，集成学习的应用也值得关注。有研究提出了基于可持续集成学习的攻击检测模型，该模型使用单个分类器的概率和分类置信度作为训练数据，提高了攻击识别的准确性。
通过这些方法，可以在车联网中更好地实现区块链技术的安全和数据隐私保护。
我们已经回顾了车联网中区块链技术的特征、技术和解决方案。尽管我们在这个领域取得了显著进展，但在实际应用区块链技术时，我们仍然面临许多挑战和研究方向。区块链技术在车联网中具有巨大的潜力和价值，未来的研究应该继续探索这些挑战，并寻找创新的解决方案来推动其发展。
首先，我们来看看区块链智能的安全性和隐私性改进方面的挑战。一方面，我们需要考虑区块链辅助数据共享的问题，如激励数据所有者共享数据、维护数据一致性、防御区块链攻击等。另一方面，基于对抗性和可解释机器学习的安全性是一个新的挑战，我们需要在解释性与安全性之间找到平衡，并防御对抗性攻击。此外，基于密码学的安全防御，尤其是如何抵御量子攻击和设计后量子加密算法，也是一个重要的研究方向。
接下来是区块链智能化效率的提升。随着车联网数据量的剧增，提高信息传输效率和防止网络拥塞成为了重要议题。此外，探索如移动边缘计算（MEC）、无人机辅助、智能反射面（IRS）等技术的应用，以及如何平衡系统开销与效率，也是我们面临的关键挑战。
机器学习的可扩展性问题在车联网中尤为突出。我们需要研究如何有效地分摊计算负担、提高训练速度、以及平衡学习性能与计算复杂度。
另一个重要的研究领域是链下可信计算。我们需要探索链下计算作为一种有效的数据传输和计算解决方案，同时保证安全性和鲁棒性。
随着车联网的发展，对轻量级共识协议的研究需求也在增加。如何在安全性、可扩展性和共识协议的轻量级实现之间找到平衡，是我们面临的一个关键挑战。
最后，智能合约的设计也是区块链智能应用的一个重要研究领域。我们需要考虑其安全性、可解释性和适用性，以设计出既安全又高效的智能合约。
总结来说，区块链技术在车联网中的应用面临诸多挑战，但同时也蕴藏着巨大的潜力。我们应该继续深入研究，寻找创新的解决方案，推动这一领域的发展。谢谢大家。
这就是我今天想和大家分享的内容，希望能帮助大家更好地理解区块链在车联网中的应用。谢谢大家。
1 概述
1.1 车联网
车联网（Internet of Vehicles，IoV）起源于物联网（Internet of Things，IoT），物联网的最新进展推动了车联网的发展，其中自动驾驶汽车和路边基础设施是关键组成部分[1]。车联网的主要目标是通过网络连接，如车与车、车与路、车与人，以及车与传感设备之间的交互，提高用户服务质量（Quality of Service，QoS）[2]。
车联网通过传感器、无线射频识别等技术收集车辆、道路和环境信息。这些信息被上传到一个信息网络平台，进行加工、计算、共享，以及安全发布。车联网系统不仅对车辆进行有效监管和引导，还提供专业的多媒体服务和移动互联网应用。随着无线技术和人工智能（AI）的发展，车联网在数据采集和存储方面显示出显著的增长。
1.2 区块链
区块链技术是一种创新的分布式加密货币技术，推动了数据处理从传统的集中式架构转变为去中心化架构。其主要特征包括去中心化、不变性和透明度，这些特征共同构成了其独特的价值和应用潜力。
- 去中心化：区块链不依赖于任何中心化的管理实体。相反，它由网络中的多个节点共同维护，每个节点都有权对数据进行验证和记录。
- 不变性：一旦数据被记录在区块链上，它就几乎无法被更改或删除。这为数据的完整性和可靠性提供了强有力的保障。
- 透明度：区块链的公开性质意味着任何人都可以查看区块链上的交易记录和历史，增加了系统的透明度。
区块链的结构与功能
- 结构：区块链由一系列数据块组成，这些块按照时间顺序链接在一起。每个区块包含一组经过加密的交易记录。
