范 君，李 茹，張祎航

內(nèi)蒙古大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010021

Olariu 等人最早于2010年提出將車聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算相結(jié)合，形成車聯(lián)云。車聯(lián)云被定義為“大量自治車輛的計(jì)算、感知、通信和其他物理設(shè)備資源，可通過有效的聚合動態(tài)地向授權(quán)用戶提供”[1]。

車聯(lián)云的建立可以把擁有一定計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和傳感能力的車輛看成是云環(huán)境中的資源節(jié)點(diǎn)。車聯(lián)云的應(yīng)用模式分為兩種[2]：1）將車輛上的空閑資源聚集后作為云計(jì)算服務(wù)的一個(gè)組成部分，通過云計(jì)算的平臺向互聯(lián)網(wǎng)用戶提供資源服務(wù)，如機(jī)場、商場或其他大型停車場中閑置車輛資源形成的數(shù)據(jù)中心等。2）對處于同一場景的移動車輛進(jìn)行資源聚合和利用，以解決特定場景下的應(yīng)用問題，如交通燈優(yōu)化、路面感知、安全駕駛等。

車聯(lián)云中類似的應(yīng)用多不勝數(shù)，其核心都需要解決車輛資源的聚合和管理、任務(wù)的調(diào)度和執(zhí)行、結(jié)果的回傳等問題，即收集各車輛所具備的各項(xiàng)資源信息和狀態(tài)，并在有用戶需要時(shí)動態(tài)地將用戶任務(wù)與資源進(jìn)行映射并執(zhí)行，最后將執(zhí)行結(jié)果回傳給用戶[3]。上述問題的最終解決必須要有安全性來保障，這并非易事。車聯(lián)云雖然可以稱為云計(jì)算的一種，但又有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下三方面：1）組成車聯(lián)云的節(jié)點(diǎn)是移動的車輛，車輛的移動性同時(shí)也導(dǎo)致了組成車聯(lián)云網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性。2）車輛之間或車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間采用無線方式通信，故網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是完全開放式的。3）車輛節(jié)點(diǎn)往往被不同的私人擁有，是非可信的。這些特性給車聯(lián)云中安全性研究提出了挑戰(zhàn)。

車聯(lián)云服務(wù)包含的核心安全性目標(biāo)有保密性、完整性、可用性、可控性和不可抵賴性[4]。其中，可用性是指被授權(quán)的主體在需要使用服務(wù)時(shí)可以及時(shí)訪問服務(wù)的能力，不可抵賴性是指信息交換過程中的行為和相關(guān)數(shù)據(jù)的不可抵賴。目前，云計(jì)算中僅有少量研究是關(guān)于不可抵賴性的。文獻(xiàn)[5-7] 提出以可信第3 方實(shí)現(xiàn)不可抵賴性，但這些可信第3 方均使用中心化的服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)，因而存在單點(diǎn)故障問題。一旦服務(wù)器被攻擊或發(fā)生故障，系統(tǒng)的可用性就會降低，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，可以實(shí)現(xiàn)分布式非可信環(huán)境下的數(shù)據(jù)完整性、私密性、一致性、可追溯性和不可篡改性。區(qū)塊鏈技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于金融、保險(xiǎn)、數(shù)字版權(quán)、物聯(lián)網(wǎng)和其他公共服務(wù)及公益領(lǐng)域[8]。

文獻(xiàn)[9-10] 提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)來提高云計(jì)算中任務(wù)調(diào)度的不可抵賴性，將獨(dú)立于車聯(lián)云架構(gòu)之外的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)或相關(guān)數(shù)據(jù)簽名信息的存儲介質(zhì)。任務(wù)調(diào)度算法的執(zhí)行還須依賴中心化的服務(wù)器。為了在實(shí)現(xiàn)不可抵賴性的同時(shí)提高可用性，文獻(xiàn)[11] 借助以太坊私鏈上的智能合約實(shí)現(xiàn)了一種車聯(lián)云環(huán)境下的任務(wù)調(diào)度策略。由于以太坊在挖礦過程中需要消耗一定的算力，節(jié)點(diǎn)間達(dá)成共識需要一定的時(shí)間。受到共識機(jī)制的限制，這種策略的任務(wù)調(diào)度性能不高，無法適用于實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)調(diào)度。

