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区块链和以内容为中心的网络
victor ortega, Faicirc;za Bouchmal, Jose F . monserrat
车载通信虽然已经实现，但必须继续发展来支持更高的吞吐量，最重要的是支持超低延迟来适应新的用例，如全自动驾驶汽车。网络安全必须得到保证，因为如果一个国家受到攻击，汽车失去控制的风险是国家安全问题。本文展现了确保安全需求被满足的技术因素。在一个专用网络切片保护伞下,本文提出了以内容为中心的网络(CCN)的使用,而不是传统的传输控制协议/网际协议(TCP / IP) 途径和允许动态控制源头可靠性、信息交换的完整性与有效性的受许可的区块链。
全自动汽车（Fully Autonomous Cars）
在周三早上7点，成千上万的打工人正在使用高速公路从家开车去上班。虽然全自动驾驶汽车目前还未普及，但很多司机会更喜欢使用汽车的自动驾驶功能来完成无聊的上班出勤。在高速公路上，车辆间相互交换目的地 (或路线)，并有组织地在较空阔的路上行驶，提高了效率，避免了交通堵塞。虽然它还需更多的时间才能实现，但这个场景绝对不是科幻小说。
车辆对车辆(V2V)和车辆对一切(V2X)通信将有望使这项技术成为现实。第五代(5G)网络将带来新的功能，例如更高的容量、更低的延迟、无缝的连接，以及通过网络切片所带来的连接模式而根本性地改变这些联网车辆。在网络切片方面，5G网络将适应汽车的需求。这提供了一个独特的机会来超越旧的网络惯例，拥抱新技术。
相反，由大量多样的设备组成的网络的主要条件之一就是信任。例如，车辆将定期发送合作意识信息(CAMs)，通知其他节点其状态。在这种情况下，有故障或恶意的车辆很容易通过发送错误消息来破坏网络稳定，从而导致交通拥堵或事故。
因此，有必要确保共享信息的准确性，从而为验证传输数据的来源和可靠性提供手段。过去的研究提出了解决这个问题的不同方法，并得出结论，最有效的解决方案是由可信验证器组成的分布式网络。本文探讨了补充性集中控制或使用完全自治与分散的受许可区块链取代传统的客户机-服务器架构的优势和阻碍。它的主要目标是消除数据篡改或者损坏的风险，并提供健壮性、高性能和降低成本。
车载区块链（The Vehicular Blockchain）
当比特币作为开源代码发布时，“区块链”一词与之联系在一起。比特币是区块链的第一个应用，但今天，区块链作为一个不断成长的网络应用是一个非常强大和广泛的解决方案。这一概念以及它是怎样和车载自组织网络联系起来的将在本节中进一步讨论。
综述
最近，我们目睹了从集中式计算和存储向分散式架构和系统的转变。云计算使全球能够通过各种设备访问互联网服务，如社交网络和视频流。虽然这些服务在服务器方面是分散的，但它们在少数客户机应用程序或网络服务中却是集中的。
区块链及其分布式总账技术是一个关键的创新，它可能允许创建完全去中心化的服务。分布式总帐是一个复制和同步的数据库，物理上分布在几个与数据有效性一致的位置和实体上。网络中的每个节点都参与数据库的管理，而共识协议保证了网络的安全性和数据的完整性。
虽然比特币不是第一个分布式账本，但它增加了挖掘和加密货币的概念，并最终普及了区块链技术。然而，该技术并不局限于加密货币，为了充分理解其可能性，有必要了解分布式总账的三个基本组件:
- 捕获总帐的数据模型
- 改变总帐的交易语言
- 控制总帐处理的共识协议
这三个组件一起定义了区块链，并且可以根据应用程序的要求进行更改。例如，比特币区块链使用工作证明(PoW)作为共识算法，而其他区块链提出了各种各样的共识算法，如权益证明(PoS)、燃烧证明、容量证明、经过时间证明等。
区块链通常是一个有序的、有时间戳的、包含多个事务的区块列表。新块以一种安全的、永久的、不可更改的加密方式添加。而区块链数据库不是存储在任何单一的位置，每个属于分布式总账的实体独立存储它自己的区块链副本。在任何给定的时刻，分类帐中超过一半的节点需要在他们的区块链中拥有完全相同的区块，这种状态被称为共识。
