CN113949432B - 面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端 - Google Patents

面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端 Download PDF

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Abstract

本发明属于无人机技术领域，公开了一种面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端，所述面向飞行任务无人机区块链建立方法包括：地面控制站建立面向任务的区块链；地面控制站对无人机加入机群的管理；地面控制站对无人机离开机群的管理；无人机群组成员内端到端通信的建立。本发明将区块链技术应用到无人机系统，由地面控制站建立面向飞行任务的区块链，实现地面控制站对无人机群任务规划、群组密钥管理和机群内端到端通信的建立，利用区块链不可篡性特性使得记录在区块链中的无人机信息和群组密钥很难被伪造或篡改，确保无人机在加入或离开时群组密钥安全分发，增强无人机成员间的信任关系，实现无人机群成员间端到端通信安全。

Description

面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端
技术领域
本发明属于无人机技术领域，尤其涉及一种面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端。
背景技术
近些年来，随着科技水平的提高，融合了信息技术、计算机技术以及通信技术的无人机，成为各国当前以及未来重要的发展对象。它不仅在军事领域，在农业生产、灾害预警、遥感遥测和航空拍摄等各个方面都有广泛的应用。现有的无人机系统主要包括两部分：无人机群和无人机地面控制站。其中地面控制站是整个无人机系统的指挥中心，主要负责对无人机群的管理和任务规划。无人机群则采用无线自组织的组网模式，完成地面控制站为其规划的子任务。无人机群在执行任务时需要地面控制站的统一指挥和群内成员的相互协作，这是依靠无人机系统中的群组通信和端到端通信来实现的。因此为了防止对无人机系统中通信信息的非法监听或篡改，确保飞行任务的顺利完成，需要一种安全、有效的方法来保证无人机系统中群组通信和端到端通信的安全。首先必须保证只有经过授权的无人机成员才能获得群组密钥，其次必须解决无人机成员在动态加入或离开时能够安全高效的更新群组密钥。对于确保无人机端到端通信安全，其关键在于群组成员间建立一种强的信任关系。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有无人机系统安全性能较低，无人机系统中的通信信息存在非法监听或篡改的风险，导致机群敏感任务信息(如航拍的地理测绘数据，协同作战的指挥数据等)泄露或篡改，威胁国防军事安全。
解决以上问题及缺陷的难度为：首先是如何在通信链路不稳定的无人机群中可靠地分发群组密钥管理，具体包括群组成员动态变化(群组成员加入或离开)更新群组密钥，以及通信链路丢失的无人机如何安全恢复丢失的群组密钥广播信息，以获取历史的群组通信消除。其次，在成员动态变化的无人机群组内如何实现群组成员的管理，建立成员间可靠的信任关系，以实现无人机间安全的端到端通信连接。
解决以上问题及缺陷的意义为：实现不稳定通信链路中无人机群组密钥管理和安全端到端通信，可以有效地保证无人机系统通信的安全性，进一步提升了无人机系统在国防军事以及其他敏感业务中应用的可靠性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端。
本发明是这样实现的，一种面向飞行任务无人机区块链建立方法，所述面向飞行任务无人机区块链建立方法包括：
利用区块链技术实现所述地面控制站对无人机群任务规划、群组密钥管理和群组内端到端通信的建立，包括由所述地面控制站建立管理某次飞行任务的区块链，部署用于存储地面控制站、无人机相关信息和无人机群组密钥的智能合约；当有无人机加入或离开机群时，由地面控制站通过调用区块链上的智能合约将无人机信息和更新的群组密钥存储在区块链中；无人机群通过监听智能合约的运行结果获取更新的群组密钥和群组成员信息；当无人机群组成员间进行端到端通信时，通过查询区块链上存储的无人机信息，确定与通信方的信任关系，协商会话密钥，建立端到端的安全通信。
进一步，所述面向飞行任务无人机区块链建立方法包括以下步骤：
步骤一，地面控制站建立面向任务的区块链，用于记录无人机群组公开安全参数信息，以实现后续地面站对于无人机群组的动态管理。
步骤二，地面控制站对无人机加入机群的管理，用于对加入机群无人机的身份认证和群组密钥分发，以确保新加入无人机可以安全地参与机群组通信。
