中圖分類號(hào)：TP399；U495 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-3695（2025）06-002-1611-13

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2024.10.0450

Review of blockchain-based data sharing in Internet of Vehicles

Fan Yanfang，Zhang Zhe?，Qin Tianqi，Chen Ruoyu，Sun Yinglun （SchoolofComputer，BeijingInformation Scienceamp;Technology University，Beijing1Oo1O1，China）

Abstract：DatasharingintheIoV，whichinvolvestheexchangeandsharingof raficdataamong vehiclesorbetweenvehicles andinfrastructure，significantlyenhancesdriving experienceandsafety.Blckchaintechnology，cha-racterizedbydecentralization，tamper-proof，and traceability，hasbeenwidelyadoptedfordatasharinginIoVenvironments，offeringunprecedented opportunities toestablishatrusteddata-sharing ecosystem.However，applyingtraditional blockchaintoIoVdatasharing poses substantialchallenges.Toaddresstheseissues，numerousresearchefortshaveproposedtargetedsolutions.Thispaperprovidedacomprehensivereviewofblockchain-basedIoVdatasharing.Itfirstlyintroducedthefundamentalconceptsofblockchain andIoVdatasharing.Subsequently，itanalyzedthecurrent stateofresearchonblockchain-basedIoVdatasharingsolutions， highlighting keychallenges.Specificall，thisstudywasthefirstto focusonandcompare existing solutions addressng two majorchalenges：lowthroughputandhighstorageoverhead.Finallyitproposedpotentialfutureresearchdirections，cosidering the evolving trends in both IoVand blockchain technologies.

Key Words： Internet of Vehicles（IoV）； blockchain;data sharing；throughput rate； storage overhead

0 引言

車聯(lián)網(wǎng)（IoV）指的是以行駛中的車輛作為數(shù)據(jù)感知對(duì)象，借助新一代信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與萬物（vehicle-to-everything，V2X），即車與車、人、基礎(chǔ)設(shè)施之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，以此提升車輛整體的智能化水平，為用戶提供安全、舒適、智能、高效的駕駛體驗(yàn)與交通服務(wù)，提高道路交通的安全性、高效性和便利性，提升社會(huì)交通服務(wù)質(zhì)量[1]

隨著車載遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，車輛產(chǎn)生了大量不同類型的數(shù)據(jù)。例如，自動(dòng)駕駛車輛每秒可以從攝像頭、雷達(dá)、GPS等設(shè)備產(chǎn)生1GB數(shù)據(jù)[2]。此外，車輛可以合作收集與共享共同感興趣的數(shù)據(jù)[3.4]，車輛收集的數(shù)據(jù)包括客觀和主觀數(shù)據(jù)，客觀數(shù)據(jù)主要由車輛感知，包括交通相關(guān)數(shù)據(jù)，如道路、天氣狀況以及停車場占用率等。主觀數(shù)據(jù)由用戶提供，包括路側(cè)酒店、餐飲評(píng)級(jí)和車輛基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)質(zhì)量等[5]。車輛間共享這些收集到的數(shù)據(jù)能夠提升駕駛體驗(yàn)，提高駕駛的安全性[67]。例如，觀察到某一交通事故的車輛可能會(huì)向計(jì)劃經(jīng)過同一路線的其他車輛傳達(dá)對(duì)應(yīng)信息，從而避免更多車輛受到事故影響[8]。然而開放自治的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在惡意用戶，這將對(duì)數(shù)據(jù)共享帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如，自私的車輛可能通過謊報(bào)停車場占用率從而誤導(dǎo)其他車輛，為自己或同伴爭得車位；惡意車輛可能創(chuàng)造多個(gè)虛假身份謊報(bào)交通路況，從而將其他車輛引入擁堵的交通路段。諸如此類問題，嚴(yán)重影響著車聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)共享的發(fā)展[9-I]。區(qū)塊鏈技術(shù)的逐漸成熟，讓很多研究者注意到它在數(shù)據(jù)共享方面的前景，其憑借去中心化、防竄改和可追溯等特點(diǎn)，能夠構(gòu)造一個(gè)可信的數(shù)據(jù)共享環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享[12]。通過以車輛或基礎(chǔ)設(shè)施作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，配合密碼學(xué)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在大量邊緣節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行可靠的計(jì)算、高效的訪問控制和安全的存儲(chǔ)，保障了數(shù)據(jù)共享過程中的安全性和隱私性[13]。但傳統(tǒng)區(qū)塊鏈與車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享相結(jié)合存在著以下五方面挑戰(zhàn)，影響其應(yīng)用與發(fā)展。首先，在數(shù)據(jù)安全及隱私性方面，數(shù)據(jù)共享過程中會(huì)涉及用戶的個(gè)人隱私及行為數(shù)據(jù)，如何在區(qū)塊鏈上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密、匿名及訪問控制來保護(hù)用戶隱私數(shù)據(jù)是一大挑戰(zhàn)[14.15]。其次，在共享效率方面，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的單鏈架構(gòu)及全局共識(shí)的特點(diǎn)導(dǎo)致其吞吐率低下，無法滿足共享過程中的數(shù)據(jù)時(shí)效性需求[16]。第三，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，冗余賬本帶來的龐大存儲(chǔ)開銷難以與有限的計(jì)算存儲(chǔ)資源相匹配。此外，在服務(wù)質(zhì)量方面，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)共享需要激勵(lì)用戶積極參與且提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)，因此如何設(shè)計(jì)合理的激勵(lì)機(jī)制，使數(shù)據(jù)的提供者和請(qǐng)求者能夠獲得公平的回報(bào)，是一重要問題[17，18]。最后，在通信方面，由于車輛具有移動(dòng)性，難以維持穩(wěn)定的通信連接和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如何在車?lián)網(wǎng)中達(dá)成共識(shí)同樣亟需解決[19＼～21]

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，有大量研究提出針對(duì)性的解決方案。如表1所示，已有部分文獻(xiàn)綜述面向車聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈相結(jié)合的領(lǐng)域，從不同角度分析現(xiàn)有研究工作，對(duì)該領(lǐng)域的研究方向起到指導(dǎo)作用。然而，并未有文獻(xiàn)針對(duì)區(qū)塊鏈應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享時(shí)的吞吐率及存儲(chǔ)開銷挑戰(zhàn)進(jìn)行全面分析。

基于以上研究動(dòng)機(jī)，本文對(duì)基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案進(jìn)行概述，分析其現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，針對(duì)吞吐率低及存儲(chǔ)開銷大的兩方面，對(duì)現(xiàn)有工作進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)，并提出未來可能的研究方向展望。本文的主要貢獻(xiàn)如下：

a）針對(duì)基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享所面臨的吞吐率低及存儲(chǔ)開銷大的挑戰(zhàn)進(jìn)行全面分析，歸納總結(jié)現(xiàn)有工作的解決方法及利弊，并通過模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)部分方法進(jìn)行效果對(duì)比。

b）從多角度對(duì)上述挑戰(zhàn)提出未來可能的研究方向。

1背景知識(shí)及相關(guān)技術(shù)

1.1車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享借助于車載傳感器、云計(jì)算及數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)，將車輛位置、交通狀況、服務(wù)設(shè)施質(zhì)量等信息與其他智能設(shè)備、交通管理機(jī)構(gòu)以及服務(wù)供應(yīng)商等進(jìn)行共享和協(xié)同作業(yè)。作為車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)據(jù)共享能增強(qiáng)車輛的智能化和網(wǎng)絡(luò)連接性能，使自動(dòng)駕駛、智能交通、出行服務(wù)等領(lǐng)域受益。具體而言，通過車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新并發(fā)布路況信息，以指引車輛行進(jìn)；同時(shí)也能實(shí)施車輛狀態(tài)監(jiān)控，提前預(yù)警可能出現(xiàn)的問題，協(xié)助車輛維護(hù)及保養(yǎng)工作，帶來更優(yōu)質(zhì)的用車體驗(yàn)；此外，還能用以精準(zhǔn)描繪用戶特征，推出個(gè)性化服務(wù)，為駕駛者提供豐富且符合需求的內(nèi)容和建議[28]

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的方案中，車輛通常具有數(shù)據(jù)提供者及數(shù)據(jù)請(qǐng)求者兩種身份，顧名思義，數(shù)據(jù)提供者負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并向其他實(shí)體共享，數(shù)據(jù)請(qǐng)求者則請(qǐng)求并獲取其感興趣的數(shù)據(jù)內(nèi)容。按數(shù)據(jù)共享的方式劃分，現(xiàn)有研究可以分為以下三類：

a）車輛間數(shù)據(jù)共享。該方式借助車對(duì)車（vehicle-to-vehicle，V2V）通信技術(shù)，使車輛可以與相鄰車輛通信，交換大量交通相關(guān)信息，協(xié)同收集和共享數(shù)據(jù)[6.7]。但由于車輛具有高移動(dòng)性、車輛自身計(jì)算存儲(chǔ)資源有限、無線通信連接不穩(wěn)定等因素，數(shù)據(jù)共享過程的服務(wù)質(zhì)量將受到通信質(zhì)量影響[29]。此外，數(shù)據(jù)的可共享距離有限以及數(shù)據(jù)共享過程管理困難也是車輛間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)共享的重要阻礙。

b）基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)共享。云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力可以為車輛提供所需要的計(jì)算和存儲(chǔ)資源來協(xié)同車輛完成數(shù)據(jù)共享[30]。將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器進(jìn)行處理和存儲(chǔ)能夠有效提升服務(wù)質(zhì)量。但是由于云服務(wù)器高度集中且距離用戶端較遠(yuǎn)，不利于地理位置分散的交通環(huán)境，可能產(chǎn)生額外的傳輸時(shí)延和計(jì)算開銷[31]，同時(shí)云服務(wù)器遭到攻擊導(dǎo)致其功能受損可能造成嚴(yán)重的單點(diǎn)故障問題，并不能滿足車聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)共享的實(shí)際需求。

c）基于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)共享。隨著車聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的興起[32]，邊緣服務(wù)器如路邊單元（road sideunit，RSU），通過將計(jì)算“下沉”到用戶端附近，為車輛提供了低時(shí)延的計(jì)算和存儲(chǔ)能力[33]，借助邊緣計(jì)算，車輛有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模且高效的數(shù)據(jù)共享。

