CN112218290B - 一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及AUVs协同控制技术领域，尤其涉及一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，包括如下步骤：步骤1，母舰将交易事务传输给领导者，领导者生成加密的区块；步骤2，利用共识算法该区块被同步至系统中的其他节点，并更新控制命令与密钥信息；步骤3，改进的共识算法中，当跟随者未收到来自领导者的消息，且剩余能量大于阈值时，其成为候选者，并发起投票请求；步骤4，当该跟随者剩余能量小于阈值时，其成为落选者，并计算与传送新的能量阈值；步骤5，各节点计算在一轮选举过程中能耗情况及剩余能量。本发明采用不断更新所需密钥，提高了AUVs与母舰之间通信的安全性，极大延长了网络的工作时间与提高AUVs的能量利用率。

Description

一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统

技术领域

本发明涉及AUVs协同控制技术领域，尤其涉及一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统。

背景技术

近些年来，AUV被人们广泛用于水下信息采集、跟踪任务目标、搜索水下未知环境、救助遇险人员等任务中。然而，大多数具体应用都比较复杂，对AUV的灵活性要求较高，由于传感器范围小、通信能力不足、能量有限等因素，单个AUV已无法满足当前水下任务的要求。因此，作为一种可选择的解决方案，通过多AUVs之间的协同操作，可以更高效、更安全地实现持续性工作和灵活的操作，多AUVs协同控制系统逐渐成为一个新的研究领域。

然而，由于水声通信信道的特殊性，水声通信网络极易受到各种安全威胁和恶意攻击，包括被动窃听、数据篡改、伪造身份等，所以保证多AUVs网络的安全性尤为重要。但是，现有的方案在解决水下安全通信的问题上存在很多不足，特别是在关于控制命令和状态信息的安全性方面。

区块链被公认为是一种有效的解决安全问题的技术，其本质上是一个安全、共享、分布式的账本。区块链技术通过将点对点网络、多重签名技术和特殊密钥相结合，解决分布式系统交互过程的拜占庭将军问题，并保证通信过程中数据的安全性。将区块链技术与多AUVs群体相结合，区块链技术可以解决多AUVs群的通信安全和数据一致性方面的问题。在大部分基于区块链的无人机或机器人的研究中很少考虑到的能量限制。但是与地面其它智能体相比，AUVs的能量约束特性给其工作过程带来了更多的挑战。因此，有必要研究将考虑能量感知节点的区块链应用于AUVs群体协作控制系统。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，利用区块链技术增强AUVs间通信数据的安全性，考虑节点的剩余能量，增加网络生存时间，提高了能量的利用率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，包括如下步骤：

步骤1，母舰将包含控制命令与密钥信息的交易事务传输给领导者，验证完有效性后，领导者生成区块，并进行加密；

步骤2，所述领导者将加密的区块传输给其他AUVs，利用改进的Raft共识算法该区块被同步至系统中的其他节点，各节点在保存区块后，均更新控制命令与密钥信息；

步骤3，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量大于能量阈值时，该跟随者成为候选者，候选者向其他节点发送请求投票信息；

步骤4，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量小于能量阈值时，该跟随者成为落选者，落选者计算新的能量阈值，并将阈值信息传送给其他AUVs；

步骤5，每个节点计算在一轮选举过程中其能量消耗情况，并更新剩余能量的值。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤1中，包括如下步骤：

