SIX-LAYER BLOCKCHAIN MODEL APPLIED IN THE URBAN TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEM

6-СЛОЙНАЯ МОДЕЛЬ БЛОКЧЕЙНА, ПРИМЕНЯЕМАЯ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ГОРОДСКИМ ДВИЖЕНИЕМ

Обзорная статья

Ву Л.Х.¹, До З.Н.^2, *

^{1, 2} Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (thuymeo.vcn[at]gmail.com)

Аннотация

Развитие общества требует эффективного, безопасного, надежного и точного хранения, управления, использования и передачи данных. Поэтому в начале XXI века появилось множество технологий и методов обработки данных, таких как Big Data, Интернет Вещей (IoT- Internet of Things), Облачные вычисления и прочие. Одной из таких технологий является технология блокчейна, характеризующаяся распределенной базой данных, на основе одноранговых сетей с децентрализованным механизмом аутентификации, что считается идеальным механизмом для решения многих проблем управления. Так в чем же суть технологии блокчейна? Может ли эта технология быть эффективно применена в задачах управления городским движением или применительно к задачам, направленным на интеллектуальные транспортные системы (ITS - Intelligent Transportation System)? Как можно использовать эту технологию в задачах управления дорожным движением?

С вышеперечисленными вопросами мы рассмотрели и оценили исследования технологии блокчейн, связанные с интеллектуальными транспортными системами, сосредоточив внимание на работе в сети VANET. На основе свойств сети VANET мы выстраиваем 5 требований к системе управления городским движением. Из этих требований мы создаем и предлагаем 6-слойную архитектуру блокчейна и базовую структуру каждого блока в блокчейне для общего применения в системах управления городским движением. Эта модель блоков и каждая структура блоков используются в качестве основы для разработки конкретных приложений для системы управления городским движением в частности и интеллектуальной транспортной системы в целом.

Ключевые слова: блокчейн, информационная безопасность, система управления городским движением, интеллектуальная транспортная система.

SIX-LAYER BLOCKCHAIN MODEL APPLIED IN THE URBAN TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEM

Review article

Vu L.H.¹, Do Z.N.^2, *

^{1, 2} ITMO University, Saint Petersburg, Russia.

* Corresponding author (thuymeo.vcn[at]gmail.com)

Abstract

The development of society requires efficient, secure, reliable and accurate storage, management, use and transmission of data. It is for this reason for the appearance of many technologies and methods of data processing at the beginning of the 21st century such as Big Data, the Internet of Things (IoT), Cloud computing, and others. One of these technologies is blockchain. It is characterized by a distributed database based on peer-to-peer networks with a decentralized authentication mechanism, which is considered ideal for solving many management problems. So, what is the essence of blockchain technology? Can it be effectively applied in urban traffic management tasks or in relation to tasks aimed at an Intelligent Transportation System? How can this technology be used in traffic management issues?

With all the aforementioned questions in mind, the study reviews and evaluates the blockchain technology research related to intelligent transport systems, focusing on vehicular ad hoc networks (VANET). Based on the properties of the VANET network, the study establishes 5 requirements for the urban traffic management system. These requirements are then used by the authors of the study to create and propose a six-layer blockchain architecture and the basic structure of each block in the blockchain for general application in urban traffic management systems. This block model and each block structure are used as the basis for developing specific applications for the urban traffic management system and the intelligent transport system as a whole.

Keywords: Blockchain, information security, urban traffic management system, intelligent transport system.

Введение

В настоящей времени использование личных данных вызывает все большую озабоченность в мире, поскольку эти данные считаются одним из важных активов человечества. Наряду с развитием науки и технологий, особенно информационных технологий, данные были и будут быстро развиваться как по количеству, так и по категориям. Многие технологические отрасли были созданы с целью быстрой и эффективной обработки больших данных и применяются во многих сферах жизни, таких как банковское дело, здравоохранение, розничная торговля, маркетинг и многие другие аспекты общественной жизни. В эпоху цифровизации и больших данных, данные непрерывно собираются и анализируются для различных целей в развитии общества. Для этого необходимо разработать правильные механизмы безопасности, чтобы гарантировать безопасность данных.