另一方面，按共享的數(shù)據(jù)類型劃分，現(xiàn)有研究可以分為以下兩類：

a）原始數(shù)據(jù)共享。該方式指直接共享經(jīng)車輛收集的原始交通數(shù)據(jù)，此類方案的優(yōu)勢在于較高的共享效率，數(shù)據(jù)無須進(jìn)行分析處理即可投入服務(wù)。然而，由于原始數(shù)據(jù)通常包含大量冗余信息和用戶隱私數(shù)據(jù)，如何在共享過程中過濾冗余信息并保護(hù)用戶隱私是一待解決的挑戰(zhàn)[34]。同時(shí)，由于不同車輛的數(shù)據(jù)收集能力不同且存在惡意用戶，如何確保共享過程中的數(shù)據(jù)質(zhì)量同樣值得關(guān)注與研究。

b）知識(shí)共享。該方式指共享由原始數(shù)據(jù)處理后得到的信息，借助于人工智能及邊緣計(jì)算等技術(shù)，車輛知識(shí)往往具有更小的數(shù)據(jù)體積以及更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量?？梢栽跍p小通信開銷的同時(shí)提升服務(wù)質(zhì)量。然而，原始數(shù)據(jù)到知識(shí)的轉(zhuǎn)變往往需依賴計(jì)算資源并消耗額外時(shí)間開銷，如何保證共享過程的效率是該類方案需要考慮的核心問題之—[35]

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式不可竄改的數(shù)據(jù)庫，是2008年由中本聰在比特幣系統(tǒng)中提出的一項(xiàng)底層技術(shù)[36]。如圖1所示，參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)被看作是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)等實(shí)體，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在本地維護(hù)一個(gè)一致的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫。

按照開放程度劃分，區(qū)塊鏈主要分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈[37]。如表2所示，公有鏈不需要授權(quán)許可，任何人都可以參與，其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)完全去中心化，并不需要中心機(jī)構(gòu)控制[38，39]；其鏈上數(shù)據(jù)公開透明，任何人都可以查看，且可以公開共享，為保證公有鏈的數(shù)據(jù)安全、去中心化程度及公平性，往往需要使用復(fù)雜且強(qiáng)大的共識(shí)機(jī)制，例如工作量證明（proof-of-work，PoW）；由于其強(qiáng)調(diào)去中心化及開放性，公有鏈通常被應(yīng)用于加密貨幣和其他公共應(yīng)用，例如比特幣和以太坊等[40]。聯(lián)盟鏈可由多個(gè)特定實(shí)體或組織間成員參與，其特點(diǎn)在于參與者有限，且鏈上的數(shù)據(jù)僅對(duì)應(yīng)實(shí)體或組織成員可以訪問，只能在實(shí)體或組織之間或內(nèi)部共享，提供了用戶隱私的保護(hù)[41，42]；

聯(lián)盟鏈保證了部分去中心化，常被用于跨組織合作，例如R3Corda和HyperledgerFabric等。私有鏈面向特定實(shí)體或組織內(nèi)部，完全由該實(shí)體或組織管理，且只有內(nèi)部人員可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問、共享，因此也具有更好的隱私保護(hù)，私有鏈常配備輕量級(jí)共識(shí)機(jī)制以更快速地完成出塊任務(wù)作為目標(biāo)[43]

圖2所示為通用的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)[44-47]，從下到上分別為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層承載區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)所包括的主要內(nèi)容，圖3所示為一個(gè)區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[48]，每個(gè)區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，區(qū)塊要保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊體內(nèi)[49]，區(qū)塊頭包含上一區(qū)塊哈希值以及根據(jù)區(qū)塊頭內(nèi)容計(jì)算出的本區(qū)塊哈希值、區(qū)塊的版本號(hào)、區(qū)塊生成的時(shí)間戳等用于共識(shí)機(jī)制的驗(yàn)證過程[50]。由于不同節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力存在異構(gòu)性，并非所有節(jié)點(diǎn)都擁有存儲(chǔ)全部數(shù)據(jù)的能力，所以部分區(qū)塊鏈系統(tǒng)中允許節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身需求分為全節(jié)點(diǎn)和輕節(jié)點(diǎn)，全節(jié)點(diǎn)將保存完整的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，而輕節(jié)點(diǎn)則只保存區(qū)塊頭部分[51，52]。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)，包括如何廣播數(shù)據(jù)以及如何驗(yàn)證數(shù)據(jù)。共識(shí)層封裝各類共識(shí)機(jī)制，是整個(gè)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的核心機(jī)制。激勵(lì)層封裝區(qū)塊鏈的虛擬貨幣機(jī)制，包括貨幣的發(fā)行與分配[53]。合約層是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的可編程組件，能夠規(guī)定區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行規(guī)則[54，55]。最后，應(yīng)用層支撐區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景，例如物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市和其他商業(yè)應(yīng)用等[56，57]

1.2.1共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制作為區(qū)塊鏈至關(guān)重要的組成部分，由出塊共識(shí)、數(shù)據(jù)驗(yàn)證共識(shí)和賬本共識(shí)三部分組成。出塊共識(shí)是指確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)有權(quán)將交易打包成區(qū)塊，然后廣播給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這是確保新交易被添加到區(qū)塊鏈的關(guān)鍵步驟，決定了節(jié)點(diǎn)獲得出塊權(quán)的規(guī)則，確保網(wǎng)絡(luò)中的交易被有序和安全地打包[58.59]。數(shù)據(jù)驗(yàn)證共識(shí)是指確認(rèn)一個(gè)區(qū)塊中的交易是否合法和有效，這涉及驗(yàn)證交易的簽名等情況，以確保不良行為或錯(cuò)誤的交易被排除在區(qū)塊鏈之外，節(jié)點(diǎn)共同參與數(shù)據(jù)驗(yàn)證過程，以確保交易的準(zhǔn)確性和安全性[60]。賬本共識(shí)以一種協(xié)議形式在賬本內(nèi)容沖突時(shí)維護(hù)其一致性[61]

按決策類型劃分，共識(shí)機(jī)制可以分為基于證明的共識(shí)和基于投票的共識(shí)?；谧C明的共識(shí)需要以證明形式挑選主節(jié)點(diǎn)，確認(rèn)出塊權(quán)歸屬，并由主節(jié)點(diǎn)發(fā)起及維護(hù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證共識(shí)過程[62，63]。其優(yōu)點(diǎn)在于提供了較高的安全性以及相對(duì)公平性，例如，依靠節(jié)點(diǎn)算力想要攻擊以工作量證明為共識(shí)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，攻擊者需擁有系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn) 51% 的算力才有可能對(duì)區(qū)塊鏈上存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行竄改[64，65]。但 PoW 會(huì)導(dǎo)致大量電力資源消耗，同時(shí)可能造成網(wǎng)絡(luò)分叉，如圖4所示，由于同一時(shí)間可能有多個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得出塊權(quán)，導(dǎo)致區(qū)塊鏈在同一時(shí)間接收幾個(gè)不同區(qū)塊造成分叉[66.67]。為降低 PoW 的資源消耗，部分研究設(shè)計(jì)以非算力的比拼競爭出塊權(quán)，例如，權(quán)益證明（proofofstake，PoS）通過比拼權(quán)益的方式確認(rèn)出塊權(quán)歸屬[68-70]，而委托權(quán)益證明（delegatedproof of stake，DPoS）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少參與競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)[71，72]，但這種基于權(quán)益的證明可能存在主節(jié)點(diǎn)壟斷導(dǎo)致中心化。基于投票的共識(shí)旨在提升共識(shí)過程的效率，將主節(jié)點(diǎn)選舉過程簡單化，而直接對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行投票。以實(shí)用拜占庭容錯(cuò)共識(shí)（practicalByzantine faulttolerance，PBFT）為例，其取消主節(jié)點(diǎn)選舉過程，改為由所有節(jié)點(diǎn)輪流擔(dān)任主節(jié)點(diǎn)執(zhí)行出塊，由于主節(jié)點(diǎn)并非選舉得到，數(shù)據(jù)驗(yàn)證及賬本一致性維護(hù)過程由全體節(jié)點(diǎn)以投票的方式保障[73，74]。此類共識(shí)帶來了高效的區(qū)塊確認(rèn)，但是由于其維護(hù)安全性及一致性依賴節(jié)點(diǎn)的相互廣播投票，存在過大的通信開銷，無法承載大規(guī)模節(jié)點(diǎn)參與，導(dǎo)致可擴(kuò)展性較差[75]