由于数据库是分布式的，几个节点将尝试同时添加一个带有事务的新块。为了避免分歧，需要一个达成共识的协议。通过使用多个散列，直到散列操作的结果在一行中包含特定数量的零比特币，比特币用处理新块的数学操作解决了这个问题。哈希操作极其复杂，迫使计算机相互竞争，直到其中一个获得下一个有效块，这个过程称为挖掘。每个添加的块都包含对前一个块的加密引用，以保证区块链是一致的和未修改的。尽管矿业已经显示出了显著的知名度和合法性，但它也有缺陷。尤其有问题的是花费了大量的处理资源和极其有限的事务率，因此需要考虑一个更合适的共识机制。
在最重要的可替代区块链中，以太坊(第二流行的加密货币)引入了智能合约的概念，而IOTA(一种用于物联网的加密货币)改变了最复杂的有向无环图系统的数据模型，该系统可能提供更快的数据处理。
超级账本是最有前途的发展之一，它是一个开源项目，旨在促进跨行业的区块链技术。它由Linux基金会主办，是一个由来自不同行业和组织的成员组成的全球协作组织。
我们目前正处于区块链技术的早期阶段，在开发和商业社区中还没有就标准达成一致。标准对于确保互操作性和避免与碎片化生态系统相关的风险至关重要，不仅对分布式总账本身如此，对支持服务也是如此。因此，开源社区和愿意利用区块链技术来确保交易安全的行业之间的合作至关重要。
受许可的区块链（Permissioned Blockchains）
像比特币这样的传统区块链是未经许可的，也就是说，任何人都可以加入网络，创建新的交易，并将它们添加到总帐中。比特币计划的成功是由于其挖掘过程和与之相关的加密货币。相比之下，被许可的区块链是封闭和受监控的系统，其访问是根据角色进行良好定义和区分的。超级账本提供了一个框架，其主要目的是允许创建企业级、开源、分布式的账本和代码库，以支持特定的业务用例。随后的区块链(即与比特币的主要区别)不需要基于加密货币，可以实现更合适的共识协议。
鉴于车辆自组织网络是由不同的汽车制造商、运输公司和政府实体组成的企业网络，为了网络的安全，必须允许访问。为方便这一点，每辆车辆和所有路边设备都会连接到一个数字身份。受许可的区块链提供了私有网络的安全性，并保留了分布式账本的优势。
创建分布式总账来量化信任（Creating a Distributed Ledger to Quantify Trust）
在货车上使用分布式账本最有前途的应用之一是使人们对汽车和其他设备(如路边单元)的信任民主化，这些设备是网络的一部分。网络中的每个参与者都可以潜在地验证其他参与者传输的数据，并告知网络其可靠性(图1)。随后，共识协议验证并将新信息添加到分类账中。储存的信息随后被分发给任何其他车辆供将来参考。使用自己和其他人的观察结果来识别节点的行为，已经成功地用于错误行为检测。研究人员普遍的想法是在分布式账本的背景下使用它，以保证对车辆自组织网络的信任。
当新车辆进入网络时，这个过程就开始了。即使是一个没有历史记录的新参与者，新车辆也可以立即开始向其他车辆发送信息。为了维护其摄像头的安全性，车辆应始终使用其私钥对所有传输的信息进行数字签名。有了这个基本的机制，网络的其他部分和接收方可以明确地识别源，并验证消息没有被泄露。
然而，尽管可以立即验证发送者的身份和消息的完整性，但必须仔细考虑内容的准确性，如图2所示。核实内容是受众的任务;附近的设备配有自己的摄像头和定位服务，能够验证这些接收到的信息。在技术上尽可能多的情况下，接收方应该将发送方的消息与自己对同一信息的估计进行比较。例如，接收端可以根据摄像头检测到的发送端来估计发送端的确切位置，或者可以检查其声明的速度和方向是否与估计的相符。
这个验证过程增加了新车辆传输的数据的准确性，并可以存储在总帐中。此外，这个过程是累积的，提供了不同程度的准确性。例如，在不同地点进行几次交易后，新车将从不同的参与者那里收到不同的评论，所有这些信息都将在分类账中可用。与其他分布式账本执行任务的方式类似，当大多数报告确认发送者的有效性时，可以将此确认添加为区块链中的安全节点。从这个意义上说，我们提议中的事务块成为车辆自组织网络的可信任节点块。
值得注意的是，分布式总帐提供了存储和共享认证数据的方法。由于参与者的多样性，供应商将自行决定如何最好地解释该信息，或者当节点开始以不受信任的方式行为时如何撤销该认证。
共识协议（The Consensus Protocol）
