基于区块链技术的无人机安全监管研究.pdf
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1、 2023 年第 9 期217智能技术信息技术与信息化基于区块链技术的无人机安全监管研究肖立新1XIAO Lixin 摘要 近年来随着无人机在农业、灾害救援、摄影等领域的广泛应用,各种无人机出现在城市、农村的公共空间之中,无人机“黑飞”事件给社会公共安全带来严重危害,如何对不同区域无人机监管成为相关部门关注的重要问题。通过依托区块链技术、IPFS 分布式存储及寻址技术,在一定空间范围内对无人机的实时数据、飞行轨迹数据进行监测,并建构起包含基础设施层、技术层、核心服务层、应用层等的数据传输及管理系统,充分利用区块链技术安全管理效率高、隐私性高、数据不易篡改的优势,设置无人机飞行监测、安全管理、数
2、据传输及存储的功能模块,从安全管理模块得到无人机异常行为的最新通知,作为后续安全监管策略实施的数据支持,有效地实行无人机实时轨迹监测、数据安全传输与存储服务。关键词 区块链技术;无人机;安全监管;研究 doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.09.0481.中电科航空电子有限公司 四川成都 6100000 引言区块链技术包括分布式数据的共识机制、密码学技术、区块链部署技术、IPFS 媒体协议等。因而无人机安全监管工作的实施中,使用区块链技术、IPFS 技术,以 Hyperledger fabric 分布式账本、模块化架构作为底层技术链,搭建起基于区块链的无人机监管平
3、台,分为基础设施层、技术层、核心服务层、应用层等层级,用于监测无人机实时飞行数据、异常行为查看、管理与下载数据,可确保无人机数据监测、传输与存储的安全稳定性。1 无人机安全监管涉及的主要区块链技术区块链作为一种以点对点网络通信、数据加密、共识算法、智能合约等为主的分布式技术,近年来被用于中央银行区块链实验、风险投资的数据处理中,能够作为智慧城市、数字社会、数字资产服务的支撑。1.1 分布式数据共识机制区块链技术若要保证数据记录的公开性、不可篡改性,则需要提供一个去中心化的 PoW 共识算法1,该共识算法机制中包含工作量证明(proof of work,PoW)、持有权益证明(proof of
4、stake,PoS)、瑞波(Ripple)共识协议等。其中 PoW、PoS 算法为网络节点中复杂数据运算的常用算法,其能够以耗用时间、能源做担保,进行区域链系统内的数据哈希运算。1.2 密码学技术密码学技术为区块链技术的重要组成之一,当前用于网络数据传输、安全存储管理的加密技术,包括 PKI 认证技术、对称/非对称加密技术,主要从密码编码学、保密通信角度出发,对涉及的网络传输数据信息进行封装,为网络信息传输与存储的认证性、安全性、不可否认性提供保障2。其中 PKI 认证技术也称为公钥基础设施,包括认证中心、注册中心、认证规则、证书颁发库、证书吊销处理列表和应用程序接口等组成架构,可用于网络通信
5、过程中管理后台、用户间的身份认证,以及系统平台密钥信息的管理,认证过程涉及公钥加密、私钥解密和密钥交换。如对称加密方法、非对称加密方法的混合使用,为 PKI 数据加密、认证的常见方式,一般由后台管理方存储用户的账户名、登录口令,PKI 组件提供密钥的备份、恢复和更新等密钥管理服务。用户在网络数据加密、数字签名验证服务执行时,不需要了解PKI 认证技术的运作方式,即可由 PKI 安全服务基础设施,完成数据加密、公钥数字证书分发、数字签名验证、密钥备份及恢复等工作。1.3 区块链部署技术根据参与方式的不同,区块链可分为公有链(public blockchain)、私有链(private block