1.2.2信譽(yù)機(jī)制

信譽(yù)機(jī)制在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中具有提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和促進(jìn)可信共享的作用。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，車輛和設(shè)備充當(dāng)數(shù)據(jù)提供者，但其數(shù)據(jù)的真實(shí)性和質(zhì)量存在不確定性。信譽(yù)機(jī)制通過對(duì)數(shù)據(jù)提供者的行為、數(shù)據(jù)質(zhì)量和歷史表現(xiàn)的評(píng)估，建立起一個(gè)信譽(yù)值體系，從而識(shí)別和獎(jiǎng)勵(lì)可信賴的數(shù)據(jù)提供者，這有助于降低虛假數(shù)據(jù)的影響，提高數(shù)據(jù)的可信度，為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造一個(gè)更可靠的環(huán)境[76，77]

2基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案

在基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中，車輛或路邊基礎(chǔ)設(shè)施通過有線及無線連接的方式構(gòu)造區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)行駛需求不同，車輛可以劃分為數(shù)據(jù)提供者及數(shù)據(jù)請(qǐng)求者，數(shù)據(jù)提供者觀測、收集并處理行駛活動(dòng)中獲得的數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)經(jīng)區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制驗(yàn)證后上傳至鏈上存儲(chǔ)，并獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，這個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)可以是信譽(yù)、虛擬貨幣等，旨在激勵(lì)車輛提供數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)請(qǐng)求者產(chǎn)生數(shù)據(jù)需求時(shí)，在鏈上檢索并獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。此外，當(dāng)涉及信譽(yù)、虛擬貨幣等獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)生變化時(shí)，該變化也應(yīng)被記錄在鏈上，保障共享過程的公平、可追溯。

由于實(shí)際應(yīng)用需求不同，基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案設(shè)計(jì)會(huì)有所不同，本章從區(qū)塊鏈技術(shù)出發(fā)，以區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)選擇、區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)選擇兩方面對(duì)其進(jìn)行概述與總結(jié)。

2.1 區(qū)塊鏈類型選擇

基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案的區(qū)塊鏈類型選擇是至關(guān)重要的決策，在考慮不同的類型時(shí)，必須綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵因素以確保方案的有效性和適應(yīng)性，其中首要因素是保證數(shù)據(jù)安全性與隱私性[78]。此外，不同類型參與者如不同車輛制造商、供應(yīng)商、維修機(jī)構(gòu)等的多樣性，以及數(shù)據(jù)共享的范圍，也需要在結(jié)構(gòu)選擇中予以考慮[79]。同時(shí)，對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享，實(shí)時(shí)性和低延遲的要求不容忽視[80]。在此背景下，私有鏈并不適合車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享，私有鏈的特點(diǎn)在于參與者受到限制，通常由單一實(shí)體或組織控制，這可能降低了去中心化和信任度，與車聯(lián)網(wǎng)多實(shí)體合作的目標(biāo)并不契合。

相比之下，公有鏈和聯(lián)盟鏈則成為更具吸引力的選項(xiàng)。公有鏈具備高度的去中心化、透明性和安全性，適用于多參與者間的數(shù)據(jù)共享。聯(lián)盟鏈則限制了參與者范圍，以提高性能和隱私性。這使得聯(lián)盟鏈在適應(yīng)有限參與者的數(shù)據(jù)共享場景時(shí)具備優(yōu)勢，同時(shí)仍保持一定的去中心化特性。公有鏈及聯(lián)盟鏈應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢與不足如下：

a）公有鏈。為保證車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中的公平性及可擴(kuò)展性，部分研究選擇構(gòu)造基于公有鏈的數(shù)據(jù)共享方案。完全去中心化的公有鏈結(jié)構(gòu)可以支持用戶自由出入系統(tǒng)，同時(shí)維護(hù)相對(duì)公平安全的數(shù)據(jù)共享環(huán)境，然而公有鏈缺少身份認(rèn)證及管理機(jī)構(gòu)，維護(hù)數(shù)據(jù)安全、甄別節(jié)點(diǎn)身份、管理節(jié)點(diǎn)行為需要耗費(fèi)額外的時(shí)間開銷，導(dǎo)致公有鏈難以滿足高效的數(shù)據(jù)共享[81]

b）聯(lián)盟鏈。聯(lián)盟鏈以其靈活性和適應(yīng)性被廣泛應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享場景。在聯(lián)盟鏈中，參與者被限制在一個(gè)確定的范圍內(nèi)，可以是車輛制造商、供應(yīng)商等車聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的各個(gè)實(shí)體。這種限制參與者范圍的設(shè)計(jì)旨在提高性能并降低共識(shí)過程的復(fù)雜性。此外，聯(lián)盟鏈強(qiáng)調(diào)合作，這與車聯(lián)網(wǎng)多實(shí)體之間的合作需求相吻合[82，83]。然而聯(lián)盟鏈的參與者范圍有限，這可能導(dǎo)致鏈內(nèi)權(quán)力分布相對(duì)集中，進(jìn)而增加中心化的傾向。特定參與者可能會(huì)在共享數(shù)據(jù)和決策中占據(jù)較大的影響力，從而影響到系統(tǒng)的公平性。

2.2 區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)選擇

區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的選擇是實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)共享的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響了數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、共識(shí)和存儲(chǔ)等各個(gè)環(huán)節(jié)的效率和可靠性。不同的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)選擇能夠在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、安全性、隱私保護(hù)和性能之間找到最適合場景的平衡點(diǎn)，從而推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的順利實(shí)施[84]。以下將分別介紹不同節(jié)點(diǎn)選擇的優(yōu)缺點(diǎn)、共享流程及系統(tǒng)模型：

a）車輛作為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)。如圖5所示，車輛作為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)參與構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)車輛維護(hù)一個(gè)相同的賬本。當(dāng)數(shù)據(jù)提供者車輛觀測到交通事件并收集、處理數(shù)據(jù)后，將這些數(shù)據(jù)廣播給網(wǎng)絡(luò)中的其他車輛。一段時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中被廣播的數(shù)據(jù)經(jīng)過共識(shí)機(jī)制驗(yàn)證后，由對(duì)應(yīng)leader車輛生成數(shù)據(jù)塊并上傳至區(qū)塊鏈。當(dāng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求者車輛需要獲取特定數(shù)據(jù)時(shí)，可以直接檢索區(qū)塊鏈上的內(nèi)容，從而獲得所需的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［85]采用了以車輛為節(jié)點(diǎn)的方案，結(jié)合了 PoW 與PoS共識(shí)機(jī)制，同時(shí)使用貝葉斯推斷模型來計(jì)算車輛的信譽(yù)度。車輛作為節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢在于它們可以本地保存區(qū)塊鏈賬本，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)檢索，同時(shí)避免了額外的通信開銷，并確保所獲取數(shù)據(jù)的真實(shí)性。然而，車輛在存儲(chǔ)資源有限的情況下可能難以保存完整的賬本數(shù)據(jù)，導(dǎo)致存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)嚴(yán)重。

b）RSU作為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)。如圖6所示，RSU被構(gòu)建成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。在這種方案中，數(shù)據(jù)提供車輛會(huì)收集交通數(shù)據(jù)，并將其上傳至最近的RSU。隨后，RSU會(huì)將數(shù)據(jù)廣播至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)[86]。在一段時(shí)間內(nèi)，這些被廣播的數(shù)據(jù)經(jīng)過共識(shí)機(jī)制的驗(yàn)證，由對(duì)應(yīng)leaderRSU生成數(shù)據(jù)塊并上傳至區(qū)塊鏈。數(shù)據(jù)請(qǐng)求車輛可以向最近的RSU申請(qǐng)?jiān)L問區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)。RSU會(huì)驗(yàn)證請(qǐng)求者的身份，然后從區(qū)塊鏈上檢索對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并提供給請(qǐng)求者。文獻(xiàn)[87]采用了聯(lián)盟區(qū)塊鏈，并以RSU作為節(jié)點(diǎn)，通過將區(qū)域劃分為多個(gè)集群，每個(gè)集群內(nèi)設(shè)置了存儲(chǔ)池和本地控制器。數(shù)據(jù)提供者將收集到的道路數(shù)據(jù)上傳至最近的RSU，RSU將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集群存儲(chǔ)池中。根據(jù)RSU的存儲(chǔ)貢獻(xiàn)，本地控制器選擇一個(gè)leaderRSU，將存儲(chǔ)池內(nèi)的數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)塊并上傳至區(qū)塊鏈。同時(shí)，數(shù)據(jù)提供者將生成的數(shù)據(jù)內(nèi)容索引上傳給RSU，由RSU執(zhí)行工作量證明選舉出leader節(jié)點(diǎn)，將索引信息上鏈。在數(shù)據(jù)共享時(shí)，數(shù)據(jù)請(qǐng)求者可以向最近的RSU發(fā)送請(qǐng)求，根據(jù)索引獲取所需數(shù)據(jù)，并從區(qū)塊鏈中下載。為了保障信譽(yù)評(píng)估的準(zhǔn)確性和公平性，設(shè)計(jì)了基于三權(quán)重主觀邏輯模型的信譽(yù)計(jì)算方法，并將計(jì)算結(jié)果上傳至RSU。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了兩種智能合約，分別用于控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享時(shí)的自動(dòng)執(zhí)行。此設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了RSU作為邊緣服務(wù)器具備高算力和存儲(chǔ)能力的特點(diǎn)。然而，由于車輛并未參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，無法驗(yàn)證從RSU處獲得數(shù)據(jù)的可靠性，惡意或故障的RSU可能會(huì)向車輛傳播虛假數(shù)據(jù)，同時(shí)也存在用戶隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

c）車輛 + RSU作為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)。這種方案結(jié)合了以上兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，由于車輛的存儲(chǔ)能力存在較大差異，車輛可以根據(jù)自身資源情況選擇成為輕節(jié)點(diǎn)或全節(jié)點(diǎn)。其中，輕節(jié)點(diǎn)僅存儲(chǔ)區(qū)塊頭的校驗(yàn)信息而不保存區(qū)塊體的數(shù)據(jù)內(nèi)容，全節(jié)點(diǎn)則保留完整的區(qū)塊內(nèi)容。當(dāng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，輕節(jié)點(diǎn)車輛需要向RSU申請(qǐng)數(shù)據(jù)，但由于保存了區(qū)塊頭內(nèi)容，該車輛可以對(duì)數(shù)據(jù)來源進(jìn)行驗(yàn)證；而全節(jié)點(diǎn)車輛只需訪問本地保存的區(qū)塊鏈賬本即可獲得對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)［88]以車輛及RSU共同作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（其中只有RSU為共識(shí)節(jié)點(diǎn)），擁有記賬權(quán)保存完整賬本，而車輛能夠選擇是否保存完整賬本內(nèi)容。這樣的設(shè)計(jì)可以在減輕車輛存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)的同時(shí)，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

