CN114143774A - 一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统 - Google Patents

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CN114143774A CN202111531335.2A CN202111531335A CN114143774A CN 114143774 A CN114143774 A CN 114143774A CN 202111531335 A CN202111531335 A CN 202111531335A CN 114143774 A CN114143774 A CN 114143774A
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Abstract

本发明公开了一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统，方法包括以下步骤：S1、初始化，GCS设置时钟并生成公钥和私钥、定义声誉等级、划分一系列时间间隔以及定义消息类型；S2、无人机注册，当一个新的无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS为其分配唯一标识符、配备可信平台模块TPM以及设置声誉等级；S3、声誉等级更新，GCS监控每个已注册的UAV，并在每个时间间隔开始时更新每个已注册UAV的声誉等级；S4、秘密值分发，已注册UAV在需要时通过GCS‑to‑UAV方式向GCS请求其在当前和下一个时间间隔的秘密值；S5、U2U消息交换，无人机对无人机进行消息交换。本发明可在较低计算和通信开销的前提下，高效地实现无人机网络中的可信消息交换。

Description

一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统
技术领域
本发明属于无人机通信安全技术领域，具体涉及一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统。
背景技术
近年来，由于无人机网络具有执行复杂、危险和单调任务的巨大潜力，引起了政府、工业界和学术界的广泛关注。消息交互是多无人机协作的基础，对无人机网络的正常运行至关重要。然而，由于无人机网络的独特特性，无人机网络中的消息交换容易受到各种外部和内部攻击，例如来自外部的伪装、窃听、篡改、重放攻击以及来自内部的虚假消息攻击。为了抵御这些潜在的攻击，近年来，研究者为无人机网络提出了大量方案。
Zouhri等人提出了一种新的安全协议，用于地面控制站(GCS)和无人机(UAV)之间的通信。该协议由三个模块和一个安全数据库组成，能够满足消息真实性、机密性和完整性等多重安全需求，然而，该协议会导致大量的计算和通信开销，且未能有效抵御来自无人机网络的内部潜在攻击。Jena等人提出了一种新颖的基于事件的声誉管理方案以检测和过滤无人机网络中的虚假消息。该方案考虑了事件的多个角色，并通过结合直接信任和间接信任以计算每个消息的声誉分数。然而，该方案未能有效抵御来自无人机网络的外部潜在攻击，且无法提供令人满意的性能。此外，为了同时抵抗外部和内部攻击并实现车载网络中的可信消息交换，在过去几年中，研究者已提出了诸多方案，Li等人通过聚合现有的密码学和信任管理技术，为车辆网络中的消息可靠性评估提出了一种新颖的基于声誉的公告(Reputation-based Announcement,RA)方案。由于无人机网络和车载网络之间的相似性，RA方案能够通过适当的修改应用于无人机网络。然而，RA方案本质上基于证书链技术，会导致过多的计算和通信开销，这与无人机网络的独特特性不符。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统，可在较低计算和通信开销的前提下，高效地实现无人机网络中的可信消息交换，为多无人机协作奠定坚实基础，并具有较高的实用性和可扩展性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，设有一个集中式地面控制站GCS和多个无人机UAV，方法包括以下步骤：
S1、初始化，GCS设置时钟并生成公钥和私钥，定义声誉等级，划分一系列时间间隔以及定义消息类型；
S2、无人机注册，当一个新的未注册无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS为其分配唯一标识符、配备可信平台模块TPM以及设置声誉等级；
S3、声誉等级更新，GCS监控每个已注册的UAV，并在每个时间间隔开始时更新每个已注册UAV的声誉等级；
S4、秘密值分发，已注册UAV在需要时通过GCS-to-UAV方式向GCS请求其在当前和下一个时间间隔的秘密值；
S5、U2U消息交换，无人机对无人机进行消息交换。
进一步的，GCS包含一个时钟；
无人机UAV包括本地存储以及多种机载传感器，用于存储数据、收集数据并生成消息；
在无人机对无人机消息交换时，无人机分别为不同角色，即广播消息的广播无人机以及接收消息的接收无人机。
进一步的，步骤S1具体为：
S11、轻量级可信消息交换方法部署在无人机网络中时，GCS首先设置其时钟并生成其公钥PuG和私钥PrG，其中，公钥PuG对所有已注册无人机公开，私钥PrG始终由GCS秘密存储；
S12、GCS定义n个相同比特长度的声誉等级/阈值等级L1,L2,...,Ln，其中n∈{1,2,...}，L1＜L2＜...＜Ln；
S13、GCS将时间划分为一系列等长的时间间隔T1,T2,...,Tn，每个时间间隔Tα包含λ个等长的时间单元Tα,1,Tα,2,…,Tα,λ，Tα∈{T1,T2,...,Tn}，λ∈{1,2,...}；
S14、GCS定义m种相同比特长度的消息类型Y1,Y2,...,Ym，并设置m个分别对应于消息类型Y1,Y2,...,Ym的阈值等级Tl1,Tl2,...,Tlm，其中，m∈{1,2,...}，Tl1,Tl2,...,Tlm∈{L1,L2,...,Ln}；
S15、对于每个时间间隔Tα，GCS生成一个密钥
Figure BDA0003411560230000031
该密钥始终由GCS秘密存储，然后根据
Figure BDA0003411560230000032
分别为每个声誉等级/阈值等级LT∈{L1,L2,…,Ln}生成一个秘密值
Figure BDA0003411560230000033
GCS将每个元组
Figure BDA0003411560230000034
存储在数据库中；
其中，Hmac(*,#)表示用#对*执行基于散列函数的消息认证码算法。
进一步的，步骤S2具体包括：
S21、当一个未注册无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS首先为其分配唯一标识符i，其中i∈{1,2,...}，无人机记为Ui；
S22、GCS生成Ui的公钥
Figure BDA0003411560230000035
