[论文解读] Towards Secure Blockchain-enabled Internet of Vehicles: Optimizing Consensus Management Using Reputation and Contract Theory

Jiawen Kang, Zehui Xiong+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 24被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于声誉的矿工选择与基于契约理论的区块验证的两阶段软安全增强机制，用于区块链赋能的车联网（BIoV）。通过利用多权重主观逻辑进行声誉评分，并采用激励相容的契约机制，该方案将恶意矿工的检测率提高了13%，降低了合谋风险，显著提升了资源受限的IoV环境下的共识安全性和效率。

ABSTRACT

In Internet of Vehicles (IoV), data sharing among vehicles is essential to improve driving safety and enhance vehicular services. To ensure data sharing security and traceability, highefficiency Delegated Proof-of-Stake consensus scheme as a hard security solution is utilized to establish blockchain-enabled IoV (BIoV). However, as miners are selected from miner candidates by stake-based voting, it is difficult to defend against voting collusion between the candidates and compromised high-stake vehicles, which introduces serious security challenges to the BIoV. To address such challenges, we propose a soft security enhancement solution including two stages: (i) miner selection and (ii) block verification. In the first stage, a reputation-based voting scheme for the blockchain is proposed to ensure secure miner selection. This scheme evaluates candidates' reputation by using both historical interactions and recommended opinions from other vehicles. The candidates with high reputation are selected to be active miners and standby miners. In the second stage, to prevent internal collusion among the active miners, a newly generated block is further verified and audited by the standby miners. To incentivize the standby miners to participate in block verification, we formulate interactions between the active miners and the standby miners by using contract theory, which takes block verification security and delay into consideration. Numerical results based on a real-world dataset indicate that our schemes are secure and efficient for data sharing in BIoV.

研究动机与目标

• 解决区块链赋能的车联网（BIoV）系统中合谋攻击——特别是矿工投票与区块验证合谋——的关键挑战。
• 通过引入基于声誉的矿工选择机制，克服传统权益证明（DPoS）中基于权益的投票机制的局限性，以提升公平性与安全性。
• 通过基于契约理论的机制激励待机矿工，减轻活跃矿工在区块验证过程中可能发生的内部合谋。
• 通过整合软安全措施与DPoS共识的硬安全基础，提升车联网中P2P车辆数据共享的整体安全性与效率。

提出的方法

• 采用多权重主观逻辑（MWSL）方案，基于历史交互记录与第三方推荐计算矿工候选人的声誉，确保稳健且准确的信任评估。
• 实施两阶段共识机制：(1) 基于声誉的投票从候选者中选出活跃与待机矿工；(2) 待机矿工验证区块，以防止活跃矿工之间的合谋。
• 应用契约理论建模区块管理者（契约发布者）与矿工（验证者）之间的互动，设计在验证安全性与延迟之间取得平衡的激励契约。
• 在契约模型中制定个体理性（IR）与激励相容（IC）约束，确保验证者选择与其声誉类型相匹配的契约。
• 利用真实世界车载数据评估声誉方案的检测率以及契约模型在不同验证者类型数量下的利润表现。
• 优化契约设计，在确保高验证可靠性与低延迟的前提下最大化区块管理者的效用，尤其在信息不对称条件下表现更优。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统基于权益的投票相比，基于声誉的投票在区块链赋能的车联网系统中，如何提升对恶意矿工候选人的检测率？
• RQ2 当活跃矿工发生内部合谋时，待机矿工在多大程度上能增强区块验证的安全性？
• RQ3 基于契约理论的激励机制如何提升待机矿工在区块验证中的参与度与可靠性？
• RQ4 与对称信息设置相比，信息不对称对基于契约的验证模型性能有何影响？
• RQ5 验证者类型的数量如何影响区块管理者的利润以及共识过程的整体安全性？

主要发现

• 当声誉阈值设定为0.2时，所提出的多权重主观逻辑（MWSL）方案相较于TSL方案，正确区块验证概率高出13%，显著降低了内部合谋风险。
• MWSL方案相比传统声誉方案，提升了对恶意矿工候选人的检测率，实现了对受损实体的更早、更准确识别。
• 基于契约的验证机制确保了所有声誉类型的验证者均选择适配其类型的契约，满足个体理性（IR）与激励相容（IC）约束。
• 在信息不对称设置下，所提出的契约模型下区块管理者的利润优于Stackelberg博弈模型，主要得益于对高声誉验证者的剩余价值更高效提取。
• 对称信息条件下的契约模型利润高于非对称版本，因为区块管理者可基于对验证者行为的充分了解，战略性地设定契约条款。
• 基于真实世界数据的数值结果证实，所提方案显著提升了BIoV中的安全性和效率，尤其在缓解共识过程中的合谋攻击方面表现突出。