基于区块链的智能城市交通网络——B-DRIVE研究与应用

区块链：研究与应用2（2021）100033B-DRIVE：基于区块链的分布式物联网网络，用于智能城市交通穆罕默德·齐亚海德堡大学地理研究所地理信息科学系主任，海德堡，69120，德国A R T I C L E I N F O关键词：区块链开放数据城市交通物联网车辆导航A B S T R A C T在本文中，我介绍了B-DRIVE-一个基于区块链的分布式物联网（物联网）网络，用于智能城市交通。该网络旨在将安装在各种车辆和路边基础设施上的大量物联网设备连接到称为全节点的分布式数据存储中心，以记录和传播传感器生成的数据。 它将来自城市各地的设备连接到多个全节点，将带有时间戳的数据记录到区块链中。这些传感器从GPS（全球定位系统），空气质量计，陀螺仪到速度摄像头，以促进有效的城市交通。构成网络的三个确定的硬件层是物联网层，存储层和用户层。它们分别由移动/静态节点、全节点和智能设备组成移动/静态节点主要分别由移动车辆和路边基础设施组成，因此充当各种数据源。而全节点和智能设备是机构和移动电话，分别充当数据处理器/传播器和导航器/数据可视化器。Full-Nodes接收的数据或数据块被附加到Full和Running-Blockchain中，用于特定目的。该网络旨在免受任何区块采矿活动的影响。它为最终用户，特别是科学家，政策制定者和企业家提供了对匿名传感器数据的开放访问，以开发创新的城市交通解决方案。人们相信，像B-DRIVE这样的系统，以及现有的VANESTO（车辆自组织网络），能够解决当前围绕交通拥堵，导航和车辆停车的一些城市交通问题。区块链数据的其他应用可能会有所不同，从用户活动映射到VGI（自愿地理信息）数据质量评估。所提出的架构的两个确定的限制1. 介绍随着全球城市人口预计从49亿增长到从2014年到2050年，全球将有74亿人使用智能城市交通解决方案。预计近90%的增长将发生在发展中国家，主要来自亚洲和非洲[1]。据估计，到2050年，世界上将有大约20亿 智慧城市解决方案是指利用信息和通信技术（ICT）优化城市功能并推动经济增长，主要是通过使用新兴的自动化，机器学习和物联网（IoT）1。里昂[3]将智能城市交通定义为使用技术来生成和共享数据、信息和知识，以促进改善车辆、基础设施和服务的决策。当今大都市面临的最大威胁之一是交通拥堵。随着街道上每增加一辆新车，市民和城市当局都面临着新的挑战，需要找到有效的通勤方式，而现有的解决方案有限[4]。交通拥堵通过增加道路上的燃料和时间消耗以及降低公共健康，对国家的经济和公民的生活质量产生直接影响2012年，《保护美国未来能源》的一份报告估计，仅在美国，缩写：B-DRIVE，基于区块链的分布式物联网车辆网络; Block-VN，块车辆网络; GIS，地理信息系统; H2 C，人对计算机; H2 H，人对人; IoT，物联网;V2 I，车辆到基础设施; V2 V，车辆到车辆; VANET，车辆自组织网络; VGI，分布式地理信息。电子邮件地址：gmail.com。1http://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/smart-city。https://doi.org/10.1016/j.bcra.2021.100033接收日期：2021年5月17日;接收日期：2021年10月29日;接受日期：2021年11月9日2096-7209/©2021作者。出版社：Elsevier B.V.代表浙江大学出版社。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表区块链：研究与应用杂志主页：www.journals.elsevier.com/blockchain-research-and-applicationsM. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000332¼2010年约为71.9亿升[5]。人们普遍认为，城市中近30%的交通是由寻找合适停车位的车辆组成的[6]。许多私人公司，如谷歌，HERE，MapboX等，表1集中式网络与B-DRIVE网络在智能城市交通集中式网络B-DRIVE网络因此，我们正积极寻求创新方法，以改善市民的日常交通。然而，为了抓住早期采用者并通过利用现有城市基础设施的力量迅速扩大业务，他们通常会将发展中国家和欠发达国家抛在后面。