和私钥
Figure BDA0003411560230000036
并为Ui配备一个可信平台模块TPM；
S23、GCS根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α，并将Ui的声誉分数
Figure BDA0003411560230000041
设置为默认值s0，将声誉分数
Figure BDA0003411560230000042
转换为相应的声誉等级
Figure BDA0003411560230000043
转换方法如公式(1)：
Figure BDA0003411560230000044
其中
Figure BDA0003411560230000045
S24、GCS将Ui的各项信息存储在其数据库中。
进一步的，可信平台模块TPM用于安全存储GCS的公钥PuG、Ui的私钥PrUi、m种消息类型相对应的声誉等级/阀值等级Tl1,Tl2,...,Tlm、共享密码算法与参数、收到的秘密值以及与GCS同步的时钟。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31、GCS监控每个已注册无人机的行为，并在每个时间间隔Tα开始时根据已注册无人机的任务成功率、能耗率和实际飞行轨迹与预期飞行轨迹的偏差重新计算每个已注册无人机Ui的声誉分数
Figure BDA0003411560230000046
S32、GCS根据公式(1)将声誉分数
Figure BDA0003411560230000047
转换为相应的声誉等级
Figure BDA0003411560230000048
并将元组
Figure BDA0003411560230000049
存储在其数据库中。
进一步的，步骤S4具体包括：
S41、Ui通过G2U方式向GCS发送其唯一标识符i作为G2U请求，GCS收到请求后，首先根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α；
S42、GCS从数据库中检索私钥PrG、Ui的公钥
Figure BDA00034115602300000410
和Ui在时间间隔Tα的声誉等级
Figure BDA00034115602300000411
假设
Figure BDA0003411560230000051
其中Lni∈{L1,L2,...,Ln}，此外，在时间间隔Tα，GCS无法得知Ui在下一时间间隔Tα+1的声誉等级
Figure BDA0003411560230000052
由于无人机的声誉水平不会在短时间内发生显著变化，假设
Figure BDA0003411560230000053
S43、GCS分别检索LT在时间间隔Tα相对应的秘密值
Figure BDA0003411560230000054
和在时间间隔Tα+1相对应的秘密值
Figure BDA0003411560230000055
然后生成秘密值元组
Figure BDA0003411560230000056
如公式(2)，其中，LT∈{L1,L2,...,Lni}；
Figure BDA0003411560230000057
S44、GCS随机生成一个会话密钥
Figure BDA0003411560230000058
然后使用
Figure BDA0003411560230000059
将会话密钥
Figure BDA00034115602300000510
加密为
Figure BDA00034115602300000511
如公式(3)：
Figure BDA00034115602300000512
其中，Enca(*,#)表示使用#对*执行公钥加密算法；
S45、GCS使用私钥PrG将
Figure BDA00034115602300000513
签名为
Figure BDA00034115602300000514
如公式(4)：
Figure BDA00034115602300000515
其中，Sign(*,#)表示使用#对*执行签名算法，||表示将比特串进行串联；
S46、GCS使用会话密钥
Figure BDA00034115602300000516
将
Figure BDA00034115602300000517
加密为
Figure BDA00034115602300000518
如公式(5)：
Figure BDA00034115602300000519
其中，Encs(*,#)表示使用#对*执行对称加密算法；
S47、GCS为Ui生成G2U响应
Figure BDA00034115602300000520
如公式(6)：
Figure BDA00034115602300000521
S48、GCS通过G2U方式将
Figure BDA00034115602300000522
发送至Ui，收到
Figure BDA00034115602300000523
后，Ui从本地存储中检索其私钥
Figure BDA00034115602300000524
并使用
Figure BDA00034115602300000525
解密
Figure BDA00034115602300000526
以得到
Figure BDA00034115602300000527
如公式(7)：
Figure BDA00034115602300000528
其中，Deca(*,#)表示使用#对*执行公钥解密算法；
S49、Ui使用
Figure BDA0003411560230000061
解密
Figure BDA0003411560230000062
以得到
Figure BDA0003411560230000063
如公式(8)：
Figure BDA0003411560230000064
其中，Decs(*,#)表示使用#对*执行对称解密算法；
S410、Ui提取α、
Figure BDA0003411560230000065
和
Figure BDA0003411560230000066
然后从本地存储中检索GCS的公钥PuG并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号
Figure BDA0003411560230000067
可能因重放攻击或通信延迟而与α不同，Ui验证公式(9)是否成立：
Figure BDA0003411560230000068
其中，Verify(*,#,&)表示使用&对*和#执行签名验证算法；
如果公式(9)不成立，则说明
Figure BDA0003411560230000069
无法同时满足消息源合法性、及时性和完整性，Ui直接丢弃
Figure BDA00034115602300000610
否则，Ui计算其在时间间隔Tα和Tα+1的声誉等级
Figure BDA00034115602300000611
ni由公式(10)得出：
Figure BDA00034115602300000612
其中，
Figure BDA00034115602300000613
表示
Figure BDA00034115602300000614
