本发明属于车联网交通监控领域，具体涉及一种基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法。
背景技术：
1、在过去的几十年里，汽车数量一直在爆炸性增长，由于车辆数量如此之多，导致了一系列的交通问题，如交通缓慢和堵塞，导致大量的时间和燃料浪费。为了解决这些关键问题，工业界和学术界都非日常关注交通监控。收集车辆速度信息和道路安全信息实现交通监控，避免车辆拥堵的有效方法。车辆自组织网络(vanets)被认为是交通管理中最有前途的方法之一。
2、车辆自组织网络是将移动自组网(manets)的原理应用于车辆领域而形成的。vanet是移动和静态车辆节点的结合。它允许车辆在网络内共享与道路事件和交通相关的信息，例如道路事故、交通拥堵施工通知等，旨在确保驾驶安全和效率。在vanet中，安装有车载单元(obu)的车辆可以通过车辆对基础设施通信(v2i)和车辆和车辆通信(v2v)向路边单元(rsu)共享交通信息，在vanet中，v2i和v2v都遵循专用的短程专用通信(dsrc)协议，即使在车辆高速行驶时，也支持短距离(通常在几米内)的数据交换。通过收集和分析这些实时信息(如交通信息、天气状况和道路状况)，车辆可以轻易的获取不同地点的交通状况和交通安全，从而可以帮助驾驶人员能够实时获取最佳路线，进而节省燃料，避免拥堵或事故，此外交通控制中心也可以根据这些信息及时采取行动(如避碰、智能路由或交通照明)。
3、区块链最初由中本聪(satoshi nakamoto)提出，区块链技术是以去中心化的方式解决可信交互的强大工具。它本质上是一个去中心化的分布式数据库,以块的形式存储数据。这些区块通过哈希的方式按时间顺序串在一起,形成一条不可篡改的链,并将该链共享且分发给所有参与实体。它的核心优势是去中心化，可以在节点之间不需要相互信任的分布式系统中，实现基于去中心化信用的点对点交易、协调和协作。它采用了数据加密、时间戳、分布式共识、经济激励等多种手段。
4、区块链1.0版本主要是分布式账本，区块链2.0版本出现了智能合约。目前比较热门的区块链系统有以太坊、超级账本等。智能合约是上世纪90年代由尼克萨博提出的理念，发表在负嫡学会(extropy institute)网站上，几乎与互联网同龄。智能合约定义为：一段由事件驱动的、具有状态的、运行在一个复制的、分享的账本之上的、且能够保管账本上资产的程序。
5、在ct-rsa'15中，castagnos和laguillaumie提出了一种无信任设置的加性同态加密，称为cl加密。cl加密基于一个特殊的未知阶群g，其中包含一个子群f，其中离散对数(dl)问题可以在多项式时间内解决。这个特殊的群g被称为hsm群，因为困难子群假设在它上面成立。cl加密是一种类似elgamal的密码系统，它支持对密文进行加减运算。不需要同以往的paillier加密算法一样，需要可信第三方产生两个大素数。同时cl的密文大小更小，通讯带宽更小，使得效率更高。
6、vanet可以提高交通效率，降低交通堵塞和事故的风险，因为它允许车辆之间共享重要的交通驾驶信息。然而，vanet的移动性、有限的资源和数据公开等特点可能会在实际应用中产生各种问题。其中，信任和隐私问题是很重要的方面，特别是当恶意车辆存在于vanet中时。恶意车辆不仅可以监控网络上的所有消息来跟踪其他车辆，还可以伪造一些重要数据来欺骗其他车辆，而车辆的隐私信息应该只能对可信的权威机构可见，任何的第三方观察者都不能侵犯驾驶员的隐私。在极端情况下，这些伪造的交通信息可能会导致驾乘人员受伤甚至死亡。因此，未解决的信任和隐私问题可能会给交通安全带来巨大的潜在风险。
7、现有的传统方案都遵循标准的集中式模式，高度依赖于集中式服务器，这种模式的容错率很低。车辆、rsu等参与者都要与中央服务器通信，而这种模式很容易成为攻击者的目标，一旦出现单点故障，将会带来严重的后果。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，以使车辆能够在不泄露隐私信息的情况下共享交通信息，供其他驾驶员根据路况选择合适线路。利用区块链的智能合约去中心化和防篡改特性实现身份认证和激励机制，代替了集中服务器，防止集中攻击。