目前，城市交通领域的运营私人供应商从智能手持和物联网设备收集全球数百万遥测数据，以生成世界各地区的每日交通地图[7]。这些地图的好处是为最终用户提供现成的服务，如最短和最快的路由服务等。然而，缺点是，有限的其他服务。对收集的数据的部分和受限访问使(a) 使用假名和数据加密隐藏用户身份的技术然而，不同供应商和用户之间缺乏信任是一个安全威胁。(b) 政策在任何时候都有可能发生变化(c) 提供单点故障或攻击。(a) 使用加密哈希函数以加密块方式存储的数据解密是不可能的，因为它是一种单向数学。(b) 由于政府的标准化和数据的分布式特性，政策更加稳定。(c) 没有单点故障或攻击，因为数据分布在完整节点和用户节点中。政府IT人员和开源开发人员很难设计(d) 对公众数据的有限控制（d）对参与方数据的高度控制结并为特定用例开发自定义解决方案3，4，5.这些供应商的应用程序编程接口（API）声称是为解决方案开发人员提供的，通常在数据预处理之后提供对数据集的有限访问[8]。这些过程从数据聚合、数据(e) 用户需要购买供应商的服务才能使用它。(f) 限制数据集的访问，以改进VGI项目。(e) 很少或没有参与成本。(f) 数据集的高访问权限，以改进VGI矢量图块或其他开源项目。裁剪、元数据更改以降低数据分辨率。人们认为，对数据集进行许可会限制创新，这被称为反公地悲剧。目前，公众需要为智能城市解决方案生成地理数据这一理念的一个经典例子是OpenStreetMap6。这是一个强有力的概念证明，因为目前有300多个正在运营的项目利用了它的力量。开源思想家认为，公共数据和知识是公共财产，只要公民的匿名性完好无损，它们就不应该被留在任何条款条件下&人机交互（H2C）本身在交通地图的遥测数据生成中不起任何直接作用。相反，它是由智能和支持GPS（全球定位系统）的物联网设备自动生成的。物联网只是具有互联网连接的嵌入式设备7。它们允许通过互联网服务提供商（ISP）8交换数据包。 当与GPS连接时，它们作为智能设备生成经度-纬度数据，可通过互联网访问。关于物联网目前被用作遥测和地理数据的主要来源的详细技术规范超出了本介绍的范围[9]，但是，一些突出的特征是（a）自主工作，（b）低运营成本（除非通过GSM连接），（c）低物理空间，以及（d）低功耗。这些设备在全球范围内的两个主要限制是缺乏数据交换标准和缺乏数据安全的网络层[10]。另一方面，智能设备由于其“手持”性质而不能提供有效的传感器数据源一旦设备的所有者离开车辆，其数据就与城市交通无关。由于用户直接与这些设备交互，因此他们通常会关闭传感器以节省电力。为了进行有效的运输作业，如车辆路线、交通监控、应急响应、道路援助等，研究人员已经围绕无线技术开发了各种动态车辆间网络，称为车辆自组织网络9（VANET）[11]。研究人员开发了一个用于智能交通的车辆数据云平台[12]。这些网络提供智能2https://archives.sfexaminer.com/sanfrancisco/Content?编号2580026。3https://www.mapboX.com/vector-tiles/mapboX-traf fic-v1.4https://tech.yandex.com.tr/maps/doc/staticapi/1。X/dg/concepts/traffic-docpage.5https://developers.google.com/maps/documentation/javascript/examples/layer-traffic.6https://en.wikipedia.org/wiki/OpenStreetMap。7https://www.codeproject.com/articles/832492/Stage-introduction-to-the-internet-of-things-who。8https://www.computerhope.com/issues/ch001358.htm网站。9https://en.wikipedia.org/wiki/Vehicular_ad_hoc_network。通过整合自组织网络、蜂窝网络和无线局域网（LAN）技术，实现了智能交通系统（ITS）。它们最初是由汽车制造商、交通当局等设计的，支持车对车（V2V）和车对路边基础设施（V2I）通信，使用称为专用短程通信（DSRC）的协议[13]。任何能够通过充当路由器转发地理数据的移动终端都可以充当这些网络中的一个参与节点[14]。