基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统及方法，该系统包括：服务器群、区块链系统、PU、SU；区块链系统包括多个BS和RSU；BS和RSU在车联网络边缘采集SU位置的信息和PU的频谱交易信息、验证交易记录、将新的区块添加至联盟区块链，服务器群负责协助BS和RSU进行区块链的创建和存储，频谱共享的分配和管理以及资产的转移；将保险机制与区块链相结合，通过基于保险合同的激励机制进行车联网的频谱交易，并通过基于Gale‑Shapley算法的合同分配方法进行合同分配。本发明可以有效解决SU面临潜在传输失败风险时，购买PU所共享的信道动力不足的问题，能保证财产交易的安全，提高了频谱共享的安全性，从而提高了车联网的频谱利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络应用领域，尤其涉及一种基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统及方法。

背景技术

近些年来，随着汽车保有量的不断增长，路面的承载量在许多城市已经达到了饱和，交通安全、路面拥堵以及环保等问题日益突出。汽车的智能化和联网化被普遍认为是解决上述交通问题的重要途径。随着汽车产业与通信网络的持续发展，车联网(IoV,Internetof vehicles)逐渐的兴起，为车载网络的发展与应用注入了新的活力，但随之而来的是车载网络和各种应用的爆炸式增长，频谱资源的供需矛盾和利用率低等问题更加突出，使得频谱资源更加稀缺。频谱共享被广泛认为是一种缓解频谱资源紧缺现状的有效途径。基于认知无线电的频谱共享能极大的增强频谱的利用率，并且适用于各类移动通信系统，用于弥补可用授权频段资源的不足。

频谱共享的成功实施需要技术，经济和政策方面的许多创新。而在车联网中，频谱资源既可能来源于路边单元，也可能来自于资源富裕的智能车辆或者其他智能终端设备，即提供资源的实体可能归属于不同用户。出于安全、收益等考虑，授权用户可能不愿意提供自身的频谱资源进行共享。为了激励这些用户分享自身闲置的剩余频谱资源，需要设计一些机制保障授权用户的安全和收益，使得主用户(PU)具有足够的动力共享其授权频段，而次用户(SU)在考虑潜在成本后也有足够的动力利用PU共享的频谱。市场驱动的频谱交易是解决频谱共享中的激励问题的有效途径，现阶段设计激励机制的方法主要有博弈论、拍卖理论、合同理论、定价理论。但是，这些激励方案都需要一个值得信赖且广为接受的集中化交易平台，容易受到安全攻击。此外，这些工作大多数适合静态或低速用户，它们并未考虑车联网环境中设备或用户的高移动性。因此上述方法在拓扑频繁变化的高动态车辆环境中的适用性有限。

同时，现有的车联网频谱共享方法主要着重于资源的分配与管理，没有考虑到对于车联网来说至关重要的信息安全和隐私保护等方面。因此在本文中，本发明考虑了车联网场景下的安全频谱共享机制，并对传统的合同理论进行了改进，结合保险理论，提出了基于区块链的车联网安全频谱共享框架。使得SU在面临高传输风险的情况下，依然有足够的动力去购买PU提供的信道，从而提高频谱利用率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统，该系统包括：服务器群、区块链系统、PU、SU，PU即主用户，SU即次用户；其中：

服务器群，设置在云端，包括交易服务器、存储服务器和账户服务器；服务器群用于协助区块链系统进行区块链的创建和存储，实现频谱共享的分配和管理以及资产的转移；并将保险机制与区块链相结合，通过基于保险合同的激励机制进行车联网的频谱交易，并通过基于Gale-Shapley算法的合同分配方法进行合同分配；

区块链系统，设置在边缘端，包括多个BS和RSU，BS即基站，RSU即路边单元；区块链系统采用联盟区块链的方式，并通过预先认证的方式组成区块链系统，区块链系统中通过定义一种名叫“资源币”的数字加密货币进行频谱资源的交易；