本文分析了車聯(lián)云特有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特點(diǎn)及任務(wù)調(diào)度過程，并提出了一種適用于車聯(lián)云環(huán)境任務(wù)調(diào)度的輕量級區(qū)塊鏈框架。該框架不僅實(shí)現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度過程的不可抵賴性，避免了任務(wù)調(diào)度的單點(diǎn)故障，提高了可用性，而且還實(shí)現(xiàn)了輕量級，即無需消耗算力或額外存儲空間，并且可以達(dá)到毫秒級的調(diào)度延時(shí)。

1 相關(guān)工作

為了解決云計(jì)算中任務(wù)調(diào)度過程的不可抵賴性問題，文獻(xiàn)[5-7] 引入可信第3 方負(fù)責(zé)進(jìn)行密鑰生成及分發(fā)、信息可信性驗(yàn)證和必要信息的存儲。然而，這個(gè)可信第3 方均選用云服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)，無法避免單點(diǎn)故障帶來的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

中本聰于2008年發(fā)明了比特幣[12]，隨后陸續(xù)出現(xiàn)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的新一代數(shù)字貨幣系統(tǒng)，如以太坊[13]、萊特幣[14]、狗幣[15]。區(qū)塊鏈系統(tǒng)不存在中心節(jié)點(diǎn)，故使用整個(gè)P2P 網(wǎng)絡(luò)中眾多地位平等的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)庫來確認(rèn)并記錄所有的交易行為，使用密碼學(xué)的設(shè)計(jì)來確保貨幣流通各個(gè)環(huán)節(jié)的安全性。這些區(qū)塊鏈系統(tǒng)多年的穩(wěn)定運(yùn)行證明了區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式非可信環(huán)境下具有很好的數(shù)據(jù)完整性、私密性、一致性、可追溯性和不可抵賴性。

文獻(xiàn)[9-10] 將區(qū)塊鏈技術(shù)引入云計(jì)算，用來提高云計(jì)算中資源調(diào)度的安全性，同時(shí)提出了一種可信分布式云任務(wù)調(diào)度審計(jì)方法，用于云集群中云任務(wù)調(diào)度信息的可信存儲。該方法在保留原有云集群和云數(shù)據(jù)庫的情況下，額外增加了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)用于關(guān)鍵數(shù)據(jù)或相關(guān)數(shù)據(jù)簽名信息的存儲，但任務(wù)調(diào)度過程還須依賴中心化的服務(wù)器，依然無法杜絕單點(diǎn)故障。

文獻(xiàn)[11] 使用以太坊智能合約設(shè)計(jì)了一種適用于車聯(lián)云環(huán)境下的任務(wù)調(diào)度策略。該策略將任務(wù)的發(fā)布、分配和結(jié)果回收通過智能合約函數(shù)完成，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度過程的去中心化，克服了車聯(lián)云任務(wù)調(diào)度過程中可能出現(xiàn)的單點(diǎn)故障問題。然而，由于以太坊智能合約函數(shù)的執(zhí)行需要由當(dāng)前選出的礦工完成，而以太坊公鏈上礦工的選出時(shí)長平均需要15 s。可見，要想讓每一個(gè)涉及到數(shù)據(jù)寫入或修改的智能合約函數(shù)執(zhí)行完畢，都需要等待0.5 倍的以太坊平均區(qū)塊生成時(shí)長。這對于對實(shí)時(shí)性有一定要求的任務(wù)是無法接受的。盡管以太坊私鏈可通過自定義計(jì)算難度來調(diào)整選出礦工所需時(shí)長，但時(shí)長越短，以太坊的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)就越大，也就越容易受到攻擊。

