CN114356881A - 一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法及装置。所述方法包括：根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点集合以及出块顺序，由出块簇首节点将交易池中的数据以打包成为区块，并向其他簇首节点分发所述区块；其他簇首节点将验证通过的区块上链至自身维护的区块链，以及向其他簇首节点转发该区块，直至所有簇首节点均已完成上链；同时，各簇首节点向所在簇内广播新区块，簇内节点将验证通过的区块上链至自身维护的区块链，可以根据权重在无人机簇首节点中高效选举出出块的节点，同时协作簇形成的网络拓扑结构可以降低无人机组网的带宽占用率。

Description

一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法及装置

技术领域

本申请涉及信息技术领域，具体涉及一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法及装置。

背景技术

当前无人机技术的进步使得无人机协同工作的场景变得可行。无人机组网通信相关技术也得到空前的重视和发展。由于无人机组网通信需要向彼此传送指令，而在实际环境下的通信网络错综复杂，彼此间相互通信质量会受到影响，因此无人机对彼此之间的指令的安全性要求高。

目前，无人机协同执行任务按照任务指示或者无人机的功能分成不同的协作簇，进行无人机簇内和簇间的通信，并通过在无人机的簇内普通节点和簇头节点部署区块链系统，实现对节点在网络中的通信的记录，并保证所有通信都是可追溯和不可篡改的，从而防止无人机协作簇遭受敌方无人机的非法接入和干扰通信，保证无人机协作簇通信网络的安全性。

然而，由于无人机计算能力有限，而传统基于区块链系统对算力要求较高，因此无法在无人机上部署传统的区块链系统，且无人机组网环境中经常会产生带宽限制以及网络环境不稳定的问题。

发明内容

由于现有方法存在上述问题，本申请实施例提供一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法及装置。

具体的，本申请实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，包括：

建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点和簇内节点；

根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；

根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，由所述出块簇首节点将交易池中的数据打包成区块，并向其他簇首节点分发所述区块；

所述其他簇首节点对所述出块簇首节点分发的所述区块进行验证，并将验证通过的所述区块上链至自身维护的区块链，以及，向其他簇首节点转发所述区块，直至所有簇首节点均已完成上链；

各簇首节点分别将所述区块在簇内进行广播，所述簇内节点对所述区块进行验证，并在验证通过后将所述区块上链至自身维护的区块链。

所述根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，包括：

所述簇首节点向其他簇首节点发送自己的选票信息；所述选票信息包括所述簇首节点自身地址、所述簇首节点的随机数种子和所述簇首节点的权重；

根据所述选票信息，计算各簇首节点的特征值，并根据各簇首节点的特征值大小，确定出块簇首节点以及出块顺序。

若所述簇首节点或所述簇内节点验证所述区块不通过时，则向其他簇首节点或其他簇内节点请求同步更新自身维护的区块链。

所述建立无人机集群的网络拓扑结构，包括：

根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇算法，建立无人机集群的网络拓扑结构。

在确定簇首节点权重后，还包括：

启动区块链网络，以使在指定端口启动交易、同步和区块监听线程。

第二方面，本申请实施例提供了一种针对无人机协作簇的区块链系统设计装置，包括：

第一处理模块，用于建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点和簇内节点；

第二处理模块，用于根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；

第三处理模块，用于根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，由所述出块簇首节点将交易池中的数据以区块的形式存储，并向其他簇首节点分发所述区块；

第四处理模块，用于所述其他簇首节点对所述出块簇首节点分发的所述区块进行验证，并将验证通过的所述区块上链至自身维护的区块链，以及，向其他簇首节点转发所述区块，直至所有簇首节点均已完成上链；

第五处理模块，用于各簇首节点分别将所述区块在簇内进行广播，所述簇内节点对所述区块进行验证，并在验证通过后根据所述区块更新自身维护的区块链。

所述第三处理模块，具体用于：

所述簇首节点向其他簇首节点发送自己的选票信息；所述选票信息包括所述簇首节点自身地址、所述簇首节点的随机数种子和所述簇首节点的权重；

根据所述选票信息，计算各簇首节点的特征值，并根据各簇首节点的特征值大小，确定出块簇首节点以及出块顺序。

所述第一处理模块，具体用于：

根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇算法，建立无人机集群的网络拓扑结构。

由上面技术方案可知，本申请实施例根据无人机集群中每台飞行器不同的重要性，确定每台无人机的权重，并利用基于角色共识的思想对授权股权证明机制算法进行适用性改进，在减轻无人机计算负担的前提下实现无人机协作簇之间的共识机制。同时，本申请实施例将无人机节点划分为簇首节点和簇内节点，即根据不同无人机的分层结构分配不同权限的区块链节点，从而能够在组网环境差的条件下进行区块内容的分发，提高分发效率，减少带宽消耗，避免传统区块链网络中可能存在的洪泛问题。

