26、智能交通系统中的安全信息传输与隐私保护移动众包感知

智能交通系统中的安全信息传输与隐私保护移动众包感知

1. 智能交通系统中区块链技术实现安全信息传输

随着时间的推移，普适计算技术呈指数级增长，物联网在家庭自动化、工业应用和农业等多个领域的参与度也越来越高。物联网系统中的自动化和自组织网络催生了各种数据通信节点，但在物联网设备间共享、交换和管理信息时，自动化系统的参与会引发网络问题，因此在传输前需验证每个通信节点。同时，大数据、人工智能和基于云的服务等计算技术会通过手机、个人电脑等方式创建和收集大量信息。不过，基于物联网的系统完全依赖通信 - 返回程序来实现设备间信息的高效处理和通信，数据的真实性和可靠性是重要问题，任何共享信息的欺诈、不诚实或数据泄露都可能导致安全和隐私问题。

在局域网、互联网和其他在线系统中，网络安全至关重要，尤其是在设置通信网络时，数据安全是首要考虑因素。由于存在大量黑客和入侵者，网络传输的数据安全极为关键。在车联网（IoV）中，信息共享和交换时的数据安全也受到广泛关注，车辆运输系统组织因各种安全漏洞和威胁而不敢完全采用智能车联网系统。虽然已有研究人员提出了一些车联网的加密安全方案，但这些现有系统在管理密钥开销、密钥存储、复杂性、成本延迟以及第三方参与等方面存在局限性，还可能引发更多网络安全威胁。

为克服这些局限性，区块链技术应运而生，成为确保安全、透明和高效信息传输的流行且有利的机制。区块链系统通过基于令牌的应用（如共享经济、数字货币、共识等），实现了安全、去中心化、自组织和防篡改的技术特性，以抗篡改和分布式的方式提供和增强数据管理。本文旨在提出一种在智能车辆系统中使用区块链技术进行数据共享和信息交换时的安全信息传输过程，确保在实时场景下实现透明和安全的信息传输，并通过MATLAB环境对该方案进行各种安全措施（如拒绝服务攻击、数据篡改参数）的模拟验证。

相关研究中，许多作者提出了基于区块链的解决方案：
| 作者 | 技术 | 机制 |
| ---- | ---- | ---- |
| Liu等 | 基于区块链的MANETs数据安全机制 | 使用路由请求发现过程控制转发请求，通过数字签名避免欺骗和协作报告等勾结威胁，共识机制避免分叉，确保参与实体的去中心化和效率提升 |
| Zhang等 | 基于边缘计算和区块链技术的VANET安全架构 | 使用边缘、感知和服务三层架构确保安全消息传输，边缘和服务层提供计算资源和基于云的技术保障数据安全 |
| Zhaofeng等 | 基于区块链的可信管理系统 | 使用基于区块链的矩阵多通道数据安全和隐私技术，通过智能合约加密信息，模拟确保网络中数据传输的可用性、安全性和灵活性 |
| Nehe等 | 探讨区块链技术确保数据安全的局限性 | 通过数字签名和防篡改技术保护所有传输的交易和信息，每个块进行哈希处理并链接到区块链 |
| Asare等 | 基于区块链技术的物联网系统认证机制 | 使用GOST算法验证和认证传输的信息，确保网络节点间通信数据的完整性和安全性 |
| Zhang等 | 基于区块链的集中存储机制 | 模型包含云、HIoT和区块链三个服务器，减少网络中数据传输的带宽占用，提高效率和数据特性 |
| Harshini等 | 以患者为中心的区块链安全方法 | 通过区块链机制确保记录共享、计费和盗窃识别的安全性，使用智能合约实现数据交换，强调在医疗系统中应用区块链的未来前景和实用性 |

本文提出的机制中，数据在数据创建者和数据用户之间以加密形式存储和检索，所有信息或交易记录在Ganache区块链中。涉及的实体包括Ganache区块链、数据创建者、数据用户、Myetherwallet、Solidity和IPFS算法。
- 数据创建者 ：负责部署和创建智能合约，对其进行加密，并通过访问各种策略将文件上传到IPFS供数据用户使用。
- 数据用户 ：借助数据创建者从IPFS访问文件，并解密加密文件的密文。
- Solidity ：用于以Solidity语言创建智能合约，并在在线以太坊虚拟机中编译。
- Myetherwallet ：用于在线连接以太钱包的软件。
- Ganache ：通过存储和检索数据来部署和运行合约。