PU，由处在同一个BS信号覆盖范围内的频谱资源的授权车辆和一些智能终端设备组成；在其授权频段空闲时，提供空闲的频谱资源与SU共享，从而获得额外的奖励金；同时针对不同类型的SU提供与其类型相对应的保险合同，保障SU的收益，以激励SU购买其信道；

SU，由在BS信号覆盖范围内的未授权的车辆用户组成，它们能感知频谱空洞，从BS处获得空闲频段的信息，并与PU签署购买信道以及保险合同，以机会接入的方式使用共享频段；在传输失败时，SU会通过BS向PU提出赔付申请，验证成功后可收到来自PU支付的赔偿金。

进一步地，本发明的所述服务器群中：

交易服务器，用于协调SU和PU之间的频谱共享事务，从SU中收集信道购买请求，并通过匹配算法匹配频谱交易的买卖双方用户，同时还掌握着售出的频谱资源的接入，以完成买卖双方之间的信道交易；

存储服务器，用于将所有交易记录存储在区块链中，SU根据存储服务器中的交易记录向PU进行支付；每个用户均设有资源币的交易账户，账户记录该用户的交易记录，每个用户还设有相应的钱包来管理该账户中的资源币；

账户服务器，用于存储钱包地址以及账户与其相应的随机钱包地址之间的映射关系。

进一步地，本发明的所述服务器群中基于Gale-Shapley算法的合同分配方法为：

PU和SU分别建立自己的喜好表，然后未匹配SU分别向自己喜好表中排名最高的PU提出交易请求，申请签署保险合同并购买信道；PU将当前提出申请SU与之前迭代中匹配的SU做对比，选取排名最高的SU进行频谱共享，拒绝其余SU；SU进行喜好表更新，从喜好表中删除拒绝它的PU，然后进行下一次的迭代，继续提出交易请求；直到所有的SU均完成匹配，或者某一SU被所有PU拒绝为止。

进一步地，本发明的所述区块链系统中预先认证的方式为：

使用实用拜占庭容错(PBFT)算法进行共识，预先选取网络中QoS、传输质量、计算能力均高于一定阈值的节点，对其进行预先认证，组成区块链系统，当网络内全部认证节点通过共识后，区块链即完成共识，交易成功。

进一步地，本发明的所述区块链系统中：

PU向最近的区块链系统中BS或RSU发送频谱出售的信息，包括其空闲频谱的带宽、出售价格以及相应的保险合同；区块链系统对本地空闲频谱资源出售信息进行统计，并向SU广播该信息；SU向区块链系统提交购买信道的请求，由区块链系统协调本次交易，并且在交易完成之后，充当矿工，寻找有效的工作证明来创建新的区块，将交易内容写入区块链中，同时负责传输失败后的赔偿金发放的相关服务。

本发明提供一种基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：用户注册：每个用户在合法的权威管理机构上进行注册，成为一个合法实体，来获得其私有密钥、公有秘钥以及证书；在联盟区块链中，使用椭圆曲线数字签名算法和非对称加密技术进行系统初始化；用户使用其私钥来签署交易，并将公钥发放给其他合法用户共享，用于验证其签名；每个用户都拥有自己的交易账户来存储所有交易记录；用户的数字资产存储在数字钱包中，其真实地址通过映射关系被隐藏；

步骤2：交易信息上传：PU从其所处范围内的认证节点处获得SU的类型信息，采用基于保险合同的激励机制为不同类型的SU设计相应的保险合同；PU向认证节点的交易服务器发送频谱资源出售信息，包括其频段带宽、出售价格和保险合同信息；交易服务器统计本地空闲资源出售信息，并在自身所覆盖范围内广播该信息；

步骤3：频谱资源的交易：SU收到广播信息后，若有频谱购买的需求，则向交易服务器发出交易请求；此时SU选择单一购买信道，或者选择购买信道的同时签订PU提供的保险合同，以获得传输失败时的赔偿；SU和PU之间的匹配通过基于Gale-Shapley算法的合同分配方法来完成；