步骤1.1，母舰生成

私有密钥对应的

母舰依次为已注册的第i个AUV分配一个独有的AID_i，而每个AUV均拥有来自母舰的

MID及所有AUV的AID，其中，

表示母舰自己的私有密钥，

表示AUVs间通信所需的共享密钥，

表示公共密钥，AID_i表示第i个AUV身份信息，MID表示母舰的身份信息，AID表示AUV身份信息；

步骤1.2，母舰使用

加密交易事务，将交易信息传送给领导者，交易事务中包括

以及下一轮任务的控制命令信息，其中，

表示下一轮通信的公共密钥信息，

表示AUVs群间通信所需的新的共享密钥；

步骤1.3，领导者接收到一个事务后，通过

解密数据，之后验证交易的签名及其合法性，验证交易的真实性与完整性，验证事务有效后，领导者将正确的包含控制命令与密钥信息的交易事务打包成一个Block_n，并使用

加密，其中，Block_n表示生成的第n个区块。

其中，所述区块分为区块头和区块体两部分，区块头包含块的哈希值、时间戳和前一个块的哈希值；区块体包含从母舰接收的数据，在区块体中可能存储一个或多个数据；

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤2中，包括如下步骤：

步骤2.1，领导者将Block_n发送给所有跟随者，跟随者使用

进行解码，之后验证该Block_n的签名和合法性，将有效Block_n暂时保留；

步骤2.2，获得Block_n的跟随者会向领导者发送加密过的反馈信息，领导者收到大多数跟随者的反馈后，将Block_n存储在其日志中，并执行来自母舰的控制命令，更新公共密钥

和共享密钥

步骤2.3，领导者通知跟随者之前的条目已经提交，跟随者收到消息后将Block_n存储到其日志中，并执行相应的控制命令，更新密钥信息。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3中，包括步骤如下：

步骤3.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，并且其剩余能量大于阈值时，跟随者将转换为候选者；

步骤3.2，候选者增加其任期，并向跟随者发送投票请求信息，投票请求信息中包含任期、期限、最后一次日志索引；

步骤3.3，跟随者或落选者没有收到来自领导者的远程过程呼叫，并且当前的任期小于候选者的任期，其将对该候选者进行投票；候选者在同一任期内获得超过半数节点的投票，其将赢得选举并成为领导者，之后，向所有其他节点发送心跳消息，以维护它的权威，并阻止对其他候选者的投票；

步骤3.4，在两个或两个以上的跟随者同时变为候选者的分裂投票情况出现时，所述候选者的选举超时计数器将被重置，通过新的选举从所述的候选者中选出一个领导者。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤4中，包括如下步骤：

步骤4.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，但是其剩余能量低于阈值，跟随者将成为落选者；

步骤4.2，落选者需要重新计算下一级的剩余能量阈值，并向其他节点发送新的阈值信息；在落选者接受来自候选者或领导者的远程信息后，将切换到跟随者状态。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤3.1中，在选举超时时间内跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率为

其中，i∈{1，...，N}，q_i表示跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率，T_out为选举超时时间，τ为两次心跳信号的间隔，p_i为节点i接收数据的丢包率，N为系统中跟随者的数目；每个AUV的初始能量均相同，第i个AUV的剩余能量值为E_i，其中E_i∈{E₁，...，E_N+1}，N+1为系统中AUV的数目，E₁为第1个AUV的剩余能量值，E_N+1为第N+1个AUV的剩余能量值；将AUV的初始能量分为H级，能量分级的集合为ε＝{ε₁，...，ε_H}，其中ε₁为第1级能量阈值，ε_H为第H级能量阈值；ε_h为节点剩余能量阈值，其中ε_h∈ε。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤5中，四类不同状态节点的能量消耗计算方法，包括如下步骤：

步骤5.1，领导者的能量消耗为E_L＝E_L，h+E_L，B+E_L，F，其中，E_L，h为领导者每次向跟随者发送心跳信息所消耗的能量，E_L，B为领导者生成一个区块所消耗的能量，E_L，F为领导者将区块发送给跟随者所需要的能量；

步骤5.2，候选者在选举期间的将请求投票信息发送给其他节点的能量消耗为E_C；

步骤5.3，跟随者的能量消耗为E_F＝E_F，L+E_F，C，其中，E_F，L为跟随者将反馈信息发送给领导者所需的能量，E_F，C为跟随者向候选者发送投票消息所消耗的能量；

步骤5.4，落选者计算新的剩余能量阈值，并向其他节点发送能量阈值消息的能量消耗为E_A。

与现有技术相比本发明提供的一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统有益效果如下：

1、本发明提供的一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，通过不断更新通信所需的密钥信息，提高AUVs与母舰之间通信的安全性，AUVs能够安全地接收来自母舰控制命令与密钥信息；