- 功能：区块链通过其独特的结构能够在没有中央授权机构的情况下，在网络的多个参与者之间建立信任。由于其去中心化的特性，区块链在系统发生单点故障时也能保持运行。
区块链在不同场景中的应用
- 物联网（IoT）：在物联网中，区块链可以用来安全地管理和记录从数亿个设备产生的数据。
- 医疗领域：区块链能确保患者数据的安全和隐私，同时提供一个不可篡改的医疗记录系统。
- 智慧城市：通过区块链，可以安全地管理城市基础设施中的数据，如交通、能源管理等。
- 智能电网：区块链有助于优化能源流的分配和计费，提高能源利用的透明度和效率。
- 车联网（IoV）：在车联网中，区块链提供了一种安全的方法来处理车辆数据，使得车辆的通信更安全、高效。
1.3 区块链在车联网中的机遇与挑战
随着5G技术的不断发展，车联网（Internet of Vehicles，IoV）已经能够满足经常移动的个人的需求，提供了方便灵活的互联网接入、高速网络和实时通信。车联网使汽车不仅仅是交通工具，还成为了信息交换的节点。
然而车联网面临着挑战：
- 网络稳定性：车联网的不稳定网络拓扑结构和车辆的高度移动性降低了系统的稳定性。
- 信息安全：移动性和动态变化的网络环境对用户信息安全和通信的可靠性构成了挑战。
区块链技术的引入有助于解决车联网中的安全和隐私问题：
- 提高可靠性和安全性：区块链通过去中心化、不变性和透明度的特性，提高了数据的安全性和网络的可靠性。
- 隐私保护：区块链通过加密和匿名性，提供了更好的隐私保护。
同时，区块链技术也存在一些挑战：
- 计算资源限制：车辆的计算资源、能量和存储空间限制，使得它们难以承担传统区块链中的挖矿计算成本。
- 轻量级协议的需求：为适应车联网的特殊需求，区块链技术需要采用轻量级的共识协议。
- 计算任务的卸载：将计算密集型的任务卸载到边缘节点和非挖矿车辆，以减轻车载系统的负担。
2. 车联网中的区块链框架
在车联网（Internet of Vehicles, IoV）的环境中，区块链技术起着至关重要的作用，尤其是在其架构、共识算法和轻量级实现方面。由于车联网环境中网络资源的限制，资源管理和分配在实施区块链时显得尤为重要。
2.1 链下扩容和链上扩展
- 链下扩容：
- 目的与方法：链下扩容主要是为了减轻区块链上的交易压力。它通过将部分计算工作负载转移到链外的可信执行环境（TEE）来实现，仅将交易结果记录在区块链上。
- 优势：这种方法可以解决区块链的可扩展性问题，降低计算负载，并提高隐私保护。
- 链上扩展：
- 实现方式：通过分层结构实现链上扩展。这种方法将区块链分成多个独立的部分，称为“切片”。每个切片处理其独立的数据和事务。
- 示例：例如，区块链可以分为两个部分：一个较小的本地区块链部分，通常部署在终端设备上；另一个较大的全局区块链部分，部署在云服务器上。全局区块链以分段的形式存储本地区块链的数据，并定期更新。
2.2 六层区块链系统组成
在车联网的环境中实现区块链技术需要对其架构进行一定的调整。区块链系统通常由以下六层组成：数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。车联网中的区块链系统针对这些层进行了轻量级的优化，以确保区块链的有效运行和网络的负载能力。
- 数据层：
- 功能：负责存储交易和数据块。
- 优化：使用轻量级密码学方法，如椭圆曲线密码学，进行数据加密。
- 网络层：
- 功能：包括点对点（P2P）网络和数据广播、传输、转发以及身份验证机制。
- 优化：确保数据的高效和安全传输。
- 共识层：
- 功能：包含多种共识算法，使网络节点能够就数据的一致性达成共识。
