70、区块链赋能智能交通：数据管理的创新之道

区块链赋能智能交通：数据管理的创新之道

在智能交通系统（ITS）蓬勃发展的当下，数据的高效管理与安全共享成为了关键挑战。本文将深入探讨基于区块链的智能交通数据管理框架，涵盖数据采集、加密存储、访问控制、持久化以及具体的技术实现与评估。

1. 数据采集与存储框架

智能交通系统中的设备，如车辆、物联网设备或智能手机，遵循以下步骤进行数据采集与存储：
1. 数据采集 ：从设备自身传感器或与之有直接/间接通信的其他设备传感器获取数据。
2. 数据加密 ：使用对称密钥对采集到的数据进行加密。
3. 分布式文件系统（DFS）存储 ：将加密后的数据存储在DFS上，向DFS节点发出存储请求。
4. 分布式账本技术（DLT）记录 ：将加密数据的哈希指针存储在DLT上，向DLT节点发出记录请求。

这些步骤既可以在用户个人设备上直接实现，让用户直接掌控自己的数据；也可以仅在个人设备上完成第一步，其余三步由其他实体管理的设备完成，该实体成为数据控制者。不过，目前该框架还缺少共享数据的访问机制。

2. 数据访问控制

数据访问控制是框架中与数据保密性相辅相成的部分，数据消费者是希望访问共享数据的主要角色。为了让消费者获取解密数据所需的对称密钥，需要在密钥和消费者之间设置授权服务。授权服务的设计方法主要分为以下两种：
| 授权服务类型 | 特点 | 优点 | 缺点 |
| — | — | — | — |
| 集中式 | 仅由一个服务提供商参与授权服务，持有所有访问数据的密钥，数据消费者直接联系服务器获取密钥 | 实现相对简单 | 依赖单一服务器，若服务器“诚实但好奇”，可能会解密并访问用户数据 |
| 分布式 | 通过共识机制和专用加密机制，将信任从单一实体转移到协议上，网络节点半可信或不可信，但整体系统可被信任 | 避免单点故障，提高数据安全性和隐私性 | 实现复杂度较高 |

在本文提出的框架中，认证服务利用分布式环境为消费者提供授权，原因如下：
- 避免单点故障，包括服务中断和隐私泄露。
- 减轻数据提供者设备在密钥分发方面的负担，特别是在细粒度访问场景下。
- 利用智能合约的分布式计算实现“公平”且自动的访问控制机制。
- 利用DLT的透明度实现访问权限的可审计性。

分布式认证服务协议包括链上和链下两部分：
- 链上访问控制列表（ACL） ：通过智能合约管理存储在DFS中的加密数据的访问权限。每个数据块可在特定智能合约中引用，数据束可通过默克尔树引用。智能合约维护ACL，列出具有访问权限的消费者的DLT地址。消费者可通过ACL向授权服务证明其访问特定数据的资格，服务提供商根据ACL信息释放解密密钥。
- 链下密钥分发 ：为避免集中式密钥分发带来的信任问题，采用分布式密钥分发机制。当数据消费者在链上获得访问权限后，可向网络节点请求释放相关分布式密钥。由于链上无法存储秘密密钥或解密消息，需要链下密钥分发机制。可采用的加密方案有：
- 秘密共享（SS） ：将内容密钥拆分为n个份额，只需t个份额即可重构密钥。通过(t, n) - 阈值方案在n个参与者之间共享秘密，任何t个或更多份额的子集都可重构秘密，但少于t个份额的子集无法重构。这种方案可保护用户隐私，因为单个节点无法获取完整密钥。
- 阈值代理重加密（PRE） ：代理节点使用代理重加密方案对内容密钥进行重加密。PRE允许代理实体将用密钥k1加密的密文转换为可用密钥k2解密的密文，而不了解底层明文。为解决单个半可信代理节点可能出现的问题，采用(t, n) - 阈值方案生成“重加密份额”，由数据消费者在客户端组合。

这两种技术在分布式数据访问控制中各有优劣：SS在每次密钥分发时无需用户交互，但如果t个节点恶意，用户无法阻止密钥泄露；PRE需要用户为每个新消费者生成重加密密钥，但在节点恶意时，用户可停止生成新密钥。