2、本发明提供的一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，将区块链与AUVs群相结合，利用相应的密钥加密技术来增强AUVs间交互的安全性；

3、本发明提供的一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，AUVs构成一个分布式网络，区块链中的共识算法保证AUVs都参与到信息的验证中，提升AUVs群的自治性；

4、本发明提供的一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，针对AUVs在工作中无法再充电，考虑能量感知节点，利用改进的共识算法，极大延长网络的工作时间与提高了能量利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的系统框架的示意图；

图2是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的控制命令与密钥信息传输及验证方法的流程图；

图3是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的区块链的示意图；

图4是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的领导者选举方法的流程图；

图5是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统的两种方案的正常运行时间的仿真对比图；

图6是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统的两种方案的节点平均剩余能量的仿真对比图；

图7是本发明提供一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统的两种方案的不同节点数的生存时间的仿真对比图。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所述一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，包括如下步骤：

步骤1，母舰将包含控制命令与密钥信息的交易事务传输给领导者，验证完有效性后，领导者生成区块，并进行加密；

步骤2，所述领导者将加密的区块传输给其他AUVs，利用改进的Raft共识算法该区块被同步至系统中的其他节点，各节点在保存区块后，均更新控制命令与密钥信息；

步骤3，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量大于能量阈值时，该跟随者成为候选者，候选者向其他节点发送请求投票信息；

步骤4，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量小于能量阈值时，该跟随者成为落选者，落选者计算新的能量阈值，并将阈值信息传送给其他AUVs；

步骤5，每个节点计算在一轮选举过程中其能量消耗情况，并更新剩余能量的值。

优选的，步骤1中，包括如下步骤：

步骤1.1，母舰生成

私有密钥对应的

母舰依次为已注册的第i个AUV分配一个独有的AID_i，而每个AUV均拥有来自母舰的

MID及所有AUV的AID，其中，

表示母舰自己的私有密钥，

表示AUVs间通信所需的共享密钥，

表示公共密钥，AID_i表示第i个AUV身份信息，MID表示母舰的身份信息，AID表示AUV的身份信息；

步骤1.2，母舰使用

加密交易事务，将交易信息传送给领导者，交易事务中包括

以及下一轮任务的控制命令信息，其中，

表示下一轮通信的公共密钥信息，

表示AUVs群间通信所需的新的共享密钥；

步骤1.3，领导者接收到一个事务后，通过

解密数据，之后验证交易的签名及其合法性，验证交易的真实性与完整性，验证事务有效后，领导者将正确的包含控制命令与密钥信息的交易事务打包成一个Block_n，并使用

加密，其中，Block_n表示生成的第n个区块。

其中，所述区块分为区块头和区块体两部分，区块头包含块的哈希值、时间戳和前一个块的哈希值；区块体包含从母舰接收的数据，在区块体中可能存储一个或多个数据；

优选的，步骤2中，包括如下步骤：

步骤2.1，领导者将Block_n发送给所有跟随者，跟随者使用

进行解码，之后验证该Block_n的签名和合法性，将有效Block_n暂时保留；

步骤2.2，获得Block_n的跟随者会向领导者发送加密过的反馈信息，领导者收到大多数跟随者的反馈后，将Block_n存储在其日志中，并执行来自母舰的控制命令，更新公共密钥

和共享密钥

步骤2.3，领导者通知跟随者之前的条目已经提交，跟随者收到消息后将Block_n存储到其日志中，并执行相应的控制命令，更新密钥信息。

优选的，步骤3中，包括步骤如下：

步骤3.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，并且其剩余能量大于阈值时，跟随者将转换为候选者；