本文提出了一種適用于車聯(lián)云任務(wù)調(diào)度的輕量級區(qū)塊鏈架構(gòu)，將任務(wù)的調(diào)度過程與區(qū)塊鏈緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度過程的去中心化，避免了任務(wù)調(diào)度服務(wù)器的單點(diǎn)故障問題，兼顧了任務(wù)的調(diào)度性能和安全性。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，道路上行駛的車輛處于某個(gè)路邊單元（road side unit,RSU）的信號覆蓋范圍之內(nèi)，車輛節(jié)點(diǎn)間及車輛與RSU 之間使用無線方式進(jìn)行通信。每個(gè)RSU 作為區(qū)塊鏈中的一個(gè)全節(jié)點(diǎn)，與其他對等的RSU 節(jié)點(diǎn)通過高速網(wǎng)絡(luò)連接，共同構(gòu)成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)RSU 上都存有一張所有RSU 信息的列表，包含固定信息和動態(tài)信息。固定信息是網(wǎng)絡(luò)初始化運(yùn)行時(shí)設(shè)置的，如RSU 編號、IP 地址、RSU 公鑰等；動態(tài)信息如在線狀態(tài)、車輛節(jié)點(diǎn)數(shù)量等。每個(gè)RSU 還維護(hù)著一張自身信號覆蓋范圍下車輛信息的動態(tài)列表，車輛節(jié)點(diǎn)會定時(shí)給RSU 發(fā)送心跳信息，并可隨著位置的移動在多個(gè)RSU 的信號覆蓋范圍間切換，該列表中的信息也會隨之更新。注冊后的任務(wù)發(fā)起者可隨時(shí)發(fā)起任務(wù)請求至RSU，由所有RSU 構(gòu)成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對該任務(wù)請求進(jìn)行調(diào)度處理，處理完畢后將任務(wù)結(jié)果進(jìn)行回收并返回給任務(wù)發(fā)起者。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Figure 1 Network architecture

3 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的車聯(lián)云輕量級區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。任務(wù)發(fā)起者可以是智能手機(jī)、移動電腦終端或道路上的車輛，它們具有高度的動態(tài)性，在移動的過程中會頻繁地在不同的RSU 信息覆蓋范圍之間切換，甚至頻繁斷開與RSU 間的無線鏈路連接。但只要能與就近的RSU 進(jìn)行通信，就可以發(fā)送任務(wù)請求。當(dāng)任務(wù)發(fā)送至車聯(lián)云后，任務(wù)信息會被RSU 所構(gòu)成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)打包成區(qū)塊后進(jìn)行共識入鏈操作，然后由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式調(diào)度，從而將任務(wù)映射到車輛資源上執(zhí)行。若正在執(zhí)行任務(wù)的車輛離開了網(wǎng)絡(luò)，則RSU 可以第1 時(shí)間知曉并采取必要的容錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行補(bǔ)償。執(zhí)行完畢后返回的結(jié)果也會由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)打包成區(qū)塊后進(jìn)行共識入鏈操作，再返回給任務(wù)發(fā)起者。若是執(zhí)行數(shù)據(jù)型任務(wù)，則需要事先將任務(wù)數(shù)據(jù)存入存儲云，由任務(wù)執(zhí)行者去存儲云中獲取數(shù)據(jù)并處理。若返回結(jié)果的數(shù)據(jù)容量較大，則也需要將其存入存儲云，由任務(wù)發(fā)起者去存儲云中獲取。若任務(wù)發(fā)起節(jié)點(diǎn)在計(jì)算結(jié)果返回前離開了網(wǎng)絡(luò)，則可以待它重新加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)從就近的RSU 上獲取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。任務(wù)從發(fā)起到調(diào)度，再到結(jié)果回收，整個(gè)過程依賴RSU 構(gòu)成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)來完成。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)特有的安全特性保障了任務(wù)調(diào)度過程的安全性，實(shí)現(xiàn)了去中心化，因此不再需要設(shè)置專用于任務(wù)調(diào)度中心的服務(wù)器，避免了單點(diǎn)故障對系統(tǒng)的影響。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖Figure 2 System architecture

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)僅由RSU 構(gòu)成，車輛資源節(jié)點(diǎn)并不適合作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。這是因?yàn)檐囕v所擁有的存儲資源有限，無法滿足不斷增長的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲的要求。