步骤4：资产转移：当SU的交易请求被交易服务器完成后，SU便向PU进行支付，“资源币”从SU的钱包地址转移到PU的钱包地址，支付内容包括信道出售的价格，签订保险合同的SU还需要额外支付保险费；PU从存储服务器中获取最新上传的区块数据来验证该交易的正确性；在完成交易后，SU生成新的交易记录，这些交易记录由PU验证并对其进行数字签名，同时将这些记录上传到联盟区块链系统中进行审核，以验证其真实性；若签订了保险合同的SU发生传输失败，则SU向所在范围内的授权节点提出赔付申请，授权节点通过查询交易记录验证了真实性后，向PU发出赔付请求，PU同意后则赔付金从PU的钱包地址转移到SU的钱包地址，同时将赔付的交易记录用公有秘钥签名后发送至联盟区块链系统进行审核；

步骤5：区块链生成：交易完成之后，所有交易记录都会上传到区块链系统的存储服务器中，每个授权节点都会从中选取若干个交易记录构建成一个区块。

进一步地，本发明的所述的基于保险合同的激励机制的具体方法为：

用半径R＝{r

以频谱带宽b

由PU

在网络模型中，PU的战略集合为C＝(C

进一步地，本发明的所述的基于保险合同的激励机制的详细步骤为：

Step1：SU类型的划分：

认证节点以自身的覆盖范围以及SU

Step2：保险合同的提出与频谱资源交易信息的上传：

每个PU

PU

U

PU

其中β

若PU

其中b

C(B)＝x+y(b

其中x,y和τ是自然数，并且要求1<τ<2，这样才能保证PU的出售价格函数是凸函数；

PU

将PU

Pr

Step3：保险合同的签署与信道的出售：

SU

j类型的SU购买i类型的PU为其设计的保险合同的预期效用为：

U

SU不签约保险合同时的预期效用为：

U

其中Pr

对于SU来说，其决定是否签署保险合同的约束条件为U

Step4：数据的传输与失败时的赔偿：

SU

Step5：验证与资产转移：

PU

进一步地，本发明的所述的基于Gale-Shapley算法的合同分配方法的详细步骤为：

给定I个PU和J个SU，使用二进制变量A

Step1：喜好列表的建立：

建立PU和SU的喜好列表，所有的SU或PU以喜好度为标准对所有的PU提出的保险合同，或对所有的申请签署自身所提出的保险合同的SU进行喜好度的降序排序来获取SU或PU的喜好列表；

Step2：签约申请：

在每次迭代中，每个未匹配的SU向其喜好列表中排名最高的PU提议签署保险合同并购买信道；PU比较当前提出交易请求的SU和先前迭代中保留的同样提出交易请求的SU的排名，从中选取排名最高的SU进行交易，而拒绝其余的SU；

Step3：喜好列表排名更新：

在每次迭代之后，被拒绝的SU将从其喜好列表中删除那些拒绝它的PU；在下一次迭代中，重复步骤Step2中的过程；迭代一直持续到所有的SU均完成匹配，或者某些SU被所有PU拒绝为止。

进一步地，本发明的所述步骤5中区块链生成的方法还包括：

授权节点首先对区块中的交易记录进行哈希处理，得到交易记录的摘要，再用私有密钥对摘要加密得到数字签名，并将数字签名附在交易记录的后面；每个区块包含区块链中前一个区块的哈希值以及数字签名；之后将该区块广播发送给其他授权节点，他们会利用发送者的公有秘钥对数字签名进行验证，以确保数据在传播过程中未被篡改过，保证数据完整性；最后其他授权节点对该区块进行共识；授权节点通过共识算法对该区块的合法性进行校验，通过校验后，新区块将添加到当前区块链的末尾上；通过将当前交易的哈希值添加到Merkle树中来更新区块链，Merkle树包含区块的整个交易数据库，区块头的根哈希，以及从交易区块数据到根哈希的所有分支。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统及方法：

(1)将保险机制引入到区块链的框架中，提出一种基于区块链的车联网安全高效频谱共享框架,从而保障SU的效用，使得SU有更多的动力去购买PU提供的信道，提高频谱利用率。在本发明的框架中，PU是频谱的卖方，又是保险合同的承保人，而SU是频谱买方以及投保人。PU会为SU提供保险合同，SU会考虑两种抉择，一是只购买PU提供的频段，二是购买频段的同时与PU签订保险合同来获得传输失败时的保险赔偿。而交易完成并通过审核之后，会建立新的区块，上传至区块链系统，保证频谱共享的安全。