下面是数据访问控制的流程示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(数据消费者):::process -->|请求访问| B(授权服务):::process
    B -->|验证ACL| C{是否有权限}:::process
    C -->|是| D(释放密钥):::process
    D -->|提供密钥| A
    C -->|否| E(拒绝访问):::process
    E --> A

3. 数据持久化

在P2P系统中，网络节点缺乏存储数据的激励，导致数据可用性成为普遍问题。例如，在BitTorrent等文件共享系统中，热门内容的数据可用性可能迅速下降。同样，若没有激励机制，DFS也无法保证数据的持久性。为解决这一问题，可采用激励机制，让用户奖励存储其数据副本的节点。

一些DFS通过集成DLT，将客户端请求与存储节点的服务提供相结合，参与者因在其存储设备上提供和托管内容而获得加密货币奖励。支付通常基于存储节点在集成DLT上发布的证明，如时空证明（Proof-of-Spacetime）。

部分DFS还集成智能合约来奖励存储节点，如Filecoin中的文件合约（File Contracts）。在Filecoin中，文件存储被视为算法市场，用户支付矿工存储和检索文件：
- 存储协议 ：用户提前支付，存储矿工定期证明其在协议到期前持续存储文件。用户可向符合特定要求的矿工拍卖存储服务，存储矿工通过执行存储测试获取额外区块链代币。用户通过在区块链上存储证据确保数据存储。
- 检索协议 ：检索矿工为用户从存储中检索文件，与存储矿工可能是不同实体。检索协议在链下管理，支付通常基于恢复的可靠性或速度，是增量式的。

在Filecoin区块链中，存储矿工除了需要存储设备外，还需要强大的硬件，因为他们还负责每30秒创建新块并运行证明。区块链作为证明、协议和代币转移的账本，存储证明是公开的。Filecoin中生成证明的重要概念是扇区（sector），它是基本存储单元，其大小和承诺的时间增量经过标准化，是安全性和可用性之间的权衡，扇区的持续时间取决于存储市场。扇区在证明前必须密封，未使用的空间被视为矿工自动承诺给自己。

以下是数据持久化激励机制的示意图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(用户):::process -->|支付| B(存储矿工):::process
    B -->|存储文件| C(分布式存储):::process
    C --> B
    B -->|提供证明| D(区块链):::process
    D -->|奖励代币| B

综上所述，基于区块链的智能交通数据管理框架通过数据采集与存储、访问控制和持久化等机制，为智能交通系统中的数据管理提供了安全、高效、可靠的解决方案。后续将介绍该框架的具体实现和评估。

4. 实现与评估

接下来将探讨上述框架的可行性实现，并结合特定的智能交通用例及其一般约束条件对实现性能进行评估。

4.1 具体实现

• 以IPFS作为DFS并利用Filecoin实现激励机制
  在该框架中，DFS充当公共数据空间，所有系统组件都在此存储数据。在具体实现里，采用IPFS来承担这一角色。当数据上传到网络时，会返回数据摘要作为引用，该引用可存储在DLT中，用于后续数据的检索。也就是说，数据以IPFS对象的形式发布，然后通过其哈希值异步引用到DLT交易中，数据摘要可用于验证IPFS对象的完整性。

由于受限于设备性能（如智能手机或车载单元），目前还无法直接在这些设备上运行IPFS节点。因此，采用了IPFS服务提供商（如Infura），让用户能够在IPFS网络中传播文件。

为实现数据持久化，借助了Filecoin智能合约。Filecoin是基于IPFS的典型激励机制，参与者因在其存储设备上提供和托管内容而获得Filecoin代币奖励。

• 以IOTA作为DLT
  关于DLT的实现，选择了IOTA。IOTA账本并非采用传统的区块链结构，而是采用称为Tangle的有向无环图（DAG）。IOTA声称特别针对物联网行业，其交易验证方法旨在解决传统基于区块链的DLT存在的两个主要痛点：延迟和费用。IOTA设计为提供快速验证，且添加交易到Tangle无需费用，这使其成为支持基于众包数据构建的智能服务的候选方案。

