CN112821934A - 一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，包括如下步骤：步骤1：根据地面基站之间以及地面基站和卫星之间的不同，进行区块链架构及功能模块的划分；步骤2：对于高速移动卫星以及高速移动用户，进行空间信息网络可信快速切换。步骤1所述功能模块分为三部分，包括面区块链、星间区块链和用户；所述步骤2包括准备阶段和切换阶段。本发明可以实现用户设备的空间信息网络接入快速切换，并通过引入区块链进一步加强了整体过程中数据完整性、安全性，解决实际场景中NCC存在的单点故障问题，提供了批量用户切换功能，加强了用户使用空间信息网络切换过程的安全性，低效性，并且切换过程支持批量验证，提高网络切换速度。

Description

一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法

技术领域

本发明涉及空间技术区块链领域，具体涉及一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法。

背景技术

随着航天技术和卫星通信技术的高速发展和用户对通信需求的日益迫切，空间信息网络已经成为学术界和工业界的重要关注方向。空间信息网络由地面网络、星地接入网以及星际互联网组成，该网络覆盖范围广、机动性强且通信链路不易受自然灾害、极端环境等外部作用的影响。技术上，低轨卫星(LEO)相比高轨卫星(GEO)在通信延时和信号衰落等方面具有不可替代的优势。为了满足空间信息网络中日益增长的通信需求，由LEO逐渐代替GEO作为卫星接入点来承载通信系统已成为不可阻挡的趋势。然而，LEO节点的高速移动性使地面移动节点在通过卫星接入网络时会更频繁地改变相应的卫星接入点。一方面，卫星节点的计算能力受限、星际链路的不稳定性和相对较高通信时延等因素，使地面移动节点和卫星节点在切换过程中的重复接入认证成为系统的一大性能瓶颈。更迫切的是，切换过程中通信的连续性需求，使移动节点无法忍受接入认证过程引起的高时延。另一方面，由于空间信息网络的链路开放性，导致它面临信息被窃取和干扰的威胁。

区块链可以被视为一个建立在对等网络上的公共、数字化和分布式账本，该技术已被引入并应用于许多网络场景。在区块链系统中，参与实体生成的数据作为事务发布，事务打包成一个块。矿工们按时间顺序将数据添加到区块链。值得注意的是，添加数据的矿工是独立的实体，在区块链中无集权的三方机构。所有参与的实体都在区块链中进行存储，并定期更新区块链。在多个区块链中的实体完成信息共享是容易的。区块链有助于实现不需要可信方(如证书颁发机构)的系统。因此通过结合区块链的智能合约技术以及相应特性，区块链是实现空间信息网络无缝可信切换的理想技术。

目前已有空间信息网络切换方法的设计思路是针对用户属性提供差异化的网络切换机制，具体的，当一组用户切换到另一个卫星时，通过区分高速与低速用户，提供不同的网络切换方法。

上述空间信息网络的切换方法在以下几方面还存在问题：

1.相互认证的安全性不够高

已有方法在相互认证过程中，使用的信息都是从双方发送而来的，进而进行的信息验证，只能保证信息的未篡改，不能保证发送信息的节点未被恶意伪造。

2.通用性差

已有方法主要考虑的是单用户在卫星接入点之间发生切换的场景。然而在空间信息网络中，卫星的高速移动导致覆盖范围的转移是网络切换发生的主要原因，在这种情况下，该区域内所有用户需要同时迁移到新的卫星接入点。现有的针对单用户的切换方案无法很好地适这种场景。

3.低效性

已有方法的网络切换流程需要用户每次切换都要重新进行认证过程，才能继续操作。

4.理想化信道情况

已有方法假设网络控制中心(NCC)对该系统中的所有实体都是可信的，任何对手都不能损害NCC。这在实际中是不可能出现的。

发明内容

本发明针对上述问题设计一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法和流程。引入了区块链进一步加强了整体过程中数据完整性、安全性，解决实际场景中NCC存在的单点故障问题，提供了批量用户切换功能。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据地面基站之间以及地面基站和卫星之间的不同，进行区块链架构及功能模块的划分；步骤2：对于高速移动卫星以及高速移动用户，进行空间信息网络可信快速切换。

所述步骤1涉及到资源请求过程的所有实体分为三部分，包括面区块链、星间区块链和用户。

所述地面区块链由地面基站完成构建，其中地面基站分为地面站和信关站，信关站是负责卫星管控的，比如星间链路的选取、更改，而地面站是相当于一个通信转接站，负责和卫星通信的，比如接受卫星网络传输数据转发到地面骨干网。所有地面基站都是区块链的一部分，但是只有信关站才会作为NCC的一部分，共同履行NCC的职能，完成相关的管理工作，其余地面站只是作为普通区块链节点；地面区块链保存接入身份列表、访问控制权限列表、ID与身份对应列表、用户操作记录。

