CN112564895A - 基于区块链的无人艇集群可信组网方法、***及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明的方案包括：指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；各节点获取公共参数，生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；指定任一节点为组网主节点，由其创建自身数据库中未重复的组网编号，并使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；各节点收到组建信息后，构建入网请求并广播；主节点收到节点的入网请求后，向节点发送使用自身私钥签名的加密证书；各节点收到广播证书后，解密并获取证书；各节点在发送交易单消息时，需携带由证书构建的入网凭证，并使用节点私钥对消息进行签名；各节点需验证接收到的交易单信息中签名和凭证的合法性，确认交易单发送节点的入网状态，有效保证数据的可靠性。

Description

基于区块链的无人艇集群可信组网方法、***及存储介质
技术领域
本发明属区块链技术领域，特别涉及一种基于区块链的无人艇集群可信组网方法、***及存储介质。
背景技术
无人艇设备是一种新型的水下设备。区别于载人的艇设备，无人艇在设计中可以突破人的生理极限，提高机动性能，降低设计成本，极大的提高海上生产生活的设备现代化水平。因此，无人艇得到了广泛的重视和应用。但是由于传统单个无人艇在信息传递、决策处理、环境感知等方面的局限性，和其获得信息时间的延迟对其有效性能的不利影响，无人艇设备往往以集群的形式出现。依赖于低廉成本和便携性，无人艇集群可以达到非常大的规模，并通过组网共同执行某些行动任务，保证任务执行的可靠性和完成度。
可是在多频次、大规模无人艇集群组网工作的背景下，每艘无人设备在完成各自既定任务的同时,必须保证与其它无人艇的高度协同。因此，通常要求组网的无人艇集群之间需要保证充分共享信息，尤其是在水下等一些极端恶劣条件下，设备间通讯障碍大，对同一任务网络下设备间拥有良好通讯的需求就更加迫切。
同时，组网的设备间信息共享引入了安全性问题：无人艇组网是否会因为特殊场景的因损减员出现异常？是否会有恶意节点冒充设备连入网络？传统的无人艇组网模式面临这一系列新的需求，而这些需求对于现有技术方案来说难以解决。
而区块链技术具有去中心化、冗余存储、防篡改等特点，为无人集群去中心的信息共享、数据存储提供了解决途径，但通用区块链架构对计算、通信等资源要求较高，无法直接在无人集群环境中应用。
因此我们需要结合区块链的特征，考虑无人艇集群使用需求，针对性的设计可用于无人艇设备集群中安全可信组网的区块链组网技术方案，实现适用于无人艇集群的自由组网。
发明内容
本申请实施例的目的是提出一种基于区块链的无人艇集群可信组网方法、***及存储介质，从实际需求和应用的角度出发，构建了基于区块链技术的无人艇集群安全可信组网技术，主要采用了区块链私有链和联盟链的组网技术，以提供对无人艇设备异质性的兼容，并实现无人设备节点的可信组网；并通过构建基于区块链的身份认证技术，进一步保证无人艇设备组网的安全性；同时利用区块链的共识机制技术，有效保障组内通信的流畅和数据一致性，抵抗常见的网络链路攻击，从而保证组网过程中对设备通信的区中心依赖、身份的有效认证、节点信息的安全共享等关键技术，支撑无人艇集群在复杂环境下完成组网协同任务。
为解决上述技术问题，本申请实施例是这样实现的：
根据本申请实施例的第一方面，提出了一种基于区块链的无人艇集群可信组网方法，包括：
指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；
各节点获取公共参数，生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；
指定任一节点为组网主节点，由其创建自身数据库中未重复的组网编号，并使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；
各节点收到组建信息后，构建入网请求并广播；
主节点收到节点的入网请求后，向节点发送使用自身私钥签名的加密证书；
各节点收到广播证书后，解密并获取证书；
各节点在发送交易单消息时，需携带由证书构建的入网凭证，并使用节点私钥对消息进行签名；
各节点需验证接收到的交易单信息中签名和凭证的合法性，确认交易单发送节点的入网状态。
基于本发明的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的另一个实施例中，所述验证所接收到的广播信息包括验证交易单结构和交易签名是否合法。
基于本发明的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的另一个实施例中，所述方法还包括：对于验证不通过的广播信息做拒绝处理。
基于本发明的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的另一个实施例中，所述各节点的入网请求包含自身节点地址。
基于本发明的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的另一个实施例中，所述向各节点发送使用自身私钥签名的证书包含证书节点地址和组网编号。
基于本发明的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的另一个实施例中，所述各节点对入网凭证进行验证具体通过检查证书的合法性完成。