(2)设计了一种基于Gale-Shapley算法的合同分配方案，在考虑了交易双方的喜好度的情况下将PU共享的频谱资源分配给SU，目的在于使得网络中SU效用最大化，使得更多的SU愿意购买PU提供的信道，从而提升网络的吞吐量和频谱利用率。

本发明验证了该框架的可行性并进行了安全性的分析，安全性分析表明所提出的框架实现了安全的频谱共享。之后进行了仿真实验，实验结果表明，签订保险合同的SU与不签订保险合同的SU效用差值最大达到了86.67％，二者的效用比的最大值为1.98。再将本发明所提出的框架与现有框架做对比显示，本发明所提出的基于保险合同的框架的用户占有率约在80％左右。这表明通过签署保险合同，SU将有更多的购买渠道的动力，而PU将会售出更多的信道。因此，提出的框架可以为频谱共享提供可靠的安全保证，并且有效地激励SU购买PU共享出的空闲频谱资源，提高车联网的频谱利用率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提出的基于区块链的车联网频谱共享框架；

图2是本发明实施例的基于区块链的频谱共享流程图；

图3是本发明实施例的基于Gale-Shapley算法的合同分配方案；

图4是本发明实施例的SU的效用曲线对比图；

图5是本发明实施例的SU的效用比曲线；

图6是本发明实施例的用户分布图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

1、本发明实施例的基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享系统的具体框架包括以下部分，如图1所示：

服务器群：本发明在云端部署服务器群，主要有交易服务器，存储服务器和账户服务器。交易服务器负责协调SU和PU之间的频谱共享事务，其具有强大的计算功能，可以实时地计算频谱资源交易的数量。交易服务器从SU中收集信道购买请求，并通过匹配算法匹配频谱交易的买卖双方用户，同时还掌握着售出的频谱资源的接入，以完成买卖双方之间的信道交易。存储服务器将所有交易记录存储在区块链中，SU根据存储服务器中的交易记录向PU进行支付。每一个用户都有一个资源币的交易账户，账户会记录该用户的交易记录，同时有一个相应的钱包来管理该账户中的资源币，账户服务器用于存储钱包地址以及账户与其相应的随机钱包地址之间的映射关系。

区块链系统：在边缘端，区块链系统由多个BS和RSU组成。由于车联网边缘设备的资源限制以及交通业务服务的低时延需求，本发明没有办法直接运用传统区块链中的共识算法进行频谱交易的共识和审计。因此本发明采用联盟区块链的方式，预先选取网络中QoS高、传输质量好、计算能力强的节点，对其进行预先认证，组成区块链系统。当网络内全部认证节点通过共识后，区块链即可完成共识，交易成功。在整个交易系统中，本发明使用名为“资源币”的数字加密货币作为用户的数字资产。PU向最近的区块链系统中BS或RSU发送频谱出售的信息，包括其空闲频谱的带宽、出售价格以及相应的保险合同。区块链系统对本地空闲频谱资源出售信息进行统计，并向SU广播该信息。SU向区块链系统提交购买信道的请求，由区块链系统协调本次交易，并且在交易完成之后，充当矿工，寻找有效的工作证明来创建新的区块，将交易内容写入区块链中。同时负责传输失败后的赔偿金的发放等其他相关服务。

PU：PU主要由处在同一个BS信号覆盖范围内的频谱资源的授权车辆和一些智能终端设备组成。在其授权频段空闲时，可提供空闲的频谱资源与SU共享，从而获得额外的奖励金。同时会针对不同类型的SU提供与其类型相对应的保险合同，保障SU的收益，以激励SU购买其信道。

SU：SU由在BS信号覆盖范围内的未授权的车辆用户组成，他们能感知频谱空洞，从BS处获得空闲频段的信息，并与PU签署购买信道以及保险合同，以机会接入的方式使用共享频段。在传输失败时，SU会通过BS向PU提出赔付申请，验证成功后可收到来自PU支付的赔偿金。

