基於改進 Hotstuff 共識機制的停車輔助車聯網邊緣計算任務卸載方案

Grunnleggende konsepter

本文提出了一種基於區塊鏈的停車輔助車聯網邊緣計算任務卸載框架，通過改進 Hotstuff 共識機制，選擇停車時間長、計算能力強和通信質量高的車輛作為共識節點，提高了任務卸載和交易的安全性和可靠性，並利用斯坦伯格博弈模型優化卸載策略和定價，實現系統收益最大化。

Sammendrag

文獻資訊：

• 標題：基於改進 Hotstuff 共識機制的停車輔助車聯網邊緣計算任務卸載方案
• 作者：Guoling Liang, Chunhai Li, Feng Zhao, Chuan Zhang, Liehuang Zhu
• 期刊：JOURNAL OF LATEX CLASS FILES
• 卷數：18
• 期數：9
• 發表時間：2020 年 9 月

研究目標：

本研究旨在解決停車輔助車聯網邊緣計算（PVEC）中任務卸載和交易的安全性和可靠性問題，並提出一個基於區塊鏈的 PVEC 卸載框架，以提高系統的安全性和可靠性，同時最大化系統收益。

方法：

1. 區塊鏈整合: 引入區塊鏈技術，構建一個由路邊單元（RSU）和停車車輛（PV）組成的雙鏈聯盟區塊鏈系統，分別記錄 RSU 和 PV 的定價策略和任務，確保數據安全和交易可信度。
2. 基於 CDS 的共識節點選擇: 設計一種基於連接支配集（CDS）的共識節點選擇算法，根據停車時間、計算能力和通信質量從 PV 中選擇共識節點，提高區塊鏈在計算卸載和交易中的可靠性。
3. 斯坦伯格博弈模型: 建立一個以 RSU 和 PV 為領導者、請求車輛（RV）為追隨者的斯坦伯格博弈模型，優化卸載策略和定價，並將 CDS-Hotstuff 共識能耗納入效用函數，制定相關優化問題。
4. 基於梯度下降的卸載策略算法: 設計一種基於梯度下降法的 BPVEC 卸載策略算法，以最大化系統收益，並實現斯坦伯格均衡。

主要發現：

1. 安全性和可靠性提升: 提出的 BPVEC 卸載框架利用區塊鏈的特性，為 PVEC 卸載創造了一個可信的環境，並通過 CDS-Hotstuff 共識機制，有效解決了車輛移動性對區塊鏈可靠性的影響。
2. 系統收益最大化: 斯坦伯格博弈模型的應用，實現了 RSU、PV 和 RV 的效用最大化，並通過基於梯度下降的卸載策略算法，找到了最優的卸載策略和定價方案。

主要結論：

本研究提出的基於區塊鏈的 PVEC 卸載方案，通過改進 Hotstuff 共識機制和採用斯坦伯格博弈模型，有效解決了 PVEC 任務卸載和交易中的安全性和可靠性問題，同時最大化了系統收益，為未來 PVEC 的發展提供了新的思路。

意義：

本研究對於推動車聯網邊緣計算的發展具有重要意義，特別是在安全性和可靠性方面做出了貢獻，為未來構建更加安全、可靠、高效的車聯網系統提供了理論依據和技術支持。

局限性和未來研究方向：

1. 車輛移動性模型: 本研究採用了簡化的車輛移動性模型，未來可以考慮更真實的車輛移動模式，以提高方案的實用性。
2. 動態定價策略: 本研究採用了靜態定價策略，未來可以考慮動態定價策略，根據實時網絡狀況和資源需求調整價格，進一步提高系統效率。
3. 其他共識機制: 本研究採用了 Hotstuff 共識機制，未來可以探討其他共識機制在 PVEC 卸載中的應用，比較不同共識機制的性能差異。

Statistikk

Sitater

Viktige innsikter hentet fra

Task Offloading for Vehicular Edge Computing Based on Improved Hotstuff under Parking Assistance

by Guoling Lian... klokken arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10770.pdf

Dypere Spørsmål

如何在更複雜的交通環境和網絡條件下，評估該方案的性能和可擴展性？

在更複雜的交通環境和網絡條件下，評估 BPVEC 方案的性能和可擴展性需要考慮以下幾個方面：
1. 更逼真的仿真環境：

交通流模型： 採用更複雜的交通流模型，例如基於微觀交通模擬的 SUMO 或 VISSIM，模擬不同交通密度、車輛類型和速度分佈下的交通環境。
網絡拓撲： 構建更貼近實際的路網拓撲結構，包括城市道路、高速公路等，並考慮不同路段的信號覆蓋、干擾和衰減情況。
車輛移動性： 模擬車輛的隨機移動模式，例如變道、超車、轉彎等，以及車輛的進出停車場行為，更真實地反映車輛的連接狀態變化。
2. 性能指標擴展：

