本发明的实施方式涉及实现车辆中的工作量证明(proof-of-work)构思。
背景技术：
目的是改进现有解决方案并且特别地是提供有效的解决方案以增加车辆中的网络安全性和/或功能安全性。
技术实现要素：
本文中提出的示例可以特别地基于以下解决方案中的至少一种。可以利用以下特征的组合来达到期望的结果。方法的特征可以与装置、设备或系统的任何特征进行组合，装置、设备或系统的特征也可以与方法的任何特征进行组合。
提出了一种用于提供车辆中的工作量证明构思的方法，
—其中，车辆包括网络，网络包括至少三个控制单元，
—其中，第一控制单元将第一消息发送至第二控制单元，
—其中，第二控制单元将包括第一消息的第二消息发送至第三控制单元，
—其中，第三控制单元基于网络的至少一个车辆特定特征来确定第二消息的工作量证明。
包括第一消息的第二消息也可以被解释为“第二消息与第一消息一起”。第二消息(包括第一消息)在汽车领域中实现了有益的工作量证明构思，这是因为控制单元中的每一个都部署在车辆内或车辆处的固定位置处(并且从而关于时延是确定的)。这可以有效地利用车辆特定特征来确定工作量证明。有益地，这些控制单元连接至网络，该网络可以是通信网络，例如汽车总线系统。
因此，工作量证明构思使得能够确定工作量证明，即，使得能够验证接收到的消息来自应该发送该消息的授权控制单元。因此，通过验证消息，可以确认发送控制单元的权利。如果无法验证工作量证明，则消息可能源自不是有效控制单元的未授权实体(例如，已连接至网络的攻击设备)。因此，任何这样的消息都可以被忽略和/或可以触发警报事件。该方法使得能够检查从网络的授权控制单元发送的消息的真实性，以及拒绝可能作为拒绝服务攻击发起的旨在妨碍网络通信和控制单元的处理的消息。
因此，本文中描述的工作量证明构思也可以被视为“网络完整性证明(proof-of-networkintegrity)”。工作量证明是基于车载网络的至少一个车辆特定特征。这样的特征可以考虑由控制单元和网络拓扑引起的时延和/或相应控制单元的上升时间(uptime)/下降时间(downtime)。上升时间指示控制单元处于活动状态的时间(持续时间)，并且下降时间指示控制单元处于非活动状态(或处于待机模式)的时间(持续时间)。
与现有的工作量证明构思相反，当前的解决方案利用了以下事实：工作量证明是基于无法被完全基于计算能力的已知的暴力破解攻击(brute-forceattacks)成功破解的至少一个车辆特定特征确定的。
第一消息和第二消息也可以各自被视为工作量证明消息。第二消息示出了链式消息的构思，该构思使得任何接收控制单元能够验证工作量证明构思(或者意识到存在工作量证明构思的违反)。
有利地，可以存在三个以上的控制单元。这三个以上的控制单元通过编译并且发送包括接收到的第二消息(其包括第一消息)的附加消息来利用所描述的构思。这种嵌入式的消息传递可以在整个网络中从一个发送控制单元至(最终)接收控制单元使用。在该示例中，接收控制单元可以是任何控制单元或者是不能到达另一控制单元的控制单元，就当前工作量证明链而言其尚未充当发送控制单元。
本文中描述的方法可以在车辆中有利地利用工作量证明构思来防止拒绝服务(dos)攻击。它有益地使用了车载通信网络的物理属性(例如，时延)。这也使得能够检测由攻击者潜入的未授权ecu。
该解决方案特别地是可扩展的，其可以用于不同的网络。而且，可以例如通过添加安全性和/或附加信息如控制单元标识(id)来调整工作量证明的级别。
另一优点是本文中介绍的工作量证明构思不是基于计算复杂性，并且因此不会受到需要计算能力的攻击。因此，工作量证明构思不容易因量子计算机而遭受可能即将发生的攻击。
根据实施方式，控制单元是经由网络特别地是经由总线系统连接的电子控制单元。
根据实施方式，车辆特定特征包括控制单元之间的时延。
根据实施方式，时延被预确定为位于时延窗内。
所描述的工作量证明构思可以利用至少一个发送时间阈值，特别是导致时延窗(即发送时间范围)的上时延阈值和下时延阈值。该方法称为“时延”，其中，这样的时延可以基于至少一个时延阈值来确定。因此，可以执行与预定义的时延的比较以确定发送时间是否满足时延标准。