1)构建基于区块链的车联网安全频谱共享框架

提出一种云计算与边缘计算相结合的基于区块链的分布式频谱共享架构。BS和RSU在车联网络边缘采集SU位置的信息和PU的频谱交易信息、验证交易记录、将新的区块添加至联盟区块链，支撑频谱数据更高效地存储和流通。云端的服务器群负责协助基站(BS)和路边单元(RSU)进行区块链的创建和存储，频谱共享的分配和管理以及资产的转移等工作。并将保险机制与区块链相结合，通过利用保险合同进行车联网的频谱交易，可以有效解决SU面临潜在传输失败风险时，购买PU所共享的信道动力不足的问题，从而提高频谱利用率。并且定义了一种名叫“资源币”的数字货币进行频谱资源的交易，并通过联盟区块链系统保证财产交易的安全，提高了频谱共享的安全性。

2)构建基于Gale-Shapley算法的合同分配方案

PU和SU分别建立自己的喜好表，然后未匹配SU分别向自己喜好表中排名最高的PU提出交易请求，申请签署保险合同并购买信道。PU将当前提出申请SU与之前迭代中匹配的SU做对比，选取排名最高的SU进行频谱共享，拒绝其余SU。SU进行喜好表更新，从喜好表中删除拒绝它的PU，然后进行下一次的迭代，继续提出交易请求。直到所有的SU均完成匹配，或者某一SU被所有PU拒绝为止。

2、基于区块链及合同理论的车联网安全频谱共享方法的操作流程包括：

在公有链中，交易记录在加入区块链之前必须执行共识过程，完成对交易的审计。共识过程由公有链中的所有验证节点以高成本执行。由于车联网边缘设备的资源限制以及交通业务应用的低时延需求，本发明没有办法直接运用传统区块链中的PoW、PoS、DPoS等共识算法进行资源交易的共识和审计。与公有链不同，联盟区块链以较低的成本对预先选择的节点执行共识过程。在构造联盟区块链时，将预先选择具有强大计算能力的BS或者RSU充当授权节点。资源交易在完成所选择的节点之间的共识过程之后，这些交易记录就构造成了区块。详细的操作流程如图2所示，具体描述如下。

(1)用户注册:首先，每个用户要在合法的权威管理机构上进行注册，成为一个合法实体，来获得其私有密钥，公有秘钥以及证书。在联盟区块链中，使用椭圆曲线数字签名算法和非对称加密技术进行系统初始化。用户使用其私钥来签署交易，并将公钥发放给其他合法用户共享，用于验证其签名。每个用户都拥有自己的交易账户来存储所有交易记录。用户的数字资产存储在数字钱包中，其真实地址通过映射关系被隐藏，以保护隐私。本发明以图1中的用户来举例，SU

(2)交易信息的上传：PU

(3)频谱资源的交易：SU

(4)资产的转移：当SU

(5)区块链的生成：交易完成之后，所有交易记录都会上传到区块链系统的存储服务器中，每个授权节点都会从中选取若干个交易记录构建成一个区块。授权节点首先对区块中的交易记录进行哈希处理，得到交易记录的摘要，再用私有密钥对摘要加密得到数字签名，并将数字签名附在交易记录的后面。每个区块包含区块链中前一个区块的哈希值以及数字签名。之后将该区块广播发送给其他授权节点，他们会利用发送者的公有秘钥对数字签名进行验证，以确保数据在传播过程中未被篡改过，保证数据完整性。最后其他授权节点对该区块进行共识。授权节点通过共识算法对该区块的合法性进行校验，通过校验后，新区块将添加到当前区块链的末尾上。本发明通过将当前交易的哈希值添加到Merkle树中来更新区块链，Merkle树包含区块的整个交易数据库，区块头的根哈希，以及从交易区块数据到根哈希的所有分支。