Существует множество решений для обеспечения безопасности, защиты данных, в которых блокчейн является одним из решений, которые много изучались в последние годы. Применимость блокчейна к интеллектуальным транспортным системам приведена в статье [6]. В сети VANET (Vehicular Ad hoc NETwork) [1], [2], [5] блокчейн также доказывает свою эффективность с точки зрения безопасности. Тем не менее, нет глубокого исследования применения блокчейна для управления городским движением в городе. В статье исследованы проблемы безопасности систем управления городским движением (СУГД), а также предположена соответствующая модель блокчейна.

Постановка задачи исследования

Во многих статьях упоминалось о применении технологии блокчейн к транспортной сети в целом. В статье [6] Vittorio Astarita и другие ученые перечислили и рассмотрели обзор исследований технологии блокчейн, применяемых на транспорте, из нескольких престижных научных журналов. Sparsh Sharma và Ajay Kaul [2] провели обзор, оценку и сравнение систем обнаружения вторжений, над которыми работали IDS (Intrusion Detection Systems) в VANET. Sabri M. Hanshi и другие [1] изучали и проанализировали стратегии пересылки, используемые для протоколов маршрутизации для передачи данных в VANET. Benjamin Leiding и другие [3] представили саморегулирующуюся структуру VANET, основанную на концепции Ethereum и механизм аутентификации на основе механизма обратной связи. Madhusudan Singh và Shiho Kim [4] предлагали надежный точечный механизм для транспортных средств в интеллектуальной транспортной сети под названием IV-TP (Intelligent Vehicle-Trust Point). Xu Yang и другие [5] разработали схему анонимной аутентификации, основанную на модульном шифровании с открытым ключом квадратного корня - MSR (Modular Square Root) для VANET.

Вышеупомянутые исследования разнообразны, от решения проблемы доверия в сетях трафика, повышения безопасности, снижения риска атак до разработки методов обнаружения атак, разработки механизмов аутентификации, протокола связи и пр. Тем не менее, существует не так много исследований по вопросам управления городского дорожного движения.

Поэтому в нашем исследовании мы предлагаем общую модель структуры Blockchain для системы управления городским движением.

Исходя из приведенного выше анализа и оценки, целью работы является разработка модели блокчейна для применения в управлении городским движением, а также масштабируемой модели для решения проблем с дорожным движением. Данная модель должна обеспечивать некоторые из следующих общих требований: централизованное управление; постоянное и быстрое обновление; выдерживает постоянные отключения и повторные подключения; безопасность, надежность и доступность инфраструктуры; прослеживаемость.

Модель блокчейна для управления городским движением

Исследования показывают, что для модели блокчейна требуется как минимум 5 слоев: физический слой, слой данных, сетевой слой, консенсусный слой и прикладной слой. Однако, чтобы иметь возможность расширяться и развиваться в будущем, мы предлагаем модель 6-слоёной архитектуры, которая применима к управлению городским движением, в частности, а также к проблемам интеллектуального движения в целом. Модель блокчейна для управления городским движением показана на рисунке 1:

- физический слой (Physical layer): включает в себя все физические объекты, которые служат для связи друг с другом в системе. Эти объекты включают автомобильные блоки – OBU (On Board Units), придорожные оборудования – RSU (Road Side Units) и другие соединительные оборудования (радиовещательные станции или также спутники и т.д.). В зависимости от определенных типов объектов могут использоваться один или несколько способов соединения друг с другом: через радиоволны, через микроволны, непосредственно через кабели передачи и т.д. Между OBU (V2V - Vehicle to Vehicle) или между OBU и RSU (V2R – Vehicle to RSU) будут использовать соединение через радиоволны; связь между RSU может быть развернута через кабель передачи в сочетании с радиоволнами; между RSU и вещательными станциями или спутниками (спутниками), подключенными через микроволны.

