CN112073222B - 一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构 - Google Patents

一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构，给每个网络建立区块链利用拜占庭容错共识机制建立区块链，将能力强、可信任的设备作为验证者充当全节点，其他设备与验证者通信，以轻节点的身份加入网络。为了鼓励各个飞机、卫星积极参与，本发明模拟了反向维克里‑克拉克‑格罗夫斯拍卖，以最大限度的提高系统效率。利用侧链/中继链技术实现区块链协作，将确定的价格安全的传输到目标网络。区块链可以有效地防止每个节点发生故障，也可防止针对每个网络服务器的攻击。通过区块链协作，跨区块链传递的信息也是防篡改和可听见的。区块链能够独立且隐私地维护段内管理。协作区块链支持空天地网络的段间互连，以低成本适应动态网络。

Description

一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构
技术领域
本发明涉及电子信息技术领域，特别涉及一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构。
背景技术
空间-空地一体化网络(空天地网络)是为了向用户提供更好的服务质量，设计的一种由空间网络、天空网络和地面网络三维互连的一体化网络。然而现实运用中，仍然有一些问题有待解决。例如：每个网络是相互独立运行的，而每个网络很难进行全面的建设，使得网络不能及时提供有效的网络服务。而且随着空天地网络的大规模应用，越来越多的不受信任的设备加入到空天地网络中，对空天地网络的安全性和隐私性造成威胁。
区块链的出现为解决上述问题带来新的视角，它使用加密技术，永久的安全储存交易信息，而且区块链的分散式管理也可加强空天地网络运行的稳定性，使得单个节点的故障不会影响整个区块链的运行。
但是当空天地网络大规模应用时，传统的集中式中心化管理机构由于网络服务供应商和各个认证之间的不信任不仅会降低系统的灵活性与可拓展性。而且单条区块链一般按顺序处理用户的请求，这会带来非常严重的时延。此外，区块链每个节点都要保留整个区块链的完整副本，这也会浪费大量的存储资源。不仅如此，空天地网络各有各的特点，要建设能同时满足三个网络的区块链难度，比如太空网络中，卫星移动速度很快、而且带宽受限，使得区块链的可扩展性问题成为最具挑战的问题；在天空网络中设备容量有限、网络链路不稳定，各种飞机的异质性和高机动性使通信非常复杂；在地面网络中网络服务和设备种类繁多，要求区块链有较高的吞吐量。这使得区块链协作成为一条可行的出路，然而现实中区块链侧重于在单个网络中的应用，而且缺少一种激励机制鼓励各个网络段用户参与。
发明内容
本发明是一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构。在该架构中，分别有太空链、天空链和地面链对应太空网络、天空网络和地面网络，当用户向地面网络提出请求时，由地面网络解决其请求，此时太空网络和天空网络不需要参与。而当用户离开地面网络范围或者地面网络无法满足其请求时，会转向天空网路或者太空网络，此时三个区块链会通过中继链实现区块链之间的信息交互。
本发明的技术方案是这样实现的：实现的技术手段技术方案
一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构，具体步骤如下：
给每个网络建立区块链
利用拜占庭容错共识机制建立区块链，将能力强、可信任的设备作为验证者充当全节点，其他设备与验证者通信，以轻节点的身份加入网络。
为用户寻找最佳匹配对象
模拟使用了反向维克里-克拉克-格罗夫斯拍卖。中继链扮演受信任的第三方拍卖师，收集各个飞机/卫星的投标，选择出价最低的匹配给用户，向用户收费时，收取的费用是给其他参与者造成的边际损失。
移动管理
