Contribución a la ejecución segura y confiable de servicios distribuidos en redes ad-hoc vehiculares (VANET) mediante tecnologías Blockchain
Authors:   , Juárez Cádiz Rubén 
Published: September 2024

This thesis work is developed within the framework of providing secure distributed services and trust in the context of Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs). VANETs are characterized by establishing ephemeral connections between nodes dynamically to collect data, transmit information, and provide and receive services in a distributed manner. In these ad hoc networks, the provision of security and trust is still an unanswered challenge, both technologically and ethically and socially. Yet, new technologies like blockchain can be employed to address this issue and enhance the security and trust of services in VANETs.

The general objective of this thesis is to design and implement an advanced architecture to improve the security and reliability of distributed services in VANETs, using Blockchain technology and reputation and trust mechanisms and algorithms. For this, I propose algorithms, computing schemes, and specific protocols, culminating in the creation of a robust, secure, and reliable service execution environment for intelligent vehicular networks.

For this purpose, a theoretical framework for trust in VANETs is developed, which includes a precise mathematical description of trust. This framework allows for reliable evaluation and assessment of trust among vehicular nodes, facilitating identification and mitigation of potential security threats and vulnerabilities within the network. In addition, a service-based trust and reputation calculation algorithm is developed, integrating multiple trust approaches (cognitive, computational, neurological, and game theory) to provide a dynamic and accurate assessment of the nodes’ reputation in VANETs. This algorithm seeks to represent trust not as a static value, but as a probability distribution that more faithfully reflects the uncertainty inherent in observations in highly dynamic and heterogeneous environments. Thanks to these technologies, we can implement a distributed system based on blockchain for the calculation and management of trust and reputation in VANETs, allowing the integration of local trust calculations into an updated global trust value. And develop an integrated predictive model that uses data collected by VANETs and weather variables to provide data services. This model is based on advanced correlation techniques and analysis of large volumes of data, seeking to capture the complexity and variability inherent in road and weather conditions.

With all of the above, we will be able to design and implement a service ecosystem that improves the efficiency and scalability of obstacle mapping techniques secured by Blockchain in VANET. This system is based on a secure vehicular communication algorithm and will employ cryptography technologies to ensure a secure and robust data exchange between vehicles. In this ecosystem, we develop this secure communication algorithm, based on blockchain technology, and that significantly improves protection against security threats in VANET. This architecture focuses on robust node authentication and the protection of the privacy of data exchanged between vehicles and infrastructures, using advanced cryptography technologies and consensus mechanisms to secure communication.

Finally, we implement and experimentally validate the proposed trust provisioning system based on blockchain technology for VANETs, demonstrating its effectiveness in improving security, privacy, and trust in these environments. This system uses two parallel blockchains, the event chain and the reputation chain, to track and record the nodes’ actions, employing reputation evaluation schemes based on Bayesian inference. The validation includes detailed simulations to compare the performance of the proposed system with existing alternatives, focusing on reducing latency, jitter, and increasing the packet delivery rate and energy efficiency.

RESUMEN

Este trabajo de Tesis se desarrolla en el marco de la provisión de servicios distribuidos seguros y confianza en el contexto de la redes vehículares ad hoc (VANET, por sus siglas en inglés). Las VANET se caracterizan por establecer conexiones efímeras entre nodos de forma dinámica, para poder recolectar datos, transmitir información y prestar y recibir servicios de una manera distribuida. En estas redes ad hoc, la provisión de seguridad y confianza es un reto aún sin respuesta, tanto a nivel tecnológico como ético y social. Aún así, nuevas tecnologías como blockchain pueden ser empleadas para abordar este problema y aumentar la seguridad y confianza de los servicios en VANET.

El objetivo general de esta tesis es diseñar e implementar una arquitectura avanzada para mejorar la seguridad y confiabilidad de los servicios distribuidos en VANETs, utilizando la tecnología blockchain y mecanismos y algoritmos de reputación y confianza. Para ello, propongo algoritmos, esquemas de cómputo y protocolos específicos, culminando en la creación de un entorno de ejecución de servicios distribuidos robusto, seguro y confiable para las redes vehiculares inteligentes.

Para ello, se desarrolla un marco teórico para la confianza en VANETs, que contempla una descripción matemática precisa de la confianza. Este marco permite la evaluación y valoración fiable de la confianza entre nodos vehiculares, facilitando la identificación y mitigación de posibles amenazas de seguridad y vulnerabilidades dentro de la red. Además, se desarrolla un algoritmo de cálculo de confianza y reputación basado en servicios, que integra múltiples enfoques de la confianza (cognitivo, computacional, neurológico y teórico de juegos) para proporcionar una evaluación dinámica y precisa de la reputación de los nodos en las VANETs. Este algoritmo busca representar la confianza no como un valor estático, sino como una distribución de probabilidad que refleje de manera más fidedigna la incertidumbre inherente a las observaciones en entornos altamente dinámicos y heterogéneos. Gracias a estas tecnologías, podemos implementar un sistema distribuido basado en blockchain para el cálculo y gestión de la confianza y reputación en VANETs, que permite la integración de los cálculos locales de confianza en un valor de confianza global actualizado. Y desarrollar un modelo predictivo integrado que utiliza datos recopilados por VANETs y variables climáticas para proveer servicios de datos. Este modelo se basa en técnicas avanzadas de correlación y análisis de grandes volúmenes de datos, buscando capturar la complejidad y la variabilidad inherente a las condiciones viales y meteorológicas.

Con todo lo anterior, podremos diseñar e implementar un ecosistema de servicios que mejore la eficiencia y escalabilidad de las técnicas de mapeo de obstáculos seguras habilitadas por Blockchain en VANET. Este sistema se basa en un algoritmo de comunicación vehicular seguro y empleará tecnologías de criptografía para garantizar un intercambio de datos seguro y robusto entre vehículos. En este ecosistema, desarrollamos este algoritmos de comunicación seguro, basado en la tecnología blockchain, y que mejora significativamente la protección contra las amenazas de seguridad en VANET. Esta arquitectura se centra en la autenticación robusta de los nodos y la protección de la privacidad de los datos intercambiados entre vehículos e infraestructuras, utilizando tecnologías de criptografía avanzada y mecanismos de consenso para asegurar la comunicación.

Finalmente, implementamos y validamos experimentalmente el sistema propuesto de provisión de confianza basado en la tecnología blockchain para VANETs, demostrando su eficacia en la mejora de la seguridad, la privacidad y la confianza en estos entornos. Este sistema utiliza dos cadenas de bloques paralelas, la cadena de eventos y la cadena de reputación, para rastrear y registrar las acciones de los nodos, empleando esquemas de evaluación de reputación basados en inferencia bayesiana. La validación incluye simulaciones detalladas para comparar el rendimiento del sistema propuesto con alternativas existentes, enfocándose en la reducción de la latencia, el jitter, y el incremento de la tasa de entrega de paquetes y la eficiencia energética.