VAN的几个应用是（a）在自动或半自动汽车开发电子制动系统，（b）促进附近车辆的串联运动，（c）为车辆的卫星导航系统生成交通地图，（d）支持快速紧急救援行动等。 虽然这似乎是当前城市交通需求的理想智能解决方案，但它受到缺乏传感器生成数据的存储层的限制。 数据通常在360 MHz内实时传输到所有侦听节点，即，车辆和路边基础设施，但不以任何系统的方式记录 有些数据确实会被存储，但会存储在集中式服务器上，如运输或吊销机构。 对于中间人攻击（MITM），它提供了单点故障[15]。这也限制了公众对有价值的时间戳传感器数据的访问。Pearson [16]指出了这些网络的安全威胁。我们认为，为了解决由于缺乏存储层和无线通信而导致的VANET网络的一些局限性，可以开发基于物联网的区块链系统。 到目前为止，区块链概念已被证明是由Ref创建的一种颠覆性技术。[17]在开发了一个名为比特币的点对点电子现金系统之后。由于最初的用户被视为金融行业，该概念和随后开发的技术已在广泛的领域中得到应用它具有破坏性，因为它通过维护和保护分布式事件分类账来否定任何集中式系统的需求当事件以加密块的形式存储在分类账中时，分类账被称为区块链。区块链系统在参与节点上运行，每个节点都包含它的精确副本，并通过区块挖掘进行验证。 该系统在共识基础上运行，需要51%的攻击来破坏任何更改[18]。Conoscenti等人[19]在科学文献中确定了18个区块链用例，其中4个是明确为物联网设计的如表1所述，将该技术与物联网设备一起用于城市交通的一些关键优势是：（a）数据传输和问责制-保存并公开验证记录的数据，（b）数据不变性-通过唯一的哈希指纹打印保护数据，（c）非常低或没有数据交换成本-参与网络的节点只需很少或无需支付费用，（d）即时数据记录-立即将数据记录到区块链中，（e）数据安全性-由于使用高级加密哈希函数，如SHA-256，因此具有高数据安全性和匿名性M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000333图1.一、 2017年全球四大IT服务供应商的国家/地区流量覆盖图。作为参与节点，控制和访问公众的数据，（h）在不知道或信任其他节点的情况下进行系统无信任安全的数据交换。区块链技术的详细技术解释和工作原理超出了本文献的范围，但是，可以在参考文献中找到见解。[17、20]。在这项研究中，我们提出了一个基于区块链的分布式物联网网络（B-DRIVE）架构来回答VANET的一些开放性问题，如参考文献1所讨论的[21 ]第20段。像在Refs一样工作 [22-24]还支持在VANESTO域上使用商业和学术区块链的想法。这些问题主要围绕数据融合、架构可扩展性、服务成本和未来流量估计。这种使能架构完全分布在参与节点、全节点和用户节点之间（第3.1.3、3.1.4节）。数据，如纬度、空气质量、角速度（陀螺仪）、时间戳等，移动和静态节点（第3.1.1节，第3.1.2节）上的物联网传感器生成的数据以加密块的形式记录到城市的全区块链中（第3.2.1节）。运行区块链（第3.2.2节）大小的上限取决于用户节点处智能设备的存储容量 此限制由B-DRIVE的网络规格定义。运行中的区块链仅包含城市级别的所有生成的最新区块的一部分，这取决于用户节点的地理位置和存储容量。全区块链由运输机构、私人供应商、科学家、政策制定者和企业家等机构管理和保持运作，称为全节点。另一方面，Running-Blockchain在终端用户的智能设备上运行，称为User-Node。根据城市中通勤者的数量，一个或多个Running-Blockchain并行运行，以保持设备的存储和计算上限。给定区域中的所有用户节点与同一个全节点或彼此通信，以维护最新版本的Running-Blockchain。不同的全节点还定期相互通信以进行同步2. 为什么选择B-DRIVE？私人供应商，如谷歌地图10，HERE交通地图11，Yandex地图12，INRIX等，声称提供实时和预测交通地图以及世界主要城市城市交通的其他增值服务，在以下方面对科学家，政策制定者和企业家构成了固有的障碍：（a）有限的数据访问，（b）全球覆盖率低，（c）数据质量低，以及（d）有偏见的交通解决方案。 图 1是四家IT巨头的交通覆盖图，即， Google 13、HERE 14、Yandex和INRIX 15。尽管GoogleTraffic已经发展了十多年，但亚洲和非洲的许多地区仍然没有覆盖。