的比特长度，|Hmac(*,#)|表示Hmac(*,#)的输出比特长度；
Ui将元组
Figure BDA00034115602300000615
和
Figure BDA00034115602300000616
Figure BDA00034115602300000617
存储在本地存储中；如果两个或多个存储的元组包含相同的时间间隔序列号，则只保留最新的一个
进一步的，如果Ui由于某些原因未能及时收到G2U响应
Figure BDA00034115602300000618
Ui将在若干时间单元后再次尝试请求GCS。
进一步的，步骤S5具体为：
S51、Ui根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α和当前时间单元的序列号β，然后从本地存储中检索其在时间间隔Tα的声誉等级
Figure BDA00034115602300000619
和消息类型Yω相对应的阈值等级Tlω，其中Tlω∈{Tl1,Tl2,...,Tlm}；
假设
Figure BDA0003411560230000071
和
Figure BDA00034115602300000737
其中
Figure BDA0003411560230000072
S52、如果
Figure BDA0003411560230000073
即
Figure BDA0003411560230000074
表明对于消息类型Yω，Ui不可信，则
Figure BDA0003411560230000075
因此Ui在时间间隔Tα不具有声誉等级/阀值等级
Figure BDA0003411560230000076
相对应的秘密值
Figure BDA0003411560230000077
且被禁止广播Yω类型的消息；否则，Ui从本地存储中检索秘密值
Figure BDA0003411560230000078
并生成Yω类型的消息内容
Figure BDA0003411560230000079
然后使用
Figure BDA00034115602300000710
将消息内容
Figure BDA00034115602300000711
加密为
Figure BDA00034115602300000712
Figure BDA00034115602300000713
S53、Ui生成相应的U2U消息
Figure BDA00034115602300000714
为：
Figure BDA00034115602300000715
其中，
Figure BDA00034115602300000716
Ui向附近的其他无人机广播消息
Figure BDA00034115602300000717
S54、收到
Figure BDA00034115602300000718
后，Uj作为接收无人机首先从
Figure BDA00034115602300000719
中提取α和β，并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号
Figure BDA00034115602300000720
和当前时间单元的序列号
Figure BDA00034115602300000721
和
Figure BDA00034115602300000722
可能由于重放攻击或通信延迟分别与α和β不同，因此验证公式(14)是否成立；
Figure BDA00034115602300000723
S55、如果公式(14)不成立，则
Figure BDA00034115602300000724
不满足消息及时性，Uj直接丢弃
Figure BDA00034115602300000725
否则，Uj从
Figure BDA00034115602300000726
中提取Yω，并从本地存储中检索其在Tα的声誉等级
Figure BDA00034115602300000727
和消息类型Yω对应的阈值等级Tlω；
假设
Figure BDA00034115602300000728
和
Figure BDA00034115602300000729
其中
Figure BDA00034115602300000730
S56、如果
Figure BDA00034115602300000731
即
Figure BDA00034115602300000732
表明对于消息类型Yω，Uj不可信，则
Figure BDA00034115602300000733
因此Uj在时间间隔Tα不具有声誉等级/阈值等级
Figure BDA00034115602300000734
相对应的秘密值
Figure BDA00034115602300000735
且禁止验证或解密Yω类型的消息，所以Uj直接丢弃
Figure BDA00034115602300000736
否则，Uj从
Figure BDA0003411560230000081
中提取
Figure BDA0003411560230000082
然后从本地存储中检索
Figure BDA0003411560230000083
并验证
Figure BDA0003411560230000084
是否与公式(13)一致；
S57、如果不一致，则表明
Figure BDA0003411560230000085
不能同时满足源合法性、完整性以及源可信度，Uj直接丢弃
Figure BDA0003411560230000086
否则，Uj使用
Figure BDA0003411560230000087
将
Figure BDA0003411560230000088
解密为
Figure BDA0003411560230000089
Figure BDA00034115602300000810
S58、Uj进一步验证消息内容
Figure BDA00034115602300000811
是否与消息类型Yω一致，如果不一致，则表明
Figure BDA00034115602300000812
不满足消息类型真实性，Uj直接丢弃
Figure BDA00034115602300000813
否则，Uj认为
Figure BDA00034115602300000814
和Ui都是可信赖的，且信任消息内容
Figure BDA00034115602300000815
本发明还提供一种无人机网络中的轻量级可信消息交换系统，包括一个集中式地面控制站GCS以及多个无人机UAV，轻量级可信消息交换系统中部署本发明提供的无人机网络的轻量级可信消息交换方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过高效聚合密码学和信任管理技术，为无人机网络中的轻量级可信消息交换提出了一种名为轻量级可信消息交换(Lightweight Trustworthy MessageExchange,LTME)的新方案；其中，每个可信广播无人机都能够生成自己的加密消息，以保证只有可信接收无人机才能够解密；同时，每个可信接收无人机都能够轻量级地准确判断收到的消息和对应的广播无人机是否可信。