可以针对两个ecu之间的每个直接连接来确定时延，该连接可以例如通过在pow矩阵中携带值“1”的条目来表示。
时延窗特别地是由指示在两个控制单元之间传送消息通常应当花费多长时间的上阈值和下阈值限定的发送时延窗。如果花费的时间比由这样的时延窗所限定的时间长或短，则可能违反了消息、发送者和/或网络的完整性。
根据实施方式，第一消息包括由第一控制单元发出的第一时间戳，并且第二消息包括由第二控制单元发出的第二时间戳，其中，第三控制单元在接收到第二消息时发出第三时间戳，并且基于时间戳或时间戳的一部分来确定消息的发送时间是否位于时延窗内。
因此，消息被链接在一起使得每个后续消息都包括先前的消息。时间戳可以用于确定控制单元之间的发送时间并且确定这样的发送时间是否落在例如时延窗内。
根据实施方式，消息中的每一个包括发送控制单元的签名(signature)。
签名可以由任何接收控制单元验证。公钥加密可以用于对消息签名和验证签名。还可选择的是使用对称加密；例如，消息验证码可以用于签名和/或验证目的。
根据实施方式，网络的两个以上的控制单元利用链式消息传递，其中，一个控制单元将消息发送至尚未到达或尚未到达预定次数的另一控制单元。
因此，消息传递使得能够按照网络的拓扑在整个网络中发送消息，直至到达所有控制单元或预定义的控制单元子集为止。可选择的是，需要到达控制单元或控制单元的一部分达预定的次数。
根据实施方式，通过基于第二消息认证第一控制单元和第二控制单元来确定用于第二消息的工作量证明。
根据实施方式，第一消息和/或第二消息包括有效载荷数据。
消息中的每一个可以包括有效载荷数据，该有效载荷数据可以是要在网络上发送的任何信息或控制数据，并且可以由接收控制单元进行处理和/或转发。
而且，提出了一种用于提供车辆中的工作量证明构思的系统，包括：
—包括至少三个控制单元的网络，
—其中，第一控制单元被布置成将第一消息发送至第二控制单元，
—其中，第二控制单元被布置成将包括第一消息的第二消息发送至第三控制单元，
—其中，第三控制单元被布置成基于网络的至少一个车辆特定特征来确定用于第二消息的工作量证明。
此外，提出了一种包括如本文中描述的系统的车辆。
附图说明
参照附图示出和说明了各实施方式。附图用于说明基本原理，因此仅说明了理解该基本原理所必需的方面。附图未按比例绘制。在附图中，相同的附图标记表示相似的特征。
图1示出了包括若干电子控制单元(ecu)的示例性汽车车载网络；
图2示出了参照图1所示的拓扑的ecu之间的通信的示例性通信矩阵(k矩阵)；
图3示出了可以基于图2所示的k矩阵来确定的pow矩阵；
图4示出了基于图1所示的拓扑结合图3的pow矩阵的示例性消息图表图。
具体实施方式
功能安全性和网络安全性是不断增长的车载电子系统的重要方面。区块链(bc)近来由于其在如加密货币的应用中的流行而受到关注。然而，对于bc，还存在若干其他用例，例如物联网。
已经开发了工作量证明(pow)构思以防止拒绝服务(dos)攻击。
根据维基百科(https://en.wikipedia.org/wiki/proof-of-work_system)，pow系统(或协议或功能)是一种通过要求来自服务请求方的一些工作——这通常意味着由计算机进行的处理时间——来阻止拒绝服务攻击和其他服务滥用例如网络上的垃圾邮件的经济手段。
这些构思是区块链的基础。当它用于比特币区块链中时，最突出的pow是加密哈希难题：基本原理是解决可以容易地被验证的计算问题。对于哈希难题，必须找到随机数使得包括该随机数的哈希必须满足某些要求。
哈希难题可以被描述如下：将已知部分a(例如，位或字节中的一部分)和未知部分b(所述随机数)串接为“ab”并且馈送至提供结果c即哈希值的单向函数(哈希函数)。如果攻击者知道部分a和哈希值c，则只能通过将与已知部分a串接为ab*的部分b的所有可能组合b*馈送至单向函数并且检查由单向函数提供的结果c*是否等于已知哈希值c来猜出部分b。
工作量证明是限定昂贵的计算机计算(也称为挖矿)的要求。在上面的示例中，pow是确定结果c*以最终得出哈希值c的大量计算。因此，哈希值是经由哈希函数以快速且容易的方式确定的，而获取部分b的相反方向则需要大量的处理(时间)。部分b不能以确定性方式直接地计算出。