其他人也可以这么说请注意，只有印度的主要城市被谷歌覆盖，与他们声称的全国覆盖相反。 这些供应商从智能用户设备和选定车辆上安装的物联网设备收集遥测数据。对于静态数据，它们通常依赖于公共生成的地理数据17，如Open-StreetMap18。可以说，匿名收集公共生成的地理数据（包括静态的OpenStreetMap和动态的遥测数据），但不允许人们完整和开放地访问这些数据，以鼓励开发基于这些数据的创新解决方案，是不道德在线服务提供商以集中或分散的方式工作（图1）。 2）。 他们在一个或几个分布式服务器上收集、索引、处理和管理遥测数据（图中的实心圆）。2）。一些先进的机构甚至以混合方式工作，通过利用所有参与节点的计算和存储能力来开发车辆云网络[12]（图中的空心圆圈）。 2）。这些机构对用户的凭证/活动进行完整跟踪，因此具有安全威胁[21]。 尽管使用了别名和数据加密方法来存储这些数据，但它们的集中式存储模型更新城市的全区块链 新增用户节点同步与最近的用户节点或运行区块链的全节点进行节点化移动和静态-节点用作遥测数据源，而不是存储点。安全的加密哈希函数，如SHA-256，可以隐藏源节点的身份，防止任何身份泄露。但是，其他数据对于用户节点和完整节点仍然是开放的。 我相信，像B-DRIVE这样的系统，加上现有的VANESCO，是对当前智能城市交通需求的回答。正文的其余部分组织如下：为什么是B-DRIVE？ B-DRIVE架构设计; B-DRIVE应用; B-DRIVE攻击和限制;以及结论。10https://www.google.com.tr/maps。11https：//wego.here.com/traf fic。12https://yandex.com/maps。13https://developers.google.com/maps/coverage。14https://developer.here.com/documentation/traffic/topics/coverage- information.html。15http：//inrix.com/resources/inrix-traffic-brochure。16https：//googleblog.blogspot.com.tr/2007/02/stuck-in-traf fic.html。17https://yandex.com/company/technologies/traffic_jams_technology。18https://en.wikipedia.org/wiki/OpenStreetMap。M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000334图二. 不同类型的网络架构。请注意，在生产环境中实际上不存在100%集中式或分布式网络。图三. 城市交通服务提供商工作模式示意图。参与机构和公众之间缺乏信任，总是会引起对公共安全的担忧19[21，25]。Jaworski等人 [26]认为，对于基于位置的服务，必须实施隐私方案。由于任何集中或分散的数据存储模型都由一个单一的实体控制，因此很难实现安全、公正的智能城市交通基础设施。图图3显示了典型的交通解决方案服务提供商的功能，以及不同的数据源和组件。 来自智能和物联网设备的遥测数据实时记录到不同的物理或云存储中心。他们将此提要与该地区的其他矢量和栅格数据集合并，以生成交通地图和模型。用户连接到他们的API、移动应用程序、网络地图等。 在街道上导航或创建其他移动服务。 应当指出，这些供应商的遥测和矢量数据主要来自于路上的通勤者和志愿地理信息（VGI）贡献者。因此，这些供应商主要提供一个平台来连接不同的数据源，记录它们，并构建将产品传播给公众的方法。所呈现的B-DRIVE网络以分布式方式在城市内构建，其中没有一个实体负责记录和控制公共生成的遥测传感器数据（图11）。 2）。 过去的研究人员已经通过创造位置证明21的概念，论证了区块链技术对地理空间20数据存储点的可用性。物联网传感器生成的数据至少存储在两个完整的19http://www.informationisbeautiful.net/visualizations/worlds-biggest-data-breaches-hacks.20https://www.geospatialworld.net/article/blockchain-geospatial-systems。21https://blog.foam.space/introducing-the-foam-protocol-2598d2f71417。