2、本发明具有较低的计算和通信开销、丰富的功能性和较强的鲁棒性，并且在多个方面明显优于现有方案(如RA方案等)，因而更符合无人机网络的独特特性。
3、本发明支持多种消息类型和多个声誉等级/阀值等级，具有较高的实用性和可扩展性。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明，一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，包括一个集中式地面控制站(GCS)和多个无人机(UAV)，地面控制站定义了多个声誉等级/阈值等级和多种消息类型。此外，它包含一个时钟，并将时间划分为一系列等长的时间间隔，其中每个时间间隔包含多个等长的时间单元；无人机包含多个模块，如动力、定位、感知、计算、通信和存储模块，并且配备了可信平台模块TPM；如图1所示，方法包括以下步骤：
S1、初始化，具体包括以下子步骤：
S11、轻量级可信消息交换方法部署在无人机网络中时，GCS首先设置其时钟并生成其公钥PuG和私钥PrG，其中，PuG对所有已注册无人机公开，PrG始终由GCS秘密存储；
S12、GCS定义n个相同比特长度的声誉等级/阈值等级L1,L2,...,Ln，其中n∈{1,2,...}，L1＜L2＜...＜Ln；
S13、GCS将时间划分为一系列等长的时间间隔T1,T2,...，其中每个Tα包含λ个等长的时间单元Tα,1,Tα,2,…,Tα,λ，其中，Tα∈{T1,T2,...,Tn}，λ∈{1,2,...}；
S14、GCS定义m种相同比特长度的消息类型Y1,Y2,...,Ym，并设置m个分别对应于消息类型Y1,Y2,...,Ym的阈值等级Tl1,Tl2,...,Tlm，其中，m∈{1,2,...}，Tl1,Tl2,...,Tlm∈{L1,L2,...,Ln}；
S15、对于每个时间间隔Tα，GCS生成一个密钥
Figure BDA0003411560230000101
(始终由GCS秘密存储)，然后根据
Figure BDA0003411560230000102
分别为每个声誉等级/阀值等级LT∈{L1,L2,…,Ln}生成一个秘密值
Figure BDA0003411560230000103
其中Hmac(*,#)表示用#对*执行基于散列函数的消息认证码(Hash-based MessageAuthentication Code,HMAC)算法。接着，GCS将每个元组
Figure BDA0003411560230000104
存储在数据库中。
S2、无人机注册，具体包括以下子步骤：
S21、当一个新的无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS首先为其分配一个唯一标识符i，其中i∈{1,2,...}，无人机记为Ui；
S22、GCS生成Ui的公钥
Figure BDA0003411560230000105
和私钥
Figure BDA0003411560230000106
并为Ui配备一个可信平台模块(TrustedPlatform Module,TPM)，TPM能够安全存储GCS的公钥PuG、Ui的私钥
Figure BDA0003411560230000107
m种消息类型相对应的声誉等级/阀值等级(Tl1,Tl2,...,Tlm)、共享密码算法与参数、收到的秘密值以及与GCS同步的时钟；
S23、GCS根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α，并将Ui的声誉分数
Figure BDA0003411560230000108
设置为默认值s0，其中
Figure BDA0003411560230000109
然后将声誉分数
Figure BDA00034115602300001010
转换为相应的声誉等级
Figure BDA00034115602300001011
如公式(1)：
Figure BDA00034115602300001012
S24、GCS将Ui的信息(包括i、
Figure BDA00034115602300001013
等)存储在其数据库中。
S3、声誉等级更新，具体包括以下子步骤：
S31、GCS监控每个已注册无人机的行为，并在每个时间间隔Tα开始时根据已注册无人机的任务成功率、能耗率、实际飞行轨迹与预期飞行轨迹的偏差等重新计算每个已注册无人机Ui的声誉分数
Figure BDA0003411560230000111
S32、GCS根据公式(1)将声誉分数
Figure BDA0003411560230000112
转换为相应的声誉等级
Figure BDA0003411560230000113
并将元组
Figure BDA0003411560230000114
存储在其数据库中。
S4、秘密值分发，在轻量级可信消息交换方法中，GCS能够在收到请求时通过G2U方式将秘密值安全地分发至请求的已注册无人机。即每个已注册无人机能够在需要时通过G2U方式向GCS请求其在当前和下一个时间间隔的秘密值。此外，为缩短通信距离，Ui能够选择在GCS附近时执行此操作，例如在飞离GCS执行任务之前或返回GCS充电之后。详细步骤如下：
S41、Ui通过G2U方式向GCS发送其唯一标识符i作为G2U请求，GCS收到请求后，首先根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α；
S42、GCS从数据库中检索其私钥PrG、Ui的公钥
Figure BDA0003411560230000115
和Ui在时间间隔Tα的声誉等级
Figure BDA0003411560230000116
假设
Figure BDA0003411560230000117
其中Lni∈{L1,L2,...,Ln}。此外，在时间间隔Tα，GCS无法得知Ui在下一时间间隔Tα+1的声誉等级
Figure BDA0003411560230000118
由于无人机的声誉水平通常不会在短时间内发生显著变化，假设
Figure BDA0003411560230000119
S43、GCS分别检索LT在时间间隔Tα相对应的秘密值
Figure BDA00034115602300001110
和在时间间隔Tα+1相对应的秘密值
Figure BDA00034115602300001111
然后生成秘密值元组
Figure BDA00034115602300001112
如公式(2)，其中，LT∈{L1,L2,...,Lni}；
Figure BDA00034115602300001113
S44、GCS随机生成一个会话密钥
Figure BDA00034115602300001114
然后使用
Figure BDA00034115602300001115
将会话密钥
Figure BDA00034115602300001116
加密为
Figure BDA00034115602300001117
Figure BDA00034115602300001118
其中Enca(*,#)表示使用#对*执行公钥加密算法；
S45、GCS使用私钥PrG将
