摘要
随着高速率信息化服务和现代交通产业场景的不断融合与延伸，智能交通系统（Intelligent Transportation Systems，ITS）逐步成为了提升智能汽车技术与智慧道路功能的研究方向与行业热点。其中，合理运用当前基于5G蜂窝移动通信技术的车联网络（Internet of Vehicles，IoV），已经能够有效的支持交通安全数据的多粒度感知获取与多维度共享管理。鉴于目前车联用户动态信息的随机度与突发性，进一步保障与促进交通安全信标（Safety Beacons）等重要ITS交通数据的实时准确交互功能，亦正在不断显现出其技术前瞻性与应用广泛性。近年来，安全高效的区块链技术得到迅速发展，并且逐渐向电子货币与物联网等多个领域实施应用，研究人员借助区块链技术设计了多种合理有效的数据共享机制，用于提升车联网数据实时可靠的交互与传输。在复杂的ITS系统和动态的车联场景中，考虑传统IoV网络的中心化模式和恶意车辆存在等诸多受限特性，研究基于区块链的5G-IoV数据交互方案具有重要的理论与工程意义。 鉴于车联网快速时变的特点和区块链技术应用的扩展局限性，论文以提升和优化IoV网络的数据交互性能为目标，提出基于共识机制的分层异构5G-IoV数据交互系统。结合系统的设计需求分析，通过建立不同功能与职责范围的车联网节点，优化节点间的数据交互过程，从而获得更加及时准确的信息化服务功能。为了进一步提高5G-IoV车联数据交互的快速性与实时性，提出基于实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）的数据共享策略。结合IoV网络应用层的交通信息服务和业务应用场景，论文以提高算法共识效率和降低节点通信复杂度为目标，简化PBFT算法的一致性协议；并且针对其检查点协议研究基于EigenTrust模型的信任度计算，将区块链节点进行信用等级划分，有效减少异常节点的参与；进而在视图切换协议中增加区块生成失败的失信惩罚，促进系统的良性循环。由于PBFT算法共识步骤的简化和网络架构发生变化等诸多原因，限制着多用户车联节点间数据交互的安全需求，为了持续满足系统的安全性能指标要求，考虑IoV数据收发过程中面临的网络攻击，论文进一步研究引入一种基于椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）的节点身份认证机制，以此维护和提升交通数据交互的安全性与可信度。 论文采用Veins车联框架中的OMNeT++交通网络模拟器，建立基于共识机制的5G-IoV数据交互系统仿真模型，论证和评估吞吐量、数据上链时延以及计算时延等重要性能指标，继而推导与分析PBFT算法和ECDSA算法对数据交互性能的影响。研究结果表明该系统在维护IoV数据安全交互与可靠存储的同时，能够有效减少节点认证过程的计算开销，降低车联网数据交互时延，有益于提升IoV网络中实时高效的信息交互性能。
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