表3對(duì)上述方案進(jìn)行性能分析及總結(jié)?，F(xiàn)有工作根據(jù)應(yīng)用場景所需，對(duì)上述方案進(jìn)行搭配、組合及優(yōu)化，能夠最大程度發(fā)揮基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢，從而提升駕駛和出行體驗(yàn)。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享已經(jīng)在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生一些應(yīng)用，例如：

a）MOBI（mobilityopenblockchaininitiative）：提出一種基于區(qū)塊鏈的車輛數(shù)字身份（vehicleidentity，VID）標(biāo)準(zhǔn)，旨在為每輛車創(chuàng)建一個(gè)不可竄改的區(qū)塊鏈身份，用于登記、交易、維護(hù)記錄等。探索車輛間通過數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)自動(dòng)支付應(yīng)用，如高速公路收費(fèi)、停車費(fèi)支付等。使用分布式賬本和加密技術(shù)確保車主對(duì)數(shù)據(jù)的控制權(quán)。

b）IOTA：一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈技術(shù)，基于Tangle區(qū)塊鏈架構(gòu)，適合高頻、小額、無手續(xù)費(fèi)的交易，已被應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。實(shí)現(xiàn)車輛之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，如路況信息、天氣數(shù)據(jù)、交通事故報(bào)告等。

c）DOVU：基于區(qū)塊鏈的交通數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，主要關(guān)注如何通過區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)生態(tài)。用戶可以通過共享車輛數(shù)據(jù)（如駕駛行為、里程數(shù)等）獲得DOV代幣獎(jiǎng)勵(lì)。

d）Shareamp;Charge：基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)車充電網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，旨在通過區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建分布式的充電樁共享網(wǎng)絡(luò)。私人充電樁主可以通過數(shù)據(jù)共享方式將充電樁信息共享給其他電動(dòng)車主，使用區(qū)塊鏈記錄交易和支付。

目前基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的應(yīng)用仍處于探索階段，隨著研究的發(fā)展將會(huì)有更多應(yīng)用誕生，涵蓋不同產(chǎn)業(yè)，提供多元化的服務(wù)。

3基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)區(qū)塊鏈應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享主要面臨以下四方面的挑戰(zhàn)。

3.1 隱私泄露

車輛和基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中包含了車輛和駕駛者的敏感信息，如位置、速度、行駛路線、偏好、身份等，這些信息如果被泄露、竄改或?yàn)E用，可能會(huì)危害車輛和駕駛者的安全、財(cái)產(chǎn)和隱私。區(qū)塊鏈的透明性雖然可以提高數(shù)據(jù)的可信度，但也可能暴露上述敏感信息。另一方面，車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)共享涉及多個(gè)參與者，如車輛、路側(cè)設(shè)備、云端服務(wù)提供商、第三方應(yīng)用等，這些參與者的利益可能不一致，且存在信任問題，惡意的參與者也會(huì)對(duì)用戶隱私數(shù)據(jù)產(chǎn)生威脅。因此，在基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中，如何保護(hù)用戶隱私是一關(guān)鍵挑戰(zhàn)[80]

3.2 網(wǎng)絡(luò)吞吐率低

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)吞吐率指每秒能上鏈多少條交易（transactionspersecond，TPS）。車聯(lián)網(wǎng)中時(shí)刻在產(chǎn)生由車輛上傳的大量具有時(shí)效性的數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)需及時(shí)上傳參與共享才能發(fā)揮其作用，吞吐率低下不僅影響數(shù)據(jù)的可用性，還有可能引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。傳統(tǒng)區(qū)塊鏈通常被用于維護(hù)加密貨幣的交易記錄，在此類應(yīng)用中，數(shù)據(jù)安全性與公平性的維護(hù)是其關(guān)注的核心。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈采用了具有較高復(fù)雜度的共識(shí)機(jī)制，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)自產(chǎn)生到上鏈投人使用要經(jīng)歷一段較長時(shí)間的共識(shí)過程，使得傳統(tǒng)區(qū)塊鏈吞吐率較低[89]，例如應(yīng)用PoW共識(shí)的比特幣網(wǎng)絡(luò)，僅能達(dá)成7TPS的網(wǎng)絡(luò)吞吐率，而使用PoS共識(shí)的以太坊，即便能夠達(dá)到15TPS的吞吐率，也遠(yuǎn)無法滿足車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享場景的實(shí)際需求。同時(shí)，傳統(tǒng)單鏈結(jié)構(gòu)需要對(duì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊逐一確認(rèn)，而單個(gè)時(shí)間段可以處理的數(shù)據(jù)塊大小有限，隨著參與車輛數(shù)量的增多，單個(gè)出塊時(shí)間生成的數(shù)據(jù)塊將無法容納該時(shí)間段內(nèi)的全部數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟棄率上升。區(qū)塊的生成速度遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速度將會(huì)導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)在其上傳時(shí)已經(jīng)失去時(shí)效性，從而對(duì)車聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)共享產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如，突發(fā)車禍所導(dǎo)致的擁堵路況信息無法被及時(shí)共享，其他通勤車輛在鏈上獲得的最新數(shù)據(jù)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生誤導(dǎo)，引發(fā)更嚴(yán)重的交通擁堵。

3.3存儲(chǔ)開銷大

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下使用區(qū)塊鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)共享存在存儲(chǔ)開銷較大的問題。這個(gè)問題主要由以下三個(gè)方面引發(fā)：首先，各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在本地保存相同的賬本，以確保數(shù)據(jù)的一致性和抗竄改性，從而造成了節(jié)點(diǎn)之間的賬本冗余；其次，相同時(shí)間地點(diǎn)產(chǎn)生的同類型數(shù)據(jù)由不同車輛上傳，進(jìn)一步加劇了賬本內(nèi)數(shù)據(jù)的冗余；最后，失去時(shí)效性的歷史數(shù)據(jù)依然保留在鏈上，帶來了不必要的存儲(chǔ)開銷[90]。這些存儲(chǔ)開銷對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力提出了嚴(yán)格的要求，從而阻礙了區(qū)塊鏈在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。以比特幣為例，當(dāng)前比特幣網(wǎng)絡(luò)單個(gè)賬本數(shù)據(jù)規(guī)模已超過 400GB^[91] ，比特幣網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)全節(jié)點(diǎn)都需要保存相同規(guī)模的賬本數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)承受較大的存儲(chǔ)壓力，隨著節(jié)點(diǎn)及交易數(shù)量不斷增長，未來比特幣網(wǎng)絡(luò)將面臨嚴(yán)峻的存儲(chǔ)挑戰(zhàn)。在車聯(lián)網(wǎng)中，同樣面臨著上述問題，2010年，道路上行駛的車輛數(shù)量達(dá)到10億輛；到2050年，這一數(shù)字將達(dá)到225億[26]，通過如此龐大的車輛規(guī)模，可以預(yù)見的是，車輛所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也將是非常巨大的。隨著車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的不斷生成，以及車輛規(guī)模的日益增長，網(wǎng)絡(luò)中存在大量冗余數(shù)據(jù)，整體的存儲(chǔ)需求也會(huì)隨之急劇上升，最終面臨硬件上的瓶頸。因此，基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享所面臨的存儲(chǔ)開銷仍然是一大挑戰(zhàn)[92]

3.4 車輛自私性

車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中的一大關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何激勵(lì)車輛參與數(shù)據(jù)共享并提供準(zhǔn)確和有價(jià)值的數(shù)據(jù)。部分車輛因自私而不愿消耗自身的計(jì)算與存儲(chǔ)資源共享數(shù)據(jù)，導(dǎo)致凈數(shù)據(jù)量不足且質(zhì)量堪憂。低質(zhì)量數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重干擾數(shù)據(jù)請(qǐng)求者的判斷，阻礙數(shù)據(jù)共享的發(fā)展。因此，建立有效的激勵(lì)機(jī)制至關(guān)重要[93]

按激勵(lì)方式不同，現(xiàn)有工作中基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的激勵(lì)機(jī)制通常分為虛擬貨幣激勵(lì)和信譽(yù)激勵(lì)兩種[94]。其中，虛擬貨幣激勵(lì)即通過下發(fā)貨幣獎(jiǎng)勵(lì)的方式激勵(lì)車輛積極參與共享且提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)，但此類方案需謹(jǐn)慎考慮虛擬貨幣的職責(zé)，防止部分高算力車輛對(duì)貨幣壟斷進(jìn)而控制數(shù)據(jù)共享過程的部分功能從而危害系統(tǒng)安全[95]