Figure BDA0003411560230000121
签名为
Figure BDA0003411560230000122
Figure BDA0003411560230000123
其中，Sign(*,#)表示使用#对*执行签名算法，||表示将比特串进行串联；
S46、GCS使用会话密钥
Figure BDA0003411560230000124
将
Figure BDA0003411560230000125
加密为
Figure BDA0003411560230000126
Figure BDA0003411560230000127
其中，Encs(*,#)表示使用#对*执行对称加密算法；
S47、GCS为Ui生成G2U响应
Figure BDA0003411560230000128
Figure BDA0003411560230000129
S48、GCS通过G2U方式将
Figure BDA00034115602300001210
发送至Ui，收到
Figure BDA00034115602300001211
后，Ui从本地存储中检索其私钥
Figure BDA00034115602300001212
并使用
Figure BDA00034115602300001213
解密
Figure BDA00034115602300001214
以得到
Figure BDA00034115602300001215
Figure BDA00034115602300001216
其中，Deca(*,#)表示使用#对*执行公钥解密算法；
S49、Ui使用
Figure BDA00034115602300001217
解密
Figure BDA00034115602300001218
以得到
Figure BDA00034115602300001219
Figure BDA00034115602300001220
其中，Decs(*,#)表示使用#对*执行对称解密算法；
S410、Ui提取α、
Figure BDA00034115602300001221
和
Figure BDA00034115602300001222
然后从本地存储中检索GCS的公钥PuG并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号
Figure BDA00034115602300001223
其中
Figure BDA00034115602300001224
可能因重放攻击或通信延迟而与α不同，接着Ui验证公式(9)是否成立：
Figure BDA00034115602300001225
其中，Verify(*,#,&)表示使用&对*和#执行签名验证算法；
S411、如果公式(9)不成立，则说明
Figure BDA00034115602300001226
无法同时满足消息源合法性、及时性和完整性，Ui直接丢弃
Figure BDA00034115602300001227
否则，Ui计算其在时间间隔Tα和Tα+1的声誉等级
Figure BDA0003411560230000131
其中ni由公式(10)导出：
Figure BDA0003411560230000132
其中，
Figure BDA0003411560230000133
表示
Figure BDA0003411560230000134
的比特长度，|Hmac(*,#)|表示Hmac(*,#)的输出比特长度。
然后，Ui将元组
Figure BDA0003411560230000135
和
Figure BDA0003411560230000136
Figure BDA0003411560230000137
存储在本地存储中。
此外，如果两个或多个存储的元组包含相同的时间间隔序列号，则只保留最新的一个。
此外，如果Ui由于某些原因(如通信链路临时故障)未能及时收到G2U响应
Figure BDA00034115602300001320
Ui将在若干时间单元后再次尝试请求GCS。
S5、U2U消息交换：在LTME方案中，当需要时，每个无人机能够在每个时间单元的起始时刻生成多种类型的消息并将其广播至附近的其他无人机。具体的，考虑以下典型场景：Ui(作为广播无人机)在Tα,β的起始时刻向附近的其他无人机(作为接收无人机)广播Yω类型的消息，其中Yω∈{Y1,Y2,...,Ym}，α∈{1,2,...}，β∈{1,2,...,λ}，具体步骤如下：
S51、Ui根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α和当前时间单元的序列号β，然后从本地存储中检索其在时间间隔Tα的声誉等级
Figure BDA0003411560230000138
和消息类型Yω相对应的阈值等级Tlω，其中Tlω∈{Tl1,Tl2,...,Tlm}。不失一般性，假设
Figure BDA0003411560230000139
和
Figure BDA00034115602300001310
其中
Figure BDA00034115602300001311
S52、如果
Figure BDA00034115602300001312
(即
Figure BDA00034115602300001313
这表明对于消息类型Yω，Ui不可信，反之亦然)，则
Figure BDA00034115602300001314
因此Ui在时间间隔Tα不具有声誉等级/阀值等级
Figure BDA00034115602300001315
相对应的秘密值
Figure BDA00034115602300001316
且被禁止广播Yω类型的消息；否则，Ui从本地存储中检索秘密值
Figure BDA00034115602300001317
并生成Yω类型的消息内容
Figure BDA00034115602300001318
然后使用
Figure BDA00034115602300001319
将消息内容
Figure BDA0003411560230000141
加密为
Figure BDA0003411560230000142
Figure BDA0003411560230000143
S53、Ui生成相应的U2U消息(或简称消息)
Figure BDA0003411560230000144
为：
Figure BDA0003411560230000145
其中，
Figure BDA0003411560230000146
接着，Ui向附近的其他无人机广播消息
Figure BDA0003411560230000147
S54、收到
Figure BDA0003411560230000148
后，Uj(作为接收无人机)首先从
Figure BDA0003411560230000149
中提取α和β，并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号
Figure BDA00034115602300001410
和当前时间单元的序列号
Figure BDA00034115602300001411
和