2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
3、本发明是一种基于区块链和cl加密的的交通监控方法，基于区块链，用定义良好的超递增序列和同态cl加密技术，来实现隐私保护的速度聚合和有效的交通监控，利用区块链去中心化、不可篡改的特性，确保车辆和rsu信息的安全与完整。同时计算车辆的假名和公钥，上传到部署在区块链上的智能合约维护车辆公钥表(vpkt)，辅助隐私保护认证，保证在没有集中第三方的情况下可靠的验证车辆传输的消息，提高认证效率，同时也能降低恶意方干预的概率，节省信任成本，增强了车辆信息的安全性。同时提供激励措施，每个车辆对应自己的信誉值，诚实的发送交通信息会有对应的奖励，恶意发送错误消息，则会追责，进行相应的惩罚，鼓励车辆诚实的共享交通信息。本发明的加密方案基于cl同态加密技术，实现有条件的隐私保护，在不解密的情况下进行运算，更好地保护数据和信息的安全，同时cl同态加密具有通信量小的优点，通信代价小，能够实现延迟较小的通信。
4、具体包括如下步骤：
5、s1、初始化阶段：由服务提供商sp初始化系统，完成车辆和rsu注册、生成cl加密方案和bls签名等公共参数，作为公开值在参与者之间传递共享，并搭建区块链网络，将车辆和rsu的id和公钥上传到链上保存，同时将加载车辆公钥表和车辆信誉表的智能合约部署在区块链上；
6、s2、速度请求阶段：rsu向其覆盖范围内的车辆广播速度请求，请求包含rsu的id，时间戳ts，时间范围tr和签名；
7、s3、速度及事故报告阶段：车辆接收到rsu的请求，首先验证签名是否有效，有效则为其提供速度报告随后将速度报告使用cl加密方案加密为cj1，cj2，同时使用自己的密钥对密文进行签名，之后将速度报告发送给rsu；同时，若车辆在行驶过程中发现事故等其他信息，将额外生成报告发送给rsu；
8、s4、速度聚合及事故验证阶段：rsu收到车辆发送的速度和事故报告，通过检查车辆的签名验证报告的合法性，验证通过则计算速度报告的聚合结果，并使用自己的密钥对聚合结果进行签名，然后将聚合的加密报告以及事故信息发送给sp；同时对诚实车辆的信誉值进行奖励，对报告错误信息的车辆进行惩罚；
9、s5、安全报告分解阶段：sp收到聚合报告后，首先通过检查签名结果验证报告，验证通过后使用背包分解算法恢复聚合结果，随后将路广播段信息，车辆根据路况选择最佳路线；
10、s6：虚拟编号更新阶段：车辆每过t时刻向智能合约申请更换车辆虚拟编号，智能合约计算出虚拟编号发送给车辆，并将更新结果存储到区块链中。
11、进一步的，s1所述的初始化阶段的具体步骤为：
12、s1-1、计算cl加密方案的hsm群和公私钥；
13、s1-1-1、sp以一个安全参数1λ和一个素数q作为输入，hsm群生成算法gen输出其中是阶的有限阿贝尔群，是λ的函数，它与q互质；表示的上限；(f,·)是的唯一循环子群，阶数为q，生成元为f；群gq定义为{xq,x∈g}，是g的阶s的子群，生成元为gq；(g,·)也是的子群，阶数为q·s，其中g可以定义为g＝gq×f，g＝f·gq是g的生成元；
14、s1-1-2、参数生成后，定义，∈d为统计距离；
15、s1-1-3、密钥生成算法随机选择私钥计算公钥输出密钥对(pk，sk)；
16、s1-2、生成bls签名参数；
17、s1-2-1、选择g1,gt为乘法群，p为g1的生成元，选择安全哈希函数h:{0,1}*--->g1，生成公共参数(g1,gt,p,h,e)；
18、s1-3、车辆和rsu注册；
19、s1-3-1、sp将车辆和rsu真实id上链保存，sp根据车辆的真实idi，随机选择秘密值ski为车辆私钥，计算公钥vpk＝ski·p，然后计算盲身份通过保密交易将(aid,vpk)上传到智能合约中；对于真实id为idr的rsu，选择随机数xr为私钥，计算公钥为yr＝xrp；
20、s1-3-2、sp将车辆和rsu的真实id号码和公钥上链保存；