结这确保了数据在网络上的分布然而，访问全市范围的可操作物联网传感器需要来自政府机构（如城市交通或撤销机构）的新添加的全节点的法律许可。这增加了一个额外的网络安全层。 B-DRIVE的概念类似于Block-VN，由Ref. [27]，然而，在数据格式和V2V和V2I通信方面，它通过规避任何矿机节点的需要并通过添加不同的硬件层和节点作为网络组件来进一步扩展它。表1列出了集中式网络与B-DRIVE网络之间的主要区别 所谓集中式，我们指的是集中式和分散式。3. B-DRIVE建筑设计由于各参与部件的技术限制，提出的B-DRIVE体系结构分为三个硬件层。这些是（a）物联网层，（b）存储层和（c）用户层（图1）。4）。物联网层由大量物联网设备组成，这些设备定期生成传感器数据。这些数据通过ISP网桥传播到所有注册的全节点。此层中的每个设备连接到堆栈中的至少两个全节点这是为了保持数据分布在不同的地理位置，而不是将数据所有权赋予一个实体。大多数设备，即，该层的移动车辆通过GSM连接连接到网络，其中一些，即，路边基础设施，通过局域网连接。存储层由负责收集和记录新生成的传感器数据的所有注册实体组成。实体参与这一层的网络需要城市交通或吊销部门的合法许可。该部门将所有运营物联网的一小部分分配给它。有货币M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000335图四、B-DRIVE架构中的不同硬件层和节点类型。在现实生活场景中，单个车辆可以承载多个节点类型。以数字代币、税收放松等形式的激励措施 供组织或个人参与这一层。 数字代币可以通过加密货币的概念来理解[18]，但是，它不应该与完整或运行区块链混淆。最后，用户层由普通公众和道路通勤者组成，他们试图找到或开发在城市中导航的最佳方式，特别是在高峰时段。用户层的节点直接连接到最近的存储层，称为主节点（图1）。 4）在存储点发布所有新生成的物联网数据时，立即对其进行同步。然而，它不会存储超过一定程度的旧数据，这主要是为了保持智能设备的运行。连接到这些主节点的其他节点，称为三级节点，通过对等协议接收数据（图11）。 4）。如果用户层中的实体与物联网层中的实体在一辆车上操作，则这两个实体重叠在B-DRIVE体系结构中，节点连接性是其地理分离的函数。默认情况下，只有彼此靠近的节点才会连接，以保持对等的低延迟通信。3.1. B-DRIVE节点类型B-DRIVE架构的三个硬件层由四种不同类型的节点组成。移动节点和静态节点属于物联网层，全节点属于存储层，用户节点属于用户层（图1）。4）。它们的定义、在网络中的具体作用和显著特征将在随后的章节中进一步解释3.1.1. 移动节点移动节点是指车辆上连接GPS传感器的物联网设备。此节点的作用是定期为全节点生成传感器数据块。这些区块最终会被记录到全区块链中。块生成的速率取决于车辆的类型和一天中的时间。通常，在营业日的工作时间内，特别是在交通繁忙的早上和晚上，这段时间保持较短这个节点的功能的详细说明进入了城市交通部门定义的B-DRIVE协议。不同移动节点的块生成的最佳速率对于可扩展性至关重要人们认为，每分钟一个块是网络部署的最佳起始速率，并且应该根据参与节点的数量进行调整。生成的块帮助其他附近的用户节点响应某些事件，如突然的道路堵塞，事故，接近救护车等，然而，与VANET不同，由于GSM连接和全节点，一些网络延迟是可能。该块可以被附近的所有用户节点访问，而没有任何数据处理延迟。移动节点的身份在离开网关之前在IoT层被加密或忽略。来自静态节点的湿度和空气质量传感器数据的样本块可能如下所示：加密节点ID：y6543tyr454g42g54t5fq4rgf3542t5时间戳（unix格式）：1234242342速度（震级和方位角）：20.23，232.34经纬度（WGS 84）：23.43，-34.23节点状态：状态（如果所有传感器都工作）-是紧急情况（如果节点处于紧急状态，如救护车）-大型（承载此节点的车辆类型）-重型车辆3.1.2. 静态节点所有支持IoT的路边基础设施都属于此节点类别。它们主要是测速摄像头、交通灯、天气传感器、临时道路维修站点等，为导航和其他目的提供有关街道状况的额外信息这些节点生成的块包含污染、能见度、道路状况和其他杂项因素的传感器数据包含城市中所有可操作静态节点的地理位置的目录城市交通部门负责安装和维护。它们通过LAN连接连接到各自的全节点。