信譽(yù)激勵(lì)即通過對(duì)數(shù)據(jù)提供者行為、數(shù)據(jù)質(zhì)量和歷史表現(xiàn)的評(píng)估，建立起一個(gè)信譽(yù)值體系，從而識(shí)別惡意數(shù)據(jù)提供者并獎(jiǎng)勵(lì)可信賴的提供者[%6，97]。此類方案有助于降低虛假數(shù)據(jù)的影響，提高數(shù)據(jù)的可信度[98]，為車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造一個(gè)更可靠的環(huán)境。但信譽(yù)的評(píng)估方式需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，防止車輛之間相互刷分等因素影響信譽(yù)評(píng)估的公平性[99＼～101]

4吞吐率及存儲(chǔ)開銷挑戰(zhàn)的現(xiàn)有解決方案

在上述挑戰(zhàn)中，吞吐率低下及存儲(chǔ)開銷過大的挑戰(zhàn)將會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)共享過程的可靠性及可用性?，F(xiàn)有工作從多角度對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，下面對(duì)現(xiàn)有工作進(jìn)行調(diào)查、分類和總結(jié)，分析優(yōu)化思路及利弊。

4.1吞吐率挑戰(zhàn)的解決方案

如表4所示，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐率低下，現(xiàn)有研究工作所提出的解決方案主要可以分為優(yōu)化共識(shí)機(jī)制以及設(shè)計(jì)新型區(qū)塊鏈兩類。其中優(yōu)化共識(shí)機(jī)制針對(duì)傳統(tǒng)單鏈架構(gòu)區(qū)塊鏈，旨在降低共識(shí)消耗的時(shí)間從而提升網(wǎng)絡(luò)吞吐率；新型區(qū)塊鏈技術(shù)，旨在從賬本結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等多方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，為區(qū)塊鏈提供并行處理事務(wù)能力，以大幅度突破吞吐率瓶頸。目前主流的新型區(qū)塊鏈可以分為基于有向無環(huán)圖（directedacyclicgraph，DAG）的區(qū)塊鏈、分層區(qū)塊鏈以及分片區(qū)塊鏈。上述方法也可以組合使用以達(dá)到更高的吞吐率。

4.1.1優(yōu)化共識(shí)機(jī)制

起初，研究者將區(qū)塊鏈引入車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中，只是利用其保障數(shù)據(jù)安全，大多采取安全、穩(wěn)定、易擴(kuò)展的工作量證明作為共識(shí)算法。文獻(xiàn)[11，86，102]應(yīng)用區(qū)塊鏈構(gòu)造一個(gè)安全可信的數(shù)據(jù)共享環(huán)境，使用PoW共識(shí)，賦予了網(wǎng)絡(luò)更高的安全性、穩(wěn)定性及可擴(kuò)展性，但PoW帶來的高額計(jì)算資源開銷以及其較差的吞吐率是車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享場景所不能容忍的。

降低PoW共識(shí)的計(jì)算難度，能有效改善其吞吐率。文獻(xiàn)[103]將PoS與PoW結(jié)合，以信譽(yù)作為權(quán)益，同時(shí)利用基于貝葉斯推斷的信譽(yù)機(jī)制對(duì)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)進(jìn)行管理，信譽(yù)越高的節(jié)點(diǎn)在PoW 中獲得記賬權(quán)所需的計(jì)算難度越低，這樣設(shè)計(jì)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整計(jì)算難度，降低系統(tǒng)整體的計(jì)算開銷，提升吞吐率，但隨著系統(tǒng)運(yùn)作，權(quán)益較大的節(jié)點(diǎn)可能長時(shí)間控制記賬權(quán)，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)中心化的壟斷趨勢。文獻(xiàn)[68，104，105]單純降低了PoW共識(shí)的計(jì)算難度，這樣設(shè)計(jì)也能較傳統(tǒng)PoW驅(qū)動(dòng)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)能明顯提升吞吐率，但增大了網(wǎng)絡(luò)分叉的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在文獻(xiàn)[104]引入秘密共享機(jī)制，使節(jié)點(diǎn)能協(xié)作認(rèn)證待上傳數(shù)據(jù)的真實(shí)性。文獻(xiàn)[68]利用星際文件系統(tǒng)（interplanetary file sys-tem，IPFS）對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行輔助存儲(chǔ)，引人可搜索加密來保障用戶的個(gè)人隱私。文獻(xiàn)105]提出了一種檢測拜占庭節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)機(jī)制，防止惡意節(jié)點(diǎn)危害系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。輕量化的PoW共識(shí)可以有效提升吞吐率，但仍存在額外的計(jì)算資源浪費(fèi)以及加劇了網(wǎng)絡(luò)分叉的發(fā)生。

為了避免計(jì)算資源的浪費(fèi)，文獻(xiàn)[40]使用改進(jìn)的PoS共識(shí)，不再比拼算力，而是節(jié)點(diǎn)針對(duì)權(quán)益進(jìn)行投票，決定記賬人。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于契約的激勵(lì)機(jī)制來鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享，頻繁共享優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，會(huì)獲得更高權(quán)益?；赑oS的共識(shí)優(yōu)化帶來了顯著的吞吐率提升，但其仍然需要在眾多節(jié)點(diǎn)中以證明方式挑選記賬人，數(shù)據(jù)塊產(chǎn)出的效率依然無法滿足車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享場景下的實(shí)際需求。

DPoS共識(shí)通過減少參與共識(shí)的礦工數(shù)量達(dá)成更高效的出塊共識(shí)。文獻(xiàn)[85]以車輛作為節(jié)點(diǎn)，使用5G通信技術(shù)對(duì)共享數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，鏈上只需保存對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)索引及共享記錄，引人基于 β 分布的信譽(yù)計(jì)算模型對(duì)車輛信譽(yù)進(jìn)行量化，以信譽(yù)作為權(quán)益使用DPoS提升共識(shí)效率，以此提升整體網(wǎng)絡(luò)吞吐率。文獻(xiàn)[106]將數(shù)據(jù)共享應(yīng)用于異步聯(lián)邦學(xué)習(xí)的場景下，采用有向無環(huán)圖賬本結(jié)構(gòu)將DPoS作為出塊共識(shí)來提升區(qū)塊確認(rèn)速度，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（deepreinforcementlearning，DRL）進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇保障賬本數(shù)據(jù)安全。文獻(xiàn)[93]為了激勵(lì)備用礦工參與區(qū)塊驗(yàn)證，采用契約理論對(duì)活躍礦工和備用礦工之間的交互進(jìn)行建模。DPoS共識(shí)的記賬人僅在部分節(jié)點(diǎn)中選擇，大幅度提升了共識(shí)效率，但共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的減少增大了系統(tǒng)遭受攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)趨于部分中心化的壟斷趨勢。

PBFT共識(shí)在效率和安全性上都表現(xiàn)出了出色的性能，其主要關(guān)注數(shù)據(jù)驗(yàn)證共識(shí)部分，將共識(shí)機(jī)制從證明轉(zhuǎn)變?yōu)橥镀?，使其無須消耗額外時(shí)間選舉記賬人。文獻(xiàn)[107]采用密文策略屬性加密（ciphertext-policyattribute-based encryption，CP-ABE）保障用戶隱私，借助IPFS對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行輔助存儲(chǔ)以節(jié)約存儲(chǔ)空間，使用PBFT共識(shí)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程。文獻(xiàn)[108]基于地理位置對(duì)PBFT進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，距離事件發(fā)生地最近的RSU才擁有記賬權(quán)，借此提升鏈上數(shù)據(jù)的真實(shí)性，采用主觀邏輯模型對(duì)車輛信譽(yù)進(jìn)行建模，以保障更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)共享。在使用PBFT提升吞吐率的同時(shí)，如何保障數(shù)據(jù)安全也是數(shù)據(jù)共享過程中的重要步驟，文獻(xiàn)[109]采用橢圓曲線加密方案保障共享過程中的數(shù)據(jù)安全，而文獻(xiàn)[110]采用零知識(shí)證明和同態(tài)加密的方法以達(dá)到同樣目的。合理的激勵(lì)機(jī)制可以促進(jìn)共享數(shù)據(jù)的質(zhì)量，文獻(xiàn)[111]采用數(shù)據(jù)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)基于拍賣的激勵(lì)機(jī)制來刺激車輛提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)內(nèi)容。PBFT共識(shí)帶來了高效、安全的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案，但由于其多輪投票的驗(yàn)證過程會(huì)帶來較重的通信負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致可擴(kuò)展性較差，不能很好滿足大規(guī)模節(jié)點(diǎn)需求。