IPFS算法存储文件的步骤如下：
1. 数据创建者在Solidity Remix IDE中部署名为CPABE的智能合约。
2. 数据创建者存储密文、哈希和文件ID。
3. 数据用户向数据创建者发送访问请求。
4. 数据创建者在数据用户访问的时间范围内加密密钥，并将其存储在智能合约中。
5. 数据用户从智能合约中获取密钥的密文和时间信息。
6. 数据创建者将文件上传到IPFS。
7. 数据创建者获得IPFS代码。
8. 数据创建者安全地将IPFS地址发送给数据用户。
9. 数据用户从IPFS下载加密文件。
10. 数据用户通过Myetherwallet在私有（Ganache）以太坊区块链中部署和与智能合约交互。
11. 通过字节码在区块链中部署智能合约。
12. 通过ABI代码在区块链中与合约交互。
13. 显示交易的哈希、使用的燃气、合约地址等信息。
14. Ganache和Solidity中显示相同地址的账户和以太币。

graph TD;
    A[数据创建者] --> B[部署CPABE智能合约];
    B --> C[存储密文、哈希和文件ID];
    D[数据用户] --> E[发送访问请求];
    E --> A;
    A --> F[加密密钥并存储到合约];
    F --> D;
    D --> G[获取密钥密文和时间];
    A --> H[上传文件到IPFS];
    H --> I[获得IPFS代码];
    I --> A;
    A --> J[发送IPFS地址给用户];
    J --> D;
    D --> K[下载加密文件];
    K --> L[通过Myetherwallet交互];
    L --> M[部署智能合约];
    M --> N[与合约交互];
    N --> O[显示交易信息];

结果分析通过各种模拟图进行，所有模拟图使用以太坊通过Myetherwallet和使用的燃气来部署合约。实验结果表明，该方案在合约生成时间等方面优于现有方法，因为使用了Keccak算法加密消息，减少了合约生成所需的时间。

2. 智能交通系统中的隐私保护移动众包感知

随着“智能连接”时代的到来，万物互联，智能交通为缓解交通问题提供了新范式，成为热门研究领域。然而，在智能交通背景下，移动众包感知面临关键挑战。数据收集者之间缺乏信任，不可靠的收集者容易伪造或修改数据；诚实的收集者担心收集数据导致隐私泄露，缺乏收集数据的积极性。因此，在数据收集过程中实现数据隐私保护和确保数据收集者提供可靠有效数据是研究的两个重要方面。

云计算在存储和数据聚合中发挥重要作用，移动边缘计算可以在设备源或数据源使用计算、存储和应用平台，在边缘侧提供所需服务，使用户能够快速响应和完成众包感知。但分布式场景下的数据聚合隐私安全问题尚未得到很好解决。

近年来，联邦学习的兴起为解决分布式环境下的数据聚合隐私安全问题提供了有力技术支持。它不仅解决了隐私和安全问题，还通过允许数据收集者提供训练模型而非原始数据，减轻了传统集中式设备的计算负担。区块链作为一种新的计算机技术应用模式，具有去中心化、开放、独立、安全、匿名等特点，本质上是一个去中心化的数据库，可作为可靠安全的数据存储机制，尤其适用于众包感知。在智能交通中，由于车辆跨区域且相互不信任，如何确保每个车主提供可靠数据是需要解决的问题。

本文使用联邦学习技术和区块链技术提出了一种基于团队合作的移动众包感知机制，主要贡献如下：
1. 将原始数据的聚合转换为数据模型的聚合，结合联邦学习提出一种能保护团队成员隐私的基于团队的众包感知机制。
2. 众包感知任务以团队形式完成，团队领导者可以管理和监督团队成员。引入区块链记录众包感知任务的执行过程，确保团队成员提供准确的数据模型，保证众包感知任务的完成效率。
3. 引入差分隐私机制，每个团队成员在提交数据模型时添加差分隐私噪声来干扰模型，进一步保护团队成员的隐私。同时，为提高数据模型聚合的准确性，提出合理的奖惩机制，根据团队成员提供的数据模型给予相应的奖惩。
4. 实验结果表明，该方案在保护团队成员隐私的同时实现了高效的众包感知。

相关工作部分会对已有研究进行梳理，系统模型部分会详细介绍所构建的系统，提出的策略细节会在后续章节展开，实验部分会描述具体的实验设置和结果，最后会对本文进行总结。

综上所述，无论是使用区块链技术实现智能交通系统中的安全信息传输，还是通过联邦学习和区块链技术实现隐私保护的移动众包感知，都为智能交通领域的发展提供了重要的技术支持和解决方案，有助于解决当前面临的安全和隐私等关键问题，推动智能交通系统的进一步发展。

智能交通系统中的安全信息传输与隐私保护移动众包感知（下半部分）

3. 隐私保护移动众包感知的系统模型

在隐私保护移动众包感知的系统模型中，主要包含以下几个关键元素：
- 数据收集者（团队成员） ：他们负责收集数据，并将数据模型进行处理后上传。每个成员在上传数据模型时会添加差分隐私噪声，以保护自身隐私。
- 团队领导者 ：管理和监督团队成员，确保团队成员按照要求提供准确的数据模型。
- 区块链 ：记录众包感知任务的执行过程，包括团队成员上传的数据模型、任务完成情况等信息，保证数据的可追溯性和真实性。
- 数据聚合中心 ：接收团队成员上传的数据模型，进行聚合处理，得到最终的数据模型。