块生成的速率、节点的状态（工作或暂停）等可由城市交通部门的网络管理员改变。来自此节点的传感器数据的样本块如下所示加密节点ID：y6543tyr454g42g54t5fq4rgf3542t5时间戳（unix格式）：1234242342节点状态状态（如果所有传感器都在工作）-是湿度（百分比）-76空气质量（ppm）-2.53.1.3. 全节点所有全节点都由物理服务器组成，负责收集和记录城市内物联网生成的区块他们主要是城市交通部门，车辆撤销机构，私人供应商，科学家，政策制定者和企业家等。除了数据记录，全节点还开发网络协议并确保其工作。来自IoT层的所有移动和静态节点城市交通部门负责将物联网设备分配给不同的参与全节点。这是为了保持不同全节点上的传入数据流量较低，并保持适当的负载平衡。请注意，与静态节点不同，移动节点会随时间改变其位置，因此在任何给定时间点至少连接到两个最近的全节点它们在城市中的地理位置对于M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000336图五、 块随时间从主节点到第三节点的传播（图 4）在B-DRIVE网络中。该图显示在任何给定时间主节点到达的第三级节点的百分比保持数据传输的低延迟它们按时间顺序生成、维护和存储所有生成块的完整历史，尽管只直接连接到其中的一小部分用户节点连接到最近的全节点，用于全区块链或运行区块链。私人供应商和公民科学家参与这一层的激励措施是数字令牌，广告，大数据档案，税收放松等，城市中的这些节点定期相互通信以更新任何缺失的块。超过几周的块被聚集在一个层次更高的Merkle树中，并存储在一个优化的数据结构中。成为这样一个节点需要法律程序和正式许可。3.1.4. User-node日常通勤者和拥有连接到B-DRIVE网络的智能设备的公众属于这一类。他们接收并存储来自其地理通勤区域的最新物联网数据块（最近生成的块，比如说在过去24小时内）这些最新区块的区块链，特定于一个地区，被称为运行区块链。它们连接到最近的全节点或其他用户节点来接收它。有两种类型的用户节点：（a）主节点-直接连接到全节点的节点和（b）第三节点-通过主节点连接到全节点的节点（图1）。 4）。注意，移动节点是指安装有IoT设备的车辆，用户节点是指具有智能设备的通勤者在对等协议中，来自主节点的块同时离开其他连接的第三节点图图5示出了任何这样的块随时间从主节点到第三节点的传播。 它显示了一个块从主节点到达分布式网络中所有参与的第三节点的X%所花费的时间。 它遵循线性趋势，这是什么报告的参考。[28]关于比特币网络中的块从TSP实例库22中获取针对曲线测试的分布式网络。3.2. B-DRIVE区块链类型B-DRIVE架构中存在的两种区块链是全区块链和运行区块链。 它们各自的功能和使用情况如下所述。3.2.1. 全区块链如前所述，全区块链包含自网络诞生以来从物联网层传输的所有区块的完整它们在全节点上进行管理和存储存储网络完整历史的目的是使用大数据和机器学习技术开发预测模型，并使用数据挖掘进行深入的公共通勤洞察。 数据是信通技术的新燃料，也是私营供应商的主要资产之一。一个公开可用的全区块链帮助公民科学家和企业家围绕城市导航开发创新解决方案。它有助于数据处理器使用地图匹配方法改进街道网络图[29]。该区块链存储在多个物理位置，以使网络容错。3.2.2. 运行区块链Running-Blockchain是网络中Full-Blockchain的子组件，即，最近由IoT层生成的块。该区块链存储在全节点以及用户节点处，即，通勤者的智能设备。这些数据将有助于处理对附近街道事件的即时响应，如交通事故、道路堵塞、可用停车位等。根据城市中移动和静态节点的数量，一个或多个运行区块链并行运行（图6）。图6显示了在伦敦市运行的四个全节点和相应的该地区根据城市人口划分然而，用户节点可以根据其存储和计算能力一次存储和处理多个运行区块链。超过一定时间段的区块会被自动删除，以保持节点的运行，但全区块链除外。新添加的用户节点从最近连接的用户节点或全节点获得其运行区块链。请注意，在图6中，由于伦敦市的中心部分与其他相邻地区相比更加密集，Running-Blockchain_B覆盖了相对较小的区域（数据来源：欧洲环境署23）。重叠区域是可能的，其中通过利用重叠的全节点生成运行区块链。现实生活中的实际网络实现可能会因为多个并行区块链而变得非常复杂。22https://www.iwr.uni-heidelberg.de/groups/comopt/software/TSPLIB95。