图1示出了包括若干电子控制单元(ecu)101至105的示例性汽车车载网络。当ecu101至105被固定在车辆内部的预定位置处时，车载网络的时延是已知的。车载网络可以是包括例如控制器局域网(can)、flexray或以太网的任何网络或总线。
图2示出了描述ecu101至105之间的通信的通信矩阵(也称为“k矩阵”)。因此，k矩阵示出了车载网络内的通信结构。附加属性例如消息数目、ecu之间要交换的内容、时延界限(上时延和下时延)、定时限制、发送间隔等可以存储在k矩阵中。
注意，从特定的ecu至其本身的通信也是可能的。
在图2的k矩阵中，字段201至225可以携带限定两个ecu之间的通信的细节的条目。例如，字段202指示从ecu101至ecu102的通信。这样的通信可以包括例如“10条消息”、“每微秒1次的速率的心跳”等。这可以相应地适用于车载网络的不同通信路径。注意，字段206指示从ecu102至ecu101的通信，该字段206可以包含不同的或至少部分相同的条目。
图3示出了可以基于图2所示的k矩阵来确定的pow矩阵。来自k矩阵的通信路径可以用于限定pow矩阵。而且，可以基于网络中的ecu101至105之间的通信路径来确定pow矩阵。在pow矩阵中，“1”指示在受影响的ecu之间存在连接。
例如，ecu103连接至ecu101、ecu102和ecu105，但是ecu103不连接至ecu104。因此，图3的表格的第四行对于ecu103被连接至的ecu示出了值“1”并且对于ecu103(因为ecu103不连接至其本身)和ecu104示出了值“0”。
换言之，图3的pow矩阵对于ecu之间的连接示出了“1”值。连接从而示例性地指示双向连接。
可选择的是，节点即车载网络的ecu101至105之间的通信不是对称的。例如，ecu102可以仅从ecu103到达，而不能从ecu101到达；在这种情况下，ecu101经由ecu103发送消息以到达ecu102。
用于车载网络的pow构思可以利用至少一个发送时间阈值，特别是导致时延窗(即发送时间范围)的上时延阈值和下时延阈值。该方法可以被称为“时延”，该时延可以基于至少一个时延阈值来确定。可以针对ecu之间的每个直接连接即在图3的pow矩阵中携带值“1”的条目来确定时延。
根据示例，单个ecu将消息发送至预定数目的m个其他ecu，其中，m≤n是相邻的ecu，并且n是车载网络的节点(即ecu)的数目。
接收消息的每个ecu对该消息(或消息的一部分)进行签名。在pow构思的末端处，目的地ecu从m个先前的ecu接收m个签名。
从起始ecu朝向目的地ecu的路径上的目的地ecu以及任何参与的ecu都能够验证一个或多个签名和一个时延/多个时延。因此，由于发送时间的原因，pow需要一定量的时间以到达目的地ecu。基于时延，该发送时间可以得到验证，并且因此是车载网络的唯一pow。
还可选择的是，将由目的地ecu接收到的消息传送回至原始ecu，使得原始ecu能够验证pow。
由于参与的ecu之间的消息的时延(即相应的发送时间)，因此pow导致确定量的时间。
因此，图3所示的pow矩阵使参与车辆内的pow的节点(ecu)之间的边缘可视化，这些边缘在车辆的运行时间期间是固定的(即不改变)：ecu的位置是固定的，并且ecu之间的布线也是固定的。
如所描述的，使用了参与pow构思的两个ecu之间的时延。而且，可以将其他特性例如消息标识(id)与时延结合使用。
有利地，可以使用非对称加密。如果涉及pow构思的参与的ecu每个都具有(至少)一个公钥私钥对，则可以使用私钥对消息进行签名，并且可以由任何其他ecu使用对消息进行签名的ecu的公钥来验证这样的签名。
n个公钥可以在参与的ecu之间交换和/或n个公钥可以存储在ecu访问的中央实体中。
注意，参与pow链的任何ecu都能够通过使用公钥验证签名的消息来检查pow。
根据secoc[参见：www.autosar.org]，可能需要加密密钥分配来确保安全的can通信。可以将这样的密钥重新用于本文中描述的pow构思。作为选择，还可以将用于以太网安全性的其他密钥重新用于本文中描述的pow构思。