步骤三，地面控制站对无人机离开机群的管理，用于对离开机群无人机的身份撤销和余下成员的群组密钥更新，以确保离开的无人机无法监听机群后续的群组通信。
步骤四，无人机群组成员内端到端通信的建立，用于机群成员间身份认证和端到端密钥协商，确保端到端通信安全
进一步，步骤一中，所述地面控制站建立面向任务的区块链，包括：
(1)地面控制站建立用于管理飞行任务中无人机群的以太坊区块链平台；
(2)地面控制站在所述区块链上部署用于存储地面控制站信息、无人机信息以及群组密钥的智能合约，并返回智能合约的账户地址Addr；
(3)地面控制站向智能合约账户地址Addr发起一笔交易，存储地面控制站的公钥信息Pk_GCS和身份ID。
进一步，步骤二中，所述地面控制站对无人机加入机群的管理，包括：
(1)地面控制站对新加入的无人机进行身份认证，并为无人机分配飞行子任务Ta和飞行编号Num；
(2)地面控制站生成新的无人机群组密钥gk，对更新的群组密钥gk分别采用属性加密算法CP-ABE和对称加密算法AES进行加密，生成对应的密文 CTgk和Egk’(gk)；
(3)地面控制站向合约地址Addr发起一笔交易，调用智能合约中的方法将无人机相关信息、群组密钥密文CTgk和Egk’(gk)、地面控制站的签名 Sig(Egk’(gk)||CTgk)存储进区块链中；
(4)无人机群组成员获取区块链上存储的群组密钥密文CTgk和Egk’(gk)，解密得到更新的群组密钥gk。
进一步，步骤(1)中，所述地面控制站对新加入的无人飞机进行身份认证，并分配飞行子任务Ta和飞行编号Num，包括：
1.1)地面控制站对新加入的无人机进行身份认证，所述认证方法采用传统密码学的身份认证方法；
1.2)如果认证通过，则地面控制站准许无人机加入机群，同时为无人机分配飞行子任务Ta和飞行编号Num；
1.3)如果认证不通过，则地面控制站拒绝无人机加入机群。
步骤(2)中，所述对更新的群组密钥gk分别采用属性加密算法CP-ABE 和对称加密算法AES进行加密，生成对应的密文CTgk和Egk’(gk)，包括：
2.1)地面控制站将新加入无人机分配的飞行编号作为无人机的属性值Yu，采用属性加密算法CP-ABE，制定只有新加入无人机属性满足的密文访问控制策略Su，并生成与该策略Su相关的私钥SKu，交由无人机保管；
2.2)地面控制站生成新的无人机群组密钥gk,并采用本地存储的CP-ABE 主密钥MIK加密群组密钥gk，得到密文CTgk；
2.3)地面控制用对称加密算法AES加密更新的群组密钥gk，加密密钥为无人机原群组密钥gk’，生成密文Egk’(gk)，保证原无人机群成员能安全的获得更新的群组密钥。
步骤(3)中，所述无人机相关信息，包括指公钥Pk_UAV，分配子任务Ta，分配编号Num，飞行角色Ro，状态信息St，身份ID；其中，所述飞行角色为长机或僚机，所述状态信息为在飞或离开。
步骤(4)中，所述无人机解密得到更新的群组密钥gk，包括：
4.1)新加入无人机采用地面控制站分配的属性解密私钥SKu解密密文CTgk，获取群组密钥gk；
4.2)原无人机群组成员通过原群组密钥gk’，解密Egk’(gk)获取gk；
4.3)无人机群和地面控制站利用更新的群组密钥gk，加密群组消息。
进一步，步骤三中，所述地面控制站对无人机离开机群的管理，包括：
(1)地面控制站生成新的群组密钥gk，地面控制站制定新的密文访问控制策略Su’，并采用CP-ABE算法加密更新的群组密钥gk得到密文CTgk，使得群组密钥不被离开的无人机获知；
(2)地面控制站向合约地址Addr发起一笔交易，调用智能合约中将群组密钥密文CTgk、无人机B状态信息、地面控制站的签名Sig(CTgk)存储进区块链；
(3)无人机群其余成员获取存储在区块链上群组密钥密文CTgk，解密得到更新的群组密钥gk。
其中，步骤(1)中，所述地面控制站制定新的密文访问控制策略Su’，采用 CP-ABE算法加密更新的群组密钥gk，包括：
1)地面控制站制定新的密文访问控制策略Su’，使得除了离开的无人机，其余无人机属性均符合控制策略Su’；
2)地面控制站采用CP-ABE的私钥生成算法，为其余无人机群组成员生成和控制策略Su’相关的私钥SKu’；
3)地面控制站通过安全的群组通信信道，将步骤2)中的无人机私钥SKu’，广播分发给无人机群组其余成员；
4)地面控制站同时更新本地存储的CP-ABE主密钥MIK，用该主密钥加密更新群组密钥gk，得到密文CTgk，同时将无人机B的状态信息St标记为离开。
进一步，步骤四中，所述无人机群组成员端到端通信的建立，包括：
(1)群组内无人机A与无人机B间进行端到端通信，无人机A查询本机群区块链，确定与无人机B的信任关系；
(2)在确定无人机B是可信的通信方后，无人机A从查询的无人机B相关信息中获取无人机B的公钥Pk_B和身份信息IDB；
