CN107094148A - 一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略 - Google Patents

一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，本发明涉及无人机信息安全技术领域。本发明主要包括：初始化，用户节点发送飞行指令给无人机节点，无人机节点发送飞行信息给飞控节点，通过基于格的加密和签名算法保证在当前量子计算机的威胁下，信息传输的安全和可靠，与此同时，通过区块链技术来实现透明和安全管控。本发明特点在于：综合使用格密码体制和区块链技术，建立一套完整的管控机制，实现无人机飞行的透明、安全和高效的管控。该发明能够实时的记录无人机飞行信息，并且通过飞控节点监督无人机飞行，达到提高现有无人机管控的效率和安全性。

Description

一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略
技术领域
本发明涉及无人机信息安全技术领域，具体涉及一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略。
背景技术
无人机在智能城市建设、针对重大灾害的行动中具有明显优势，具有不可替代的作用。但随之而来的一个突出问题是：无人机的无节制飞行，扰乱了空域秩序，为正常民用航班和其他相关工作带来巨大威胁。与此同时，随着国际恐怖主义形势的加剧，空难事件的频发，针对无人机的航空管控迫在眉睫。特别是考虑到当前“量子计算机”问世，传统的公钥密码体制的崩塌，有可能让掌握高科技犯罪能力的“恐怖分子”将远程遥控的无人机作为“目标”或“工具”，用以实施破坏活动。
当前，我国对无人机的管控处于“一管就死”、“一放就乱”的尴尬境地，这究其原因是：(1)当前空域管控体制落后；(2)飞行指挥不统一；(3)管控手段僵硬等等。总的来说，我们缺乏一套安全、透明和高效的体制来管控无人机的飞行。同时，我们又需要灵活的考虑无人机及相关产业的发展，在不影响空域安全的前提下，安全和高效的管控其飞行活动。
为了解决上述问题，我们综合考虑采用区块链技术、基于格的公钥密码体制等技术来实现一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略。其中，基于格的公钥密码体制是抵抗量子计算机的典型方法，而区块链是当前受到广泛发关注和高度重视的技，它是用于实现全民共识、共治和共享的新型基础设施。
发明内容
针对上述现有技术，本发明目的在于提供一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，解决现有技术由于信息加密方式、信息加密范围和数据存储结构的局限性导致的无人机管控低效、僵化且不适合集群无人机作业以及导致的数据泄漏风险等技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，包括以下步骤：
步骤1、由用户节点向无人机节点发送格加密的飞行指令，接着由无人机节点解密飞行指令、根据解密后飞行指令产生飞行信息并将飞行信息发送给飞控节点；
步骤2、由飞控节点对飞行信息进行检验，检验完成后再由飞控节点通过区块链记录关于无人机节点处无人机的飞行信息。
上述方法中，所述的步骤2，还包括同时由无人机节点周期性地返回状态信息至飞控节点，由飞控节点结合飞行信息和状态信息在区块链上对无人机的飞行进行记录和监督。
上述方法中，所述的步骤1，在由用户节点向无人机节点发送格加密的飞行指令之前还包括进行初始化操作，进行初始化操作为对用户节点、无人机节点和飞控节点颁发各自的公钥和私钥，获得该三类节点各自的公开参数。
上述方法中，所述的步骤1，包括以下步骤：
步骤1.1、由用户节点将关联的无人机节点公钥地址、预计飞行时间、预计飞行高度和预计飞行范围作为飞行指令，并将关联的无人机型号、无人机节点的公钥地址、调整后的飞行高度和调整后的飞行方向作为操作指令；
步骤1.2、由用户节点结合无人机节点的公钥对飞行指令和操作指令进行基于格的公钥加密算法加密，对应两类指令分别获得各自的密文；
步骤1.3、由无人机节点使用其私钥分别对密文解密，获得飞行指令和操作指令；
步骤1.4、根据解密后飞行指令产生飞行信息并将飞行信息发送给飞控节点。
上述方法中，所述的步骤1.4，包括以下步骤：
步骤1.4.1、由无人机节点解密后飞行指令，生成飞行路线、预计飞行时间和预计飞行高度并作为飞行信息，同时将实时的飞行状态、位置信息、时间、飞行高度、飞行方向和飞行信息的哈希值作为状态信息，计算出飞行信息和状态信息各自的哈希值；
步骤1.4.2、使用无人机节点的私钥分别对哈希值进行基于格的签名算法签名，再将哈希值签名后的飞行信息和状态信息发送至飞控节点。
上述方法中，所述的进行基于格的签名算法签名，为进行基于格的安全短签名一般性构造方法的签名。