在传统的区块链(如比特币)中，共识协议由矿工之间的竞争组成，以尽可能快地解决密码谜题。这个过程，PoW(工作证明)，需要巨大的计算能力，赢家将获得新创建的加密货币。这种方案虽然在现实世界中是可行的，但存在严重的可伸缩性问题，促使近年来出现了许多替代方案。
最被接受的替代货币PoS(权益证明)已经被其他加密货币实现，并将在不久的将来[9]开始使用时进行测试。尽管PoS更加资源友好，但它也有同样的限制，即需要附加加密货币。没有硬币可能的收益或损失，就没有利害关系，这个方案是行不通的。
虽然PoW和PoS方法不能适用于车辆自组织网络,因为他们需要加密货币超级账本框架提出了一个更广泛的概念不需要高处理PoS的共识。这些选择是更快和更可伸缩但提供较低的安全防范恶意或错误的节点。
由于被允许使用区块链，降低的安全级别不是问题。修改分类账的能力只能授予一组可信的验证器，因此，将使用一种更快的共识协议。作为一种可能的改进，用于检测可信发射机的同一验证系统可以用来决定该网络的哪些验证器值得信任。在受到攻击或出现故障的情况下，一个受损的验证器可能会被其他验证器迅速逐出网络。进一步研究这一办法将有助于确定正确的协商一致协议，能够处理车辆自组织网络的特性和限制。
使用以内容为中心的网络（CCN）改进性能
至此，我们得出的结论是，在创建可信的车辆自组织网络时，使用受许可的分布式总帐提供了多种优势，尤为重要的是最终网络的可扩展性、可靠性和自主性。然而，货车也需要效率、速度和适应网络变化的能力。
传统的区块链很慢，因为它们依赖于复杂的点对点(P2P)协议，需要在远程TCP/IP连接上工作。相反，网络提供短距离、低延迟的连接。由于5G网络切片的概念，可以建立一个并行网络来承载特定的车辆自组织网络流量，从而消除了对TCP/IP连接的依赖。一些研究表明，TCP/IP网络方法已经过时，它的缺点可以通过使用CCN来克服。
CCN哲理将内容从经典的客户机-服务器范式中分离出来。相反，数据可以存储在所有节点中，当另一个节点使用统一指向这些数据的标识符(即名称)请求此内容时，这些节点就可以发送数据。CCN不使用IP地址，而是标识内容，这简化了来自多个源的缓存和转发。
在CCN方法中，在用户选择想要检索的内容之后，节点创建一个所谓的兴趣包，并将其转发给附近的节点，以检查它们之前是否存储了该内容。如果是这种情况，内容将直接发送到请求源;否则，包含带有路由信息的新标签的兴趣包将被转发。这种方法的主要好处是，在CCN中，任何节点都可以复制和存储它转发的任何内容，而在仅在经典网络中，原始主机或有限的一组服务器可以进行这种缓存。为了支持分布式账本以提高车辆安全性，CCN似乎是最佳选择。
- CCN基于两种主要的数据包类型:兴趣和内容。兴趣包用于交易和请求部分区块链(由绿色箭头在左边图3)的一部分,而内容包作为区块链本身(蓝色箭头代表在左边的图3的一部分),或一个安全地方广播消息(蓝色箭头代表正确的图3)的一部分。
- CCN本质上是P2P。没有必要在用户数据报协议或TCP连接上实现低效的协议。
- 减少拥塞和延迟。这对网络来说至关重要。
- 没有IP地址。参与者的通信基于数据类型、内容和参与者的身份，而不是源或目标网络地址。这增加了数据吞吐量，减少了跳数，并消除了冗余消息。
- 安全模型面向消息而不是连接。复杂的端到端连接是不必要的，因为单个消息是显式保护的。
- 自适应和动态。CCN路由能够很好地应对网络的波动性。
CCN也是一个与V2X通信的好的网络候选人,不仅因为其良好的符合分布式分类模式,还因为V2X通信,根据定义,本地通信类型的IP寻址是真正重要的源节点的距离数据。因此，对于V2X通信来说，超越传统的TCP/IP架构，专注于通过简单的媒体访问控制协议和CCN网络提供内容是非常重要的。
CCN和分布式分类账的结合将简化网络并提高网络效率。注意，这个理论建议使用CCN不仅用于分布式账本交换，而且还用于广播安全消息，因为在大多数情况下，它们可以被有效地缓存。
安全的以内容为中心的网络（Secure CCN）
区块链和CCN的协同作用并非只向一个方向流动。前期研究表明，CCN
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