物联网基于区块链的安全数据采集方案的优化

物联网（IoT）是一种新兴技术，通过互联网能够连接由传感器、执行器、软件等组成的诸多对象。物联网设备可以感知环境并基于传感器数据执行操作。随着物联网的普及，截止2020年该网络已连接超300亿个物联网设备。物联网的出现给包括农业、医疗、智能电网、智能家居在内的各个领域带来了巨大利益，然而物联网设备仍然存在诸如连接性、低计算能力和电池寿命不足等挑战。

无人机的诞生在工业界和学术界都引起了极大关注。虽然无人机最初是为军事目的设计的，但由于其良好的功能，如易于部署、低维护成本和可用性，它们已被广泛应用于民用领域。无人机群的出现进一步拓展了无人机的应用领域，其覆盖范围更大，部署成本更低。然而，无人机与物联网之间、无人机与服务器之间的通信充满了网络威胁，包括中间人攻击、重放攻击等。此外，累积的数据可能在服务器中遭到非法更改，从而引发完整性问题。因此，需要一种方案来确保数据采集过程的安全并保持数据的完整性。

区块链是一种分布在对等方之间的数字账本，每个对等方持有相同的数据副本。向区块链添加数据后，不能进行任何修改。如果有人试图在块中进行更改，块的哈希也会更改并断开块链。要重建链，所有验证程序都必须同意此更改，从而保证区块链中的数据安全。因此，借助区块链功能可能是应对上述安全威胁（即网络攻击、数据完整性问题）的潜在解决方案。

本文提出了一种基于区块链的安全数据采集方案，该方案利用无人机集群从物联网设备上采集数据，并存储在服务器端的区块链中。目前，利用区块链通过无人机集群获取物联网设备的数据，提供安全性和数据完整性尚未得到探索。如图1所示，我们设计了一个支持区块链的数据采集方案（称为“总线”），以支持在无人机群的协助下从物联网设备采集数据。

图1 基于区块链的无人机群安全数据采集

总线由以下组件组成：

物联网设备：物联网设备从环境中收集数据，并在无人机集群的协助下将这些数据传输到服务器。

无人机集群：无人机集群从物联网设备收集数据，并将这些数据传输到最近的服务器。

服务器：服务器保存物联网设备的数据，每个数据都存储在区块链中。

卫星：在移动网络不可用的位置，总线利用卫星从物联网设备获取数据，无人机群可以通过卫星与PC保持通信。

总线的目的是安全地从物联网设备收集数据，并将这些数据存储到保持其完整性的服务器中。在总线中，每个参与者（包括物联网设备和无人机）都必须在参与总线之前向服务器注册。部署无人机集群之前，服务器创建一个任务，并利用智能合约（SC）将该任务信息存储在区块链中。然后，所有的无人机群必须在任务中注册他们的公钥，无人机集群中的每个无人机创建一个共享密钥并与物联网设备共享。总线在实体（即物联网无人机、无人机-无人机、无人机服务器）之间使用不同的链路，每个链路具有不同的信道状态。当一个数据到达无人机时，无人机会对其进行处理，处理后无人机会将其添加到队列中，然后再转发给下一个实体。总线虽然有不同的链路，但在数据采集过程中保持了一致性。在总线中，每个块在同一块中包含多个数据，例如（1）Header和（2）Body，如图2所示。标头包含块的哈希、nonce、timestamp、Merkle根和前一个块的哈希。正文包含从物联网设备收集的数据。正文中可能存储一个或多个数据。

图2 区块链内部的数据管理

仿真结果表明，总线成功地利用了hash-bloom过滤器，能够完全过滤恶意设备。通过对结果和安全性分析表明，利用无人机作为物联网设备的辅助，不仅扩展了物联网的连通性，而且有助于降低物联网的能耗。

飞思集群研发平台

飞思集群研发平台是飞思实验室专为无人系统集群协同研究而开发的研发平台。飞思集群研发平台一个可以在多种定位系统环境下（光学定位、UWB 定位、RTK 定位等）实现无人机、无人车或两者之间的集群控制平台。本平台支持多种定位系统和集群通信技术，在统一控制接口下实现无人机、无人车的按照规划路线运动，验证多机、多车编队和协同控制等算法的有效性。本实验平台可提供一套完整的集群控制开发、调试及验证环境。实验系统基于ROS/Matlab 开发，开放性强，用户不需要掌握太多的底层编程技术即可完成算法的修改和验证。为无人系统控制及多机集群控制等教学演示及二次开发提供核心设备支撑。
编辑：lyn