物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是一種新興技術(shù)，通過(guò)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(duì)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(gè)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(gè)領(lǐng)域帶來(lái)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(jì)算能力和電池壽命不足等挑戰(zhàn)。

無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)最初是為軍事目的設(shè)計(jì)的，但由于其良好的功能，如易于部署、低維護(hù)成本和可用性，它們已被廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)群的出現(xiàn)進(jìn)一步拓展了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，其覆蓋范圍更大，部署成本更低。然而，無(wú)人機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)之間、無(wú)人機(jī)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(wèn)題。因此，需要一種方案來(lái)確保數(shù)據(jù)采集過(guò)程的安全并保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。

區(qū)塊鏈是一種分布在對(duì)等方之間的數(shù)字賬本，每個(gè)對(duì)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(jìn)行任何修改。如果有人試圖在塊中進(jìn)行更改，塊的哈希也會(huì)更改并斷開(kāi)塊鏈。要重建鏈，所有驗(yàn)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(duì)上述安全威脅（即網(wǎng)絡(luò)攻擊、數(shù)據(jù)完整性問(wèn)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(wú)人機(jī)集群從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在服務(wù)器端的區(qū)塊鏈中。目前，利用區(qū)塊鏈通過(guò)無(wú)人機(jī)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?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)支持區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)采集方案（稱為“總線”），以支持在無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)集群的協(xié)助下將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

無(wú)人機(jī)集群：無(wú)人機(jī)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(gè)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中。

衛(wèi)星：在移動(dòng)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(wú)人機(jī)群可以通過(guò)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(chǔ)到保持其完整性的服務(wù)器中。在總線中，每個(gè)參與者（包括物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和無(wú)人機(jī)）都必須在參與總線之前向服務(wù)器注冊(cè)。部署無(wú)人機(jī)集群之前，服務(wù)器創(chuàng)建一個(gè)任務(wù)，并利用智能合約（SC）將該任務(wù)信息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中。然后，所有的無(wú)人機(jī)群必須在任務(wù)中注冊(cè)他們的公鑰，無(wú)人機(jī)集群中的每個(gè)無(wú)人機(jī)創(chuàng)建一個(gè)共享密鑰并與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共享?？偩€在實(shí)體（即物聯(lián)網(wǎng)無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)-無(wú)人機(jī)、無(wú)人機(jī)服務(wù)器）之間使用不同的鏈路，每個(gè)鏈路具有不同的信道狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)無(wú)人機(jī)時(shí)，無(wú)人機(jī)會(huì)對(duì)其進(jìn)行處理，處理后無(wú)人機(jī)會(huì)將其添加到隊(duì)列中，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)實(shí)體?？偩€雖然有不同的鏈路，但在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中保持了一致性。在總線中，每個(gè)塊在同一塊中包含多個(gè)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(gè)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(chǔ)一個(gè)或多個(gè)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(guò)濾器，能夠完全過(guò)濾惡意設(shè)備。通過(guò)對(duì)結(jié)果和安全性分析表明，利用無(wú)人機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的輔助，不僅擴(kuò)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(tái)

飛思集群研發(fā)平臺(tái)是飛思實(shí)驗(yàn)室專為無(wú)人系統(tǒng)集群協(xié)同研究而開(kāi)發(fā)的研發(fā)平臺(tái)。飛思集群研發(fā)平臺(tái)一個(gè)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(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、無(wú)人車或兩者之間的集群控制平臺(tái)。本平臺(tái)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(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、無(wú)人車的按照規(guī)劃路線運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證多機(jī)、多車編隊(duì)和協(xié)同控制等算法的有效性。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可提供一套完整的集群控制開(kāi)發(fā)、調(diào)試及驗(yàn)證環(huán)境。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于ROS/Matlab 開(kāi)發(fā)，開(kāi)放性強(qiáng)，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(yàn)證。為無(wú)人系統(tǒng)控制及多機(jī)集群控制等教學(xué)演示及二次開(kāi)發(fā)提供核心設(shè)備支撐。
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