IOTA提供的一个重要功能是掩码认证消息（Masked Authenticated Messaging，MAM）。MAM是一个第二层数据通信协议，可在Tangle上实现加密数据流的发送和访问。数据流以通道的形式存在，由按时间顺序排列的交易链表组成。通道创建后，只有通道所有者可以发布加密消息，拥有MAM通道加密密钥的数据消费者可以解码消息。消息按时间顺序推送到通道上，每个消息都有一个指向后续消息的链接，这允许从某一消息开始访问，同时限制对通道中先前消息的访问。

在实现中，将存储在IPFS中的每个数据块的哈希指针存储在MAM消息中，与数据消费者共享的对称内容密钥即为MAM消息的加密密钥。

• 基于以太坊智能合约和加密阈值方案的分布式访问控制
  访问控制由多个预先确定的授权服务器全面管理。这些节点既执行与智能合约相关的链上任务，也执行如密钥分发等链下任务。

在链上任务方面，使用了一组以太坊智能合约来实现访问控制。这些智能合约引用写入IOTA MAM通道的信息（即哈希指针），使用MAM通道地址（称为“根”）。管理访问控制列表（ACL）的软件采用OpenEthereum客户端，它提供了“SecretStore”的实现，节点可根据智能合约提取的信息分发密钥。

在链下密钥分发方面，采用了两种加密方案：
- 秘密共享（SS） ：将内容密钥拆分为n个份额，只需t个份额即可重构密钥。在一个由多个节点存储秘密份额的网络中，t个节点达成共识后可向数据消费者提供份额，使其能够获取秘密。这种方案保护了用户隐私，因为单个节点无法获取完整密钥。
- 阈值代理重加密（PRE） ：代理节点使用代理重加密方案对内容密钥进行重加密。为解决单个半可信代理节点可能出现的问题，采用(t, n) - 阈值方案生成“重加密份额”，由数据消费者在客户端组合。

以下是实现过程的步骤列表：
1. 用户通过IPFS服务提供商（如Infura）将数据上传到IPFS网络，获取数据摘要。
2. 将数据摘要存储在IOTA的MAM消息中，同时将对称内容密钥设置为MAM消息的加密密钥。
3. 利用以太坊智能合约管理访问控制列表（ACL），确定数据消费者的访问权限。
4. 根据数据消费者的访问请求，通过秘密共享（SS）或阈值代理重加密（PRE）方案进行链下密钥分发。
5. 数据消费者使用获取的密钥解密存储在IPFS中的数据。

4.2 评估

该框架结合了IPFS、Filecoin、IOTA和以太坊智能合约等多种技术，旨在为智能交通系统提供高效、安全的数据管理解决方案。通过IOTA的快速验证和零费用交易，解决了传统区块链的延迟和费用问题；利用Filecoin的激励机制确保了数据的持久化存储；借助以太坊智能合约和加密阈值方案实现了分布式访问控制，提高了数据的安全性和隐私性。

然而，该框架也面临一些挑战。例如，IPFS在受限设备上的部署仍存在困难，需要依赖服务提供商；分布式系统的复杂性增加了实现和维护的难度；加密方案的选择需要根据具体应用场景进行权衡，以平衡安全性和性能。

综上所述，基于区块链的智能交通数据管理框架为智能交通系统的数据管理提供了创新的解决方案，但在实际应用中还需要进一步优化和完善。

下面是整个框架实现流程的mermaid流程图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(数据采集):::process -->|加密| B(IPFS存储):::process
    B -->|生成摘要| C(摘要存储在IOTA MAM):::process
    D(数据消费者):::process -->|请求访问| E(以太坊智能合约验证):::process
    E -->|验证ACL| F{是否有权限}:::process
    F -->|是| G(链下密钥分发):::process
    G -->|提供密钥| D
    F -->|否| H(拒绝访问):::process
    H --> D
    I(Filecoin激励):::process -->|奖励| B
    B -->|存储证明| I

通过以上的实现和评估，可以看到基于区块链的智能交通数据管理框架在理论上具有很大的潜力，但在实际应用中还需要不断地探索和改进，以适应智能交通系统不断发展的需求。