在節(jié)點(diǎn)相互可信的環(huán)境下，共識(shí)算法可以擁有極高的吞吐率。文獻(xiàn)[112]采用Ripple共識(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)，并配合代理重加密技術(shù)保障用戶隱私；文獻(xiàn)[113]在一個(gè)可信環(huán)境下，利用Kafka共識(shí)實(shí)現(xiàn)車輛間高效的電力交換，并采用磷蝦群算法（krillherdalgorithm，KHA）平衡車輛之間的負(fù)載。以上兩種共識(shí)均能實(shí)現(xiàn)極高的吞吐率，但其對(duì)節(jié)點(diǎn)的可信程度要求較高，基于Ripple共識(shí)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)需要其中 80% 的節(jié)點(diǎn)誠實(shí)，而Kafka則要求節(jié)點(diǎn)全部誠實(shí)，這在開放自治的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下很難實(shí)現(xiàn)。部分研究者充分利用車聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)制定針對(duì)性的共識(shí)，以符合實(shí)際場景需求。文獻(xiàn)[114]利用不同車輛參與共享的情況不同制定活動(dòng)證明（proof ofactivity，PoA），積極參與共享的車輛將更容易獲得記賬權(quán)，同時(shí)利用密鑰衍生算法對(duì)車輛證書進(jìn)行管理。文獻(xiàn)[115]利用車輛信譽(yù)建立了信譽(yù)證明（proofofreputation，PoR），信譽(yù)高的節(jié)點(diǎn)掌握記賬權(quán)，并結(jié)合秘密共享技術(shù)，使更多節(jié)點(diǎn)參與到事件真實(shí)性的認(rèn)證。以上共識(shí)能合理利用車聯(lián)網(wǎng)資源制定更適合場景的驗(yàn)證方法，但此類共識(shí)中，如何平衡安全性、性能以及去中心化程度往往成為一大挑戰(zhàn)。

表5總結(jié)了不同共識(shí)算法之間的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景，受制于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈的特點(diǎn)，單純對(duì)共識(shí)算法的優(yōu)化很難同時(shí)兼顧去中心化、安全性及性能，但可以根據(jù)實(shí)際場景需求選擇合適的共識(shí)算法。本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)部分共識(shí)機(jī)制進(jìn)行模擬，以對(duì)比不同共識(shí)之間的性能差異。本文設(shè)置100個(gè)節(jié)點(diǎn)，坐落于 2km² 的實(shí)驗(yàn)場景中，節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)延設(shè)置為 0～500ms ，隨距離增大而遞增，各節(jié)點(diǎn)每次打包的數(shù)據(jù)塊包含20＼～25條數(shù)據(jù)，執(zhí)行300輪出塊，統(tǒng)計(jì)共識(shí)時(shí)延及TPS。

表6所示為不同共識(shí)機(jī)制每輪出塊所消耗的平均共識(shí)時(shí)延，圖7所示為不同共識(shí)機(jī)制所消耗的共識(shí)時(shí)延隨共識(shí)輪數(shù)的變化。可見，由于仍需要消耗算力競爭出塊權(quán)，輕量化PoW所消耗的共識(shí)時(shí)延在各階段遠(yuǎn)大于其余方案。PS共識(shí)不再依賴算力比拼，使其共識(shí)時(shí)延較 PoW 有較大幅度降低。DPoS通過降低共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的方式進(jìn)一步降低共識(shí)過程的復(fù)雜性，使其時(shí)延表現(xiàn)略優(yōu)于 PoS 在長期運(yùn)行情況下，若節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，這一優(yōu)化將愈發(fā)顯著。PBFT共識(shí)無須通過競爭方式選舉主節(jié)點(diǎn)，且單輪通信次數(shù)減少，使其擁有較優(yōu)于其余共識(shí)的時(shí)延表現(xiàn)。

圖8所示為上述共識(shí)機(jī)制的吞吐率表現(xiàn)，由于吞吐率在很大程度上受共識(shí)時(shí)延影響，所以不同方案的吞吐率表現(xiàn)同共識(shí)時(shí)延表現(xiàn)保持一致。

4.1.2新型區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的新型區(qū)塊鏈架構(gòu)主要可分為三類：

a）DAG區(qū)塊鏈。DAG區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于有向無環(huán)圖的分布式賬本技術(shù)，具有高度并行性和可擴(kuò)展性，允許多個(gè)交易同步確認(rèn)。當(dāng)區(qū)塊的生成速度大于廣播速度時(shí)，區(qū)塊鏈就會(huì)發(fā)生分叉，這時(shí)便需要賬本共識(shí)來維護(hù)一致性，傳統(tǒng)區(qū)塊鏈賬本共識(shí)往往以確定一條主鏈的方式達(dá)成共識(shí)，例如，比特幣采取最長鏈共識(shí)，即被更多節(jié)點(diǎn)認(rèn)可的最長鏈作為主鏈，而其余區(qū)塊將被廢棄，如此一來，生成廢棄區(qū)塊所消耗的算力將被浪費(fèi)，廢塊中包含的有效事件將被丟棄，且攻擊者可能通過連續(xù)獲得記賬權(quán)的方式對(duì)賬本進(jìn)行竄改；為了防止竄改的發(fā)生，需要出塊共識(shí)具有一定的復(fù)雜性來保護(hù)賬本不可竄改，這也導(dǎo)致了比特幣網(wǎng)絡(luò)的吞吐率受限。部分研究者嘗試用復(fù)雜的賬本結(jié)構(gòu)來簡化出塊共識(shí)，以提升出塊效率的同時(shí)提升賬本的健壯性?；贒AG的區(qū)塊鏈就是遵循這種設(shè)計(jì)思想，圖9所示為DAG賬本結(jié)構(gòu)，區(qū)別于傳統(tǒng)區(qū)塊鏈以數(shù)據(jù)塊作為基本存儲(chǔ)單元，DAG通常以事件作為基本單元，一條事件作為一個(gè)區(qū)塊，后繼區(qū)塊可以驗(yàn)證前驅(qū)區(qū)塊的真實(shí)性，并引用多個(gè)驗(yàn)證為真實(shí)的區(qū)塊，最新產(chǎn)生的未被引用的區(qū)塊被稱為Tips區(qū)塊，一段時(shí)間后，除Tips區(qū)塊外，未收到足夠認(rèn)可的區(qū)塊會(huì)被視作惡意區(qū)塊。這樣的賬本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使區(qū)塊鏈賬本以圖的結(jié)構(gòu)延伸而非鏈，得以并行確認(rèn)事件，具有更強(qiáng)的抗竄改性，允許出塊共識(shí)簡單化從而提升系統(tǒng)吞吐率[120]。文獻(xiàn)[92]構(gòu)造DAG 賬本，以降低計(jì)算難度的PoW作為其出塊共識(shí)，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)共享，同時(shí)利用社交屬性分組和歷史數(shù)據(jù)修剪降低存儲(chǔ)開銷。基于DAG的區(qū)塊鏈中，如何選擇引用的Tips區(qū)塊，將直接影響網(wǎng)絡(luò)吞吐率，文獻(xiàn)[116]設(shè)計(jì)一種反向兩跳的Tips選擇算法，以進(jìn)一步提升DAG區(qū)塊鏈的吞吐率。

b）分層區(qū)塊鏈。如圖10所示，分層區(qū)塊鏈將傳統(tǒng)區(qū)塊鏈進(jìn)行層次化劃分，同一城市或街道區(qū)域的若干節(jié)點(diǎn)構(gòu)成本地區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，而多個(gè)本地區(qū)塊鏈中代理節(jié)點(diǎn)形成全局區(qū)塊鏈。此架構(gòu)同時(shí)將全局共識(shí)分解為層次化共識(shí)，由于車輛更有可能優(yōu)先需求一定區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，在層次化共識(shí)的驅(qū)動(dòng)下，本地車輛產(chǎn)生的數(shù)據(jù)僅需經(jīng)過本地節(jié)點(diǎn)共識(shí)驗(yàn)證即可上鏈投入使用，降低共識(shí)時(shí)延。多個(gè)本地區(qū)塊鏈將區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)郊軜?gòu)由單鏈轉(zhuǎn)換為多鏈，允許本地鏈并行出塊，從而大幅度提升系統(tǒng)吞吐率。文獻(xiàn)[108]按照地理位置劃分集群，各集群構(gòu)成本地層區(qū)塊鏈處理集群內(nèi)部交通數(shù)據(jù)，而各集群RSU構(gòu)成第二層區(qū)塊鏈，保存全球車輛信譽(yù)，這樣設(shè)計(jì)，在處理本地交通數(shù)據(jù)時(shí)，僅僅需要本地集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)大幅減少，從而提升整體吞吐率。按照位置劃分集群的方式可能導(dǎo)致集群邊界數(shù)據(jù)丟失，文獻(xiàn)[105]按照邊界進(jìn)行分層，處于集群邊界的RSU構(gòu)成第二層區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，保存邊界數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)丟失。分層區(qū)塊鏈的多鏈架構(gòu)還提供了對(duì)數(shù)據(jù)的層次化處理能力，交通事件可能根據(jù)其重要程度不同擁有不同的影響范圍。例如，某個(gè)街道的交通擁堵只對(duì)附近幾個(gè)街道的車輛擁有使用價(jià)值，因?yàn)樵摂?shù)據(jù)可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，而嚴(yán)重的道路塌方或施工的影響力會(huì)擴(kuò)大至整個(gè)城市范圍，因?yàn)樵摂?shù)據(jù)將在很長時(shí)間內(nèi)持續(xù)影響用戶行程規(guī)劃和管理部門的人員調(diào)度。對(duì)此，文獻(xiàn)118]設(shè)計(jì)了一種基于分層區(qū)塊鏈的層次化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，分級(jí)存儲(chǔ)不同數(shù)據(jù)以加快查詢效率，降低存儲(chǔ)開銷。

c）分片區(qū)塊鏈。分片技術(shù)同樣是采用減少共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的方式提升整體吞吐率。文獻(xiàn)[121]首次提出了分片的概念，通過將參與者劃分為多個(gè)分片，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)容。文獻(xiàn)[122]將分片技術(shù)應(yīng)用于區(qū)塊鏈中，允許各分片并行進(jìn)行塊確認(rèn)，來提升區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐率。按照分片方式不同，分片區(qū)塊鏈可以分為網(wǎng)絡(luò)分片、交易分片和狀態(tài)分片三種分片方式[123]。網(wǎng)絡(luò)分片指將完整的網(wǎng)絡(luò)劃分為不同分片，各個(gè)分片并行處理整個(gè)區(qū)塊鏈中的部分事務(wù)，各部分事務(wù)可以完全不同，從而同時(shí)完成多筆驗(yàn)證。交易分片旨在提高事務(wù)的處理能力，將完整事務(wù)分成不同的子事務(wù)并行處理。為降低各節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)賬本的開銷，狀態(tài)分片將不同賬本碎片保存在不同節(jié)點(diǎn)本地，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)完整賬本。分片區(qū)塊鏈的共識(shí)由片內(nèi)共識(shí)和片間共識(shí)組成，片內(nèi)共識(shí)與傳統(tǒng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)共識(shí)相同，片間共識(shí)則通過相互傳遞區(qū)塊頭方式進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［118]按照地理位置進(jìn)行分片，為防止片內(nèi)節(jié)點(diǎn)共謀以及片間節(jié)點(diǎn)故障對(duì)整體系統(tǒng)的影響，采用基于信譽(yù)的片內(nèi)共識(shí)和車輛輔助的片間共識(shí)來保障系統(tǒng)安全。文獻(xiàn)[119]按功能進(jìn)行分片，每個(gè)分片處理不同類別事務(wù)，利用零知識(shí)證明保障用戶隱私。