4 任務(wù)調(diào)度過程

如圖3所示，整個(gè)任務(wù)調(diào)度過程分為5 個(gè)階段，分別是任務(wù)發(fā)起者注冊、任務(wù)發(fā)起、任務(wù)調(diào)度、結(jié)果回收和結(jié)果返回。任務(wù)發(fā)起者首次使用車聯(lián)云時(shí)，需要在車聯(lián)云中進(jìn)行注冊登記，這一過程的主要目的是為了記錄任務(wù)發(fā)起者的公鑰和基本信息，以便進(jìn)行后續(xù)的安全信息傳輸。當(dāng)任務(wù)發(fā)起者發(fā)起一個(gè)任務(wù)時(shí)，處于任務(wù)發(fā)起者附近的RSU 接收到任務(wù)請求，然后生成區(qū)塊并發(fā)起共識請求。一旦共識成功就將該任務(wù)請求寫入?yún)^(qū)塊鏈，這樣每個(gè)RSU 上都將存有該任務(wù)的信息。接下來由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)自動按照某種算法將任務(wù)映射到車輛資源上執(zhí)行，任務(wù)執(zhí)行結(jié)果由選出的RSU 或接收到任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的RSU 生成區(qū)塊后發(fā)起共識并入鏈。最后由任務(wù)發(fā)起者附近的RSU 將結(jié)果回傳給該任務(wù)發(fā)起者。整個(gè)任務(wù)生命周期結(jié)束。

圖3 任務(wù)調(diào)度過程時(shí)序圖Figure 3 Sequence diagram in task scheduling process

如果在某個(gè)RSU 下，同時(shí)或短時(shí)間內(nèi)有多個(gè)任務(wù)發(fā)起者發(fā)起任務(wù)請求，則收到任務(wù)請求的RSU 會將多個(gè)任務(wù)請求打包后發(fā)出。若在多個(gè)不同的RSU 下同時(shí)有任務(wù)發(fā)起者發(fā)起任務(wù)請求，則多個(gè)區(qū)塊信息的存在會導(dǎo)致在不同的RSU 上暫時(shí)存在不同的未被最終確認(rèn)的區(qū)塊信息，但是只有先收到大部分commit 消息的區(qū)塊信息才被確認(rèn)。一旦某個(gè)區(qū)塊信息被確認(rèn)，則其他區(qū)塊信息就不得不依據(jù)新的區(qū)塊重新構(gòu)造合法的新區(qū)塊信息，否則將不被網(wǎng)絡(luò)接受。另外，為了抵御DDoS 攻擊，可以在請求信息的驗(yàn)證環(huán)節(jié)加入相應(yīng)的算法策略，如相同任務(wù)發(fā)起者短時(shí)間發(fā)起的請求次數(shù)超過某個(gè)閾值，即判定為非法。

5 主要信息結(jié)構(gòu)

注冊請求由一個(gè)四元組構(gòu)成{注冊者公鑰，注冊者信息，注冊時(shí)間戳，簽名}，任務(wù)請求也由一個(gè)四元組構(gòu)成{任務(wù)發(fā)起者公鑰，任務(wù)信息，發(fā)送時(shí)間戳，簽名}。RSU 收到合法的任務(wù)請求后為每個(gè)任務(wù)請求信息生成一個(gè)唯一的標(biāo)識編號；再加上RSU 自己的公鑰、簽名、時(shí)間戳構(gòu)造出區(qū)塊體信息；然后加上包含版本號、上一個(gè)區(qū)塊的哈希值、區(qū)塊序號、Merkle 根、區(qū)塊體中任務(wù)請求數(shù)據(jù)的哈希列表等信息，構(gòu)造出區(qū)塊頭；最后將該區(qū)塊信息（如圖4所示）發(fā)送給由所有RSU 構(gòu)成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共識入鏈操作。任務(wù)的返回結(jié)果與任務(wù)請求區(qū)塊數(shù)據(jù)類似，只是在區(qū)塊體中包含了進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的RSU 信息、執(zhí)行者信息及任務(wù)結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖4 區(qū)塊信息結(jié)構(gòu)Figure 4 Structure of block information