步骤3.2，候选者增加其任期，并向跟随者发送投票请求信息，投票请求信息中包含任期、期限、最后一次日志索引；

步骤3.3，跟随者或落选者没有收到来自领导者的远程过程呼叫，并且当前的任期小于候选者的任期，其将对该候选者进行投票；候选者在同一任期内获得超过半数节点的投票，其将赢得选举并成为领导者，之后，向所有其他节点发送心跳消息，以维护它的权威，并阻止对其他候选者的投票；

步骤3.4，在两个或两个以上的跟随者同时变为候选者的分裂投票情况出现时，所述候选者的选举超时计数器将被重置，通过新的选举从所述的候选者中选出一个领导者。

优选的，步骤4中，包括如下步骤：

步骤4.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，但是其剩余能量低于阈值，跟随者将成为落选者；

步骤4.2，落选者需要重新计算下一级的剩余能量阈值，并向其他节点发送新的阈值信息；在落选者接受来自候选者或领导者的远程信息后，将切换到跟随者状态。

优选的，在步骤3.1中，在选举超时时间内跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率为

其中，i∈{1，...，N}，q_i表示跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率，T_out为选举超时时间为，τ为两次心跳信号的间隔，p_i为节点i接收数据的丢包率，N表示系统中跟随者的数目；定义每个AUV的初始能量均相同，第i个AUV的剩余能量值为E_i，其中E_i∈{E₁，...，E_N+1}，N+1表示系统中AUV的数目，E₁为第1个AUV的剩余能量值，E_N+1为第N+1个AUV的剩余能量值；将AUV的初始能量分为H级，能量分级的集合为ε＝{ε₁，...，ε_H}，其中ε₁为第1级的剩余能量阈值，ε_H为第H级的剩余能量阈值；ε_h为节点剩余能量阈值，其中ε_h∈ε；

优选的，步骤5中，四类不同状态节点的能量消耗计算方法，包括如下步骤：

步骤5.1，领导者的能量消耗为E_L＝E_L，h+E_L，B+E_L，F，其中，E_L，h为领导者每次向跟随者发送心跳信息所消耗的能量，E_L，B为领导者生成一个区块所消耗的能量，E_L，F为领导者将区块发送给跟随者所需要的能量；

步骤5.2，候选者在选举期间的将请求投票信息发送给其他节点的能量消耗为E_C；

步骤5.3，跟随者的能量消耗为E_F＝E_F，L+E_F，C，其中，E_F，L为跟随者将反馈信息发送给领导者所需的能量，E_F，C为跟随者向候选者发送投票消息所消耗的能量；

步骤5.4，落选者计算新的剩余能量阈值，并向其他节点发送能量阈值消息的能量消耗为E_A。

本实施例中，采用五个AUVs，一个母舰为研究对象，如图1所示，图1是本发明一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的系统框架结构示意图。多AUVs组成区块链系统，母舰作为客户端，该区块链系统中的节点只有四种状态：领导者、跟随者、候选者和落选者；领导者是整个区块链系统的中心，负责接收来自母舰的交易信息，并将信息同步至其他AUVs，同时领导者利用心跳机制定期向跟随者发送心跳；跟随者需要从领导者处复制日志信息以达成共识，并在选举期间对候选者进行投票；候选者是一个从跟随者到领导者的过度状态，其增加当前的任期，并触发了选举机制来选择新的领导者；落选者具有跟随者相同的功能，并且需要计算整个网络的剩余能量阈值，并将阈值信息传递给其他节点。所述区块链系统中，五个AUVs构成含有一个领导者与四个跟随者的分布式网络，每个AUV在特定的方式下轮流作为领导者。母舰作为客户端部署在一个安全可信的环境中。

本实施例中具体步骤如下：

步骤1，母舰将包含控制命令与密钥信息的交易事务传输给领导者，验证完有效性后，领导者生成区块，并进行加密；

步骤2，所述领导者将加密的区块传输给其他AUVs，利用改进的Raft共识算法该区块被同步至系统中的其他节点，各节点在保存区块后，均更新控制命令与密钥信息；

如图2所示，图2是本发明一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的控制命令与密钥信息传输及验证方法的流程图，控制命令与密钥信息传输及验证的具体方法如下：