上述方法中，所述的步骤2，包括以下步骤：
步骤2.1、由飞控节点在区块链上结合飞行信息的哈希值检索是否已经存在相同的飞行信息；
步骤2.2.1、若存在，则由飞控节点按照区块链上区块中记录的飞行信息，监督无人机节点处无人机执行飞行计划状态；
步骤2.2.2、若不存在，则由飞控节点在区块链上按照时间顺序建立新的区块并将飞行信息的哈希值写入该新区块内，再开始监督无人机节点处无人机执行飞行计划状态。
上述方法中，所述的步骤2.2.2，还将飞行信息的哈希值作为其内容的索引并将其内容存储与云服务器上。
上述方法中，所述步骤2，还包括根据公开参数的要求，由无人机节点周期性地返回状态信息至飞控节点，由飞控节点周期性地验证状态信息。
一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控系统，包括：
用户节点，接入区块链；
无人机节点，接入区块链、接收用户节点发送的格加密飞行指令且解密该格加密飞行指令；
飞控节点，接入区块链、接收由无人机节点根据解密后飞行指令所生成的飞行信息且检验飞行信息；
云服务器，用于存储飞行信息的内容；
所述飞控节点将检验后飞行信息选择地记录其哈希值于区块链区块内作为其内容的索引并存储其内容于所述云服务器；
所述无人机节点处无人机周期性地返回其状态信息至所述飞控节点；
所述飞控节点根据已记录于区块链上飞行信息监督或验证无人机的飞行计划执行状态或状态信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)提供了一种安全(格加密算法和不可篡改的区块链)、透明(并不是所有信息全部加密)和高效(结合区块链和云服务器构建了低冗余度全新数据存储结构)的管控策略及系统；
(2)分别采用基于格的加密和签名方法(NTRU加密算法、Boyen的“Lattice Mixingand Vanishing Trapdoors：A Framework for Fully Secure Short Signatures andmore”)，能够有效抵抗量子计算攻击，确保无人机在当前网络空间安全形势严峻的情况下，有效应对量子计算攻击，实现安全的管控；
(3)采用基于区块链的技术记录飞行信息，由于区块链具有不可篡改、安全、可追溯等优秀特点，可以帮助实现透明的无人机管控，同时提供事故追责等功能；
(4)设计了一套完整的无人机飞行管控机制，同时实现了灵活和安全的无人机飞行管控，无人机要按照事先记录在区块链上的信息进行飞行，但允许根据用户发送的操纵指令进行小范围的改动，但需要满足公开参数所设定的容忍范围，这样做的目的是在满足空域安全的前提下合理满足飞行需求。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的各节点信息交互示意图；
图3为本发明实施例的区块内容示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本发明做进一步说明：
初始化，基于公钥密码体系(Public-Key Infrastructure,PKI)，认证中心(Certificate Authority,CA)为用户节点、无人机节点、飞控节点颁发公钥和私钥，产生公开参数；
用户节点生成飞行指令，包括：无人机节点的公钥地址、预计飞行时间、预计飞行高度、预计飞行范围，这里，飞行指令可以是预先设计好的飞行指令。也就是说，无人机可以按照指令自动飞行无需操纵，但也可以是用户节点提前估计好的飞行路线(在实际飞行中，可按照操纵指令做小范围调整，具体由公开参数决定，详见后面)；
接着，用户节点使用无人机节点的公钥对飞行指令进行加密，采用的是Hoffstein等人提出的名为：NTRU的格公钥加密算法进行加密，将产生的密文通过公共渠道发送给无人机节点；
这里，我们采用NTRU格公钥加密算法的原因有如下：(1)高效实用，这是因为NTRU是当前最快的格公钥加密算法，也是最快的公钥加密算法之一(2)基于格困难问题，有效抵抗量子攻击的威胁，避免具有量子计算能力的攻击者截获并伪造飞行指令；
无人机节点收到指令密文后，使用自己的密钥进行解密，从而得到飞行指令，然后根据飞行指令，生成飞行信息，具体包括：飞行路线、预计飞行时间、预计飞行高度等，并计算其哈希值，然后对哈希值进行签名并且发送给飞控节点；
需要指出，上述签名算法采用的是：Boyen提出的基于格的安全短签名一般性构造方法(Lattice Mixing and Vanishing Trapdoors：A Framework for Fully SecureShort Signatures and more)，我们考虑采用其的原因是：(1)安全性高，安全性证明紧凑，在选择消息攻击下是存在性不可伪造的(2)签名简单、方法实用高效(3)支持基于身份的加密体系(Identity-Based Encryption)，应用前景广阔，可以有效克服现有的PKI体制的不足，即密钥管理的问题(4)基于格困难问题，有防止具有量子计算能力的攻击者伪造签名；