- 优化：用轻量级算法替代传统的计算密集型共识算法，并将挖矿任务卸载到其他服务器，减少计算延迟。
- 激励层：
- 功能：通过发行和分配数字资产来激励网络参与者。
- 优化：确保激励机制适应车联网环境。
- 合约层：
- 功能：包含脚本、算法和智能合约（SC），支持区块链的可编程功能。
- 优化：使用智能合约来自动执行代码并处理不同类型的交易。
- 应用层：
- 功能：使区块链技术可以应用于车联网等各种应用场景和系统。
- 优化：根据车联网的特定需求调整区块链应用。
3 车联网的集成系统
车联网的集成系统一般融合了先进的无线通信技术、人工智能、机器学习和区块链技术，这些技术的结合不仅增强了车联网的功能，还提高了其安全性和可靠性。本文就区块链的集成展开介绍。
3.1 车联网（IoV）网络架构
车联网（Internet of Vehicles, IoV）是一种基于车辆自组织网络（VANET）的高级网络形式，已连接到互联网，构成了移动自组织网络（MANET）的一个特殊类型。这个网络主要由智能车辆和路边单元（RSUs）组成，它们通过无线方式相互交流信息，如车速和位置数据。
人工智能和机器学习在车联网中的角色
- 智能交通系统（ITS）：AI和ML技术在车联网中的应用可以创造出一个更加智能的交通系统。这些技术通过分析和处理车辆和RSU共享的大量数据来实现。
- 性能提升：ML技术用于支持共识算法，从而提高区块链技术在车联网中的性能，如提高区块生成和验证的速度，降低区块挖矿的能耗。
区块链智能的实现
- 基站（BS）的作用：基站（BS）在车联网的区块链实现中扮演关键角色。BS将全局模型共享到区块链上，车辆可以从区块链下载这些模型，并根据自己的本地观察对本地模型进行训练。
- RSU的功能：RSU处理来自车辆的请求，并支持BS管理RSU与车辆之间的通信。RSU也参与调度车辆的请求。
- 证书颁发机构（CA）：CA验证参与者的身份，以确保其访问区块链的权限。车辆将训练后的本地模型上传到区块链。
- 自动化执行：ML与智能合约（SC）结合，可以实现区块链的自动化执行。这种结合促进了区块链在车联网等不同场景下的应用。
3.2 区块链在车联网中的集成
区块链系统在车联网中的集成形成了一个复杂的设备和节点协作网络，这些节点共同维护一组共享的全球状态，并执行可能改变这些状态的交易。区块链作为一种特殊的数据结构，能够安全地存储历史记录和交易数据，系统中的所有节点都同意交易及其顺序。
智能合约的作用
- 定义：智能合约是可以在区块链网络上运行的自主计算机程序。
- 功能：它们可以被预先编程，以自动执行合同条款，无需可信任权威的干预。
区块链的数据管理
- 分布式账本：包含历史和当前状态，所有参与方必须对账本的任何更新达成共识。
- 共识算法：确保所有节点都同意交易及其顺序。
共识算法类型
- 基于计算的算法：
- 使用计算证明来随机选择执行下一个操作的节点。
- 例如，比特币使用的工作证明（PoW）。
- 基于通信的算法：
- 每个节点具有平等的投票权，需要多轮通信来达成共识。
- 例如，实用拜占庭容错（PBFT）。
- 混合类型算法：
- 结合计算和通信方法。
- 例如，经过时间证明（PoET）和权威证明（PoA）。
区块链类型与其性能
- 公共和无权限的区块链：
- 使用PoW、PoS和DPoS。
- 特点：高可扩展性、低吞吐量、高确认时间。
- 许可的区块链：
- 使用PBFT和RAFT。
- 特点：低可扩展性、低确认时间、高吞吐量。
4 安全隐患—技术原理
区块链虽然具有记录交易不变性的优势，但在网络安全性、可扩展性、身份认证、数据完整性、区块生成延迟等方面也存在一些安全隐患。
4.1 网络安全