Figure BDA00034115602300001412
可能由于重放攻击或通信延迟分别与α和β不同，因此验证公式(14)是否成立；
Figure BDA00034115602300001413
S55、如果公式(14)不成立，则
Figure BDA00034115602300001414
不满足消息及时性，因此Uj直接丢弃
Figure BDA00034115602300001415
否则，Uj从
Figure BDA00034115602300001416
中提取Yω，并从本地存储中检索其在Tα的声誉等级
Figure BDA00034115602300001417
和消息类型Yω对应的阈值等级Tlω。不失一般性，假设
Figure BDA00034115602300001418
和
Figure BDA00034115602300001419
其中
Figure BDA00034115602300001420
S56、如果
Figure BDA00034115602300001421
(即
Figure BDA00034115602300001422
这表明对于消息类型Yω，Uj不可信，反之亦然)，则
Figure BDA00034115602300001423
因此Uj在时间间隔Tα不具有声誉等级/阈值等级
Figure BDA00034115602300001424
相对应的秘密值
Figure BDA00034115602300001425
且禁止验证或解密Yω类型的消息，Uj直接丢弃
Figure BDA00034115602300001426
否则，Uj从
Figure BDA00034115602300001427
中提取
Figure BDA00034115602300001428
然后从本地存储中检索
Figure BDA00034115602300001429
并验证
Figure BDA00034115602300001430
是否与公式(13)一致；
S57、如果不一致，则表明
Figure BDA00034115602300001431
不能同时满足源合法性、完整性和源可信度，Uj直接丢弃
Figure BDA00034115602300001432
否则，Uj使用
Figure BDA00034115602300001433
将
Figure BDA00034115602300001434
解密为
Figure BDA00034115602300001435
Figure BDA00034115602300001436
S58、Uj进一步验证消息内容
Figure BDA0003411560230000151
是否与消息类型Yω一致。如果不一致，则表明
Figure BDA0003411560230000152
不满足消息类型真实性，Uj直接丢弃
Figure BDA0003411560230000153
否则，Uj认为
Figure BDA0003411560230000154
和Ui都是可信赖的，且信任消息内容
Figure BDA0003411560230000155
在另一个实施例中，还提供了基于上述实施例方法的无人机网络中的轻量级可信消息交换系统，如图2所示，包括一个集中式地面控制站GCS以及多个无人机UAV，轻量级可信消息交换系统中部署如上一实施例所述的无人机网络中的轻量级可信消息交换方法。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，设有一个集中式地面控制站GCS和多个无人机UAV，方法包括以下步骤：
S1、初始化，GCS设置时钟并生成公钥和私钥，定义声誉等级，划分一系列时间间隔以及定义消息类型；
S2、无人机注册，当一个新的未注册无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS为其分配唯一标识符、配备可信平台模块TPM以及设置声誉等级；
S3、声誉等级更新，GCS监控每个已注册的UAV，并在每个时间间隔开始时更新每个已注册UAV的声誉等级；
S4、秘密值分发，已注册UAV在需要时通过GCS-to-UAV方式向GCS请求其在当前和下一个时间间隔的秘密值；
S5、U2U消息交换，无人机对无人机进行消息交换。
2.根据权利要求1所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，GCS包含一个时钟；
无人机UAV包括本地存储以及多种机载传感器，用于存储数据、收集数据并生成消息；
在无人机对无人机消息交换时，无人机分别为不同角色，即广播消息的广播无人机以及接收消息的接收无人机。
3.根据权利要求1所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S11、轻量级可信消息交换方法部署在无人机网络中时，GCS首先设置其时钟并生成其公钥PuG和私钥PrG，其中，公钥PuG对所有已注册无人机公开，私钥PrG始终由GCS秘密存储；
S12、GCS定义n个相同比特长度的声誉等级/阈值等级L1，L2，...，Ln，其中n∈{1，2，…}，L1＜L2＜...＜Ln；
S13、GCS将时间划分为一系列等长的时间间隔T1，T2，...，Tn，每个时间间隔Tα包含λ个等长的时间单元Tα，1，Tα，2，...，Tα，λ，Tα∈{T1，T2，...，Tn}，λ∈{1，2，...}；
S14、GCS定义m种相同比特长度的消息类型Y1，Y2，...，Ym，并设置m个分别对应于消息类型Y1，Y2，...，Ym的阈值等级Tl1，Tl2，...，Tlm，其中，m∈{1，2，...}，Tl1，Tl2，...，Tlm∈{L1，L2，...，Ln}；
S15、对于每个时间间隔Tα，GCS生成一个密钥
Figure FDA0003411560220000021
该密钥始终由GCS秘密存储，然后根据
Figure FDA0003411560220000022
分别为每个声誉等级/阈值等级LT∈{L1，L2，...，Ln}生成一个秘密值
Figure FDA0003411560220000023
GCS将每个元组
Figure FDA0003411560220000024
存储在数据库中；
其中，Hmac(*，#)表示用#对*执行基于散列函数的消息认证码算法。
4.根据权利要求3所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
S21、当一个未注册无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS首先为其分配唯一标识符i，其中i∈{1，2，...}，无人机记为Ui；
S22、GCS生成Ui的公钥
Figure FDA0003411560220000025
和私钥
Figure FDA0003411560220000026
并为Ui配备一个可信平台模块TPM；
S23、GCS根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α，并将Ui的声誉分数
Figure FDA0003411560220000027