Рис. 1 – 6-слойная модель блокчейна, развернутая в сети СУГД

 

- слой данных (Data layer): отвечает за обработку данных в заранее определенном формате; в частности, данные передаются, хранятся, обрабатываются блоками (блоками), каждый блок содержит множество техник, в том числе: шифрование с открытым ключом (асимметричное шифрование), алгоритм хеширования, дерево Меркла и т.д. Эти блоки связаны в цепочку блоков (блокчейн) в порядке (через метку времени) формирования блоков. Инкапсуляция и добавление блока в цепочку выполняется на 4-м слое - слое консенсуса с помощью алгоритмов консенсуса, реализованных в системе. Базовая структура каждого блока показана на рисунке 2, в том числе: Раздел заготовка показывает ключевую информацию для связи между блоками, а также для проверки, действителен ли блок (с помощью функции хеширования), данные блока не повреждены или были изменены (через дерево Меркла). В теле блока содержится информация, которая была проверена (с использованием алгоритма консенсуса). Включение корня Меркла (Merkle root) очень важно, поскольку она позволяет быстро, эффективно и безопасно проверить наличие и целостность данных в блоке. А отметка времени (Time stamp) помогает находить и извлекать данные с течением времени. Поскольку сети трафика должны выдерживать постоянные отключения и повторные подключения, блоки должны быть компактными, чтобы передача данных могла осуществляться за короткий период подключения.

- сетевой слой (Network layer) реализует методы и стратегии для пересылки и проверки данных в системе. На этом слое, в зависимости от типа узла (OBU, RSU), способ пересылки и проверки данных устанавливается по-разному, но все же имеет распределенную и одноранговую сеть через соединение P2P (peer to peer). На этом слое также реализованы методы проверки законности отправителя и получателя данных.

- консенсусный слой (Consensus layer) реализует алгоритмы консенсуса в системе в качестве предпосылки для инкапсуляции и добавления блоков в цепочку блоков. Алгоритмом консенсуса является основа взаимного доверия между узлами. Из-за характера транспортной сети, которая требует быстрого ответа, согласованные алгоритмы развертывания должны быть легковесными, требование вычислительной мощности узлов, особенно узлов OBU было небольшое, но все же должна быть гарантирована надежность и безопасность.

- слой обслуживания (Service layer) предназначен в первую очередь для будущего резервирования общей системы ITS (Intelligent Transportation Systems). На этом слое можно реализовать алгоритмы (Algorithms), различные смарт-контракты (Smart contracts) для транзакций каждого конкретного типа приложения, интегрированного в систему. Смарт-контракты представляют собой группу правил, которые проходят самотестирование, выполняются в заранее определенных условиях и хранятся в защищенном виде в блокчейне. Когда предопределенные условия активированы, смарт-контракт автоматически выполняет условия соглашения и предпринимает соответствующие действия без какого-либо управления или вмешательства третьей стороны. Этот слой также может быть развернут не только для поощрения узлов к активному участию в системе, но и в качестве одного из факторов, поддерживающих и проверяющих достоверность данных с помощью алгоритмов консенсуса. Вознаграждение похоже на механизм вознаграждения биткойнов в сети Биткойн. Однако в системе управления городским движением необходимо реализовать механизм для оценки, увеличения или уменьшения уровней доверия узлов через историю поведения этих узлов. Это помогает системе иметь полезные стратегии для быстрого выбора узлов для присоединения к системе с различными ролями.

 

Рис. 2 – Базовая структура каждого блока в сети СУГД

 

- прикладной слой (Application layer) реализует все приложения, которые можно использовать в реальной социальной жизни. Первое приложение — это управляющая организация (Applications of AU). Кроме того, другие приложения также могут быть интегрированы в систему обслуживания для интеллектуальных транспортных систем в целом, например, приложения для совместного использования поездок (Ride sharing), приложения для совместного использования данных (Data sharing), приложения для управления транспортными средствами (Vehicle managements).

Анализ предложенной модели

Предлагаемая нами модель в целом отвечает требованиям задачи управления дорожным движением. Действительно:

- централизованное управление: государственная организация - единственное и высшее агентство, которое управляет RSU, радиовещательными станциями и спутниками. Это основные компоненты, составляющие основу всей инфраструктуры системы. Добавление, удаление, замена, обновление узлов инфраструктуры (RSU, вещательная станция, спутник) или регистрация, отмена подписки пользовательских узлов (OBS) согласованы и сосредоточены из AU. В следующей статье мы изучим и предложим конкретную модель цепочки блоков для управления добавлением и удалением этих узлов.