- 车联网的安全挑战：作为一种异构开放网络，传统车联网容易受到网络攻击，可能导致巨大的损失和成本。
- 区块链的安全机制：区块链通过高计算能力来确保网络的安全性。
- 计算资源的限制：随着车辆数量的增加和区块链任务的增多，计算资源可能成为限制因素。
- 安全与资源的权衡：在安全性和计算资源消耗之间的权衡至关重要。
- 隐私保护与节点验证：保护数据隐私的同时，验证区块链节点的可靠性是一个挑战。
4.2 可扩展性
- 存储空间限制：区块链在处理大量数据和交易时，面临存储空间限制，影响其可扩展性。
- 区块链切片：通过对区块链进行切片来提高其可扩展性的方法正在研究中，但面临处理跨链交易的挑战。
- 链下存储：虽然链下存储可以提高区块链的可扩展性，但实现方式和安全性保障是需要考虑的问题。
- 链上和链下交互：研究链上和链下节点之间的信息交互机制也是提高可扩展性的一个关键点。
4.3 身份认证
- 重要性：在车联网中，利用区块链进行车辆身份认证是防止串通和滥用非常重要的。
- 潜在威胁：由于区块链的公开性，敏感的身份信息可能在认证过程中被泄露。
- 认证过程中的隐私问题：提供服务时，提供者可能需要共享敏感信息，这可能被恶意节点滥用。
- 资源消耗和延迟：基于区块链的身份验证可能导致大量的计算资源消耗和验证延迟。
4.4 数据完整性
- 矿工的簿记权竞争：在将交易数据封装到区块中时，存在簿记权的竞争。
- 临时分叉问题：多个节点可能同时计算出随机数，导致链中出现临时分叉。
- 交易记录丢失的风险：分叉可能导致一些交易记录丢失。
4.5 区块生成延迟
- 安全性和复杂性：新区块的形成需要复杂的数学计算和验证，以确保信息安全，但这导致时间延迟。
- 交易拥塞与延迟：批量交易或交易拥塞可能导致记录区块链交易的延迟，这种延迟会随着交易数量的增长而增大。
- 增加的查询工作量：随着账本数据量的增加，每个查询的工作量也会增加。
- 共识算法的限制：当前的共识算法（如PoW）生成新区块的速度较慢，限制了区块链的吞吐量。
5 防护手段
在车联网中，区块链关于安全隐患的防护手段主要集中在四个方面：可靠交互、网络安全与数据隐私、可信环境和可扩展性。本报告重点讨论网络安全和数据隐私的解决方案。
网络安全和数据隐私的分类
- 内容保密性：
- 通过密码技术，车辆可以确保传输内容的机密性，防止信息泄露。
- 身份匿名性：
- 车辆利用公钥基础设施（PKI）、智能合约（SC）或区块链技术来保障与匿名身份的交互。
- 访问控制：
- 基于SC或基于属性的解决方案被用于实现对区块链的访问控制。
- 基于机器学习的入侵检测：
- 结合机器学习（ML）和入侵检测系统（IDS），用于检测网络中的恶意行为。
- 多层次隐私保护：
- 通过结合密码学、区块链和机器学习，实现多层次的隐私保护。
区块链智能的应用
- 数据隐私保护：区块链智能被用于保护数据隐私，防止敏感信息的泄露。
- 网络安全维护：通过集成区块链技术和机器学习，以及利用密码学和身份验证机制，确保网络的安全性。
- 恶意行为识别：利用基于机器学习的学习模型来识别网络中的恶意行为。
5.1 内容保密性
车联网中，通过结合先进的密码学技术和区块链框架，可以有效地保护数据安全和隐私。
密码学与区块链的集成
- 数据安全保障：区块链结合密码学技术，有效地保证了数据的安全性。通过共识机制，阻止恶意行为加入分布式账本。
- 使用假名和智能合约：通过假名和智能合约（SC）解决隐私问题，增强了交易的匿名性和安全性。
论文[105]深度学习与完全同态加密
- 安全通信框架：将深度学习、区块链和完全同态加密技术结合，创建了一个安全通信框架。
- 隐私保护模型：构建了一个输出密文结果的深度学习模型，以确保数据处理过程中的隐私。