21、s1-3-3、完成上述过程，sp发送{(p,g1,gt,e,h),pk,(aid,vid,ski),(idr,yr)}->车辆，{pk,idr,xr,yr}->rsu；同时定义超递增序列ai表示第i个路段,使得其中j＝2,3,…,m，m表示最大路段数，路段车辆最大不超过q，最大车速小于v。
22、进一步的，s2所述的速度请求阶段具体步骤为：
23、s2-1、rsu首先生成速度请求，请求中包括rsu的id、当前时间戳ts、时间范围tr以及签名σr＝xrh(idr||ts||tr)；
24、s2-2、rsu将速度请求生成后，向其通讯覆盖范围内的车辆广播速度请求rr＝idr||ts||tr||σr。
25、进一步的，s3所述的速度及事故报告阶段具体步骤为：
26、s3-1、验证签名；
27、s3-1-1车辆收到rsu的速度请求后，首先验证e(p,σr)是否等于e(yr,h(idr||ts||tr))，验证成立则进行下一步生成速度报告；
28、s3-2、生成速度报告；
29、s3-2-1、速度报告的形式为可以由以下计算得出：
30、
31、其中vi(j)表示车辆vj通过路段i的平均速度；
32、s3-2-2、车辆选择两个随机数将速度报告使用cl加密方案计算密文并且计算γ←cl.enc(aid)然后车辆vj对加密报告进行签名σj＝shjh(γ||cj1||cj2||ts)，最后，车辆vj向rsu发送速度报告{rj＝γ||cj1||cj2||ts||σj,γ}；
33、s3-3、生成车辆事故等其他道路信息；
34、s3-3-1、发起车辆vi发现道路发生车祸或其他道路信息msg后，对消息进行签名σi＝skih(γi||msg||ts)，γi←cl.enc(aidi)，车辆生成数据包{ri＝ski||γi||msg||ts||σi,msg,γi,t}，t表示同意该报告的阈值。邀请其他目击者来认证该报告；
35、s3-4、目击车辆认证报告；
36、s3-4-1、目击车辆收到数据包后，首先检查报告的时效性，如果是有效的则向区块链管理者发起一个带有γi的交易，否则拒绝该消息；
37、s3-4-2、区块链管理者调用算法，将其解密aidi←cl.enc(γi)，进一步搜索vpkt表中由aidi识别的vpk或err；
38、s3-4-3、目击车辆通过查询到的vpk验证签名，通过则进行报告认证，否则则拒绝此消息；
39、s3-4-4、目击车辆对消息生成认定结果并计算签名将结果报告返回发起车辆；
40、s3-5、发起车辆将发送事故信息以及聚合认证签名；
41、s3-5-1、发起车辆收到t个返回报告后，将msg加密并计算签名σi＝skih(γi||gi||ts)，将数据包发送给rsu。
42、进一步的，s4所述的速度聚合及事故验证阶段具体步骤为:
43、s4.1、速度聚合；
44、s4.2、事故验证；
45、s4.3、奖励与惩罚；
46、s4.1速度聚合具体包括：
47、s4-1-1、rsu收到车辆发送的报告，首先检查报告的时效性，如果是有效的则向区块链管理者发起一个带有γ的交易，否则拒绝该消息；
48、s4-1-2、rsu通过区块链管理者返回查询结果，验证签名e(vpk,h(γ||cj1||cj2||ts))是否等于e(p,σj)；由于bls签名具有签名聚合的特性，因此rsu可以批量验证签名n表示每个路段通过的车辆数量；成立则接收，否则拒绝此报告；
49、s4-1-3、检查报告的有效性后，rsu以保护隐私的方式进行报告聚合；
50、s4-1-4、根据每个车辆发送的速度报告和计算出聚合密文：
51、
52、
53、s4-1-5、rsu对聚合报告签名σr＝xrh(idr||c1||c2||ts)，将聚合加密的数据idr||c1||c2||σr给sp；
54、s4.2事故验证具体包括：
55、s4-2-1、rsu收到事故信息报告后，首先检查报告时效性，随后通过查询车辆公钥表验证聚合签名，若同意发起者报告的目击者数量超过t，则接收此报告；
56、s4-2-2、rsu对事故报告签名σr＝xrh(idr||ci||ts)，将消息idr||ci||σr发送给sp；