(3)无人机A向无人机B发送消息，内容为无人机A和B的身份信息IDA、 IDB，端到端通信的会话密钥密文EPk_B(Key)，随机数Nonce，签名信息 [IDA||IDB||EPk_B(Key)||Nonce]Sig_A；
(4)无人机B收到无人机A的消息，获取其中签名信息，进行验证，确定消息未被篡改；同时将消息中无人机A的身份信息IDA，同记录在区块链中的无人机A身份信息进行比对，确定无人机A是可信的通信方；
(5)在确定A也是可信的通信方后，无人机B解密EPk_B(Key)，获得会话密钥Key，在无人机A和B之间建立安全的端到端通信。
其中，步骤(1)中，所述无人机A查询区块链记录的无人机信息，确定与无人机B的信任关系，包括：
1)无人机A查询本机群区块链记录的无人机信息，确定无人机B的相关信息是否记录在区块链中；
2)如果无人机A查询到区块链上记录的有无人机B相关信息，表明无人机 B在本群组内，是可信的通信方；若未查询到无人机B的信息或查询到无人机B 的状态信息为离开，则表明无人机B不在本群组内，是不可信的通信方。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述的面向飞行任务无人机区块链建立方法的面向飞行任务无人机区块链建立系统，所述面向飞行任务无人机区块链建立系统包括：
区块链建立模块，用于实现地面控制站建立面向任务的区块链；
机群加入管理模块，用于实现地面控制站对无人机加入机群的管理；
机群离开管理模块，用于实现地面控制站对无人机离开机群的管理；
通信建立模块，用于实现无人机群组成员内端到端通信的建立。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
利用区块链技术实现所述地面控制站对无人机群任务规划、群组密钥管理和群组内端到端通信的建立，包括由所述地面控制站建立管理某次飞行任务的区块链，部署用于存储地面控制站、无人机相关信息和无人机群组密钥的智能合约；当有无人机加入或离开机群时，由地面控制站通过调用区块链上的智能合约将无人机信息和更新的群组密钥存储在区块链中；无人机群通过监听智能合约的运行结果获取更新的群组密钥和群组成员信息；当无人机群组成员间进行端到端通信时，通过查询区块链上存储的无人机信息，确定与通信方的信任关系，协商会话密钥，建立端到端的安全通信。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的面向飞行任务无人机区块链建立系统。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的面向飞行任务无人机区块链建立方法，鉴于无人机系统存在的需要确保群组通信和端到端通信安全的需求，将区块链技术应用到无人机系统，由地面控制站建立面向飞行任务的区块链，实现了地面控制站对无人机群任务规划、群组密钥管理和无人机群组内端到端通信的建立。
本发明方法将区块链技术应用到无人机系统，由地面控制站根据飞行任务建立区块链，将其作为一个分布式、不可篡改的数据库，用来存储无人机相关信息以及在群组成员变化时更新的群组密钥，实现了地面控制站对无人机群的任务规划、群组密钥管理，同时增强了无人机群组成员间的信任关系确保了无人机端到端通信的安全。
本发明通过采用区块链技术中的以太坊开发平台，构建用于管理无人机群组某次飞行任务的区块链，实现地面控制站对无人机任务的规划，无人机加入和离开机群的管理，以及群组成员端到端通信的建立，利用区块链不可篡性存储特性使得记录在区块链中的无人机信息和群组密钥很难被伪造或篡改，确保了无人机在加入或离开时群组密钥的安全分发。
同时，本发明增强了无人机成员间的信任关系，确保无人机群成员间端到端通信的安全。本发明利用区块链分布式存储和可追溯的特性，使得无人机可以实时掌握无人机群的全局信息。特别是某架无人机在飞行过程中由于地理环境因素同机群短暂失联的情况下，当它再次加入到机群时，仍可同步全网的区块链，获取最新的群组密钥和记录在区块链中本机群成员变化的历史信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的面向飞行任务无人机区块链建立方法流程图。
图2是本发明实施例提供的面向飞行任务无人机区块链建立系统结构框图；
图中：1、区块链建立模块；2、机群加入管理模块；3、机群离开管理模块； 4、通信建立模块。
图3是本发明实施例提供的面向飞行任务无人机区块链建立方法实施的总方案图。
图4是本发明实施例提供的地面控制建立面向任务区块链的子流程图。
图5是本发明实施例提供的地面控制对无人机加入群组管理的子流程图。
图6是本发明实施例提供的地面控制站对无人机离开群组管理的子流程图。
图7是本发明实施例提供的无人机群内成员端到端通信建立的子流程图。
图8是本发明实施例提供的地面控制站生成区块的计算时延示意图。