基于本发明实施例的另一个方面，公开一种基于区块链的无人艇集群可信组网***，包括：
节点动态组网模块，用于指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；各节点获取公共参数，生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；指定任一节点为组网主节点，由其创建自身数据库中未重复的组网编号，并使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；
节点身份认证模块，用于各节点收到组建信息后，构建入网请求并广播；主节点收到节点的入网请求后，向节点发送使用自身私钥签名的加密证书；各节点收到广播证书后，解密并获取证书；
节点信息同步模块，用于各节点在发送交易单消息时，需携带由证书构建的入网凭证，并使用节点私钥对消息进行签名；各节点需验证接收到的交易单信息中签名和凭证的合法性，确认交易单发送节点的入网状态。
基于本发明实施例的另一个方面，公开了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时，用于执行：指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；
各节点获取公共参数生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；
指定任一节点为组网主节点，广播定义自身数据库中未重复的组网编号，使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；
主节点收到各节点的入网请求后，向各节点发送使用自身私钥签名的证书；
各节点收到广播证书并解密获取证书，发送入网凭证并广播；
各节点对入网凭证进行验证；
各节点交易单消息携带本节点的入网凭证，并使用本节点私钥对消息进行签名；
将交易单打包并使用广播机制广播给相邻节点；
验证所接收到的广播信息，使用广播机制继续对验证通过的广播信息进行洪泛。
本申请提出的基于区块链的无人艇集群可信组网方法，基于区块链技术可以向无人艇集群提供自由的安全可信组网；同时通过身份认证方案，保证自由组网过程中***的鲁棒性与安全性；同时利用区块链的共识机制，保证每个节点可以从多个组内节点同时获取消息和数据，提供数据的可靠性、一致性和不可篡改性。
附图说明
图1示出了根据本申请的一些实施例提供的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的流程示意图；
图2示出了根据本申请的一些实施例提供的基于区块链的无人艇集群可信组网方法另一实施例的具体示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
图1示出了根据本申请的一些实施例提供的基于区块链的无人艇集群可信组网方法的流程示意图，结合图1对基于区块链的无人艇集群可信组网方法进行详细介绍，所述方法包括：
S1，指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；
S2，各节点获取公共参数，生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；
S3，指定任一节点为组网主节点，由其创建自身数据库中未重复的组网编号，并使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；
S4，各节点收到组建信息后，构建入网请求并广播；
S5，主节点收到节点的入网请求后，向节点发送使用自身私钥签名的加密证书；
S6，各节点收到广播证书后，解密并获取证书；
S7，各节点在发送交易单消息时，需携带由证书构建的入网凭证，并使用节点私钥对消息进行签名；
S8，各节点需验证接收到的交易单信息中签名和凭证的合法性，确认交易单发送节点的入网状态。
更为具体的，本申请以无人艇设备组建通信集群为使用对象。通过区块链的私有链或者联盟链构建技术，实现无人艇节点的安全可信组网；通过基于区块链的身份认证技术保证组网过程的安全可靠，实现无人艇节点的可信组网；通过设备网络中的共识机制技术，实现网内无人艇设备间信息的安全共享和一致性同步。参照图2的具体实现示意图，其具体技术细节将分为以下3个主要模块：
节点动态组网模块：
该模块主要通过区块链的私有链或者联盟链的构建技术，实现无人艇设备之间各个节点的组网，并保证网络中各个节点出入的动态性。该模块的技术要求对每个节点进行初始化操作，生成公私钥对，并根据公钥生成私链地址，完成节点组网连入的准备工作。同时通过生成建组广播完成组网准备工作。在该模块下，其主要功能通过三个关键步骤完成。
第一步：安全参数生成。由***指定某一可信节点Trust，并给定安全参数λ，并据此生成***公共参数pp；
第二步：公私钥生成。每个参加组网的设备节点接收公共参数pp，并采用区块链椭圆曲线签名算法，自行生成本节点的公私钥对 (Skaddr,Pkaddr)，并使用节点公钥生成节点地址Addri；
第三步：主节点建组。***指定任意一个节点为组网主节点Master，Master将广播定义一个自身数据库中没有重复的组网编号 GroupID，使用自身私钥SkM对建组信息进行签名并广播。
图2中的①和⑥代表了本模块的操作。其中：
③表示安全参数生成和公私钥生成过程；
⑥表示主节点建组并利用节点消息同步模块进行广播过程。
节点身份认证模块：