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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法的流程图；

图2是本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统网络结构的示意图；

图3是本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统设计装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法的流程图，图2是本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统网络结构的示意图。下面结合图1和图2对本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法进行详细解释和说明。

如图1所示，本申请实施例提供的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，包括如下步骤：

步骤101：建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点和簇内节点；

在本步骤中，可选的，分簇服务器根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇的相关算法，建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点，并把普通节点分配到各个簇中，形成簇内节点。

步骤102：根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；

在本步骤中，需要说明的是，各簇首节点根据簇内节点数量、属性计算自身权重。计算得到的权重可以在一定程度上描述簇的计算能力和簇的规模，并在接下来的加权随机选举中反映到出块概率上。

步骤103：根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，由所述出块簇首节点将交易池中的数据打包成区块，并向其他簇首节点分发所述区块；

在本步骤中，簇首节点首先生成随机数作为投票使用的种子，需要说明的是，种子每轮选举均不相同。

在本步骤中，簇首节点在特定时间点向其它簇首发送自己的选票信息，包括自身地址、种子和权重。

在本步骤中，选票信息会在簇首节点之间进行达成共识，并在在簇首节点内同步完成之后，先按照如下公式求异或和，在各簇首间产生一致的种子。

在本步骤中，在各簇首间产生一致的种子后使用种子初始化随机数生成器，以保证每个簇首产生的随机数序列相同。并根据如下公式计算每个簇首节点的特征值

k＝u^1/w,u＝random(0,1)

其中k表示该簇首节点的特征值，w表示该簇首节点的权重，random函数根据之前初始化的种子生成一个0到1均匀分布的随机数。将簇首节点按照特征值由大到小排序，排序前若干节点即为该轮按顺序出块节点。

在本步骤中，加权随机选举算法的代码如下：

Input:A population V of n weighted items

Output:A WRS of size m

1:For each v_i∈V,ui＝random(0,1)and

2:Select the m items with the largest keys k_i as a WRS

其中，WRS：加权随机采样(Weighted Random Sampling)。

步骤104：所述其他簇首节点对所述出块簇首节点分发的所述区块进行验证，并将验证通过的所述区块上链至自身维护的区块链，以及，向其他簇首节点转发所述区块，直至所有簇首节点均已完成上链；

在本步骤中，选举结束后，各簇首节点针对本轮出块簇首节点以及出块顺序达成共识，出块簇首节点将交易池中数

据打包出块，并向其它簇首节点分发，其它簇首节点在收到后验证区块的合法性，如果验证通过则将所出的块加入自身区块链并向其它簇首节点转发，直到所有簇首节点均已完成上链，如果簇首节点再次收到同一区块则不继续转发。

步骤105：各簇首节点分别将所述区块在簇内进行广播，所述簇内节点对所述区块进行验证，并在验证通过后将所述区块上链至自身维护的区块链。

在本步骤中，需要说明的是，在所有簇首节点均完成上链后，各簇首节点向自身簇内普通节点广播新区块，普通节点验证后更新自身维护的区块链。由此可见，本申请实施例让区块在簇首节点中分发，再由各簇首节点向本簇普通节点分发区块的方式，提高区块链内容分发的效率，节省了无人机组网的网络带宽。

由上面技术方案可知，本申请实施例根据无人机集群中每台飞行器不同的重要性，确定每台无人机的权重，并利用基于角色共识的思想对授权股权证明机制算法进行适用性改进，在减轻无人机计算负担的前提下实现无人机协作簇之间的共识机制。同时，本申请实施例将无人机节点划分为簇首节点和簇内节点，即根据不同无人机的分层结构分配不同权限的区块链节点，从而能够在组网环境差的条件下进行区块内容的分发，提高分发效率，减少带宽消耗，避免传统区块链网络中可能存在的洪泛问题。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，包括：

所述簇首节点向其他簇首节点发送自己的选票信息；所述选票信息包括所述簇首节点自身地址、所述簇首节点的随机数种子和所述簇首节点的权重；

根据所述选票信息，计算各簇首节点的特征值，并根据各簇首节点的特征值大小，确定出块簇首节点以及出块顺序。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，若所述簇首节点或所述簇内节点验证所述区块不通过时，则向其他簇首节点或其他簇内节点请求同步更新自身维护的区块链。