图9是本发明实施例提供的地面控制站更新区块链的通信开销示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种面向飞行任务无人机区块链建立方法、系统、设备、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的面向飞行任务无人机区块链建立方法包括以下步骤：
S101，地面控制站建立面向任务的区块链；
S102，地面控制站对无人机加入机群的管理；
S103，地面控制站对无人机离开机群的管理；
S104，无人机群组成员内端到端通信的建立。
如图2所示，本发明实施例提供的面向飞行任务无人机区块链建立系统包括：
区块链建立模块1，用于实现地面控制站建立面向任务的区块链；
机群加入管理模块2，用于实现地面控制站对无人机加入机群的管理；
机群离开管理模块3，用于实现地面控制站对无人机离开机群的管理；
通信建立模块4，用于实现无人机群组成员内端到端通信的建立。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明提出了一种面向飞行任务无人机区块链建立方法，通过采用区块链技术中的以太坊开发平台，构建用于管理无人机群组某次飞行任务的区块链，实现地面控制站对无人机任务的规划，无人机加入和离开机群的管理，以及群组成员端到端通信的建立。
如图3所示，本发明实施例提供的面向飞行任务无人机区块链建立方法包括以下步骤：
S201，地面控制站建立面向任务的区块链；
S202，地面控制站部署用于存储地面控制站信息、无人机信息以及群组密钥的智能合约；
S203，地面控制站通过区块链对无人机进行管理，包含以下方面：
(1)地面控制站对无人机加入机群的管理，实现无人机加入机群时无人机相关信息的存储和群组密钥的更新。
(2)地面控制站对无人机离开机群的管理，实现无人机离开机群群组密钥的更新。
(3)无人机群组成员内端到端通信的建立，通过查询记录在区块链中的无人机信息，确定通信双方的信任关系，实现端到端的安全通信。
参照图4，本发明所使用的地面控制站建立面向任务的区块链步骤如下：
步骤1、地面控制站搭建以太坊区块链平台；
步骤2、地面控制站通过向区块链发起交易，部署用于存储地面控制站信息、无人机信息以及群组密钥的智能合约，并返回该智能合约的账户地址Addr；
步骤3、地面控制站将其公钥Pk_GCS和身份信息ID作为交易的数据单元，包含在向合约账户地址Addr发送的交易账单中，其目的在于触发部署在区块链上的智能合约，将本次交易的数据单元Pk_GCS和ID存储在区块链中，并由地面控制站打包该交易生成新的区块。
参照图5，本发明所使用的地面控制站对无人机加入机群的管理步骤如下：
步骤1、地面控制站对加入无人进行身份认证；
1a)某架无人机受地面控制站的调遣需要加入无人机群执行任务，先向地面控制站提出加入申请，地面控制站对无人机的身份信息ID进行认证。若认证通过，地面控制站为其分配本次飞行子任务Ta和飞行编号Num；
1b)若认证不同通过，则地面控制站拒绝无人机加入群组。
步骤2、地面控制将更新的群组密钥和无人机的相关信息通过智能合约存储进区块链中；
2a)地面控制站将为身份认证通过的新加入无人机分配的飞行编号作为其属性值Yu，在本地制定只有新加入无人机属性满足的密文访问控制策略Su，并采用属性加密算法CP-ABE生成与新加入无人机属性相关解密私钥SKu，并交由无人机保管；
2b)地面控制站在本地采用属性加密算法CP-ABE加密更新的群组密钥gk，得到密文CTgk。由于更新的群组密钥是基于属性加密的，只有新加入的无人机符合访问控制策略，通过解密CTgk获得更新的群组密钥gk；
2c)为了保证其余无人机成员也能实时获取更新的群组密钥gk，地面控制站还需要在本地采用对称加密算法AES加密此次更新的群组密钥gk，AES算法的加密密钥为未更新前的群组密钥gk’，得到密文Egk’(gk)；
2d)地面控制站将以下四项信息：
(1)新加入无人机的相关信息，具体是指无人机的公钥Pk_UAV，分配子任务Ta，分配编号Num，飞行角色Ro(长机或僚机)，状态信息St(在飞或离开)、无人机身份ID；
(2)CP-ABE加密的新群组密钥密文CTgk；
(3)AES加密的新群组密钥密文Egk’(gk)；
(4)地面控制站对2，3项数据的签名Sig(Egk’(gk)||CTgk)。
作为交易的数据单元，包含在向合约账户地址Addr发送的交易账单中，并向无人机群区块链网络广播该交易，其目的在于触发运行部署在区块链上的智能合约，将上述四项信息存储在区块链中。同时由地面控制站将交易账单打包进新区块。
步骤3、无人机群组获取更新的群组密钥，保证群组通信的安全；