利用侧链/中继链技术实现区块链协作，将上一步确定的价格安全的传输到目标网络。首先会从三个网络中选取一些运营商组合一起，这些运营商将扮演提交者、验证者和钓鱼人的角色。在资产转移过程中，用户首先向中继链提交跨链申请，接着继续提交交易记录和自己的简单支付验证，中继链会利用简单支付验证验证交易是否合法，如果验证通过，则中继链向天空链发出资产，最后便可在天空网络使用资产。
本发明随着空天地网络的不断发展壮大，越来越多的设备加入到该网络中，其中有不受信任的设备存在，使得空天地网络的隐私性和安全性受到威胁。为了消除这种威胁，可以引入区块链技术，但如果只用一个区块链的话，在处理用户请求时，会带来严重的延迟，而且很难实现区块链的可扩展性。本发明针对以上问题，设计了一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构，与一条区块链相比有着以下优点：
增强安全性：区块链可以有效地防止每个节点发生故障，也可防止针对每个网络服务器的攻击。此外，通过区块链协作，跨区块链传递的信息也是防篡改和可听见的。
高效独立性和互操作性：从网络段的角度来看，区块链能够独立且隐私地维护段内管理。协作区块链支持空天地网络的段间互连，以最低的成本适应动态网络。
可扩展性:空天地网络的庞大规模和网络服务提供商的多样性使得难以就网络资源的分配达成统一共识，从而导致不可忍受的延迟和冗余存储。由于每个并行区块链专为每个网段而设计，并在空天地网络中同时运行，因此本发明的体系结构能够高效地管理大规模网络。
附图说明
图1为本发明中资产跨链转移的示意图
图2为使用本发明中的方法实现的网络效用与随机匹配用户的网络效用之间的比较
图3为本发明系统失败概率与验证者个数与验证者失败概率的变化关系折线图。
图4为本发明系统的存储成本与非跨链节点存储成本的比较。
具体实施方式
首先制为空天地网络建立三条区块链：太空链、天空链、地面链。三条区块链相互独立运行，通过中继链交互必要信息。考虑到复杂的现实情况，可以利用拜占庭容错共识机制搭建区块链，即有能力、可信任的设备作为全节点、其他的作为轻节点与全节点建立联系加入到区块链中。
当地面网络无法满足用户的需求时，天空链/太空链会协作地面链完成用户需求。这分为两个步骤：基于激励的用户匹配过程和移动管理。
(一)为用户寻找最佳匹配对象
由于飞机和卫星通常受到资源的限制，而且驱动他们的利润也有不同的来源，因此需要激励不同网络的参与并最大限度地提高系统效率。激励过程是为用户寻找最佳匹配对象(飞机/卫星)的过程，也是跨段资源分配过程。这个匹配过程可以模拟使用反向维克里-克拉克-格罗夫斯拍卖。
设用户i愿意支付的最高价格为vi，在覆盖范围中有飞机/卫星j为其投标bi，j，投标的大小是反比于飞机/卫星的拥有的资源量aj和用户与飞机/卫星的距离di，j，即
Figure BDA0002638919430000031
用户支付的价格为pi，以及飞机/卫星处理计算任务的费用cj中继链扮演受信任的第三方拍卖师，收集飞机/卫星的投标bi，j。如果飞机的投标在用户的保留价格内，即bi，j≤vi，而且出价最低，则拍卖师将其选为最合适的飞机/卫星。
中继链计算向用户i收取多少费用pi(pi≤vi)。计算方法参考反向维克里-克拉克-格罗夫斯拍卖。
(二)移动管理
确定完匹配对象后，需要通过区块链协作将确定的价格从地面网络安全的传输到其他网络(天空中的天空网络、太空中的太空网络)。可使用中继链技术实现区块链协作，在中继链中，来自三个网络的一组运营商负责添加和验证新的区块，以实现可信的分配。这样一来，如果有新的设备加入到区块链中时，对应区块链的操作员会先验证交易信息，然后在将区块的标头信息写入中继链里。为了保证中继交易的安全性，运营商要在交易过程中扮演以下3个角色：
提交者：为了确保中继链中平行链块头的安全性，每个并行链中的操作员都需要收集、验证和提交自己的平行链中的块头信息，并及时提交。
验证者：为了验证跨链业务的安全性，运营商对根据简单支付验证和平行链信息审查跨链相关运营的合法性(例如用于确定跨链资产是否已锁定以及授权是否已撤销)负责。根据拜占庭共识，跨链行为需要运营商的同意后才能视为已经批准了。