步骤2.1，母舰生成

私有密钥对应的

母舰依次为已注册的第i个AUV分配一个独有的AID_i，而每个AUV均拥有来自母舰的

MID及所有AUV的AID，其中，

表示母舰自己的私有密钥，

表示AUVs间通信所需的共享密钥，

表示公共密钥，AID_i表示第i个AUV身份信息，MID表示母舰的身份信息，AID表示AUV的身份信息；

步骤2.2，母舰使用

加密交易事务，将交易信息传送给领导者，其中，

交易事务中包括

以及下一轮任务的控制命令信息，其中，

表示下一轮通信的公共密钥信息，

表示AUVs群间通信所需的新的共享密钥；领导者接收到一个事务后，通过

解密数据，之后验证交易的签名及其合法性，验证交易的真实性与完整性，验证事务有效后，领导者将暂时保留所述事务；

步骤2.3，领导者将正确的包含控制命令与密钥信息交易事务打包成一个Block_n，并使用

加密，其中，Block_n表示生成的第n个区块；

步骤2.4，领导者将Block_n发送给所有跟随者，跟随者通过

解码数据，之后验证该Block_n的签名和合法性，将有效Block_n暂时保留；获得Block_n的跟随者会向领导者发送加密过的反馈信息，领导者收到大多数跟随者的反馈后，将Block_n存储在其日志中，并执行来自母舰的控制命令，更新公共密钥

和共享密钥

步骤2.5，领导者通知跟随者之前的条目已经提交，跟随者收到消息后将Block_n存储到其日志中，并执行相应的控制命令，更新密钥信息。

如图3所示，图3是本发明一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的区块链结构示意图。所述区块分为区块头和区块体两部分，区块头包含块的哈希值、时间戳和前一个块的哈希值；区块体包含从母舰接收的数据，在区块体中可能存储一个或多个数据；

步骤3，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量大于能量阈值时，该跟随者成为候选者，候选者向其他节点发送请求投票信息；

步骤4，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量小于能量阈值时，该跟随者成为落选者，落选者计算新的能量阈值，并将阈值信息传送给其他AUVs；

如图4所示，图4是本发明一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统依托的领导者选举方法的流程图，改进的共识算法中领导者选举的具体方法如下：

步骤4.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，并且其剩余能量大于阈值时，跟随者将转换为候选者；候选者增加其任期，并向跟随者发送投票请求信息，投票请求信息中包含任期、期限、最后一次日志索引；跟随者或落选者没有收到来自领导者的远程过程呼叫，并且当前的任期小于候选者的任期，其将对该候选者进行投票；候选者在同一任期内获得超过半数节点的投票，其将赢得选举并成为领导者，之后，向所有其他节点发送心跳消息，以维护它的权威，并阻止对其他候选者的投票；

步骤4.2，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，但是其剩余能量低于阈值，跟随者将成为落选者；落选者需要重新计算下一级的剩余能量阈值，并向其他节点发送新的阈值信息；在落选者接受来自候选者或领导者的远程信息后，将切换到跟随者状态。

步骤4.3，在两个或两个以上的跟随者同时变为候选者的分裂投票情况出现时，所述候选者的选举超时计数器将被重置，通过新的选举从所述的候选者中选出一个领导者。

定义在选举超时时间内跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率为

其中，i∈{1，...，N}，q_i表示跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率，T_out为选举超时时间，τ为两次心跳信号的间隔，p_i为节点i接收数据的丢包率，N为系统中跟随者的数目；

定义每个AUV的初始能量均相同，本实施例中AUV的初始能量为100J，第i个AUV的剩余能量值为E_i，其中E_i∈{E₁，...，E_N+1}，N+1为系统中AUV的数目，E₁为第1个AUV的剩余能量值，E_N+1为第N+1个AUV的剩余能量值；将AUV的初始能量分为H级，能量分级的集合为ε＝{ε₁，...，ε_H}，其中ε₁为第1级能量阈值，ε_H为第H级能量阈值；ε_h为节点剩余能量阈值，其中ε_h∈ε；