3a)群组中的无人机成员通过智能合约的事件机制，设置监听事件，当(1d) 中的交易账单被打包进新区块完成信息存储时，无人机可以立即获得区块链存储的加密群组密钥CTgk和Egk’(gk)，以及地面控制站的签名消息 Sig(Egk’(gk)||CTgk)；
3b)无人机群组成员查询区块链获取地面控制公钥Pk_GCS，对签名消息 Sig(Egk’(gk)||CTgk)进行验签，若验签通过则说明更新的群组密钥确实来自于地面控制站，在分发过程中未被篡改或伪造；
3c)新加入的无人机通过地面控制站为其分配的属性解密密钥SKu,解密 CP-ABE加密的新群组密钥密文CTgk获得更新的群组密钥gk；
3d)原无人机群组成员通过原群组密钥gk’，解密AES加密的新群组密钥密文Egk’(gk)获得更新的群组密钥gk，加密会话消息实现安全的群组通信。
参照图6，本发明所使用地面控制站对无人机离开群组的管理步骤如下：
步骤1、地面控制站制定新的密文访问控制策略，同时更新群组其余无人机的属性解密私钥；
1a)地面控制站制定新的属性访问控制策略Su’，使得离开群组的无人机属性不符合控制策略Su’，其余的无人机属性符合控制策略Su’；
1b)地面控制站更新本地存储的CP-ABE加密主密钥，同时为无人机机群其余成员通过安全信道分发对应更新的属性解密私钥SKu’。
步骤2、地面控制站更新无人机群组密钥；
2a)地面控制站用本地存储的CP-ABE主密钥加密无人机地面控制站更新的群组密钥gk，得到密文CTgk；
2b)地面控制站对更新群组密钥的密文CTgk进行签名得到签名信息 Sig(CTgk)，同时将无人机B相关信息中的状态信息St标记为离开；
2c)地面控制站将更新群组密钥的密文CTgk、签名信息Sig(CTgk)、无人机B 的状态信息作为交易的数据单元，包含在向智能合约账户地址Addr发起的交易中，并向无人机群区块链网络广播该交易，由地面控制站将交易账单打包进新区块；
步骤3、无人机群组获取更新的群组密钥，保证群组通信的安全；
3a)无人机群组成员通过智能合约的事件机制，设置监听事件，当交易账单被打包进新区块完成信息存储时，无人机可以立即获得加密群组密钥CTgk和签名消息Sig(CTgk)；
3b)无人机群组成员查询区块链获取地面控制公钥Pk_GCS，对签名 Sig(CTgk)进行验签，若验签通过则说明更新的群组密钥确实来自于地面控制站，在分发过程中未被篡改或伪造；
3c)无人机群组成员采用更新的属性解密密钥SKu’，解密群组密钥密文CTgk获得更新的群组密钥gk；
3d)无人机群相成员和地面控制站采用更新的群组密钥gk加密会话消息，实现安全的群组通信。
参照图7，本发明所使用的无人机群内成员端到端通信建立步骤如下：
步骤1、无人机A确定与通信方无人机B的信任关系；
1a)在某次飞行任务中无人机群组成员无人机A需要和无人机B进行端到端的通信，无人机A查询区块链确定无人机B的信息是否记录在区块链中，若存在无人机B的信息记录，这表明无人机B
在群组内是可信的通信方，可进行下一步的端到端通信；
1b)若区块链上不存在无人机B的信息记录或查询到无人机B的状态信息为离线，则表明无人机B不在群组内是不可信的通信方，无人机A将终止与其端到端通信。
步骤2、无人机B确定与通信发起方无人机A的信任关系；
2a)在确保无人机B是可信的通信方后，无人机A从记录无人机B信息的区块中读取无人机B的公钥Pk_B和其身份信息IDB；
2b)无人机A向无人机B发送消息组{IDA,IDB,EPk_B(Key),None,[IDA||ID B||EPk_B(Key)||Nonce]Sig_A},其中IDA指无人机A的身份ID；IDB指无人机B的身份ID；Key指无人机A与无人机B端到端通信的会话密钥；EPk_B(Key)指无人机B公钥Pk_B加密会话密钥Key；None指防止重放攻击的时间戳；[IDA||ID B||EKP_B(Key)||Nonce]Sig_A指无人机A对上述数据的签名；
2c)无人机B收到来自无人机A的消息组{IDA,IDB,EPk_B(Key),None,[I DA||IDB||EKP_B(Key)||Nonce]Sig_A}，查询区块链上记录的无人机A信息从中获取无人机A的身份ID和公钥Pk_A；
2d)无人机B用获取的无人机A的公钥Pk_A，对消息组的签名进行验证，验证通过则表明消息组未被篡改；
2e)若对消息组的签名验证未通过，无人机B需要向无人机A请求重新协商新的端到端会话密钥；
2f)若验证通过，无人机B将消息组中A的身份信息IDA同查询区块链中获取的无人机A身份ID进行对比，判断是否一致。如果一致则表明无人机A 在群组内、是可信的通信方；
2g)若不一致则表明无人机A不在群组内、是不可信的通信方，无人机B 终止与其通信过程。
步骤3、获取协商的会话密钥，建立无人机A和B端到端通信。
3a)在确定无人机A是可信通信方后，无人机B用其私钥解密消息组中加密的会话密钥EKP_B(Key)，获得无人机A和无人机B端到端通信的会话密钥ke y；