可擴展性： 評估系統在不同規模下的性能表現，例如增加車輛數量、路邊單元密度和任務請求頻率，分析系統吞吐量、延遲和資源利用率的變化趨勢。
容錯能力： 模擬不同程度的節點故障、網絡延遲和惡意攻擊，測試系統的魯棒性和穩定性，以及應對異常情況的能力。
動態適應性： 評估系統根據交通環境和網絡條件變化進行動態調整的能力，例如動態選擇共識節點、優化任務卸載策略和調整定價機制。
3. 其他影響因素：

異構資源： 考慮不同車輛和路邊單元具有不同的計算能力、存儲容量和通信带宽，分析資源異構性對系統性能的影響。
安全性和隱私性： 評估系統在複雜環境下的安全防護能力，例如抵禦 Sybil 攻擊、數據篡改和隱私洩露等安全威脅。
通過以上改進，可以更全面地評估 BPVEC 方案在複雜交通環境和網絡條件下的性能和可擴展性，為實際部署提供更可靠的參考依據。

如果考慮到車輛和路邊單元之間的信任問題，如何設計更安全的激勵機制，鼓勵車輛參與任務卸載？

考慮車輛和路邊單元之間的信任問題，設計更安全的激勵機制需要解決以下幾個關鍵問題：
1. 數據安全與隱私保護：

數據加密與簽名： 採用加密算法對任務數據進行加密，並使用數字簽名技術驗證數據來源和完整性，防止數據洩露和篡改。
差分隱私： 在任務數據中添加適當的噪聲，在不洩露原始數據的情況下實現數據可用性，保護車輛隱私。
安全多方計算： 利用安全多方計算技術，在不洩露各自數據的情況下，共同完成任務計算，保護數據安全。
2. 可驗證的計算結果：

零知識證明： 車輛可以利用零知識證明技術，在不洩露計算過程的情況下，向路邊單元證明其計算結果的正確性。
可信執行環境： 在車輛和路邊單元中部署可信執行環境 (TEE)，例如 Intel SGX 或 ARM TrustZone，在安全隔離的環境中執行任務計算，保證計算結果的可靠性。
3. 基於信譽的激勵機制：

信譽評估體系： 建立基於區塊鏈的信譽評估體系，記錄車輛的歷史行為，例如任務完成率、數據可靠性和響應速度等，根據信譽評分給予不同的獎勵。
懲罰機制： 對於惡意行為，例如提供虛假數據、拒絕執行任務或發起攻擊等，應設計相應的懲罰機制，例如降低信譽評分、扣除獎勵甚至禁止參與任務卸載。
4. 去中心化的激勵機制：

智能合約： 利用智能合約自動執行激勵機制，例如根據任務完成情況自動發放獎勵，提高效率和透明度。
去中心化身份： 為車輛和路邊單元建立去中心化身份 (DID) 系統，確保身份的真實性和可信度，防止身份偽造和欺詐行為。
通過以上措施，可以構建更安全可靠的激勵機制，鼓勵車輛積極參與任務卸載，促進 PVEC 系統的健康發展。

隨著量子計算技術的發展，如何應對量子計算對區塊鏈安全性的潛在威脅，確保 PVEC 系統的長期安全？

量子計算的快速發展對依賴於密碼學的區塊鏈技術帶來了潛在威脅，特別是對當前廣泛使用的橢圓曲線密碼學 (ECC) 構成挑戰。為應對量子計算對 PVEC 系統的長期安全威脅，可以採取以下措施：
1. 升級至抗量子計算攻擊的密碼算法：

後量子密碼學 (PQC)： 積極研究和部署基於格密碼、編碼密碼、多變量密碼等後量子密碼算法，替換易受量子計算攻擊的 ECC 算法。
混合加密方案： 在過渡階段，可以採用混合加密方案，結合 ECC 和 PQC 算法，提供更強的安全性。
2. 量子安全區塊鏈架構：

基於量子密鑰分發的共識機制： 研究基於量子密鑰分發 (QKD) 的共識機制，利用量子力學原理保障密鑰分發的安全性，增強共識算法的抗量子攻擊能力。
量子安全哈希函數： 開發和應用抗量子計算攻擊的哈希函數，例如 SHA-3 或 BLAKE2，確保區塊鏈數據的完整性和不可篡改性。
3. 量子技術與區塊鏈的融合：

量子隨機數生成器： 利用量子隨機數生成器 (QRNG) 產生真隨機數，增強密鑰生成的安全性，提高區塊鏈系統的抗攻擊能力。
量子計算輔助區塊鏈： 探索量子計算在區塊鏈中的應用，例如加速交易驗證、優化共識算法和提高智能合約效率，提升區塊鏈系統的性能和安全性。
4. 持續關注量子計算技術發展：

密切關注量子計算技術的最新進展，以及其對區塊鏈安全性的潛在影響。
積極參與量子安全技術的標準化工作，推動量子安全區塊鏈技術的發展和應用。
通過以上措施，可以構建更安全的 PVEC 系統，應對量子計算帶來的安全挑戰，確保系統的長期安全和穩定運行。