23https://www.eea.europa.eu/data-and-maps/data/copernicus-land-monitoring-service-urban-atlas。M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000337图第六章 不同的全节点和运行区块链在伦敦市运行，基于城市密度分布-交通拥堵的代理。3.3. B-DRIVE工作原理B-DRIVE网络的工作原理可以从图中理解。第七章在物联网设备的传感器节点处生成的所有数据都存储在一个块中。块只是一种有效的数据格式，用于存储快速生成的文本字符串。 为了隐藏设备的身份，它的ID使用SHA-256等安全哈希函数进行加密。一旦生成，该块就会被交付给物联网网关。物联网网关充当数据公开的门户它通过以太网、WiFi或GSM等多种可能的连接之一将数据推送到互联网 这些连接由Internet服务提供商（ISP）提供。 ISP网桥是数据传输的通道。 此块将被传递到至少两个已注册的完整节点进行日志记录。物联网设备到全节点的注册是基于它们的地理分离来完成的。这些节点监听任何接收块。然而，全节点通过周期性地彼此同步来保持城市内所有移动和静态节点的完整历史接收到的块在预定义的时间后以集群方式以更紧凑的数据格式存储这主要是为了优化存储层的存储容量，并在全区块链下载请求期间简化数据传输。任何连接到这个Full-Node的User-Node也会立即获得所有最近添加的块的副本虽然用户节点只保留其感兴趣区域的运行区块链，但这只是一个选项。用户节点使用这些区块以及Full-Nodes开发的其他增值服务，以找到在城市中导航的最佳方式。图图8显示了运行中的B-DRIVE网络。传感器数据，如GPS、经纬度、空气质量ppm、湿度百分比等。在IoT层生成，即在移动节点和静态节点处，被发送到其注册的全节点。每个Full-Node维护两个区块链，一个Full-Blockchain和一个Running-Blockchain。在一个节点上接收到的块会进入这两个节点，作为两个单独的区块链。然而，全区块链还与其他全区块链通信，以维护所有生成的区块的完整历史 网络的变化取决于城市的地理结构。由全节点维护的运行区块链被分发到所有连接的用户节点。应当见图7。 B-DRIVE网络的不同组件。M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000338见图8。B-DRIVE网络组件在两个不同的地理区域运行。注意，与静态节点不同，移动节点是动态的。它会随着时间改变位置。 根据当前的地理位置（图）。6），移动节点连接到其最近的两个全节点以记录块。 对于主要从移动车辆操作的用户节点也是如此。 图 8是网络中最简单的配置之一，在现实生活中，节点配置将非常复杂。3.4. B-DRIVE显著特点B-DRIVE网络架构在以下方面不同于任何现有的区块链网络架构，包括Block-VN [27]3.4.1. 不需要在比特币或任何其他区块链网络中开采区块的唯一原因是阻止任何可能的双重支出攻击一个挖矿的区块确保所有过去的交易都是完整的，任何未来的改变都需要51%的共识攻击[18]。比特币总数的上限一直保持不变。它是一种稀缺资源，计算能力也是如此事实上，稀缺性也是黄金或钻石被用作货币后盾的原因然而，在B-DRIVE网络中，物联网层生成的数据并不代表任何有限资源。数字数据是一种不断增长的衡量标准。因此，双重支出攻击的概念不适用于B-DRIVE网络。 生成传感器数据的节点的可接受性可以很容易地通过将其观测与附近的其他节点进行比较来确认。简单的统计离群值检测足以识别节点级别的异常。虽然，它不可能像比特币那样在6-8分钟内立即获得由于设备的ID保持加密，因此不可能对其进行物理定位然而，一旦定位，就可以放置一个过滤器，用于将来从它传入的任何块此外，故障节点的影响对网络来说并不重要，因为测量结果最终会被完整节点或用户节点聚合和平均。 对大量故障设备的攻击或安装以破坏现有设备的测量对于攻击者而言在计算资源和金钱方面是昂贵的费用。据信，没有采矿要求的区块链生态系统在以下方面是一个优势：24https://www.theguardian.com/technology/2018/jan/17/bitcoin-electricity-usage-huge-climate-cryptocurrency。