3b)无人机B用获取的会话密钥Key，采用AES加密算法加密数据，实现无人机A和无人机B端到端的安全通信。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
1.原型系统搭建
利用笔记本电脑创建具有多个节点的以太坊网络来模拟不同规模的无人机群，并在各节点中搭建一条私有区块链来实现无人机网络任务管理和群组密钥更新。同时通过网络中节点短时间离线来模拟无人机网络中无人机节点通信链路不稳定的情况。以太坊作为当前最为流行的开源区块链平台之一，它提供了一个可编程的区块链，使得用户可采用以太坊提供的智能合约和接口函数库等编程实现其在区块链上的各种应用。同时在以太坊中当节点处于离线状态时将无法获取网络中更新的区块，当其再次上线后将主动从网络中其它节点处同步下载到其离线时网络中新增的所有区块。
在上述系统搭建过程中，硬件平台环境为PC机1台，硬件配置信息：3.30 GHz Corei5-4590 CPU，4GB DDR3-1600 RAM。软件操作系统选取Ubuntu 16.04 版本，开源区块链平台以太坊选取go-ethereum-1.5.5版本。
2.功能测试
1)测试一：地面控制站建立面向任务的区块链。具体地测试步骤为：依照本发明提供的方法，首先在PC机端安装以太坊环境，模拟地面控制站节点建立面向本次飞行任务的无人区块链。然后地面控制控制站在区块链中部署管理本次飞行任务和群组密钥的智能合约，用于对机群进行管理。
2)测试二：地面控制站对无人机加入机群的管理。具体测试步骤为：依照本发明提供的方法，首先地面控制站对新加入的无人机节点(以1号无人机为例) 进行身份认证；然后，地面控制站将新加入无人机的相关信息(公钥、编号、角色、任务)存储在区块链中，同时为其分发本次更新群组密钥的广播消息。
3)测试三：地面控制站对无人机离开机群的管理。具体测试步骤为：依照本发明提供的方法，控制无人机节点(以3号无人机为例)离开机群，此时地面控制站将分发更新群组密钥的广播消息；然后机群内其余无人机(以1号无人机为例)获取到更新的群组密钥广播消息，同时查询在区块链中查询3号无人机的信息，显示为空，表明其已经离开机群。
4)测试四：无人机群组成员内端到端通信的建立。具体测试步骤为：依照本发明提供的方法，首先无人机查询区块链获取想要通信的无人机节点信息(以5号无人机为例)，然后建立安全的端到端通信。
3.性能测试
1)地面控制站生成新区块的计算时延和更新区块链通信开销
在本发明提供的方法中，无人机网络区块链的更新是指地面控制站将一段时间内通过无人机群验证合法的所有交易账单Record_Tx打包生成新区块，并全网广播加入各无人机本地存储的区块链中。下面分析机群中无人机数量N和交易账单数量T对地面控制站生成新区块计算时延和更新区块链通信开销的影响，在实验中选取N＝24,25,26,27；T＝1，2，4，在不同的(N，T)条件下由地面控制站对区块链进行20次更新(即生成20个存储群组密钥信息的新区块)，统计平均每次生成新区块的计算时延和广播新区块的通信开销，具体实验数据如图8和图9所示。
在本发明提供的方法中，地面控制站将无人机群每次更新的群组密钥加密记录在交易账单中，并将一段时间内生成的所有交易账单以Merkle树形式打包生成新区块。在此过程中无人机数量N和交易账单的数量T均会影响地面控制站生成新区块的计算时延。这是由于为了保证机群中无人机属性的唯一性，需要选取至少
Figure RE-GDA0003367851100000151
个属性元素来标识N架无人机，而在采用CP_ABE算法加密更新群组密钥时，基于不同属性个数的访问控制结构将生成不同大小的密文，这使得记录群组密钥密文的交易账单大小也不同，从而影响Merkle树叶子节点的生成时延。同时在本发明中将一段时间内地面控制站生成的T个交易账单以Merkle树形式存储在区块中，T值的不同会影响Merkle的构造时延。因此N和T不同会影响交易账单在新区块中打包存储的时间，从而影响地面控制站生成新区块计算时延。在当固定选取N时，随着交易账单数量T的增加，地面控制站生成新区块的计算时延也增加；例如在选取N＝26时，当群组密钥存储时分解的份数K从1增加到4时，地面控制站生成新区块的计算时延从10ms增加到 58ms。当固定选取T时，随着无人机数量的增加，地面控制站生成新区块的计算时延也增加，但增加趋势较为缓慢。例如在选取T＝4时，当无人机数量从24增加到27时，无人机群组密钥存储时延从50ms增加到62ms。
同时在本发明中地面控制站将生成的新区块在无人机群中广播，并加入各无人机本地储存的区块链中，实现无人机网络区块链的更新。因此，在此过程中地面控制站更新区块链的通信开销取决于新生成区块中交易账单的大小和数量。在地面控制站更新区块链的通信开销随无人机数量N和本次更新区块中存储的交易账单数量T的变化情况。在选取无人机数量N＝26，当新区块中存储的交易账单数量T从1增加到4时，地面控制站更新区块链的通信开销从26KB 增加到115KB。在选取T＝1时，当无人机数量从24增加到27时，无人机更新区块链的通信开销从21KB增加到34KB。