6 輕量級共識機(jī)制

在諸如比特幣、以太坊等公有區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是不可信的。在這種完全不可信的環(huán)境下，區(qū)塊鏈廣泛采用工作量證明（proof of work,PoW）、股權(quán)證明（proof of stake,PoS）等共識方式是必要且有效的，但這樣的共識方式會導(dǎo)致區(qū)塊的生成需要一定的時(shí)間。比特幣每生成一個(gè)區(qū)塊平均需要10 min，以太坊生成一個(gè)區(qū)塊的平均時(shí)間為15 s。這個(gè)時(shí)間長度是在安全性和系統(tǒng)運(yùn)行效率間取的一個(gè)平衡值，若時(shí)間小于這個(gè)值，則系統(tǒng)運(yùn)行效率會提高，但系統(tǒng)安全性會降低；若大于這個(gè)值，則系統(tǒng)安全性會提高，但系統(tǒng)運(yùn)行效率會下降。這其實(shí)是犧牲了系統(tǒng)運(yùn)行效率來換取安全性，最終達(dá)到的一個(gè)平衡點(diǎn)。在車聯(lián)云中，有些應(yīng)用任務(wù)對于響應(yīng)的實(shí)時(shí)性有較高的要求，如自動駕駛需要系統(tǒng)的響應(yīng)是毫秒級的。上述公有鏈系統(tǒng)顯然不能滿足要求。

私有鏈系統(tǒng)的交易速度比公有鏈和聯(lián)盟鏈的交易速度快，甚至接近了常規(guī)數(shù)據(jù)庫的速度。但是因?yàn)椴煌腞SU 很可能由不同的機(jī)構(gòu)來管理，所以管理方式可能不同，需要的功能或權(quán)限也會不同。另外，不同的機(jī)構(gòu)對部分?jǐn)?shù)據(jù)也有私密性的要求。因此，私有鏈系統(tǒng)也不適合。

在車聯(lián)云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，RSU 一般由某幾家運(yùn)營商統(tǒng)一建設(shè)和管理，RSU 之間采用運(yùn)營商自己搭建的高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，這些RSU 完全可以看作是可信的。這樣一來，同樣在保證安全性的前提下可以選擇更高效的共識算法。實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（practical Byzantine fault tolerance,PBFT）已應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，是一種可信環(huán)境下非常有效的共識算法[9-11]，該算法同樣也可以應(yīng)用在由RSU 構(gòu)成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。經(jīng)典的PBFT 算法要優(yōu)先選出一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，再由選出的主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的收集和共識請求的發(fā)出。為了提高處理效率，并避免主節(jié)點(diǎn)的單點(diǎn)故障帶來的額外處理開銷，本文去掉了主節(jié)點(diǎn)，設(shè)置為所有節(jié)點(diǎn)均可發(fā)出共識請求。假設(shè)車輛節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)至某個(gè)RSU，則由該RSU 直接發(fā)出共識請求給其他所有RSU。只要收到“大部分”RSU 的commit 消息，即可認(rèn)為共識成功。這個(gè)“大部分”是指2f+1 個(gè)，其中的f為RSU 總數(shù)的1/3。當(dāng)RSU 節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N時(shí)，每一次共識需要通信2N2+N次。由此可見，RSU 的節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，共識所需的通信開銷越大。為了降低共識通信開銷，可以從所有RSU 中選出部分RSU 節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈的共識，而其他的RSU 節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行信息的中轉(zhuǎn)傳遞和區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的存儲，這樣就可以靈活控制區(qū)塊鏈中共識節(jié)點(diǎn)的規(guī)模，從而保障共識性能。