设置为默认值s0，将声誉分数
Figure FDA0003411560220000028
转换为相应的声誉等级
Figure FDA0003411560220000029
转换方法如公式(1)：
Figure FDA00034115602200000210
其中
Figure FDA00034115602200000211
s0∈[0，1]；
S24、GCS将Ui的各项信息存储在其数据库中。
5.根据权利要求4所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，可信平台模块TPM用于安全存储GCS的公钥PuG、Ui的私钥
Figure FDA00034115602200000212
m种消息类型相对应的声誉等级/阀值等级Tl1，Tl2，...，Tlm、共享密码算法与参数、收到的秘密值以及与GCS同步的时钟。
6.根据权利要求4所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、GCS监控每个已注册无人机的行为，并在每个时间间隔Tα开始时根据已注册无人机的任务成功率、能耗率和实际飞行轨迹与预期飞行轨迹的偏差重新计算每个已注册无人机Ui的声誉分数
Figure FDA0003411560220000031
S32、GCS根据公式(1)将声誉分数
Figure FDA0003411560220000032
转换为相应的声誉等级
Figure FDA0003411560220000033
并将元组
Figure FDA0003411560220000034
存储在其数据库中。
7.根据权利要求4所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
S41、Ui通过G2U方式向GCS发送其唯一标识符i作为G2U请求，GCS收到请求后，首先根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α；
S42、GCS从数据库中检索私钥PrG、Ui的公钥
Figure FDA0003411560220000035
和Ui在时间间隔Tα的声誉等级
Figure FDA0003411560220000036
假设
Figure FDA0003411560220000037
其中Lni∈{L1，L2，...，Ln}，此外，在时间间隔Tα，GCS无法得知Ui在下一时间间隔Tα+1的声誉等级
Figure FDA0003411560220000038
由于无人机的声誉水平不会在短时间内发生显著变化，假设
Figure FDA0003411560220000039
S43、GCS分别检索LT在时间间隔Tα相对应的秘密值
Figure FDA00034115602200000310
和在时间间隔Tα+1相对应的秘密值
Figure FDA00034115602200000311
然后生成秘密值元组
Figure FDA00034115602200000312
如公式(2)，其中，LT∈{L1，L2，...，Lni}；
Figure FDA00034115602200000313
S44、GCS随机生成一个会话密钥
Figure FDA00034115602200000314
然后使用
Figure FDA00034115602200000315
将会话密钥
Figure FDA00034115602200000316
加密为
Figure FDA00034115602200000317
如公式(3)：
Figure FDA00034115602200000318
其中，Enca(*，#)表示使用#对*执行公钥加密算法；
S45、GCS使用私钥PrG将
Figure FDA00034115602200000319
签名为
Figure FDA00034115602200000320
如公式(4)：
Figure FDA0003411560220000041
其中，Sign(*，#)表示使用#对*执行签名算法，||表示将比特串进行串联；
S46、GCS使用会话密钥
Figure FDA0003411560220000042
将
Figure FDA0003411560220000043
加密为
Figure FDA0003411560220000044
如公式(5)：
Figure FDA0003411560220000045
其中，Encs(*，#)表示使用#对*执行对称加密算法；
S47、GCS为Ui生成G2U响应
Figure FDA0003411560220000046
如公式(6)：
Figure FDA0003411560220000047
S48、GCS通过G2U方式将
Figure FDA0003411560220000048
发送至Ui，收到
Figure FDA0003411560220000049
后，Ui从本地存储中检索其私钥
Figure FDA00034115602200000410
并使用
Figure FDA00034115602200000411
解密
Figure FDA00034115602200000412
以得到
Figure FDA00034115602200000413
如公式(7)：
Figure FDA00034115602200000414
其中，Deca(*，#)表示使用#对*执行公钥解密算法；
S49、Ui使用
Figure FDA00034115602200000415
解密
Figure FDA00034115602200000416
以得到
Figure FDA00034115602200000417
如公式(8)：
Figure FDA00034115602200000418
其中，Decs(*，#)表示使用#对*执行对称解密算法；
S410、Ui提取α、
Figure FDA00034115602200000419
和
Figure FDA00034115602200000420
然后从本地存储中检索GCS的公钥PuG并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号
Figure FDA00034115602200000421
Figure FDA00034115602200000422
可能因重放攻击或通信延迟而与α不同，Ui验证公式(9)是否成立：
Figure FDA00034115602200000423
其中，Verify(*，#，&)表示使用&对*和#执行签名验证算法；
如果公式(9)不成立，则说明
Figure FDA00034115602200000424
无法同时满足消息源合法性、及时性和完整性，Ui直接丢弃
Figure FDA00034115602200000425
否则，Ui计算其在时间间隔Tα和Tα+1的声誉等级
Figure FDA00034115602200000426
ni由公式(10)得出：
Figure FDA00034115602200000427
其中，
Figure FDA00034115602200000428