其工作流程如下：
1. 团队领导者接收众包感知任务，并将任务分配给团队成员。
2. 团队成员收集数据，对数据进行处理得到数据模型，并添加差分隐私噪声。
3. 团队成员将处理后的数据模型上传到区块链进行记录。
4. 数据聚合中心从区块链获取团队成员上传的数据模型，进行聚合处理。
5. 根据团队成员提供的数据模型质量，依据奖惩机制给予相应的奖惩。

graph LR;
    A[团队领导者] --> B[分配任务];
    B --> C[团队成员];
    C --> D[收集数据];
    D --> E[处理数据模型];
    E --> F[添加差分隐私噪声];
    F --> G[上传到区块链];
    H[数据聚合中心] --> I[从区块链获取模型];
    I --> J[聚合处理];
    J --> K[依据奖惩机制奖惩];
    K --> C;

4. 隐私保护移动众包感知的策略细节

在隐私保护移动众包感知的策略中，有几个关键的部分需要详细说明。

4.1 团队协作机制

团队成员以团队的形式完成众包感知任务，团队领导者起到核心的管理和监督作用。团队领导者需要具备一定的专业知识和管理能力，能够合理分配任务，监督团队成员的工作进度和质量。例如，团队领导者可以根据团队成员的技能和地理位置，将不同类型的众包感知任务分配给合适的成员，提高任务完成的效率。

4.2 区块链记录机制

区块链用于记录众包感知任务的整个执行过程。每一个团队成员上传的数据模型都会被记录在区块链上，形成一个不可篡改的记录。这样可以确保数据的真实性和可追溯性，防止团队成员提供虚假的数据模型。同时，区块链的去中心化特点也保证了数据的安全性，避免了单点故障和数据被篡改的风险。

4.3 差分隐私机制

为了进一步保护团队成员的隐私，每个团队成员在提交数据模型时会添加差分隐私噪声。差分隐私是一种通过在数据中添加噪声来保护个体隐私的技术。在本方案中，团队成员根据一定的算法生成差分隐私噪声，并将其添加到数据模型中。这样即使攻击者获取了数据模型，也无法准确推断出原始数据的具体内容，从而保护了团队成员的隐私。

4.4 奖惩机制

为了提高数据模型聚合的准确性，提出了合理的奖惩机制。该机制根据团队成员提供的数据模型质量给予相应的奖惩。例如，如果团队成员提供的数据模型对最终的聚合结果有较大的贡献，将给予一定的奖励，如积分、奖金等；如果团队成员提供的数据模型质量较差，或者存在虚假数据的情况，将给予相应的惩罚，如扣除积分、限制参与后续任务等。

5. 实验验证

在实验部分，对提出的隐私保护移动众包感知方案进行了验证。实验设置了多个指标来评估方案的性能，包括数据模型聚合的准确性、团队成员隐私保护的程度、任务完成的效率等。

实验结果表明，该方案在以下几个方面表现出色：
- 数据模型聚合准确性 ：通过合理的团队协作和奖惩机制，团队成员提供的数据模型质量较高，最终的数据模型聚合结果更加准确。
- 隐私保护程度 ：差分隐私机制的引入有效地保护了团队成员的隐私，即使在数据模型被获取的情况下，攻击者也无法准确推断出原始数据的内容。
- 任务完成效率 ：团队形式的任务分配和执行方式，以及区块链的记录和监督作用，提高了任务完成的效率，减少了任务完成的时间。

以下是实验结果的简单对比表格：
| 指标 | 本方案 | 传统方案 |
| ---- | ---- | ---- |
| 数据模型聚合准确性 | 高 | 低 |
| 隐私保护程度 | 好 | 差 |
| 任务完成效率 | 高 | 低 |

6. 总结

本文围绕智能交通系统中的两个重要方面进行了研究，一是使用区块链技术实现安全信息传输，二是通过联邦学习和区块链技术实现隐私保护的移动众包感知。

在安全信息传输方面，区块链技术凭借其安全、去中心化、自组织和防篡改的特性，为智能交通系统中的数据共享和信息交换提供了可靠的保障。通过提出的基于区块链的信息传输机制，能够有效解决现有系统在密钥管理、安全性等方面的局限性，实现透明和安全的信息传输。

在隐私保护移动众包感知方面，结合联邦学习和区块链技术，提出了基于团队合作的众包感知机制。通过团队协作、区块链记录、差分隐私和奖惩机制等多种手段，在保护团队成员隐私的同时，提高了数据模型聚合的准确性和任务完成的效率。

未来，随着智能交通系统的不断发展，这些技术和方案有望得到更广泛的应用和进一步的优化，为智能交通的安全和高效运行提供更强大的支持。同时，也可以进一步探索将这些技术与其他新兴技术相结合，如人工智能、物联网等，以应对智能交通领域不断出现的新挑战。