RSU 節(jié)點(diǎn)由運(yùn)營商統(tǒng)一監(jiān)管，具有較高的可信度，但也不能排除部分RSU 被俘獲而帶來不安全因素的可能。一方面，基于PFBT 共識算法，被俘獲的RSU 數(shù)量若大于總節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/3，就可能導(dǎo)致區(qū)塊共識失敗；另一方面，被俘獲的RSU 可能發(fā)出非法區(qū)塊請求，對正常業(yè)務(wù)產(chǎn)生干擾和破壞。為了消除這種安全隱患，可以從技術(shù)和管理角度同時(shí)加強(qiáng)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測和運(yùn)行管理。每個(gè)RSU 節(jié)點(diǎn)都要對收到的區(qū)塊請求信息按照統(tǒng)一的、特定的規(guī)則進(jìn)行審核，只有確認(rèn)合法才允許繼續(xù)完成共識。若檢測到非法的區(qū)塊請求信息，則發(fā)出異常預(yù)警，然后由人工介入對非法信息進(jìn)行核查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)被俘獲節(jié)點(diǎn)并做出進(jìn)一步處理。這樣一來，同時(shí)被俘獲的RSU 節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過節(jié)點(diǎn)總數(shù)的1/3 是很困難的。

7 性能評估模型

任務(wù)調(diào)度延時(shí)是指從RSU 收到用戶的任務(wù)請求到開始調(diào)度任務(wù)時(shí)的延時(shí)。RSU 必須等待包含任務(wù)請求信息的區(qū)塊被確認(rèn)后才開始進(jìn)行調(diào)度，因而任務(wù)調(diào)度延時(shí)等于區(qū)塊生成延時(shí)。整個(gè)區(qū)塊生成的過程分為3 個(gè)階段。首先是pre-prepare 階段，該階段需要將區(qū)塊數(shù)據(jù)發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)因節(jié)點(diǎn)數(shù)量和區(qū)塊數(shù)據(jù)的大小而不同。一旦接收到區(qū)塊數(shù)據(jù)，后面的prepare 和commit 階段發(fā)送的消息就是區(qū)塊數(shù)據(jù)的哈希值。這個(gè)哈希值的長度是固定的，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于區(qū)塊數(shù)據(jù)的大小。盡管區(qū)塊大小不同，但在節(jié)點(diǎn)配置、數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境固定的情況下，完成區(qū)塊生成在prepare 和commit 階段的平均延時(shí)可以看成是固定的。

總的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)是3 個(gè)階段的平均延時(shí)之和，則平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)計(jì)算模型為

式中，M為一個(gè)區(qū)塊所包含數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，N為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，T為平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)，S表示任意2 個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)間的平均吞吐量，TN表示共識過程處于prepare 階段和commit 階段的平均延時(shí)之和。

8 實(shí)驗(yàn)方案

本文使用了4 臺配置相同的服務(wù)器模擬RSU，另外設(shè)置一臺計(jì)算機(jī)模擬客戶發(fā)送任務(wù)請求。服務(wù)器和客戶機(jī)通過最大帶寬速率為100 Mbit/s 的路由器連接成局域網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)硬件配置信息如表1所示，服務(wù)器軟件配置信息如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)硬件配置信息Table 1 Experimental hardware configuration information

表2 服務(wù)器軟件配置信息Table 2 Server software configuration information

在相同的實(shí)驗(yàn)硬件配置上，分別針對以太坊私鏈和本文提出的方案進(jìn)行了任務(wù)調(diào)度延時(shí)測試實(shí)驗(yàn)。選擇以太坊私鏈方案的原因是目前用于車聯(lián)云中任務(wù)調(diào)度的區(qū)塊鏈系統(tǒng)只有以太坊。

當(dāng)以太坊私鏈進(jìn)行初始化時(shí)，將創(chuàng)世區(qū)塊中的挖礦難度設(shè)置為最低0x0001，將gas limit上限設(shè)置為一個(gè)足夠大的值，以免交易數(shù)據(jù)過大時(shí)因受限制而導(dǎo)致區(qū)塊生成失敗。