钓鱼人：为了确保跨链作业的正常运行，钓鱼人可以通过举报非法交易或区块来获得收入。通过联合运营商分配，中继链可以防止对任何单个区块链的数据篡改，并确保资产的安全跨链转移。如图1所示，资产转移过程如下(以从地面链转移到天空链为例)：
第1步(提交跨链请求)：我们假设用户需要从地面网络访问天空网络。用户向地面链的智能合约发送请求，并在合同中锁定自己的跨链资产。
第2步(提供交易记录和简单支付验证)：当包含资产锁的交易记录位于地面链中时，将自动触发智能合约以向中继链发送简单支付验证。中继链使用简单支付验证验证事务是否真实。
第3步(验证交易记录和简单支付验证)：当某个区块链上出现新的区块时，该区块链的操作员将新的区块的块标头信息记录在中继链里。由于Merkel树的性质，中继链可以快速有效地使用简单支付验证和块头信息来验证交易的合法性。
第4步(在天空区块链上发出相应的资产)：如果验证通过，则相应的资产由天空链中的中继链发出。
第5步(在天空链中使用资产)：此已发行资产记录在天空链中后，用户可以访问相应天空链上的航空网络资源。
仿真数据
我们使用了Go语言开发了区块链模拟器，通过拜占庭容错公司机制建立了地面链和天空链，将注册信息存储为交易信息。使用中继链技术支持从地面链到天空链的资产转移。根据以太坊块，我们指定区块链中的每笔交易为250字节，并且每个区块可以打包20个交易，每个区块的块标头是160字节。
通过激励措施改善网络细分市场的实用程序
首先我们假设有50名地面用户、10架飞机和5颗卫星，用户的保留价格和飞机/卫星的出价与距离相关，范围在[0,1][15]内。接着我们设定一条基线作为实验对照，基线是随机选取可用的飞机、卫星给用户使用。如图2所示，我们提议的方案与随机选择相比，细分市场的效用高出64％。
通过可扩展的区块链提高系统安全性：
这里我们与集中控制做对比，我们探讨了在拜占庭容错共识机制下的区块链中分别有11、21、27个验证者的情况时，系统安全性的变化。从图3可以看出随着单个验证者失败概率的降低，以及验证者数量增加，系统失败的概率与中心化系统的失败概率相比，数值上小了1到10个数量级。除了当验证者失败概率大于0.08时，有11个验证者的系统失败概率比中心化系统失败概率高之外，其余条件下区块链控制的系统更加安全。
通过协作区块链缓解占用的存储资源：
我们在空天地网络中运行一个区块链并使用协作区块链。我们对以下条件发生时地面节点的存储资源成本做了仿真。
条件：1)地面网络发生50％的数据交互
2)天空网络发生20％的数据交互
3)太空网络发生20％的数据交互
4)剩下的10％在网络之前的信息交互中。
仿真结果如图4所示。可以发现，因为使用区块链合作的地面节点只需要存储自身的交易数据，无需保留其他区块链的交易数据，使得占用的存储资源比没有区块链协作的节点要少50％，而且因为需要存储其他区块的块标头信息，使得操作者节点比普通节点要多占据4％的存储资源。

Claims (1)

1.一种基于区块链跨链技术的空天地网络移动管理架构，其特征在于，具体步骤如下：
1)给每个网络建立区块链
利用拜占庭容错共识机制建立区块链，将有能力 、可信任的设备作为验证者充当全节点，其他设备与验证者通信，以轻节点的身份加入网络；
2)为用户寻找最佳匹配对象
模拟使用了反向维克里-克拉克-格罗夫斯拍卖，中继链扮演受信任的第三方拍卖师，收集各个飞机/卫星的投标，选择出价最低的匹配给用户，向用户收费时，收取的费用是给其他参与者造成的边际损失；
3)移动管理
利用侧链/中继链技术实现区块链协作，将上一步确定的价格安全的传输到目标网络，首先会从三个网络中选取一些运营商组合一起，这些运营商将扮演提交者、验证者和钓鱼人的角色，在资产转移过程中，用户首先向中继链提交跨链申请，接着继续提交交易记录和自己的简单支付验证，中继链会利用简单支付验证验证交易是否合法，如果验证通过，则中继链向天空链发出资产，最后便可在天空网络使用资产。
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