在本实施例中，需要说明的是，如果簇首或普通节点验证失败，则会向其它节点请求同步区块链，帮助维护整个无人机网络的区块链保持一致。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述建立无人机集群的网络拓扑结构，包括：

根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇算法，建立无人机集群的网络拓扑结构。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，在确定簇首节点权重后，还包括：

启动区块链网络，以使在指定端口启动交易、同步和区块监听线程。

在本实施例中，需要说明的是，启动区块链网络需要的参数包括网络拓扑结构、自身网络地址和权重。对于簇内的普通节点，网络拓扑结构包括簇首节点的网络地址，簇内2/3普通节点的地址，除了本簇首节点外至多另外两个簇首节点的信息。网络拓扑结构的信息可用于簇首节点失效、簇融合与分解时无人机节点的重新分配，以及区块链交易信息分发、区块内容分发等部分。簇内节点由于不参与选举和出块，因此不必分配权重。对于簇首节点，网络拓扑结构包括簇内所有无人机节点的网络地址信息，其他所有簇首节点的网络地址信息。启动区块链网络会在指定端口启动交易、同步、区块等监听线程，并与其它区块链节点建立连接。

本申请实施例通过将区块链技术与分层协作簇的方法相结合，设计一种针对无人机协作簇的区块链设计方法，能够在带宽低、网络状况不稳定的无人机网络中达成共识并进行出块，做到无人机网络中的通信指令可追溯，保证无人机协同完成任务的安全性。对于实际应用，提供一种基于授权股权证明机制DPoS(Delegated Proof of Stake)的加权随机选举机制，使得无人机节点能够按照相对于权重的概率出块，使得网络计算能力得到充分使用。同时，本申请实施例还提供一种区块分发方式，基于区块链网络的协作层次结构，让传统的区块分发方式仅限于簇首节点内部，而簇内则由各簇首广播转发的方式，提高区块的分发效率。

基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种针对无人机协作簇的区块链系统设计装置，如图3所示，所述装置包括：

第一处理模块1，用于建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点和簇内节点；

第二处理模块2，用于根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；

第三处理模块3，用于根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，由所述出块簇首节点将交易池中的数据打包成区块，并向其他簇首节点分发所述区块；

第四处理模块4，用于所述其他簇首节点对所述出块簇首节点分发的所述区块进行验证，并将验证通过的所述区块上链至自身维护的区块链，以及，向其他簇首节点转发所述区块，直至所有簇首节点均已完成上链；

第五处理模块5，用于各簇首节点分别将所述区块在簇内进行广播，所述簇内节点对所述区块进行验证，并在验证通过后将所述区块上链至自身维护的区块链。

在本实施例中，可选的，分簇服务器根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇的相关算法，建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点，并把普通节点分配到各个簇中，形成簇内节点。

在本实施例中，需要说明的是，各簇首节点根据簇内节点数量、属性计算自身权重。计算得到的权重可以在一定程度上描述簇的计算能力和簇的规模，并在接下来的加权随机选举中反映到出块概率上。

在本实施例中，簇首节点首先生成随机数作为投票使用的种子，需要说明的是，种子每轮选举均不相同。

在本实施例中，簇首节点在特定时间点向其它簇首发送自己的选票信息，包括自身地址、种子和权重。

在本实施例中，选票信息会在簇首节点之间进行达成共识，并在在簇首节点内同步完成之后，先按照如下公式求异或和，在各簇首间产生一致的种子。

在本实施例中，在各簇首间产生一致的种子后使用种子初始化随机数生成器，以保证每个簇首产生的随机数序列相同。并根据如下公式计算每个簇首节点的特征值

k＝u^1/w,u＝random(0,1)

其中k表示该簇首节点的特征值，w表示该簇首节点的权重，random函数根据之前初始化的种子生成一个0到1均匀分布的随机数。将簇首节点按照特征值由大到小排序，排序前若干节点即为该轮按顺序出块节点。

在本实施例中，在选举结束后，各簇首节点针对本轮出块簇首节点以及出块顺序达成共识，出块簇首节点将交易池中数据打包出块，并向其它簇首节点分发，其它簇首节点在收到后验证区块的合法性，如果验证通过则将所出的块加入自身区块链并向其它簇首节点转发，直到所有簇首节点均已完成上链，如果簇首节点再次收到同一区块则不继续转发。