57、s4.3奖励与惩罚具体包括：
58、s4-3-1、rsu验证车辆发送的速度报告后，rsu会为车辆生成信誉值，诚实车辆信誉值增加5分，将智能合约的车辆信誉表中信誉值更新，sp会随机抽查车辆报告是否与其他车辆汇总的报告相同，若不同，则会认定其为恶意车辆，将其信誉值减少20。若持续发送错误报告，信誉值低于10，则将车辆在vanet网络中注销，不会在接收到共享消息；
59、s4-3-2、rsu收到发起车辆发送的数据包，其中包括目击者的签名。多个车辆可以发起同一事件；然而，第一个发起者将被视为获胜者。车辆被邀请签署活动的有效性，以换取奖励；若报告为真，则为发起者发放奖励，签署报告的目击者也会得到相应的奖励。
60、进一步的，s5所述的安全报告分解具体步骤为：
61、s5-1、sp收到聚合报告后，sp首先检查e(p,σr)是否等于e(yr,h(idr||c1||c2||σr))，验证通过才继续恢复聚合报告密文结果；
62、s5-2、sp使用私钥解密聚合报告，可以获得解密后的聚合速度信息：
63、
64、
65、s5-3、调用算法来恢复聚合路径和聚合速度；
66、s5-3-1、算法将m1，m2和作为输入；
67、s5-3-2、设
68、s5-3-3、对于i＝m,m-1,…,2执行
69、其中
70、s5-3-4、执行完上述算法步骤，最终返回
71、s5-4、计算了所有路段的聚合路线和速度后，即(l1,l2,…,lm)和(ls1,ls2,…,lsm),每个路段的平均速度为最后sp广播速度信息，车辆根据速度信息选择最优路线。
72、和现有技术相比，本发明的有益效果是：
73、第一，本发明能够在消除对集中第三方的信任和依赖，防止单点故障。在vanet中，利用区块链的去中心化和不可篡改性等特点，代替集中第三方服务，实现去中心化。这意味着没有单一实体控制或监管所以交互，从而减少对单个中心化机构的信任依赖，增加了系统的鲁棒性。
74、第二，本发明能够在保护隐私的情况下进行身份验证。在vanet中，车辆使用假名来隐藏真实身份，接收方使用区块链技术自动化验证车辆信息，确保了数据的安全性，车辆的信息不易被篡改或泄露，并且接收方也不能观控到真实身份。
75、第三，本发明提供了激励措施，通过区块链和智能合约奖励车辆，可以鼓励车辆遵守规则和提供准确消息，阻止恶意车辆发送虚假消息，促进交通的安全和高效。
76、第四，本发明的加密方案基于cl同态加密技术，利用cl同态加密技术，实现有条件的隐私保护，在不解密的情况下进行运算，更好地保护数据和信息的安全；同时cl加密具有通信量小，密文更短的优点，通信代价小，能够实现延迟较小的认证。
1.一种基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤1初始化阶段过程包括如下步骤：
3.根据权利要求1所述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤2速度请求阶段包括如下步骤：
4.根据权利要求1所述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤3速度及事故报告阶段包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤4速度聚合及事故验证阶段具体包括如下步骤：
6.根据权利要求5述一种基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤s4.1速度聚合具体包括：
7.根据权利要求5述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤s4.2事故验证具体包括：
8.根据权利要求5述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤s4.3奖励与惩罚具体包括：
9.根据权利要求1所述基于区块链和cl同态加密的隐私保护交通监控方法，其特征在于：所述步骤5安全报告分解具体包括如下步骤：