2)无人机节点端到端安全建立时延
依照本发明提供的无人机节点端到端通信建立方法，对两无人机节点A和B 建立20次端到端通信建立，分别测量无人机节点A和无人机节点B之间的端到端安全通信建立的时延，其中认证中采用的签名密码算法为RSA,公私钥长度均为1024位。具体结果如下表1所示。
表1无人机端到端安全通信建立时延
Figure RE-GDA0003367851100000161
Figure RE-GDA0003367851100000171
综合上功能测试和性能测试可知，本发明可以提供无人机网络安全的群组密钥管理和端到端通信，同时相关实体(地面控制站和无人机)均具有较低的计算开销以及通信开销，因此能有效的保证无人机系统在任务协作时通信的可靠性和安全性
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
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，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种面向飞行任务无人机区块链建立方法，其特征在于，所述面向飞行任务无人机区块链建立方法包括：利用区块链技术实现地面控制站对无人机群任务规划、群组密钥管理和群组内端到端通信的建立，包括由地面控制站建立管理某次飞行任务的区块链，部署用于存储地面控制站、无人机相关信息和无人机群组密钥的智能合约；当有无人机加入或离开机群时，由地面控制站通过调用区块链上的智能合约将无人机信息和更新的群组密钥存储在区块链中；无人机群通过监听智能合约的运行结果获取更新的群组密钥和群组成员信息；当无人机群组成员间进行端到端通信时，通过查询区块链上存储的无人机信息，确定与通信方的信任关系，协商会话密钥，建立端到端的安全通信；
所述面向飞行任务无人机区块链建立方法包括以下步骤：
步骤一，地面控制站建立面向任务的区块链；
步骤二，地面控制站对无人机加入机群的管理；
步骤三，地面控制站对无人机离开机群的管理；
步骤四，无人机群组成员内端到端通信的建立；
步骤一中，所述地面控制站建立面向任务的区块链，包括：
(1)地面控制站建立用于管理飞行任务中无人机群的以太坊区块链平台；
(2)地面控制站在所述区块链上部署用于存储地面控制站信息、无人机信息以及群组密钥的智能合约，并返回智能合约的账户地址Addr；
(3)地面控制站向智能合约账户地址Addr发起一笔交易，存储地面控制站的公钥信息Pk_GCS和身份ID。
2.如权利要求1所述的面向飞行任务无人机区块链建立方法，其特征在于，步骤二中，所述地面控制站对无人机加入机群的管理，包括：
(1)地面控制站对新加入的无人机进行身份认证，并为无人机分配飞行子任务Ta和飞行编号Num；
(2)地面控制站生成新的无人机群组密钥gk，对更新的群组密钥gk分别采用属性加密算法CP-ABE和对称加密算法AES进行加密，生成对应的密文CTgk和Egk’(gk)；
(3)地面控制站向合约地址Addr发起一笔交易，调用智能合约中的方法将无人机相关信息、群组密钥密文CTgk和Egk’(gk)、地面控制站的签名Sig(Egk’(gk)||CTgk)存储进区块链中；
(4)无人机群组成员获取区块链上存储的群组密钥密文CTgk和Egk’(gk)，解密得到更新的群组密钥gk。
3.如权利要求2所述的面向飞行任务无人机区块链建立方法，其特征在于，步骤(1)中，所述地面控制站对新加入的无人飞机进行身份认证，并分配飞行子任务Ta和飞行编号Num，包括：
1.1)地面控制站对新加入的无人机进行身份认证，认证方法采用传统密码学的身份认证方法；
1.2)如果认证通过，则地面控制站准许无人机加入机群，同时为无人机分配飞行子任务Ta和飞行编号Num；
1.3)如果认证不通过，则地面控制站拒绝无人机加入机群；
步骤(2)中，所述对更新的群组密钥gk分别采用属性加密算法CP-ABE和对称加密算法AES进行加密，生成对应的密文CTgk和Egk’(gk)，包括：
2.1)地面控制站将新加入无人机分配的飞行编号作为无人机的属性值Yu，采用属性加密算法CP-ABE，制定只有新加入无人机属性满足的密文访问控制策略Su，并生成与该策略Su相关的私钥SKu，交由无人机保管；
2.2)地面控制站生成新的无人机群组密钥gk,并采用本地存储的CP-ABE主密钥MIK加密群组密钥gk，得到密文CTgk；
2.3)地面控制用对称加密算法AES加密更新的群组密钥gk，加密密钥为无人机原群组密钥gk’，生成密文Egk’(gk)，保证原无人机群成员能安全的获得更新的群组密钥；