该模块主要通过基于证书的身份认证技术实现各无人艇的入网操作，该操作保证对任何安全节点的入网有效性；同时基于区块链的无人艇集群组网以和节点地址、组网ID为主要标识，在保证节点身份安全、高效认证的同时，还支持已认证节点的离网、重连操作，丰富了组网的灵活性。该模块的主要技术实现通过以下5个步骤来完成：
第一步：节点入网申请。各期望组网的设备节点发送入网请求 Inrequesti，包含自身节点地址addri；
第二步：主节点证书分发。主节点Master收到入网请求后，向该节点发放使用自身私钥签名的证书
Figure RE-RE-GDA0002926428120000081
该证书包含 {addri,GroupID}，证书使用节点公钥进行加密
Figure RE-RE-GDA0002926428120000082
并广播；
第三步：节点证书验证。节点收到广播证书并解密得到
Figure RE-RE-GDA0002926428120000091
第四步：节点入网。节点入网需要发送入网凭证Tokeni，包含自身节点私钥对证书和时间戳的签名
Figure RE-RE-GDA0002926428120000092
该凭证被节点广播；
第五步：节点验证入网。各节点对入网凭证进行验证。
图2中的②、③、④和⑤代表了本模块的操作。其中：
③和⑤表示节点申请入网和节点证书验证过程；
②和⑤表示证书分发过程；
④和⑤表示节点入网和节点验证入过程；
节点信息同步模块
该模块主要通过区块链共识机制保证节点间通讯的一致性。区块链中的共识机制将把节点的消息区块向全网进行广播，每个节点都可以收到并验证该广播信息。这样就使得每个节点可以通过多个不同节点接收广播消息，这种多路径通讯方式可大大提升恶劣环境下通讯的可靠性；同时，共识机制保证了各个节点信息的存储一致性，有效提升数据共享效率。该模块技术的实现通过以下三个步骤：
第一步：消息生成。每个交易单消息M将携带本节点的入网凭证Tokeni，并使用本节点私钥对消息M进行签名；
第二步：消息广播。节点将交易单打包并使用广播机制广播给相邻的无人艇设备节点；
第三步：广播消息验证。对于接收到的广播消息进行验证，主要验证交易单数据是否合法、交易签名是否正确等。如果验证通过，则使用广播机制继续对消息进行洪泛；如果验证不通过，则拒绝该消息。
图2中的⑦代表了本模块的消息广播操作。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。***、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于区块链的无人艇集群可信组网方法，其特征在于，所述方法包括：
指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；
各节点获取公共参数，生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；
指定任一节点为组网主节点，由其创建自身数据库中未重复的组网编号，并使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；
各节点收到组建信息后，构建入网请求并广播；
主节点收到节点的入网请求后，向节点发送使用自身私钥签名的加密证书；
各节点收到广播证书后，解密并获取证书；
各节点在发送交易单消息时，需携带由证书构建的入网凭证，并使用节点私钥对消息进行签名；
各节点需验证接收到的交易单信息中签名和凭证的合法性，确认交易单发送节点的入网状态。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的无人艇集群可信组网方法，其特征在于，所述验证所接收到的广播信息包括验证交易单结构和交易签名是否合法。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的无人艇集群可信组网方法，其特征在于，所述方法还包括：对于验证不通过的广播信息做拒绝处理。
4.根据权利要求2所述的基于区块链的无人艇集群可信组网方法，其特征在于，所述各节点的入网请求包含自身节点地址。
5.根据权利要求2所述的基于区块链的无人艇集群可信组网方法，其特征在于，所述向各节点发送使用自身私钥签名的证书包含证书节点地址和组网编号。
6.根据权利要求2所述的基于区块链的无人艇集群可信组网方法，其特征在于，所述各节点对入网凭证进行验证具体通过检查证书的合法性完成。
7.一种基于区块链的无人艇集群可信组网***，其特征在于，所述***包括：
节点动态组网模块，用于指定一可信节点，依据安全参数生成公共参数，发送给其他各节点；各节点获取公共参数，生成本节点的公私钥对，使用节点公私钥生成节点地址；指定任一节点为组网主节点，由其创建自身数据库中未重复的组网编号，并使用自身私钥对组建信息进行签名并广播；
节点身份认证模块，用于各节点收到组建信息后，构建入网请求并广播；主节点收到节点的入网请求后，向节点发送使用自身私钥签名的加密证书；各节点收到广播证书后，解密并获取证书；
节点信息同步模块，用于各节点在发送交易单消息时，需携带由证书构建的入网凭证，并使用节点私钥对消息进行签名；各节点需验证接收到的交易单信息中签名和凭证的合法性，确认交易单发送节点的入网状态。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时，用于执行如权利要求1-6任一项所述的基于区块链的无人艇集群可信组网方法。
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