论文[106]支持向量机（SVM）分类器
- SVM分类器的隐私保护：提出了一种使用区块链和密码学技术来构建安全的SVM分类器训练平台，无需依赖第三方。
- 保护数据隐私：旨在保护原始数据和训练过程中的中间值，以确保完整的隐私保护。
智能合约的应用
- 自我执行和验证的协议：部署SC，即包含永久存储在去中心化区块链网络中的可编程代码，以实现隐私保护。
- V2G能源交易的隐私保护：在车辆对电网（V2G）能源交易中，利用区块链、SC和零知识共识机制来保护能源交易的隐私性。
5.2 身份匿名
在车联网中，虽然匿名参与信息共享过程有其必要性，但也存在着被恶意利用的风险。通过结合公钥基础设施、双向认证、区块链技术以及智能合约，可以有效保护车辆的身份隐私，同时防止恶意行为。这些技术的应用为车联网提供了一个更加安全、可靠的通信环境。
多种身份验证技术
- 公钥基础设施（PKI）：提供了一种基础的身份验证机制，是车联网中常用的一种技术。
- 双向身份验证和证书颁发：如文献[108]中提出的基于雾计算的双向认证方法，通过三个步骤保障车联网的安全性：选择集群头、认证车辆、监控集群活动。
基于区块链的身份认证
- 区块链作为身份存储：区块链可以作为身份信息的存储机制，如文献[109]中提出的基于区块链的证书颁发机制。
- 基于SC的分布式身份认证：文献[110]、[111]、[112]中分别提出了基于边缘计算和区块链的分布式认证机制、基于区块链的假名认证方案和安全车联网认证方案。
- PKI方案的区块链应用：文献[113]、[114]、[115]中提出的基于区块链的PKI方案，实现PKI的实时同步更新，提高了PKI基础设施的安全性。
- 基于SC的漫游认证方案：文献[50]提出的方案用于保证车辆和接入点的相互认证，使用SC撤销恶意车辆的证书。
- 知识签名方案：文献[116]中利用区块链存储知识签名方案生成的车辆密钥，使用SC验证和撤销匿名公钥，为智能网联汽车业务提供安全基石。
5.3 访问控制
在车联网中，基于区块链的访问控制是保护隐私的一种有效方式。主要有两种实现方式：基于属性的访问控制和基于智能合约的访问控制。
基于属性的访问控制
- 隐藏属性的访问控制：文献[117]中提出的基于属性隐藏的访问控制方案，有效保证了访问策略和属性的隐私性，并实现了数据隐私保护。
- 模型和策略：文献[118]中介绍的基于属性的访问控制模型，通过在区块链中存储访问、请求和响应记录，并制定私有数据管理的访问控制策略，确保对私有数据的受控访问。
- 密文策略和数据共享：文献[119]中使用密文策略实现一对多数据共享，支持自认证和基于云的认证。
基于SC的访问控制
- 用户认证和自动验证：文献[120]和[121]中提出的基于SC的用户认证访问控制，访问权限的验证由SC自动执行。
- 防止非法卸载：文献[122]中设计的基于区块链的分布式访问方法，利用SC自动检测车辆身份，防止非法卸载。
- 基于需求函数的访问控制：文献[123]中提出的方法，其中SC通过检索已建立的可信列表来确定是否授予访问权限。
- VANETs中的受控访问系统：文献[124]中提出的基于车载自组织网络的受控访问系统，使用功能加密加密敏感数据，并通过SC验证车辆身份以实现安全数据访问。
5.4 基于机器学习的入侵检测
在车联网中，基于机器学习的入侵检测系统（IDS）是提高网络安全的关键技术。这些系统利用ML算法学习正常和恶意行为的特征，以更准确地识别和防御各种攻击。
联邦学习在IDS中的应用
- 协作入侵检测：文献[71]中提出了一种基于联邦学习的协作入侵检测方法，该方法通过将模型训练卸载到边缘设备，利用分布式方法来降低数据隐私泄露的风险。
