物聯(lián)網(wǎng)基于區(qū)塊鏈的安全數(shù)據(jù)采集方案的優(yōu)化

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一種新興技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)能夠連接由傳感器、執(zhí)行器、軟件等組成的諸多對象。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以感知環(huán)境并基于傳感器數(shù)據(jù)執(zhí)行操作。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，截止2020年該網(wǎng)絡(luò)已連接超300億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)給包括農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、智能電網(wǎng)、智能家居在內(nèi)的各個領(lǐng)域帶來了巨大利益，然而物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備仍然存在諸如連接性、低計算能力和電池壽命不足等挑戰(zhàn)。

無人機的誕生在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界都引起了極大關(guān)注。雖然無人機最初是為軍事目的設(shè)計的，但由于其良好的功能，如易于部署、低維護成本和可用性，它們已被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。無人機群的出現(xiàn)進一步拓展了無人機的應(yīng)用領(lǐng)域，其覆蓋范圍更大，部署成本更低。然而，無人機與物聯(lián)網(wǎng)之間、無人機與服務(wù)器之間的通信充滿了網(wǎng)絡(luò)威脅，包括中間人攻擊、重放攻擊等。此外，累積的數(shù)據(jù)可能在服務(wù)器中遭到非法更改，從而引發(fā)完整性問題。因此，需要一種方案來確保數(shù)據(jù)采集過程的安全并保持數(shù)據(jù)的完整性。

區(qū)塊鏈是一種分布在對等方之間的數(shù)字賬本，每個對等方持有相同的數(shù)據(jù)副本。向區(qū)塊鏈添加數(shù)據(jù)后，不能進行任何修改。如果有人試圖在塊中進行更改，塊的哈希也會更改并斷開塊鏈。要重建鏈，所有驗證程序都必須同意此更改，從而保證區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)安全。因此，借助區(qū)塊鏈功能可能是應(yīng)對上述安全威脅（即網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)完整性問題）的潛在解決方案。

本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的安全數(shù)據(jù)采集方案，該方案利用無人機集群從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，并存儲在服務(wù)器端的區(qū)塊鏈中。目前，利用區(qū)塊鏈通過無人機集群獲取物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，提供安全性和數(shù)據(jù)完整性尚未得到探索。如圖1所示，我們設(shè)計了一個支持區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)采集方案（稱為“總線”），以支持在無人機群的協(xié)助下從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集數(shù)據(jù)。

圖1 基于區(qū)塊鏈的無人機群安全數(shù)據(jù)采集

總線由以下組件組成：

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備從環(huán)境中收集數(shù)據(jù)，并在無人機集群的協(xié)助下將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

無人機集群：無人機集群從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罱姆?wù)器。

服務(wù)器：服務(wù)器保存物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)都存儲在區(qū)塊鏈中。

衛(wèi)星：在移動網(wǎng)絡(luò)不可用的位置，總線利用衛(wèi)星從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，無人機群可以通過衛(wèi)星與PC保持通信。

總線的目的是安全地從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲到保持其完整性的服務(wù)器中。在總線中，每個參與者（包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無人機）都必須在參與總線之前向服務(wù)器注冊。部署無人機集群之前，服務(wù)器創(chuàng)建一個任務(wù)，并利用智能合約（SC）將該任務(wù)信息存儲在區(qū)塊鏈中。然后，所有的無人機群必須在任務(wù)中注冊他們的公鑰，無人機集群中的每個無人機創(chuàng)建一個共享密鑰并與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享。總線在實體（即物聯(lián)網(wǎng)無人機、無人機-無人機、無人機服務(wù)器）之間使用不同的鏈路，每個鏈路具有不同的信道狀態(tài)。當(dāng)一個數(shù)據(jù)到達無人機時，無人機會對其進行處理，處理后無人機會將其添加到隊列中，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個實體。總線雖然有不同的鏈路，但在數(shù)據(jù)采集過程中保持了一致性。在總線中，每個塊在同一塊中包含多個數(shù)據(jù)，例如（1）Header和（2）Body，如圖2所示。標(biāo)頭包含塊的哈希、nonce、timestamp、Merkle根和前一個塊的哈希。正文包含從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備收集的數(shù)據(jù)。正文中可能存儲一個或多個數(shù)據(jù)。

圖2 區(qū)塊鏈內(nèi)部的數(shù)據(jù)管理

仿真結(jié)果表明，總線成功地利用了hash-bloom過濾器，能夠完全過濾惡意設(shè)備。通過對結(jié)果和安全性分析表明，利用無人機作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的輔助，不僅擴展了物聯(lián)網(wǎng)的連通性，而且有助于降低物聯(lián)網(wǎng)的能耗。

飛思集群研發(fā)平臺

飛思集群研發(fā)平臺是飛思實驗室專為無人系統(tǒng)集群協(xié)同研究而開發(fā)的研發(fā)平臺。飛思集群研發(fā)平臺一個可以在多種定位系統(tǒng)環(huán)境下（光學(xué)定位、UWB 定位、RTK 定位等）實現(xiàn)無人機、無人車或兩者之間的集群控制平臺。本平臺支持多種定位系統(tǒng)和集群通信技術(shù)，在統(tǒng)一控制接口下實現(xiàn)無人機、無人車的按照規(guī)劃路線運動，驗證多機、多車編隊和協(xié)同控制等算法的有效性。本實驗平臺可提供一套完整的集群控制開發(fā)、調(diào)試及驗證環(huán)境。實驗系統(tǒng)基于ROS/Matlab 開發(fā)，開放性強，用戶不需要掌握太多的底層編程技術(shù)即可完成算法的修改和驗證。為無人系統(tǒng)控制及多機集群控制等教學(xué)演示及二次開發(fā)提供核心設(shè)備支撐。
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