6、chain)、联盟链(consortium blockchain)的部署形式。本文所用的区块链部署为公有链,也被称为非许可链(permissionless blockchain),是指任何用户可在任何时间段,对任意的数据区块信息作出读取,普通节点发送的数据信息,也能够得到及时的校验与确认3。2023 年第 9 期218智能技术信息技术与信息化公有链属于参与分布式数据共识机制的区块链,相比于其他区块链部署方式而言,其具有表 1 的几方面典型特征。表 1 公有链与其他区块链的部署方式公有链私有链联盟链参与方任何人单机构多机构中心化程度去中心化中心化多中心化记账节点全网节点单机构内自定多机构预先选定
7、共识机制PoW/PoS 等PBFT/Raft 等PBFT/Raft 等权限和范围无机构控制读写权限读写权限可设定2 IPFS 分布式数据传输、存储的关键技术星际文件系统(inter planetary fi le system,PFS)为分布式数据传输和存储技术,也是区块链去中心化前提下,能够弥补区块链数据传输成本高、存储效率低、跨链合作难的重要技术4。IPFS 分布式文件系统主要以哈希表(DHT)、哈希摘要为基础,建立起一种新型的点对点超媒体传送协议,取代 Web 网络原有的 HTTP 通信协议,具有命令请求响应、数据传输速度快,以及信道传输保密性强、数据存储安全性高的优势。2.1 分布式哈
8、希表分布式哈希表是将局域网内的所有数据信息,以的哈希表项形式,集中存储至一个哈希表文件中,其中 key 表示数据文件的参数概要,Value 表示数据文件的IP 地址。当外部用户需要查询某一数据文件的资料时,可利用 key 值寻找数据存储的网络节点地址。2.2 块交换协议(BitTorent)BitTorent 为点对点的数据传输、内容处理的分发协议,可在缺乏网络后台服务器情况下,生成扩展名为.torrent、.seed 的共享文件,设定文件名、文件大小,用于不同.torrent、.seed 数据文件共享,以及利用 tracker 块交换协议协调器,形成外部用户、后台数据文件访问之间的连接。3
9、基于“区块链+IPFS”技术的无人机安全监管系统架构设计从无人机安全监管的实际需求出发,搭建起基于区块链的无人机监管平台,分为基础设施层、技术层、核心服务层、应用层等层级,具体框架如图 1 所示5。从图 1 可以看出,在 IPFS 分布式数据传输、存储技术的基础上,建立起分布式无人机数据监控系统,分别设置运维管理、安全管理两大模块,运维管理模块设置教学资源编排、实时监控、开放接口、数据库管理服务;安全管理模块设置实名认证、访问控制、密钥管理、日蚀攻击防止服务。图 1 基于“区块链+IPFS”技术的无人机安全监管系统其中底层为基础设施支撑层,包含 Nosql/MongoDB 数据库、业务数据库、
10、本地文件系统、HDFS(HIVE)/链式数据存储平台等组成部分,可作为无人机飞行数据传输、存储平台,存储 IPFS 分布式系统的各个网络节点,数据库可对应每个用户的网络节点传输、数据使用需求。技 术 层 包 括 Git、P2P、PKI 加 密 认 证、IPFS 协 议、POW/POS 算法、网络服务、解析服务、日志服务等的技术。这里 IPFS 协议承担点对点网络通信服务、PKI 技术承担数据加密认证服务,Git 和 P2P 技术承担无人机数据传输、管理功能,并针对传感器采集的信息生成日志数据。核心层包括 Identity 身份验证、Exchange 数据交换、File文件存储、AI 个性化服务
11、等的功能,通常依托多层协议栈技术,设置注册登录、加密保护、分布式存储、界面显示的业务,为用户提供多样化的网络数据安全管理服务。除此之外,系统应用层、生态服务层的功能实现,是依托于 IPFS 服务层网络节点、传感器采集装置,在监管应用层面上增加测试数据存储、数据调取和共享、区块链接口、飞行数据监管、边缘计算等模块,不同模块可分别负责完成无人机飞行数据的跟踪、搜集、存储、调取与共享。4 基于区块链技术的无人机安全监管链的搭建、IPFS 节点搭建4.1 开发环境搭建本文采用 Ubuntu 操作系统、Hyperledger fabric 底层区块链框架,搭建起用于无人机安全监管的系统环境,安装 Gol
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