- 分布式节点的学习：文献[74]中介绍的基于深度学习（DL）的IDS，通过将学习任务从服务器转移到分布式车辆节点上，有效地检测恶意攻击。
安全应用中的联邦学习
- 恶意软件检测：联邦学习在文献[68]中被用于恶意软件检测系统，允许所有节点以分布式和协作的方式训练全局模型。
- 隐私保护：如文献[75]所述，联邦学习通过只更新训练参数而不是共享所有数据，有效地减少了隐私泄露的风险。
集成学习的应用
- 攻击检测模型：文献[82]中提出了一种基于可持续集成学习的攻击检测模型，该模型使用单个分类器的概率和分类置信度作为训练数据，提高了攻击识别的准确性。
5.5 多级隐私保护
在车联网中，利用区块链智能可以提供多级的安全保护，从而确保数据隐私和网络安全。
两级隐私保护框架
- 安全数据传输：文献[69]中利用区块链和深度学习模块设计的两级隐私保护框架，提供自动驾驶汽车、RSU和交通指挥中心间的安全数据传输。
- 增强型协议和深度学习模块：使用增强型基于SC的PoW协议保护数据完整性，减轻数据中毒攻击，以及设计长短内存自动编码器以抵御推理攻击。
联邦学习与区块链结合的分布式解决方案
- 数据隐私保护：文献[125]、[126]中提出的区块链与联邦学习结合的解决方案，用于确保关键车辆的数据隐私，并利用区块链共识机制保证边缘服务器上的可靠训练。
- 新共识算法：在文献[126]中提出的新共识算法准确性证明，可以有效检测攻击和劣质模型。
智慧城市中的分层任务管理
- 任务分类和子区块链：文献[29]提出了基于区块链的分层任务管理方法，根据隐私要求和任务域将任务分类为不同的组，并划分为子区块链。
其他技术结合
- 协作学习和多层加密：文献[127]中提出的协作学习框架，使用三层渐进式加密方案（差分隐私、区块链和同态加密）保护隐私。
- FL方法和隐私保护：文献[40]提出的隐私保护框架，利用hydrand和可公开验证的秘密共享保护车辆数据隐私。
6. 研究挑战和开放性问题
在前面的章节中，我们已经回顾了车联网中区块链智能的特征、技术和解决方案。尽管取得了显著进展，但在区块链智能的实际应用中仍存在许多挑战和研究方向。尽管面临众多挑战，区块链智能在车联网中仍具有巨大的潜力和价值。未来的研究应继续探索这些挑战，并寻找创新的解决方案以推动车联网区块链智能的发展。
A. 区块链智能的安全性和隐私性改进
- 区块链辅助数据共享：虽然区块链的透明性和不变性有助于确保数据共享的安全性，但如何激励数据所有者共享数据、维护数据一致性、防御区块链攻击等成为关键问题。
- 基于对抗性和可解释ML的安全性：ML在入侵检测中的应用提出了新的挑战，如解释性与安全性的权衡、对抗性攻击的防御等。
- 基于密码学的安全防御：加密和数字签名的应用在保障数据安全中起着关键作用，但如何抵御量子攻击和设计后量子加密算法成为新的挑战。
B. 区块链智能化效率提升
随着车联网数据量的爆炸式增长，提高信息传输的效率和防止网络拥塞成为重要议题。同时，探索如MEC、无人机辅助、智能反射面（IRS）等技术的应用，以及平衡系统开销与效率成为关键挑战。
C. 机器学习的可扩展性改进
ML的可扩展性问题在车联网中尤为突出。如何有效分摊计算负担、提高训练速度、平衡学习性能与计算复杂度成为重要研究方向。
D. 链下可信计算
探索链下计算作为一种有效的数据传输和计算解决方案，同时保证安全性和鲁棒性，是车联网中的一个重要研究领域。
E. 轻量级共识协议
随着车联网的发展，需求对轻量级共识协议的研究也日益增加。如何平衡安全性、可扩展性和共识协议的轻量级实现是一个关键挑战。
F. 智能合约的设计
SC的设计需要考虑其安全性、可解释性和适用性。如何设计既安全又高效的智能合约，成为区块链智能应用的一个重要研究领域。