分層及分片區(qū)塊鏈通過結(jié)構(gòu)性優(yōu)化減少參與共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，以及允許各群組并行產(chǎn)生區(qū)塊的特點(diǎn)，帶來極高的吞吐率提升，但也存在新的挑戰(zhàn)，由于共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，攻擊單層或單個(gè)分片的網(wǎng)絡(luò)變得更加輕松；同時(shí)，連接各層或各分片的節(jié)點(diǎn)一旦故障，對(duì)系統(tǒng)會(huì)造成較嚴(yán)重的影響，這兩點(diǎn)挑戰(zhàn)阻礙著結(jié)構(gòu)性優(yōu)化方案的發(fā)展。表7總結(jié)了三種新型區(qū)塊鏈的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場景，DAG區(qū)塊鏈采用并行策略確認(rèn)區(qū)塊，賦予其較高的吞吐率，圖型賬本結(jié)構(gòu)保障其數(shù)據(jù)丟失率較低，充許出塊共識(shí)簡單化使其擁有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性及可擴(kuò)展性，但其缺點(diǎn)也很明顯，簡單化的出塊共識(shí)使攻擊者或自私節(jié)點(diǎn)更容易連續(xù)獲得記賬權(quán)，從而控制賬本的走向趨于中心化，且更易遭受攻擊，適用于對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)效性有較強(qiáng)需求或即時(shí)通信的場景。分層區(qū)塊鏈可以保障第一層的數(shù)據(jù)以更高速度上傳從而及時(shí)為該層提供服務(wù)，具有較高的區(qū)塊確認(rèn)速度，且其不同層可以并行處理完全不同的事務(wù)，適用于對(duì)事件需求存在優(yōu)先級(jí)差別的場景；分片區(qū)塊鏈具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，可以并行處理多種事務(wù)，且有較高的去中心化程度，適用于需要處理多種事務(wù)的場景。由于分層區(qū)塊鏈及分片區(qū)塊鏈稀疏了單次參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，導(dǎo)致其單層或單分片內(nèi)網(wǎng)絡(luò)更易遭受攻擊，且連接不同分層或分片的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障可能造成較嚴(yán)重的單點(diǎn)故障問題。

4.2存儲(chǔ)挑戰(zhàn)的解決方案

如表8所示，目前在針對(duì)基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的相關(guān)研究中，對(duì)于減輕存儲(chǔ)開銷方面的研究可以分為三類：

a）減少節(jié)點(diǎn)間賬本冗余。這類方案旨在通過減少被復(fù)制存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，可以分為數(shù)據(jù)鏈上存儲(chǔ)以及鏈下存儲(chǔ)兩類方案。數(shù)據(jù)鏈上存儲(chǔ)的方案指的是將數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲(chǔ)在鏈上，降低此類方案存儲(chǔ)開銷主要采取分級(jí)或分層存儲(chǔ)的策略，即并非全部節(jié)點(diǎn)保存相同的完整賬本。文獻(xiàn)[124]提出一種輕量級(jí)區(qū)塊鏈方案，允許節(jié)點(diǎn)按照自身存儲(chǔ)資源選擇保留的賬本大小。文獻(xiàn)[125]僅將基礎(chǔ)設(shè)施作為全節(jié)點(diǎn)，車輛作為可檢索數(shù)據(jù)的輕節(jié)點(diǎn)不保存賬本數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而降低系統(tǒng)整體存儲(chǔ)開銷。數(shù)據(jù)鏈下存儲(chǔ)的方案指的是數(shù)據(jù)內(nèi)容并不上鏈而是保存在節(jié)點(diǎn)本地。文獻(xiàn)[85]將數(shù)據(jù)內(nèi)容保存在車輛本地，僅上傳數(shù)據(jù)索引至區(qū)塊鏈供車輛查詢，利用5G基站對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行高效轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)內(nèi)容移至鏈下存儲(chǔ)，從根本上解決了賬本間冗余的問題，大幅度降低系統(tǒng)整體存儲(chǔ)開銷，但高峰期查詢車流量較大地區(qū)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞情況。 IPFS^[126] 是鏈下存儲(chǔ)的常用技術(shù)手段，其原理是將完整數(shù)據(jù)內(nèi)容劃分成多個(gè)碎片，分別保存在節(jié)點(diǎn)本地，查詢時(shí)通過哈希值將碎片連接起來組成完整數(shù)據(jù)內(nèi)容，使用IPFS進(jìn)行鏈下存儲(chǔ)，則區(qū)塊鏈只需保存索引哈希，從而降低存儲(chǔ)開銷。文獻(xiàn)[68，107，127]均采用IPFS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容，以降低系統(tǒng)存儲(chǔ)開銷。

b）減少賬本內(nèi)部數(shù)據(jù)冗余。這類方案旨在減少賬本中重復(fù)存儲(chǔ)的相同數(shù)據(jù)，以此降低存儲(chǔ)開銷。由于同一時(shí)刻同一地點(diǎn)可能存在不同車輛上傳了相同數(shù)據(jù)內(nèi)容，導(dǎo)致賬本內(nèi)部存在數(shù)據(jù)冗余，這類冗余跟隨賬本復(fù)制存儲(chǔ)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)，為系統(tǒng)帶來非必要的存儲(chǔ)開銷。文獻(xiàn)[128]利用布谷鳥過濾器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，避免相同內(nèi)容重復(fù)上傳，以此降低存儲(chǔ)開銷。

c）減少賬本存儲(chǔ)失效數(shù)據(jù)。這類方案旨在對(duì)失去使用價(jià)值的數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪，防止重復(fù)存儲(chǔ)失效數(shù)據(jù)，以此降低存儲(chǔ)開銷。文獻(xiàn)[92]基于車載社交網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，根據(jù)社交屬性對(duì)車輛進(jìn)行分組，同組內(nèi)車輛只需保存該組賬本，同時(shí)由于交通數(shù)據(jù)具有時(shí)效性，允許節(jié)點(diǎn)根據(jù)其存儲(chǔ)能力對(duì)失效的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪。

本文通過實(shí)驗(yàn)對(duì)部分降低存儲(chǔ)開銷的方案進(jìn)行模擬，以比較不同方案之間的效果差異。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：設(shè)置100個(gè)車輛節(jié)點(diǎn)，50個(gè)RSU節(jié)點(diǎn)，坐落于 2km² 的實(shí)驗(yàn)場景中，每3s產(chǎn)生一個(gè)新區(qū)塊，區(qū)塊頭大小為固定138Byte，區(qū)塊上限為4MB。對(duì)四種方案進(jìn)行模擬，其中傳統(tǒng)區(qū)塊鏈即車輛與RSU均保存完整賬本數(shù)據(jù)；分級(jí)存儲(chǔ)策略中，僅RSU保存完整數(shù)據(jù)而車輛只保存區(qū)塊頭內(nèi)容；數(shù)據(jù)修剪策略在分級(jí)存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，對(duì)一定時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪；分層存儲(chǔ)劃分五個(gè)集群構(gòu)造分層區(qū)塊鏈架構(gòu)，本地層RSU保存本地集群數(shù)據(jù)，代理RSU則額外保存完整賬本數(shù)據(jù)，車輛只保留區(qū)塊頭用作驗(yàn)證。

圖11所示為上述方案的存儲(chǔ)開銷隨時(shí)間變化的對(duì)比?？梢妭鹘y(tǒng)區(qū)塊鏈由于全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同保存完整賬本，存儲(chǔ)開銷隨時(shí)間急劇增長。分級(jí)存儲(chǔ)策略由于降低了被復(fù)制存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，使存儲(chǔ)開銷增長速度有所下降。數(shù)據(jù)修剪策略在分級(jí)策略的基礎(chǔ)上，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行修剪，將存儲(chǔ)開銷控制在一定范圍內(nèi)。分層存儲(chǔ)策略中，僅部分節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)完整賬本，而單個(gè)集群內(nèi)節(jié)點(diǎn)只需保存集群數(shù)據(jù)，從而大幅度降低存儲(chǔ)開銷。