作为另一选择，被访问的节点(ecu)中的每一个可以基于pow矩阵来随机地选择要被访问的下一个节点(ecu)。
图4示出了也基于图1所示的汽车车载网络结合图3的pow矩阵的示例性消息图表图。用于两个ecu之间的每个连接的时延可以集中地存储或与ecu中的每一个一起存储；即每个ecu能够确定发送时间的时延，该时延可能必须位于时延窗(或范围)内，该时延窗(或范围)由下时延阈值和上时延阈值限定(因此，每个连接可以具有不同的时延，从而导致不同的时延窗)。作为选择，签名可以由原始ecu提供。时间戳可以基于ecu的内部时钟，其中，ecu的内部时钟可以优选地被同步。ecu的内部时钟也可以得到保护并且提供安全时间信息。
图4的消息图表可以包括以下步骤：
(1)ecu104启动pow构思。从ecu104接收pow消息的候选者是ecu105。因此，ecu104将消息pow1(s104，ts104)传送至ecu105，其中，s104是ecu104的签名，并且ts104是由ecu104发出的时间戳(即发送者的时间戳)。注意，ecu101至105具有同步的时钟。
(2)ecu103和ecu104是从ecu105接收消息的潜在候选者。由于ecu104已经是pow构思的一部分，因此ecu105将包括消息pow1的消息pow2(pow1，s105，ts105)发送至ecu103，其中，s105是ecu105的签名，并且ts105是由ecu105发出的时间戳。
(3)ecu101、ecu102和ecu105是对于ecu103的潜在收件人。由于pow消息是由ecu105提供的，因此ecu103随机地(或伪随机地或确定性地)选择ecu101或ecu102中的任何一个作为收件人以将pow消息传送至ecu101或ecu102中的任何一个。在该示例中，ecu103将消息pow3(pow1，pow2，s103，ts103)传送至ecu101，消息pow3包括消息pow1和pow2以及ecu103的签名s103和ecu103的时间戳ts103。
(4)ecu101可以选择ecu103或ecu102作为潜在的收件人。ecu103已经包含在pow构思中。因此，ecu101将消息pow4(pow1，pow2，pow3，s101，ts101)发送至ecu102，消息pow4包括消息pow1、pow2和pow3以及ecu101的签名s101和ecu101的时间戳ts101。
(5)ecu102接收消息pow4。ecu102使用其他ecu的公共可用密钥来验证签名s104、s105、s103和s101。另外，ecu102基于例如用于连接中的每一个的上时延阈值和下时延阈值来检查所有消息pow1至pow4的时延。例如，由图3所示的pow矩阵所指示的连接中的每一个可以通过限定指示不应被超过的发送时间的上阈值和确定要到达的最小发送时间的下阈值来确定时延窗。每个连接(链路)的时延可以由ecu102基于相应的发送时间来确定，时延窗可以存储在可全局访问的存储器中和/或与ecu中的每一个一起存储。因此，ecu102能够确定：
—持续时间ts105至ts104是否在用于ecu104与ecu105之间的连接的时延窗内，
—持续时间ts103至ts104是否在用于ecu103与ecu105之间的连接的时延窗内，
—持续时间ts101至ts103是否在用于ecu101与ecu103之间的连接的时延窗内，
—持续时间ts102至ts101是否在用于ecu101与ecu102之间的连接的时延窗内，其中，ts102是由ecu102在接收到消息pow4时确定的时间戳。
如果所有签名都被验证并且如果所有持续时间都被验证为保持在由时延窗限定的发送时间界限内，则ecu102能够验证pow。如果提及的条件中的任何一个不满足，则ecu102将指示警告和/或触发预定义的操作，例如发出警报通知、开始故障处理等。
可选择的是，ecu102不必针对所有连接计算时间差。代替地，ecu102可以计算持续时间ts102至ts104，并且确定所得到的发送时间是否位于根据先前连接的时延窗计算出的时延窗内。
作为另一选择，ecu105、ecu103和ecu101中的每一个都能够验证pow，如针对ecu102所描述的那样，在该示例中，ecu102在pow链的末端处。例如，ecu101能够基于消息pow来验证pow。