- постоянное и быстрое обновление: обмен данными между узлами осуществляется только небольшими блоками. Узлы OBU только обмениваются и обрабатывают каждый блок, а узлы инфраструктуры несут ответственность за обработку всей цепочки блоков. Таким образом, самая важная и тяжелая работа выполняется инфраструктурой. Кроме того, использование дерева Merkle на уровне данных упростит проверку целостности блока. Это повысит скорость всей системы, чтобы гарантировать быстрое выполнение запроса на обновление статуса.

- выдерживает постоянные отключения и повторные подключения. В предлагаемой архитектуре на сетевом уровне развернутые техники, методы и стратегии перехода, проверка данных через P2P-соединение помогут системе реагировать на постоянные отключения и повторные подключения.

- безопасность, надежность и доступность инфраструктуры: добавление, удаление, замена и обновление узлов инфраструктуры будут осуществляться в частной цепочке блоков. С вышеупомянутой 6-слоеной архитектурой, в частности, на слое данных с использованием методов шифрования с открытым ключом, алгоритма хеширования и дерева Меркла в сочетании с использованием алгоритмов консенсуса инкапсуляция блоков обеспечит безопасность и надежность данных и быстро проверит целостность данных блока. Кроме того, наиболее важной особенностью технологии блокчейн являются децентрализованные данные, которые гарантируют, что система всегда поддерживается и может быть восстановлена даже с одним узлом, делая систему всегда доступной.

- прослеживаемость: как мы все знаем, сеть блокчейна похожа на бухгалтерскую книгу, в которой регистрируются все транзакции системы. Данные записываются блоками, от начального блока (genesic block) до текущего блока. Следовательно, использование технологии блокчейн для хранения данных всегда обеспечивает отслеживаемость системы.

Заключение

На основе исследования характеристик и свойств технологии блокчейна в сочетании с рассмотрением ранее изученных сетей транспортного соединения, сформулированы общие требования, которые должны быть выполнены для системы управления дорожным движением и предположена модель структуры блокчейна, которая применяется к проблемам управления городским движением в частности, а также к интеллектуальным транспортным системам в целом. Модель станет предпосылкой для развертывания и разработки конкретных приложений. В будущей работе будут продолжены исследования и разработка структуры блокчейна, а также выбран разумный алгоритм консенсуса при добавлении и удалении узлов (OBU, RSU) в системе. Добавление и удаление этих узлов тесно связано с управлением и обеспечением безопасности всей системы. Кроме того, будут исследованы и выбраны оптимальные методы и стратегии пересылки данных, чтобы соответствовать наилучшим характеристикам сети трафика. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Hanshi S. M. Review of geographic forwarding strategies for inter-vehicular communications from mobility and environment perspectives / S. M. Hanshi, T. Wan, M. M. Kadhum et al. // Elsevier -- Vol. 14 - P. 64-79. DOI: 10.1016/j.vehcom.2018.09.005
2. Sharma S. A. Survey on Intrusion Detection Systems and Honeypot based Proactive Security Mechanisms in VANETs and VANET Cloud / S. Sharma, A. Kaul // Elsevier -- Vol. 12 - P. 138-164. DOI: 10.1016/j.vehcom.2018.04.005
3. Leiding B. “Self-managed and Blockchain-based Vehicular Ad-hoc Networks,” / B. Leiding, P. Memarmoshrefi, D. Hogrefe // UbiComp '16: The 2016 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing, Heidelberg, Germany, September 2016 - P. 137–140. DOI: 10.1145/2968219.2971409
4. Blockchain Based Intelligent Vehicle Data sharing Framework [Electronic resource]. – URL: https:// https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1708/1708.09721.pdf (accessed 14.01.2021)
5. Yang X. A. Lightweight authentication scheme for vehicular ad hoc networks based on MSR / X. Yang, X. Yi, I. Khalil et al. // Elsevier -- Vol. 15, P. 16-27. DOI: 10.1016/j.vehcom.2018.11.001
6. Astarita V. A Review of Blockchain-Based Systems in Transportation / V. Astarita, V. P. Giofrè, G. Mirabelli et al. // Information -- Vol. 11 – I. 1. DOI: 10.3390/info11010021