所述星间区块链由低轨卫星完成构建，卫星在此部分通过验证星间区块链的数据，进而可以完成初步的接入验证以及访问控制权限验证；星间区块链只保存接入身份列表、访问控制权限列表。

所述移动用户由不同的类型、不同架构的用户设备组成，例如智能手机、无人机、物联网设备和智能车辆等；用户可以使用多种方式来完成空间信息网络的接入，进而通过星间区块链或者地面区块链的验证，获取相关的服务。

所述步骤2包括准备阶段，具体步骤如下：

步骤2.11：准备

地面基站和星间区块链完成构建，并且地面基站完成白名单的生成；所述白名单为移动用户临时身份、当前连接卫星身份、将要转换卫星身份；

步骤2.12：

地面区块链通过PBFT共识算法，选出共识节点，完成共识则由该节点完成共识过程，否则重新共识；

步骤2.13：

地面区块链通知星间区块链进行通过，星间区块链通过PBFT共识算法选取同步节点，共识失败则重新共识；否则，由同步节点从地面区块链中同步数据，并在星间区块链中完成同步操作。

所述步骤2包括切换阶段，具体步骤如下：

步骤2.21：

当移动用户位于新旧卫星节点的重叠处时，根据接收到的信号强度决定是否进行移交；移交前，移动用户向旧卫星节点发送请求报文，请求报文包括临时身份、新卫星节点身份以及当前移动速度信息；然后，旧卫星将请求消息转发给新卫星节点；

步骤2.22：

收到请求报文后，新卫星节点在区块链中进行查询动作，查询通过，则继续下一步；否则，则星间区块链重新同步白名单以后再次进行一次查询操作，再次不通过则返回拒绝消息，否则执行通过以后过程；

步骤2.23：

新卫星节点通过请求报文中的速度信息，判断是否为高速用户，不是则直接完成移交，否则，继续向对应地面基站发送请求消息，地面站接收到消息后，验证失败，则向卫星节点发送比对失败消息，卫星节点再向用户发送拒绝消息；否则，地面站记录相关数据，完成移交工作。

综上所述，本发明的有益效果如下：

1.加强了用户使用空间信息网络切换过程的安全性，低效性，并且切换过程支持批量验证，提高网络切换速度。保障了数据的安全性以及完整性。

2.使用区块链作为底层架构，通过比对区块链中的数据和获得的数据，完成实时验证，不仅解决信息容易篡改，而且解决了信息的节点被伪造带来的严重后果。

3.支持批量认证操作，进而增加认证效率，提供空间信息网络快速切换方法

4.通过区块链的智能合约技术，自动判断条件，并调用区块数据完成认证，减少切换后的认证过程，加强认证效率。

5.通过使用区块链分散原本NCC的集中化权力，消除了对可信信道的依赖。即使一些NCC基站遭受攻击或者处于不可信信道的环境，本发明方法仍然能够很好的实行。

6.本发明方法引入了双链机制，进一步加快了设备进行验证的过程。

附图说明

图1为本实施例所述一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法的系统框架图；

图2为本实施例所述一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法步骤2中准备阶段流程图；

图3为本实施例所述一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法步骤2中切换阶段流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据地面基站之间以及地面基站和卫星之间的不同，进行区块链架构及功能模块的划分；步骤2：对于高速移动卫星以及高速移动用户，进行空间信息网络可信快速切换。

所述步骤1涉及到资源请求过程的所有实体分为三部分，如图1所示，包括面区块链、星间区块链和用户。

所述地面区块链由地面基站完成构建，其中地面基站分为地面站和信关站，信关站是负责卫星管控的，比如星间链路的选取、更改，而地面站是相当于一个通信转接站，负责和卫星通信的，比如接受卫星网络传输数据转发到地面骨干网。所有地面基站都是区块链的一部分，但是只有信关站才会作为NCC的一部分，共同履行NCC的职能，完成相关的管理工作，其余地面站只是作为普通区块链节点；地面区块链保存接入身份列表、访问控制权限列表、ID与身份对应列表、用户操作记录。

所述星间区块链由低轨卫星完成构建，卫星在此部分通过验证星间区块链的数据，进而可以完成初步的接入验证以及访问控制权限验证；星间区块链只保存接入身份列表、访问控制权限列表。

所述移动用户由不同的类型、不同架构的用户设备组成，例如智能手机、无人机、物联网设备和智能车辆等；用户可以使用多种方式来完成空间信息网络的接入，进而通过星间区块链或者地面区块链的验证，获取相关的服务。