注意，本文中描述的pow构思在特定的ecu(此处，例如ecu104)处开始并且被执行直至到达车载网络的最后一个ecu(即ecu102)为止。因此，pow构思沿车载网络传播并且最终到达位于链的末端处的至少一个ecu(节点)。该至少一个ecu能够验证pow或者能够指示验证失败。
注意，如果可以选择一个以上ecu作为收件人，则可以基于任何随机、伪随机或甚至确定性函数来决定选择哪个ecu。
可以支持和/或有益地利用不同的硬件单元，例如特别地是以下中的至少一个：
—加密密钥存储单元；
—用于加密操作的加速器；
—用于将pow构思嵌入消息和/或提供pow消息的任何通信外围设备(例如can)支持；
—从pow软件(例如，包括cpu的执行平台)至通信外围设备(例如，控制器局域网can)的安全隔离支持；该安全隔离支持可以例如通过专用的直接存储器访问(dma)引擎来实现。
可以通过灵活地调整被访问节点(ecu)的数目m来修改pow构思的难度。而且，可以利用上述任何变型的组合。另一选择是可以使用多轮访问节点，即至少一个节点可以被访问若干次，从而增加pow链的长度。
本文中呈现的示例介绍了依赖于相当固定的网络的物理特性(例如，时延)的pow构思。该pow构思特别地是在利用车载网络的汽车领域中应用。而且，该pow构思可以作为汽车区块链的基础。
在一个或更多个示例中，本文中描述的功能可以至少部分地以硬件例如特定硬件部件或处理器来实现。更一般地，这些技术可以以硬件、处理器、软件、固件或其任何组合来实现。如果以软件实现，则功能可以被存储在计算机可读介质上或者作为一个或更多个指令或代码在计算机可读介质上被传输，并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可以包括计算机可读存储介质，计算机可读存储介质对应于诸如数据存储介质的有形介质，或者包括有助于例如根据通信协议将计算机程序从一个地方传送至另一地方的任何介质的通信介质。以这种方式，计算机可读介质通常可以对应于(1)非暂态的有形计算机可读存储介质或者(2)诸如信号或载波的通信介质。数据存储介质可以是可以由一个或更多个计算机或一个或更多个处理器访问以取回用于实现本公开内容中描述的技术的指令、代码和/或数据结构的任何可用介质。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。
通过示例而非限制，这样的计算机可读存储介质可以包括ram、rom、eeprom、嵌入式闪存、外部闪存、cd-rom或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备、闪存或可以用于以指令或数据结构的形式存储所需程序代码并且可以由计算机访问的任何其他介质。而且，任何连接都适当地称为计算机可读介质，即计算机可读传输介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(dsl)或无线技术例如红外线、无线电和微波从网站、服务器或其他远程源传输指令，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl或无线技术例如红外线、无线电和微波都被包括在介质的定义中。然而，应当理解，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其他暂态介质，而是指非暂态有形存储介质。本文中使用的盘(disk和disc)包括压缩盘(cd)、激光盘、光盘、数字通用盘(dvd)、软盘和蓝光盘，其中，盘(disk)通常磁性地再现数据，而盘(disc)用激光光学地再现数据。上面的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。
指令可以由一个或更多个处理器例如一个或更多个中央处理单元(cpu)、数字信号处理器(dsp)、通用微处理器、专用集成电路(asic)、现场可编程逻辑阵列(fpga)或者其他等效的集成或分立逻辑电路来执行。因此，本文中使用的术语“处理器”可以指前述结构中的任何一个或者适合于实现本文中描述的技术的任何其他结构。另外，在一些方面中，本文中描述的功能可以在为了编码和解码而配置的专用硬件和/或软件模块内提供，或者可以被并入组合的编解码器中。而且，这些技术可以在一个或更多个电路或逻辑元件中完全实现。