在本实施例中，需要说明的是，在所有簇首节点均完成上链后，各簇首节点向自身簇内普通节点广播新区块，普通节点验证后更新自身维护的区块链。由此可见，本申请实施例让区块在簇首节点中分发，再由各簇首节点向本簇普通节点分发区块的方式，提高区块链内容分发的效率，节省了无人机组网的网络带宽。

由上面技术方案可知，本申请实施例根据无人机集群中每台飞行器不同的重要性，确定每台无人机的权重，并利用基于角色共识的思想对授权股权证明机制算法进行适用性改进，在减轻无人机计算负担的前提下实现无人机协作簇之间的共识机制。同时，本申请实施例将无人机节点划分为簇首节点和簇内节点，即根据不同无人机的分层结构分配不同权限的区块链节点，从而能够在组网环境差的条件下进行区块内容的分发，提高分发效率，减少带宽消耗，避免传统区块链网络中可能存在的洪泛问题。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第三处理模块，具体用于：

所述簇首节点向其他簇首节点发送自己的选票信息；所述选票信息包括所述簇首节点自身地址、所述簇首节点的随机数种子和所述簇首节点的权重；

根据所述选票信息，计算各簇首节点的特征值，并根据各簇首节点的特征值大小，确定出块簇首节点以及出块顺序。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第一处理模块，具体用于：

根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇算法，建立无人机集群的网络拓扑结构。

本实施例所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计装置可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，其特征在于，包括：

建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点和簇内节点；

根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；

根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，由所述出块簇首节点将交易池中的数据打包成区块，并向其他簇首节点分发所述区块；

所述其他簇首节点对所述出块簇首节点分发的所述区块进行验证，并将验证通过的所述区块上链至自身维护的区块链，以及，向其他簇首节点转发所述区块，直至所有簇首节点均已完成上链；

各簇首节点分别将所述区块在簇内进行广播，所述簇内节点对所述区块进行验证，并在验证通过后将所述区块上链至自身维护的区块链。

2.根据权利要求1所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，其特点在于，所述根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，包括：

所述簇首节点向其他簇首节点发送自己的选票信息；所述选票信息包括所述簇首节点自身地址、所述簇首节点的随机数种子和所述簇首节点的权重；

根据所述选票信息，计算各簇首节点的特征值，并根据各簇首节点的特征值大小，确定出块簇首节点以及出块顺序。

3.根据权利要求1所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，其特点在于，若所述簇首节点或所述簇内节点验证所述区块不通过时，则向其他簇首节点或其他簇内节点请求同步更新自身维护的区块链。

4.根据权利要求1所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，其特征在于，建立无人机集群的网络拓扑结构，包括：

根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇算法，建立无人机集群的网络拓扑结构。

5.根据权利要求1所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计方法，其特征在于，在确定簇首节点权重后，还包括：

启动区块链网络，以使在指定端口启动交易、同步和区块监听线程。

6.一种针对无人机协作簇的区块链系统设计装置，其特征在于，包括：

第一处理模块，用于建立无人机集群的网络拓扑结构，确定簇首节点和簇内节点；

第二处理模块，用于根据簇内节点的数量和所述簇内节点的计算能力，确定簇首节点权重；

第三处理模块，用于根据各簇首节点的权重，确定出块簇首节点以及出块顺序，由所述出块簇首节点将交易池中的数据以区块的形式存储，并向其他簇首节点分发所述区块；

第四处理模块，用于所述其他簇首节点对所述出块簇首节点分发的所述区块进行验证，并将验证通过的所述区块上链至自身维护的区块链，以及，向其他簇首节点转发所述区块，直至所有簇首节点均已完成上链；

第五处理模块，用于各簇首节点分别将所述区块在簇内进行广播，所述簇内节点对所述区块进行验证，并在验证通过后将所述区块上链至自身维护的区块链。

7.根据权利要求6所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计装置的第三处理模块，其特征在于：

所述簇首节点向其他簇首节点发送自己的选票信息；所述选票信息包括所述簇首节点自身地址、所述簇首节点的随机数种子和所述簇首节点的权重；

根据所述选票信息，计算各簇首节点的特征值，并根据各簇首节点的特征值大小，确定出块簇首节点以及出块顺序。

8.根据权利要求6所述的针对无人机协作簇的区块链系统设计装置的第一处理模块，其特征在于：

根据无人机协作内容、自身功能、完成目标、计算能力和网络带宽，并基于分层协作簇算法，建立无人机集群的网络拓扑结构。

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