將服務(wù)器初始化之后，控制客戶機(jī)以每秒1 次的速度向服務(wù)器發(fā)出請求。請求數(shù)據(jù)中的部分內(nèi)容使用隨機(jī)生成的字符串進(jìn)行填充，使得服務(wù)器依據(jù)該請求構(gòu)造出的區(qū)塊數(shù)據(jù)大小滿足一定的要求。每次發(fā)送的目標(biāo)服務(wù)器按照相同的概率從4 臺服務(wù)器中隨機(jī)選出。記錄每次區(qū)塊發(fā)起共識的時(shí)間點(diǎn)和區(qū)塊被確認(rèn)的時(shí)間點(diǎn)，將兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)相減可以得出區(qū)塊生成的延時(shí)，即任務(wù)調(diào)度延時(shí)。本文選定了幾種不同大小的區(qū)塊，每種區(qū)塊分別采集了1 000 組區(qū)塊生成延時(shí)數(shù)據(jù)，取這些數(shù)據(jù)的平均值得出每種尺寸區(qū)塊被確認(rèn)生成需要的平均延時(shí)。

9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以太坊和本文提出方案的任務(wù)調(diào)度延時(shí)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和6 所示。圖5中顯示了區(qū)塊大小分別為20 kB、40 kB、60 kB、80 kB 和100 kB 情況下的平均共識延時(shí)，以20 kB 為遞增間隔。圖6中顯示了區(qū)塊大分別為100 kB、200 kB、300 kB、400 kB 和500 kB 情況下的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)，以100 kB 為遞增間隔。

圖5 不同區(qū)塊大小時(shí)的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)（M ≤100 kB）Figure 5 Average task scheduling delay for different block sizes(M ≤100 kB)

圖6 不同區(qū)塊大小時(shí)的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)（M ≥100 kB）Figure 6 Average task scheduling delay for different block sizes(M ≥100 kB)

由圖可見，本文方案在各種區(qū)塊大小取值情況下的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)要比以太坊方案平均少648 ms，是以太坊方案的14.5%。考慮到以太坊方案已將挖礦難度設(shè)置為最低，即以太坊方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已是其可能達(dá)到的最小值，此外方案還不需要額外的算力和存儲空間，于是可以得出結(jié)論：本文方案相比于以太坊方案，具有明顯的輕量優(yōu)勢。

在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境固定的情況下，隨著區(qū)塊大小的增加，兩種方案的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)均線性增大，本文方案的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與式（1）的計(jì)算模型相吻合。本文將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合處理，得到基于本文實(shí)驗(yàn)方案條件下的區(qū)塊大小與平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)的關(guān)系為

式(2) 的判定系數(shù)為0.991，方差分析顯著性值小于0.001?？梢妼?shí)驗(yàn)結(jié)果的線性特征顯著，且式（2）的擬合優(yōu)度效果很好。就以太坊方案而言，隨著區(qū)塊大小的增大，平均任務(wù)調(diào)度時(shí)間的增長比本文方案更快。這是因?yàn)殡S著數(shù)據(jù)量的增加，以太坊進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)所需要的時(shí)間也隨之增大，而本文的實(shí)驗(yàn)方案中并未對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)處理。

另外從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)方案中的服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)配置是目前主流家用配置中的中檔水平。5G 技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用，終端和基站間的理論無線帶寬在10 Gbit/s 左右，實(shí)際下行速度也可以達(dá)到1000 Mbit/s 左右，基站間的核心網(wǎng)傳輸速度只會更快，一定可以實(shí)現(xiàn)更小的平均任務(wù)調(diào)度延時(shí)。

10 結(jié) 語

本文提出了適用于車聯(lián)云環(huán)境任務(wù)調(diào)度的輕量級區(qū)塊鏈框架，不僅實(shí)現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度過程的不可抵賴性，避免了任務(wù)調(diào)度的單點(diǎn)故障，提高了可用性，而且還實(shí)現(xiàn)了輕量級，即無需消耗算力或額外存儲空間，且可達(dá)到毫秒級的調(diào)度延時(shí)，可以為更多的實(shí)時(shí)性服務(wù)提供支持。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)數(shù)量對PBFT 共識方式的效率會有較大影響，所以希望能在接下來的工作中進(jìn)一步研究該架構(gòu)下節(jié)點(diǎn)數(shù)量對任務(wù)調(diào)度延時(shí)的影響，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方案。