所述步骤2包括准备阶段，如图2所示，具体步骤如下：

步骤2.11：准备

地面基站和星间区块链完成构建，并且地面基站完成白名单的生成；所述白名单为移动用户临时身份、当前连接卫星身份、将要转换卫星身份；

步骤2.12：

地面区块链通过PBFT共识算法，选出共识节点，完成共识则由该节点完成共识过程，否则重新共识；

步骤2.13：

地面区块链通知星间区块链进行通过，星间区块链通过PBFT共识算法选取同步节点，共识失败则重新共识；否则，由同步节点从地面区块链中同步数据，并在星间区块链中完成同步操作。

所述步骤2包括切换阶段，如图3所示，具体步骤如下：

步骤2.21：

当移动用户位于新旧卫星节点的重叠处时，根据接收到的信号强度决定是否进行移交；移交前，移动用户向旧卫星节点发送请求报文，请求报文包括临时身份、新卫星节点身份以及当前移动速度信息；然后，旧卫星将请求消息转发给新卫星节点；

步骤2.22：

收到请求报文后，新卫星节点在区块链中进行查询动作，查询通过，则继续下一步；否则，则星间区块链重新同步白名单以后再次进行一次查询操作，再次不通过则返回拒绝消息，否则执行通过以后过程；

步骤2.23：

新卫星节点通过请求报文中的速度信息，判断是否为高速用户，不是则直接完成移交，否则，继续向对应地面基站发送请求消息，地面站接收到消息后，验证失败，则向卫星节点发送比对失败消息，卫星节点再向用户发送拒绝消息；否则，地面站记录相关数据，完成移交工作。

以上是本实施例提出的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方案。从总体架构到总体流程进行了说明。其特征在于，使用区块链技术加强了用户使用空间信息网络切换过程的安全性，低效性，并且切换过程支持批量验证，提高网络切换速度。

本实施例提出了一种基于区块链的白名单同步流程。其特征在于使用区块链对应数据，保障了数据的安全性以及完整性。

本实施例提出了基于区块链的空间信息网络切换流程。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据地面基站之间以及地面基站和卫星之间的不同，进行区块链架构及功能模块的划分；步骤2：对于高速移动卫星以及高速移动用户，进行空间信息网络可信快速切换。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，所述步骤1涉及到资源请求过程的所有实体分为三部分，包括面区块链、星间区块链和用户。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，所述地面区块链由地面基站完成构建，其中地面基站分为地面站和信关站，信关站是负责卫星管控的，地面站是负责和卫星通信的，所有地面基站都是区块链的一部分，但是只有信关站才会作为NCC的一部分，共同履行NCC的职能，完成相关的管理工作，其余地面站只是作为普通区块链节点；地面区块链保存接入身份列表、访问控制权限列表、ID与身份对应列表、用户操作记录。

4.根据权利要求1-2任意一项所述的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，所述星间区块链由低轨卫星完成构建，卫星在此部分通过验证星间区块链的数据，进而可以完成初步的接入验证以及访问控制权限验证；星间区块链只保存接入身份列表、访问控制权限列表。

5.根据权利要求1-2任意一项所述的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，所述移动用户由不同的类型、不同架构的用户设备组成，用户可以使用多种方式来完成空间信息网络的接入，进而通过星间区块链或者地面区块链的验证，获取相关的服务。

6.根据权利要求1所述的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，所述步骤2包括准备阶段，具体步骤如下：

步骤2.11：准备

地面基站和星间区块链完成构建，并且地面基站完成白名单的生成；所述白名单为移动用户临时身份、当前连接卫星身份、将要转换卫星身份；

步骤2.12：

地面区块链通过PBFT共识算法，选出共识节点，完成共识则由该节点完成共识过程，否则重新共识；

步骤2.13：

地面区块链通知星间区块链进行通过，星间区块链通过PBFT共识算法选取同步节点，共识失败则重新共识；否则，由同步节点从地面区块链中同步数据，并在星间区块链中完成同步操作。

7.根据权利要求1所述的一种基于区块链的空间信息网络可信快速切换方法，其特征在于，所述步骤2包括切换阶段，具体步骤如下：

步骤2.21：

当移动用户位于新旧卫星节点的重叠处时，根据接收到的信号强度决定是否进行移交；移交前，移动用户向旧卫星节点发送请求报文，请求报文包括临时身份、新卫星节点身份以及当前移动速度信息；然后，旧卫星将请求消息转发给新卫星节点；

步骤2.22：

收到请求报文后，新卫星节点在区块链中进行查询动作，查询通过，则继续下一步；否则，则星间区块链重新同步白名单以后再次进行一次查询操作，再次不通过则返回拒绝消息，否则执行通过以后过程；

步骤2.23：

新卫星节点通过请求报文中的速度信息，判断是否为高速用户，不是则直接完成移交，否则，继续向对应地面基站发送请求消息，地面站接收到消息后，验证失败，则向卫星节点发送比对失败消息，卫星节点再向用户发送拒绝消息；否则，地面站记录相关数据，完成移交工作。

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