步骤5，每个节点计算在一轮选举过程中其能量消耗情况，并更新剩余能量的值。四类不同状态节点的能量消耗计算的具体方法如下：

步骤5.1，领导者的能量消耗为E_L＝E_L，h+E_L，B+E_L，F，其中，E_L，h为领导者每次向跟随者发送心跳信息所消耗的能量，E_L，B为领导者生成一个区块所消耗的能量，E_L，F为领导者将区块发送给跟随者所需要的能量；

步骤5.2，候选者在选举期间的将请求投票信息发送给其他节点的能量消耗为E_C；

步骤5.3，跟随者的能量消耗为E_F＝E_F，L+E_F，C，其中，E_F，L为跟随者将反馈信息发送给领导者所需的能量，E_F，C为跟随者向候选者发送投票消息所消耗的能量；

步骤5.4，落选者重新计算新的剩余能量阈值，并向其他节点发送能量阈值消息的能量消耗为E_A；

本实施例中使用的领导者的能量消耗参数为E_L＝0.5，候选者的能量消耗参数为E_C＝0.15，跟随者的能量消耗参数为E_L，h＝0.1，落选者的能量消耗参数为E_A＝0.2。

本实施例中，针对AUVs协同操作过程中数据的安全性问题，本发明将区块链技术与AUVs相结合，使用区块链中的密钥加密技术来增强AUVs间通信过程中的安全性；通过本发明提出的控制命令与密钥信息传输及验证的方法，不断更新通信所需的密钥信息，提高AUVs与母舰之间通信的安全性，AUVs能够安全地接收来自母舰控制命令与密钥信息。AUVs构成一个分布式网络，利用共识算法保证AUVs都参与到信息的验证中，提升AUVs的自治性；针对AUVs在工作中无法再充电，提出了能量感知区块链系统，利用改进的共识算法，极大地延长网络工作时间与提高能量利用率。

针对本实施中的基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，采用上述计算方案进行了仿真对比。从仿真图5可以看出，在考虑能量感知节点的方案中的大多数领导者的存在时间都比另一个更长，采用改进的共识算法的区块链系统的正常运行时间较长。附图6表明了考虑能量感知节点的方案中节点的剩余能量的平均值较少，能源效率比较高。附图7表明了两种方案中节点数越多，网络整体的生存时间越长。但考虑能量感知节点的方案生存时间比原方案长得多。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，母舰将包含控制命令与密钥信息的交易事务传输给领导者，验证完有效性后，领导者生成区块，并进行加密；

步骤2，所述领导者将加密的区块传输给其他AUVs，利用改进的Raft共识算法该区块被同步至系统中的其他节点，各节点在保存区块后，均更新控制命令与密钥信息；

步骤3，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量大于能量阈值时，该跟随者成为候选者，候选者向其他节点发送请求投票信息；

步骤4，当跟随者在选举超时时间内未收到来自领导者的远程过程呼叫，且其剩余能量小于能量阈值时，该跟随者成为落选者，落选者计算新的能量阈值，并将阈值信息传送给其他AUVs；