飞控节点收到飞行信息和签名后，首先使用无人机节点的公钥验证签名的正确性，同时，检查该次飞行信息是否合法，若通过，则继续执行下一步，否则，飞控节点拒绝此次飞行，并且根据相关法规采取反制措施，防止无人机非法飞行，扰乱空域安全；
需要指出的是，我们仅仅对飞行指令和操纵指令进行加密，而对飞行信息和状态信息进行签名后明文发送，这样做的目的是：(1)重点防范具有量子计算能力的攻击者窃取或篡改对无人机发送的指令(2)将飞行信息和状态信息透明的记录在区块链上，用于公共的监督和检索(3)以最少的代价换来整个系统的高效和可靠运营；
飞控节点计算飞行信息的哈希值，并且在记录飞行信息的区块链上检索该次飞行信息是否存在，若存在，则代表无人机节点之前已经得到飞控节点的合法授权并且记录，那么飞控节点在云服务器中检索到对应的飞行信息，并且监督无人机按照预定的飞行信息进行飞行；若该哈希值不存在，则飞控节点在按照时间顺序，在最近一次的区块后面，创建一个新的区块，将该次飞行信息写入该区块中，最后广播该区块；
在记录飞行信息的区块链中，一个区块的区块头内容包括：飞行信息的哈希值、区块的建立时间、前后区块的指针；区块体具体内容包括：无人机节点的公钥地址、用户节点的公钥地址、无人机型号、用户信息、飞行信息；
这里需要指出的是，我们仅仅在区块里记录飞行信息的哈希值，而将具体的飞行信息存储在云服务器中，将哈希值作为其索引，这样既避免了区块内容过多造成的区块链冗余，同时也提供了高效的索引办法，使得飞控节点可以快速高效的检索，确保无人机管控策略的高效，此外，我们还可以考虑对存储在云服务器中的飞行信息加密，以此确保飞行敏感数据不泄露；
接下来，用户节点可以生成操纵指令，包括:无人机的型号、无人机节点的公钥地址、调整后的飞行高度、调整后的飞行方向等信息，并使用无人机节点的公钥，基于NTRU格公钥加密算法加密得到密文，将密文发送给无人机节点；
无人机节点收到密文后，使用公钥并基于NTRU算法进行解密，并且得到操纵指令，无人机根据操纵指令，并且在不危害航空安全和符合规定的前提下，对飞行状态进行小范围调整，这样做是为了适当满足无人机用户的飞行需要；
接着，无人机会按照区块链上记录的飞行信息进行既定的飞行(也可能接受了用户节点的操纵指令，小范围的变动了飞行状况，但具体通过飞行高度和公开参数进行合理范围的限定，若超出范围则视为非法飞行)，无人机节点会周期性的返回状态信息给飞控节点，用于实时的监督飞行是否合法；
其中，上述过程具体为：无人机节点按照公开参数的要求，生成由：飞行状态、位置信息、时间、飞行高度、飞行方向、飞行信息的哈希值等组成的状态信息，并且采用Boyen的方法进行签名，然后发送给飞控节点进行验证；
如之前所述，飞控节点基于Boyen的算法，先验证签名的正确性，再配合飞行信息检查状态信息是否合法，若通过，则继续执行下一步，否则，采取相应的反制措施，打击无人机非法飞行；
最后，飞控节点检查无人机是否已经停止飞行，具体为：检查飞行状态信息、位置信息、时间，飞行高度等信息，具体方法可由公开的参数或者方法设定，在此不多做介绍，若无人机停止，则结束，否则，继续要求接受无人机返回的状态信息，以实时的管控无人机的飞行。
实施例1
参照图1，本发明的具体实现如下：
初始化，认证中心(Certificate Authority,CA)为用户节点、无人机节点、飞控节点颁发公钥和私钥，产生公开参数。
用户节点生成飞行指令，使用无人机节点的公钥对飞行指令进行加密，采用NTRU的格公钥加密算法进行加密，并将产生的密文通过公共渠道发送给无人机节点；
无人机节点将指令密文解密后得到飞行指令，然后根据飞行指令，生成飞行信息，并计算其哈希值，然后对哈希值进行签名并且发送给飞控节点；
飞控节点对收到的签名和飞行信息的合法性分别进行验证，若通过，则继续执行下一步，否则，飞控节点拒绝此次飞行，并且根据相关法规采取反制措施，防止无人机非法飞行，扰乱空域安全；
接着，飞控节点计算飞行信息的哈希值，并且在区块链上检索该次飞行信息是否存在，若存在，在云服务器中检索到对应的飞行信息，并且监督无人机按照预定的飞行信息进行飞行；若该哈希值不存在，则飞控节点在按照时间顺序，在最近一次飞行时间的区块后面，创建一个新的区块，并将该次飞行信息写入该区块中，最后广播该区块，其中，节点信息交互如图2所示，区块内容如图3所示；
在无人机会按照区块链上记录的飞行信息进行既定飞行的同时，用户节点可以生成操纵指令，并且使用NTRU格公钥加密算法加密后发送给无人机节点，无人机解密后得到操纵指令，无人机根据操纵指令，并且在不危害航空安全和符合规定的前提下，对飞行状态进行小范围调整，这样做是为了在不危害空域安全的条件下，适当满足无人机用户的飞行需要；
与此同时，无人机节点会周期性的返回状态信息给飞控节点，用于实时的监督飞行是否合法，并且采用Boyen提出的基于格的安全短签名一般性构造方法进行签名，然后发送给飞控节点进行验证；