5未來研究方向展望

基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享將區(qū)塊鏈的去中心化、防竄改及可追溯等特性與分布式數(shù)據(jù)共享結(jié)合，能夠打造一個(gè)可信的數(shù)據(jù)共享環(huán)境，提升駕駛體驗(yàn)，提高駕駛安全性。但其應(yīng)用與發(fā)展存在多方面的挑戰(zhàn)，針對(duì)其中吞吐率及存儲(chǔ)開銷方面的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有研究從多層次、多角度進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈的發(fā)展趨勢，對(duì)未來可能的研究方向進(jìn)行展望。

5.1提升吞吐率相關(guān)的研究方向

a）優(yōu)化共識(shí)機(jī)制?，F(xiàn)有工作對(duì)共識(shí)機(jī)制的優(yōu)化主要集中在降低主節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)間、降低達(dá)成共識(shí)所需的通信次數(shù)以及降低參與共識(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量三方面。除此之外，網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延及區(qū)塊大小也在很大程度上影響吞吐率，對(duì)此本文提出以下研究方向：

（a）基于位置選擇共識(shí)節(jié)點(diǎn)。共識(shí)機(jī)制需要全網(wǎng)一定比例的節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)延將對(duì)共識(shí)效率產(chǎn)生不可忽視的影響，共識(shí)節(jié)點(diǎn)若在地理位置上距離較遠(yuǎn)，將產(chǎn)生較高的通信時(shí)延。且區(qū)塊內(nèi)數(shù)據(jù)來自全網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)將難以對(duì)與自身相隔一定距離的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。因此，未來研究中可以嘗試基于位置選擇共識(shí)節(jié)點(diǎn)，一定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)對(duì)該范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行共識(shí)，達(dá)到降低通信和驗(yàn)證時(shí)延的目的，提升吞吐率。但地理位置臨近的節(jié)點(diǎn)將更容易遭受攻擊，影響共識(shí)過程的安全性，需要設(shè)計(jì)合理的保護(hù)措施。

（b）基于區(qū)塊大小選擇主節(jié)點(diǎn)。在單次共識(shí)中上傳包含更多數(shù)據(jù)的區(qū)塊同樣可以提升吞吐率。由于節(jié)點(diǎn)之間計(jì)算存儲(chǔ)能力異構(gòu)以及通信不穩(wěn)定等因素，導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)所收集的區(qū)塊內(nèi)容不同。未來研究中可以將區(qū)塊大小作為主節(jié)點(diǎn)選擇的依據(jù)之一，在單次出塊過程中盡可能上傳更多數(shù)據(jù)，以提升吞吐率。但此類做法可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)通過向區(qū)塊內(nèi)摻雜無用數(shù)據(jù)的方法競爭出塊權(quán)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，需要設(shè)計(jì)有效的判別手段。

b）優(yōu)化新型架構(gòu)區(qū)塊鏈。新型架構(gòu)區(qū)塊鏈通過將傳統(tǒng)單鏈架構(gòu)區(qū)塊鏈轉(zhuǎn)換為多鏈架構(gòu)的方式提升吞吐率。但現(xiàn)有新型架構(gòu)區(qū)塊鏈的研究在應(yīng)用過程中存在限制，對(duì)此本文提出以下研究方向：

（a）優(yōu)化DAG區(qū)塊鏈的區(qū)塊驗(yàn)證規(guī)則。DAG區(qū)塊鏈高并行的特點(diǎn)使其擁有較高的吞吐率，但由于其區(qū)塊驗(yàn)證具有隨機(jī)性，無法保證Tips區(qū)塊被驗(yàn)證的時(shí)間，影響使用效率。所以，未來研究可以按事件類型劃分不同節(jié)點(diǎn)分組，由分組內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)該分組賬本進(jìn)行統(tǒng)一驗(yàn)證，防止部分區(qū)塊遲遲得不到驗(yàn)證而影響可用性。但此類方法需要設(shè)計(jì)分組間的交互，防止分組之間相互隔離從而在單個(gè)分組內(nèi)滋生惡意行為得不到有效監(jiān)管，從而破壞賬本安全。

（b）優(yōu)化跨分片交易處理。分片技術(shù)可以使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)并行處理不同事物，從而提升吞吐率。但不同分片之間相互隔離，跨分片數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與追溯存在困難，這將帶來額外的驗(yàn)證時(shí)延，同時(shí)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可信。因此，未來研究需要設(shè)計(jì)合理的跨鏈機(jī)制[129]及跨分片驗(yàn)證機(jī)制，可以合理利用車輛的移動(dòng)性，在不同分片間行駛，協(xié)助對(duì)不同分片數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

（c）優(yōu)化分層區(qū)塊鏈任務(wù)負(fù)載。多個(gè)集群構(gòu)成不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)并行出塊并向全局鏈匯聚的方式使分層區(qū)塊鏈具有較高的吞吐率。但由于全局鏈需要處理的數(shù)據(jù)量較傳統(tǒng)區(qū)塊鏈提升較大，負(fù)載過重導(dǎo)致無法及時(shí)處理所有數(shù)據(jù)。因此未來研究可以通過將數(shù)據(jù)在本地鏈進(jìn)行壓縮等方式平衡不同層間的負(fù)載。

5.2降低存儲(chǔ)開銷相關(guān)的研究方向

a）可編輯區(qū)塊鏈。傳統(tǒng)區(qū)塊鏈由于其防竄改特性，數(shù)據(jù)一旦上鏈即不可被刪除或修改，在保護(hù)數(shù)據(jù)安全和可追溯的同時(shí)也存在隱患，過期、失效甚至錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的刪除及修改也變得十分困難。可編輯區(qū)塊鏈作為一種新興的區(qū)塊鏈技術(shù)，充許節(jié)點(diǎn)經(jīng)過驗(yàn)證后對(duì)過往區(qū)塊內(nèi)容進(jìn)行編輯，通過變色龍哈希技術(shù)保證原先的鏈結(jié)構(gòu)不被破壞[130]。可編輯區(qū)塊鏈?zhǔn)沟脭?shù)據(jù)從增加轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，從而可以有效降低存?chǔ)開銷。但可編輯區(qū)塊鏈的區(qū)塊高度增長緩慢，這將影響區(qū)塊鏈的防竄改能力，同時(shí)對(duì)鏈上數(shù)據(jù)的修改屬于敏感操作，如何保證這一過程的安全性同樣需要考慮。未來研究可以將編輯過程接人共識(shí)機(jī)制，經(jīng)全網(wǎng)共識(shí)后才可以對(duì)指定區(qū)塊進(jìn)行編輯，同時(shí)新增編輯記錄作為區(qū)塊添加至鏈尾，以此保證區(qū)塊高度的正常增長，同時(shí)對(duì)區(qū)塊編輯情況進(jìn)行追溯。

b）優(yōu)化IPFS鏈下存儲(chǔ)策略。IPFS為區(qū)塊鏈提供了優(yōu)秀的存儲(chǔ)性能，但其查詢時(shí)會(huì)受限于通信距離過長導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定，以及可能存在部分受損碎片數(shù)據(jù)需要修復(fù)等問題，導(dǎo)致其無法保障查詢時(shí)延?？梢栽诖鎯?chǔ)時(shí)就近選擇節(jié)點(diǎn)群，同時(shí)保存復(fù)數(shù)副本，防止通信時(shí)延及數(shù)據(jù)受損影響數(shù)據(jù)內(nèi)容的可用性。

c）數(shù)據(jù)過濾。由于相同事件可能由不同車輛收集并上傳，存儲(chǔ)此類重復(fù)數(shù)據(jù)將造成非必要的存儲(chǔ)開銷。但盲目過濾同類事件可能降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，未來研究可以利用信譽(yù)作為過濾指標(biāo)，保留信譽(yù)較高的數(shù)據(jù)來源所提供的數(shù)據(jù)。但此設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致信譽(yù)膨脹使數(shù)據(jù)來源被壟斷，因此需要設(shè)計(jì)合理的信譽(yù)機(jī)制對(duì)過濾的公平性加以維護(hù)。

d）優(yōu)化車輛間數(shù)據(jù)共享模式。借助新一代通信技術(shù)，利用5G乃至6G技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行高效轉(zhuǎn)發(fā)，使車輛與車輛直接共享數(shù)據(jù)的效率及范圍提升，則鏈上只需記錄共享記錄，將大幅度降低存儲(chǔ)開銷。但這樣的設(shè)計(jì)可能造成交通密集區(qū)域出現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)擁堵，影響其實(shí)際效果，對(duì)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)調(diào)度算法加以優(yōu)化則能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的車輛間共享。

6結(jié)束語

近年來，隨著車輛智能化程度的提升，如何提升駕駛體驗(yàn)及駕駛安全性引起高度關(guān)注。數(shù)據(jù)共享可以在交通管理、災(zāi)害預(yù)警、道路規(guī)劃等多方面為日常通勤、輔助駕駛乃至無人駕駛提供保障?；趨^(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享有望構(gòu)造安全可信的數(shù)據(jù)共享環(huán)境，卻存在性能上的挑戰(zhàn)。本文從多方面整理了針對(duì)吞吐率低下及存儲(chǔ)開銷過大的現(xiàn)有解決方案，對(duì)方案進(jìn)行分析，總結(jié)各方案的利弊及適用場景，并對(duì)仍未解決的技術(shù)挑戰(zhàn)提出可能的研究方向。隨著技術(shù)不斷發(fā)展與創(chuàng)新，融合人工智能等最新技術(shù)，未來將出現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)共享方案、更加完善的存儲(chǔ)策略，從而克服當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更好的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交互體驗(yàn)和應(yīng)用場景的拓展，全方位提升駕駛體驗(yàn)及駕駛安全性。

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