步骤5，每个节点计算在一轮选举过程中其能量消耗情况，并更新剩余能量的值。

2.根据权利要求1基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于：步骤1中，包括如下步骤：

步骤1.1，母舰生成

私有密钥对应的

母舰依次为已注册的第i个AUV分配一个独有的AID_i,而每个AUV均拥有来自母舰的

MID及所有AUV的AID，其中，

表示母舰自己的私有密钥，

表示AUVs间通信所需的共享密钥，

表示公共密钥，AID_i表示第i个AUV身份信息，MID表示母舰的身份信息，AID表示AUV的身份信息；

步骤1.2，母舰使用

加密交易事务，将交易信息传送给领导者，交易事务中包括

以及下一轮任务的控制命令信息，其中，

表示下一轮通信的公共密钥信息，

表示AUVs群间通信所需的新的共享密钥；

步骤1.3，领导者接收到一个事务后，通过

解密数据，之后验证交易的签名及其合法性，验证交易的真实性与完整性，验证事务有效后，领导者将正确的包含控制命令与密钥信息的交易事务打包成一个Block_n，并使用

加密，其中，Block_n表示生成的第n个区块。

3.根据权利要求1基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于：步骤2中，包括如下步骤：

步骤2.1，领导者将Block_n发送给所有跟随者，跟随者使用

进行解码，之后验证该Block_n的签名和合法性，将有效Block_n暂时保留；

步骤2.2，获得Block_n的跟随者会向领导者发送加密过的反馈信息，领导者收到大多数跟随者的反馈后，将Block_n存储在其日志中，并执行来自母舰的控制命令，更新公共密钥

和共享密钥

步骤2.3，领导者通知跟随者之前的条目已经提交，跟随者收到消息后将Block_n存储到其日志中，并执行相应的控制命令，更新密钥信息。

4.根据权利要求1基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于，步骤3中，包括如下步骤：

步骤3.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，并且其剩余能量大于阈值时，跟随者将转换为候选者；

步骤3.2，候选者增加其任期，并向跟随者发送投票请求信息，投票请求信息中包含任期、期限、最后一次日志索引；

步骤3.3，跟随者或落选者没有收到来自领导者的远程过程呼叫，并且当前的任期小于候选者的任期，其将对该候选者进行投票；候选者在同一任期内获得超过半数节点的投票，其将赢得选举并成为领导者，之后，向所有其他节点发送心跳消息，以维护它的权威，并阻止对其他候选者的投票；

步骤3.4，在两个或两个以上的跟随者同时变为候选者的分裂投票情况出现时，所述候选者的选举超时计数器将被重置，通过新的选举从所述的候选者中选出一个领导者。

5.根据权利要求1基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于：步骤4中，包括步骤如下：

步骤4.1，跟随者在选举超时时间内没有收到来自领导者的任何通讯，但是其剩余能量低于阈值，跟随者将成为落选者；

步骤4.2，落选者需要重新计算下一级的剩余能量阈值，并向其他节点发送新的阈值信息；在落选者接受来自候选者或领导者的远程信息后，将切换到跟随者状态。

6.根据权利要求1基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于：步骤3.1中，在选举超时时间内跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率为

其中，i∈{1,…,N}，q_i表示跟随者i没有收到来自领导者的消息的概率，T_out为选举超时时间为,τ为两次心跳信号的间隔，p_i为节点i接收数据的丢包率,N为系统中跟随者的数目；每个AUV的初始能量均相同，第i个AUV的剩余能量值为E_i，其中E_i∈{E₁,…,E_N+1}，N+1为系统中AUV的数目，E₁为第1个AUV的剩余能量值，E_N+1为第N+1个AUV的剩余能量值；将AUV的初始能量分为H级，能量分级的集合为ε＝{ε₁,…,ε_H}，其中ε₁为第1级能量阈值，ε_H为第H级能量阈值；ε_h为节点剩余能量阈值，其中ε_h∈ε。

7.根据权利要求1基于能量感知区块链的多AUVs协同控制系统，其特征在于：步骤5中，四类不同状态节点的能量消耗计算方法，包括如下步骤：

步骤5.1，领导者的能量消耗为E_L＝E_L,h+E_L,B+E_L,F，其中，E_L,h为领导者每次向跟随者发送心跳信息所消耗的能量，E_L,B为领导者生成一个区块所消耗的能量，E_L,F为领导者将区块发送给跟随者所需要的能量；

步骤5.2，候选者在选举期间的将请求投票信息发送给其他节点的能量消耗为E_C；

步骤5.3，跟随者的能量消耗为E_F＝E_F,L+E_F,C，其中，E_F,L为跟随者将反馈信息发送给领导者所需的能量，E_F,C为跟随者向候选者发送投票消息所消耗的能量；

步骤5.4，落选者计算新的剩余能量阈值，并向其他节点发送能量阈值消息的能量消耗为E_A。

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