表示
Figure FDA00034115602200000429
的比特长度，|Hmac(*，#)|表示Hmac(*，#)的输出比特长度；
Ui将元组
Figure FDA0003411560220000051
和
Figure FDA0003411560220000052
Figure FDA0003411560220000053
存储在本地存储中；如果两个或多个存储的元组包含相同的时间间隔序列号，则只保留最新的一个。
8.根据权利要求7所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，如果Ui由于某些原因未能及时收到G2U响应
Figure FDA00034115602200000529
Ui将在若干时间单元后再次尝试请求GCS。
9.根据权利要求7所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤S5具体为：
S51、Ui根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α和当前时间单元的序列号β，然后从本地存储中检索其在时间间隔Tα的声誉等级
Figure FDA0003411560220000054
和消息类型Yω相对应的阈值等级Tlω，其中Tlω∈{Tl1，Tl2，...，Tlm}；
假设
Figure FDA0003411560220000055
和
Figure FDA0003411560220000056
其中
Figure FDA0003411560220000057
S52、如果
Figure FDA0003411560220000058
即
Figure FDA0003411560220000059
表明对于消息类型Yω，Ui不可信，则
Figure FDA00034115602200000510
因此Ui在时间间隔Tα不具有声誉等级/阀值等级
Figure FDA00034115602200000511
相对应的秘密值
Figure FDA00034115602200000512
且被禁止广播Yω类型的消息；否则，Ui从本地存储中检索秘密值
Figure FDA00034115602200000513
并生成Yω类型的消息内容
Figure FDA00034115602200000514
然后使用
Figure FDA00034115602200000515
将消息内容
Figure FDA00034115602200000516
加密为
Figure FDA00034115602200000517
Figure FDA00034115602200000518
S53、Ui生成相应的U2U消息
Figure FDA00034115602200000519
为：
Figure FDA00034115602200000520
其中，
Figure FDA00034115602200000521
Ui向附近的其他无人机广播消息
Figure FDA00034115602200000522
S54、收到
Figure FDA00034115602200000523
后，Uj作为接收无人机首先从
Figure FDA00034115602200000524
中提取α和β，并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号
Figure FDA00034115602200000525
和当前时间单元的序列号
Figure FDA00034115602200000526
Figure FDA00034115602200000527
和
Figure FDA00034115602200000528
可能由于重放攻击或通信延迟分别与α和β不同，因此验证公式(14)是否成立；
Figure FDA0003411560220000061
S55、如果公式(14)不成立，则
Figure FDA0003411560220000062
不满足消息及时性，Uj直接丢弃
Figure FDA0003411560220000063
否则，Uj从
Figure FDA0003411560220000064
中提取Yω，并从本地存储中检索其在Tα的声誉等级
Figure FDA0003411560220000065
和消息类型Yω对应的阈值等级Tlω；
假设
Figure FDA0003411560220000066
和
Figure FDA0003411560220000067
其中
Figure FDA0003411560220000068
S56、如果
Figure FDA0003411560220000069
即
Figure FDA00034115602200000610
表明对于消息类型Yω，Uj不可信，则
Figure FDA00034115602200000611
因此Uj在时间间隔Tα不具有声誉等级/阈值等级
Figure FDA00034115602200000612
相对应的秘密值
Figure FDA00034115602200000613
且禁止验证或解密Yω类型的消息，所以Uj直接丢弃
Figure FDA00034115602200000614
否则，Uj从
Figure FDA00034115602200000615
中提取
Figure FDA00034115602200000616
然后从本地存储中检索
Figure FDA00034115602200000617
并验证
Figure FDA00034115602200000618
是否与公式(13)一致；
S57、如果不一致，则表明
Figure FDA00034115602200000619
不能同时满足源合法性、完整性以及源可信度，Uj直接丢弃
Figure FDA00034115602200000620
否则，Uj使用
Figure FDA00034115602200000621
将
Figure FDA00034115602200000622
解密为
Figure FDA00034115602200000623
Figure FDA00034115602200000624
S58、Uj进一步验证消息内容
Figure FDA00034115602200000625
是否与消息类型Yω一致，如果不一致，则表明
Figure FDA00034115602200000626
不满足消息类型真实性，Uj直接丢弃
Figure FDA00034115602200000627
否则，Uj认为
Figure FDA00034115602200000628
和Ui都是可信赖的，且信任消息内容
Figure FDA00034115602200000629
10.一种无人机网络中的轻量级可信消息交换系统，其特征在于，包括一个集中式地面控制站GCS以及多个无人机UAV，轻量级可信消息交换系统中部署如权利要求1-9任一项所述的轻量级可信消息交换方法。
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