3、基于保险合同的激励机制；

本发明用半径R＝{r

本发明考虑确认成功传输的情况，即当且仅当SU接收机成功接收并解码由其发射机发送的分组时，它向其发射机发送确认信号ACK。因此，基于ACK的存在或不存在，SU能够确定当前传输是否成功。在成功传输的情况下，购买相同频谱带宽信道的SU发射机发送相同数量的分组报文。

本发明以频谱带宽b

由PU

由此，在本发明的网络模型中，PU的战略集合为C＝(C

关于基于保险合同的激励机制的操作细节如下。

Step1:SU类型的划分

认证节点以自身的覆盖范围以及SU

Step2:保险合同的提出与频谱资源交易信息的上传

每个PU

由此，PU

U

PU

其中β

若PU

其中b

C(B)＝x+y(b

其中x,y和τ是自然数,并且要求1<τ<2，这样才能保证PU的出售价格函数是凸函数。

由公式(3.3)和(3.4)可知PU

将PU

Pr

对于PU来说，其对于保险合同的预期效用应满足个人理性(IR)约束：PU从保险合同中的获得收益应该大于一个常数值，否则PU将没有足够的动力提供保险合同。即

Step3:保险合同的签署与信道的出售

SU

由此，j类型的SU购买i类型的PU为其设计的保险合同的预期效用为：

U

SU不签约保险合同时的预期效用为：

U

其中Pr

对于SU来说，其决定是否签署保险合同的约束条件为U

Step4:数据的传输与失败时的赔偿

SU

Step5:验证与资产转移

PU

4、基于匹配算法的合同分配

本发明基于Gale-Shapley算法开发了一种低复杂度合同分配方案，将PU共享的频谱资源分配给SU。为了保障SU的效益，使得更多的SU愿意购买PU提供的信道，从而提升网络的吞吐量和频谱利用率，本发明所设计的基于匹配算法的频谱分配的目的是使得整个网络中的SU的效用最大化(被定义为O

给定I个PU和J个SU，本发明使用二进制变量A

Step1:喜好列表的建立：首先，应该建立PU和SU的喜好列表，所有的SU(或PU)可以以喜好度为标准对所有的PU提出的保险合同(或对所有的申请签署自身所提出的保险合同的SU)进行喜好度的降序排序来获取SU(或PU)的喜好列表。

Step2:签约申请：在每次迭代中，每个未匹配的SU向其喜好列表中排名最高的PU提议签署保险合同并购买信道。PU比较当前提出交易请求的SU和先前迭代中保留的同样提出交易请求的SU的排名，从中选取排名最高的SU进行交易，而拒绝其余的SU。

Step3:喜好列表排名更新：在每次迭代之后，被拒绝的SU将从其喜好列表中删除那些拒绝它的PU。然后，在下一次迭代中，重复Step2中的过程。迭代一直持续到所有的SU均完成匹配，或者某些SU被所有PU拒绝为止。

5、实验分析

在不失一般性的前提下，本发明再将仿真参数设置为：U

图5显示了签订了保险合同的SU和未签订保险合同的SU之间的效用比曲线，从图中可以看出二者的效用比是首先逐渐上升，在ρ＝0.88的时候，二者的效用比达到最大值1.98，之后迅速下降直到二者比值为1。

从图4和图5可以看出本发明的提出的保险合同方案能有效的保证SU的效用，使得SU更有动力去购买PU提供的信道，从而提高频谱利用率。

接下来将本发明提出的基于保险合同的框架和现有的框架做对比。本发明模拟一个有10个PU的网络，其中5个PU会使用本发明提出的保险合同方案，5个PU使用现有的框架，并且不提供保险合同，SU的取值范围为[0，100]。对于任意没有保险合同的PU，SU对其的喜好度排名要低于任意有保险合同的PU，因此得到的用户分布图如图6所示。

从图中可以看出，在SU数量较少而空闲频谱有富余的时候，本发明所提出的基于保险合同的框架具有绝对的优势，几乎所有的SU都会选择本发明所提出的框架。而随着SU数量的不断增加，用户占有率不断波动最后趋于稳定，稳定状态下，本发明所提出的基于保险合同的框架的用户占有率约在80％左右。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。