本公开内容的技术可以在包括无线手持机、集成电路(ic)或一组ic(例如，芯片组)的各种设备或装置中实现。在本公开内容中描述了各种部件、模块或单元以强调被配置成执行所公开的技术的设备的功能方面，但不一定需要由不同的硬件单元实现。而是如上所述，可以将各种单元组合在单个硬件单元中，或者由包括如上所述的一个或更多个处理器的一组互操作硬件单元结合合适的软件和/或固件来提供。
尽管已经公开了本发明的各种示例性实施方式，但是对于本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本发明的一些优点。对于本领域技术人员将明显的是，可以适当地替换执行相同功能的其他部件。应当提及，可以将参照特定附图说明的特征与其他附图的特征进行组合，即使在没有明确提及的情况下也是如此。此外，本发明的方法可以在所有软件实现中使用适当的处理器指令来实现，或者在利用硬件逻辑和软件逻辑的组合来实现相同结果的混合实现中实现。对本发明构思的这些修改旨在被所附权利要求书覆盖。
1.一种用于提供车辆中的工作量证明构思的方法，
其中，所述车辆包括网络，所述网络包括至少三个控制单元，
其中，第一控制单元将第一消息发送至第二控制单元，
其中，所述第二控制单元将包括所述第一消息的第二消息发送至第三控制单元，
其中，所述第三控制单元基于所述网络的至少一个车辆特定特征来确定所述第二消息的工作量证明。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制单元是经由所述网络连接的电子控制单元。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述网络是总线系统。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述车辆特定特征包括所述控制单元之间的时延。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述时延被预定为位于时延窗内。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一消息包括由所述第一控制单元发出的第一时间戳，并且所述第二消息包括由所述第二控制单元发出的第二时间戳，其中，所述第三控制单元在接收到所述第二消息时发出第三时间戳，并且基于所述第一时间戳、所述第二时间戳和所述第三时间戳或者所述第一时间戳、所述第二时间戳和所述第三时间戳的一部分来确定所述第一消息和所述第二消息的发送时间是否位于所述时延窗内。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一消息包括所述第一控制单元的签名，并且所述第二消息包括所述第二控制单元的签名。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络的两个以上的控制单元利用链式消息传递，其中，一个控制单元将消息发送至尚未到达或尚未到达预定次数的另一控制单元。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过基于所述第二消息对所述第一控制单元和所述第二控制单元进行认证来确定所述第二消息的工作量证明。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一消息和/或所述第二消息包括有效载荷数据。
11.一种用于提供车辆中的工作量证明构思的系统，包括：
包括至少三个控制单元的网络，
其中，第一控制单元被布置成将第一消息发送至第二控制单元，
其中，所述第二控制单元被布置成将包括所述第一消息的第二消息发送至第三控制单元，
其中，所述第三控制单元被布置成基于所述网络的至少一个车辆特定特征来确定所述第二消息的工作量证明。
12.一种包括根据权利要求11所述的系统的车辆。
技术总结