步骤(3)中，所述无人机相关信息，包括指公钥Pk_UAV，分配子任务Ta，分配编号Num，飞行角色Ro，状态信息St，身份ID；其中，所述飞行角色为长机或僚机，所述状态信息为在飞或离开；
步骤(4)中，所述无人机解密得到更新的群组密钥gk，包括：
4.1)新加入无人机采用地面控制站分配的属性解密私钥SKu解密密文CTgk，获取群组密钥gk；
4.2)原无人机群组成员通过原群组密钥gk’，解密Egk’(gk)获取gk；
4.3)无人机群和地面控制站利用更新的群组密钥gk，加密群组消息。
4.如权利要求1所述的面向飞行任务无人机区块链建立方法，其特征在于，步骤三中，所述地面控制站对无人机离开机群的管理，包括：
(1)地面控制站生成新的群组密钥gk，地面控制站制定新的密文访问控制策略Su’，并采用CP-ABE算法加密更新的群组密钥gk得到密文CTgk，使得群组密钥不被离开的无人机获知；
(2)地面控制站向合约地址Addr发起一笔交易，调用智能合约中将群组密钥密文CTgk、无人机B状态信息、地面控制站的签名Sig(CTgk)存储进区块链；
(3)无人机群其余成员获取存储在区块链上群组密钥密文CTgk，解密得到更新的群组密钥gk；
其中，步骤(1)中，所述地面控制站制定新的密文访问控制策略Su’，采用CP-ABE算法加密更新的群组密钥gk，包括：
1)地面控制站制定新的密文访问控制策略Su’，使得除了离开的无人机，其余无人机属性均符合控制策略Su’；
2)地面控制站采用CP-ABE的私钥生成算法，为其余无人机群组成员生成和控制策略Su’相关的私钥SKu’；
3)地面控制站通过安全的群组通信信道，将步骤2)中的无人机私钥SKu’，广播分发给无人机群组其余成员；
4)地面控制站同时更新本地存储的CP-ABE主密钥MIK，用该主密钥加密更新群组密钥gk，得到密文CTgk，同时将无人机B的状态信息St标记为离开。
5.如权利要求1所述的面向飞行任务无人机区块链建立方法，其特征在于，步骤四中，所述无人机群组成员端到端通信的建立，包括：
(1)群组内无人机A与无人机B间进行端到端通信，无人机A查询本机群区块链，确定与无人机B的信任关系；
(2)在确定无人机B是可信的通信方后，无人机A从查询的无人机B相关信息中获取无人机B的公钥Pk_B和身份信息IDB；
(3)无人机A向无人机B发送消息，内容为无人机A和B的身份信息IDA、IDB，端到端通信的会话密钥密文EPk_B(Key)，随机数Nonce，签名信息[IDA||IDB||EPk_B(Key)||Nonce]Sig_A；
(4)无人机B收到无人机A的消息，获取其中签名信息，进行验证，确定消息未被篡改；同时将消息中无人机A的身份信息IDA，同记录在区块链中的无人机A身份信息进行比对，确定无人机A是可信的通信方；
(5)在确定A也是可信的通信方后，无人机B解密EPk_B(Key)，获得会话密钥Key，在无人机A和B之间建立安全的端到端通信；
其中，步骤(1)中，所述无人机A查询区块链记录的无人机信息，确定与无人机B的信任关系，包括：
1)无人机A查询本机群区块链记录的无人机信息，确定无人机B的相关信息是否记录在区块链中；
2)如果无人机A查询到区块链上记录的有无人机B相关信息，表明无人机B在本群组内，是可信的通信方；若未查询到无人机B的信息或查询到无人机B的状态信息为离开，则表明无人机B不在本群组内，是不可信的通信方。
6.一种实施权利要求1～5任意一项所述面向飞行任务无人机区块链建立方法的面向飞行任务无人机区块链建立系统，其特征在于，所述面向飞行任务无人机区块链建立系统包括：
区块链建立模块，用于实现地面控制站建立面向任务的区块链；
机群加入管理模块，用于实现地面控制站对无人机加入机群的管理；
机群离开管理模块，用于实现地面控制站对无人机离开机群的管理；
通信建立模块，用于实现无人机群组成员内端到端通信的建立；
所述地面控制站建立面向任务的区块链，包括：
(1)地面控制站建立用于管理飞行任务中无人机群的以太坊区块链平台；
(2)地面控制站在所述区块链上部署用于存储地面控制站信息、无人机信息以及群组密钥的智能合约，并返回智能合约的账户地址Addr；
(3)地面控制站向智能合约账户地址Addr发起一笔交易，存储地面控制站的公钥信息Pk_GCS和身份ID。
7.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1～5任意一项所述面向飞行任务无人机区块链建立方法的步骤。
8.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求6所述面向飞行任务无人机区块链建立系统。
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