飞控节点验证签名的正确性，再配合飞行信息检查状态信息是否匹配一致(可能出现不按照规定飞行的情况)，若通过，则继续执行下一步，否则，采取相应的反制措施，打击无人机非法飞行；
最后，飞控节点检查无人机是否已经停止飞行，若停止，则结束，否则，继续要求接受无人机返回的状态信息，以实时的管控无人机的飞行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、由用户节点向无人机节点发送格加密的飞行指令，接着由无人机节点解密飞行指令、根据解密后飞行指令产生飞行信息并将飞行信息发送给飞控节点；
步骤2、由飞控节点对飞行信息进行检验，检验完成后再由飞控节点通过区块链记录关于无人机节点处无人机的飞行信息。
2.如权利要求1所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的步骤2，还包括同时由无人机节点周期性地返回状态信息至飞控节点，由飞控节点结合飞行信息和状态信息在区块链上对无人机的飞行进行记录和监督。
3.如权利要求2所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的步骤1，在由用户节点向无人机节点发送格加密的飞行指令之前还包括进行初始化操作，进行初始化操作为对用户节点、无人机节点和飞控节点颁发各自的公钥和私钥，获得该三类节点各自的公开参数。
4.如权利要求3所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的步骤1，包括以下步骤：
步骤1.1、由用户节点将关联的无人机节点公钥地址、预计飞行时间、预计飞行高度和预计飞行范围作为飞行指令，并将关联的无人机型号、无人机节点的公钥地址、调整后的飞行高度和调整后的飞行方向作为操作指令；
步骤1.2、由用户节点结合无人机节点的公钥对飞行指令和操作指令进行基于格的公钥加密算法加密，对应两类指令分别获得各自的密文；
步骤1.3、由无人机节点使用其私钥分别对密文解密，获得飞行指令和操作指令；
步骤1.4、根据解密后飞行指令产生飞行信息并将飞行信息发送给飞控节点。
5.如权利要求4所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的步骤1.4，包括以下步骤：
步骤1.4.1、由无人机节点解密后飞行指令，生成飞行路线、预计飞行时间和预计飞行高度并作为飞行信息，同时将实时的飞行状态、位置信息、时间、飞行高度、飞行方向和飞行信息的哈希值作为状态信息，计算出飞行信息和状态信息各自的哈希值；
步骤1.4.2、使用无人机节点的私钥分别对哈希值进行基于格的签名算法签名，再将哈希值签名后的飞行信息和状态信息发送至飞控节点。
6.如权利要求5所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的进行基于格的签名算法签名，为进行基于格的安全短签名一般性构造方法的签名。
7.如权利要求5所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的步骤2，包括以下步骤：
步骤2.1、由飞控节点在区块链上结合飞行信息的哈希值检索是否已经存在相同的飞行信息；
步骤2.2.1、若存在，则由飞控节点按照区块链上区块中记录的飞行信息，监督无人机节点处无人机执行飞行计划状态；
步骤2.2.2、若不存在，则由飞控节点在区块链上按照时间顺序建立新的区块并将飞行信息的哈希值写入该新区块内，再开始监督无人机节点处无人机执行飞行计划状态。
8.如权利要求7所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述的步骤2.2.2，还将飞行信息的哈希值作为其内容的索引并将其内容存储与云服务器上。
9.如权利要求3所述的一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控策略，其特征在于，所述步骤2，还包括根据公开参数的要求，由无人机节点周期性地返回状态信息至飞控节点，由飞控节点周期性地验证状态信息。
10.一种抗量子计算攻击的无人机区块链管控系统，其特征在于，包括：
用户节点，接入区块链；
无人机节点，接入区块链、接收用户节点发送的格加密飞行指令且解密该格加密飞行指令；
飞控节点，接入区块链、接收由无人机节点根据解密后飞行指令所生成的飞行信息且检验飞行信息；
云服务器，用于存储飞行信息的内容；
所述飞控节点将检验后飞行信息选择地记录其哈希值于区块链区块内作为其内容的索引并存储其内容于所述云服务器；
所述无人机节点处无人机周期性地返回其状态信息至所述飞控节点；
所述飞控节点根据已记录于区块链上飞行信息监督或验证无人机的飞行计划执行状态或状态信息。
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