网络的寿命和可扩展性。除了通过采矿活动铸造的硬币之外，还有激励组织加入全节点网络的激励措施。由于区块挖掘，E x区块链解决方案目前面临着巨大的能源危机和政府监管。3.4.2. 每个地区的根据城市的拥堵程度，一个或多个运行区块链在全节点和用户节点上运行（图1）。（六）。 这与我们在比特币和类似网络中观察到的情况不同，在比特币和类似网络中，存在一个全球交易分类账，以避免可能的双重支出攻击。 B-DRIVE网络不受任何双重支出攻击的影响，如前一节所述。 多个Running-Blockchains保持网络在智能设备上运行和可管理，尽管它们的计算和存储资源有限。 多个Running-Blockchains是可能的，因为物联网生成的数据是相互独立的。 它不是一种有限的资源，就像加密货币或房地产一样，必须跟踪潜在价值的波动。请注意，就像多个运行区块链在城市内部运行一样，多个全区块链在城市之间运行。3.4.3. 固定块大小所有键值对的数据大小，如3.1.1节和3.1.2节所示，对于移动节点和静态节点几乎是恒定的这主要取决于物联网设备运行的传感器数量如3.1.1节所示，一个块的压缩二进制格式大约需要140字节的磁盘空间[17]。如果以每分钟1个块的速率生成，则140字节的块意味着每周1.5兆字节的数据恒定块大小的好处是，可以为B-DRIVE架构开发任何定制的硬件设备，以提高数据存储效率。此外，先进的存储格式可能被设计为容纳大量类似大小的数据包（图1）。 7）。 这与我们在其他区块链网络中观察到的情况不同，在其他区块链网络中，区块大小取决于执行的交易数量。 固定的块大小还有助于定义自定义HTTP协议，以实现有效的数据传播。 其他先进的数据压缩和查询技术也有可能在这个体系结构中开发。4. B-DRIVE应用B-DRIVE架构可以实现许多设想中的城市交通地理空间应用它们可以变化M. 齐亚区块链：研究与应用2（2021）1000339从实时交通映射到预测建模。图9显示了其中的四个例子。 图 9、使用移动节点收集的经度、纬度和时间戳数据，可以对不同的道路轮廓进行实时交通速度估计。机器学习技术可用于一周中不同时间和日期的交通预测 这种数据对于开发自动驾驶和半自动驾驶汽车的人工智能非常有用。使用设备的私钥，通勤者可以创建移动节点的时间序列用户活动图。这是一个没有计算能力的人。移动节点的GPS数据可用于生成停车地图。节点的历史数据可用于预测一天中某些时间的停车位可用性（图1）。 9）。相信这种可视化对减少交通拥堵和燃料消耗是有用预测模型可以帮助交通部门更好地利用现有的基础设施资源，通过建设新的停车位、交通灯、停车场等来改善公共交通。此外，移动节点数据可用于改进现有的VGI数据集（图11）。 9）。这些数据集限制了它们在GIS中的高级可用性，因为数据点精度低，特征概括性高[30]。高速率块生成协议对于生成街道的大数据以克服这样的限制是有用的。这对于检测城市不同区域中缺失或新建的路段非常有用B-DRIVE生成数据集的可能用例的详细讨论超出了本研究的范围，然而，Rathore等人[9]提供了物联网生成的传感器数据可用于智能交通系统的一系列领域可以使用不同的软件框架和可视化工具来处理区块链数据。 这些框架足以处理大数据。Apache Hadoop和MongoDB是在线提供的众多开源和专有选项中的两个Rathore等人 [9]使用Apache Hadoop，MapReduce和Hadoop分布式文件系统（HDFS），对数千个物联网捕获的测量结果执行大数据分析。 它们主要用于数据挖掘，以检测隐藏的模式和深刻的见解。对于数据存储，像Amazon Web Services（AWS）S3 bucket这样的服务是一个不错的选择，因为它的S3 bucket价格便宜。 连接Kinesis的S3存储桶可设置为充当全节点（图1）。 10）。对于数据查询和可视化目的 ， AWS Athena 和 Quicksight 工 具 非 常 有 用 。 TensorFlow 和 Scikit-Learn等编程包可用于机器学习应用程序。 它们提供了各种各样的分类、回归和聚类算法，包括支持向量机、随机森林、梯度提升、k-means等。对于任何试图利用生成的物联网数据的人来说，都可能有大量不同的选项和组合。存储在数据库中的B-DRIVE数据可以使用简单的SQL语句进行图图11示出了包含随机生成的IoT层数据的数据库表。 注意移动节点和静态节点的几列无关（表中的空单元格）。另外，请注意，“速度”（幅值）和“速度”（方位