《将指挥与控制系统与物联网相结合》2022最新论文，北约网络安全中心、美国陆军研究实验室

军事应用和指挥与控制（C2）系统可以从与物联网（IoT）的整合中受益，因为物联网的普遍性和普遍性可以大大改善对形势的认识。在本文中，我们介绍了物联网可能使军事应用和现有C2系统受益的几种情况。我们将这些场景与商业软件和硬件的推动者联系起来。最后，我们提供了一个系统的高级架构，我们在2021年联军战士互操作性演习（CWIX）中使用该系统来展示物联网与C2整合的好处。

物联网和C2整合的应用场景

在下文中，将介绍由科学和技术组织（STO）信息系统技术（IST）-147和IST-176研究任务组（RTG）提出和探索的几个展示物联网和C2整合的场景，以及这些RTG探索的新场景和场景的扩展。

可部署的检查站：在这种情况下，我们考虑一个部署在高安全区域之外的检查站，如军事基地，并可能由联盟伙伴操作。由于位置和对运营商的部分信任，考虑使用低成本的COTS硬件，而不是特定的和可能的机密军事硬件。在检查站，安装了多个物联网传感器，这些传感器能够自动检测车辆是否为已知车辆，例如，通过分析车牌、发动机类型、车辆类型、车辆重量、车辆颜色，并通过面部和语音识别等方式获取司机和车内人员的信息。如果检查结果表明是经授权的车辆和有足够权限的人，则允许该车进入该场所。否则，或者如果车辆没有停下来，就会部署一架能够追踪物体的无人机来跟踪该车辆。无人机通过长距离（LoRa）无线电协议发送关于事件和当前状态的信息。对可部署的检查站方案感兴趣的技术包括用于车牌识别的人脸识别和光学字符识别（OCR），用于重量测量的力传感器，语音识别，物体跟踪和LoRa。

人道主义援助和救灾（HADR）：我们考虑一个场景，即智能城市受到自然灾害的袭击，如地震、龙卷风或洪水。STO已经分析了这种场景的高级版本，作为危机管理桌面演习的一部分[9]。军队被要求协助当地政府机构提供必需品，如食品和医疗用品，以及医疗和搜救支持。指挥官的优先事项是增加可用的信息源数量以改善SA，接收实时后勤信息以改善规划，监测移动部队的健康和能力，并通过智能物联网设备增强部队的信息收集和处理。为了优化其工作的效率和效果，军事人员依靠从幸存的智能城市基础设施中检索的数据。智能城市基础设施包括传感器、执行器和通信设备，例如，带摄像头的交通灯柱用于监测交通流量，以及污染和深L传感器、智能交通网络和智能电网。为了增强这些可能因灾难而退化的能力，部队也会在关键地点部署自己的传感器，这些传感器的数据也可以与地方当局共享，并用于建立一个共同的安全区[10]。在HADR场景中，从军事应用的角度来看，感兴趣的技术包括团队感知工具包（TAK）服务器（FreeTAK）、安卓团队感知工具包（ATAK）、智能城市应用程序接口（API）、可部署的气体传感器、运动传感器、射频（RF）传感器、空气质量传感器，以及物体检测和识别（通过摄像头）。

智能基地：我们的智能基地方案是智能基地成本方案[11]的延伸，并确定了民用物联网技术可以提供显著附加值的几个领域。事实上，在监测电力和环境条件、检测设备故障和失效、实现预防性维护、监测物流和管理补给等方面，智能基地与智能城市有许多共同特点。这可以通过物联网功能来提高智能基地的安全态势（例如，预警系统和侦察工作）。鉴于与众所周知和研究过的智能城市场景的相似性，我们在此不进一步阐述智能基地的场景。

连接士兵的分布式网络：在这种情况下，我们考虑由多个单位的士兵执行一个特定的任务，例如巡逻。为了改善士兵的健康状况，在执行任务期间，使用各种类型的可穿戴传感器，如标准脉搏血氧仪[12]，或专门设计的心电图（ECG）传感器，如可穿戴健康贴片[13]，不断监测他们的生命体征，另见图1a。每个士兵单位，如图1b所示，都配备了一个行星间文件系统（IPFS）节点，能够接收属于该单位的注册传感器的数据，因此，也充当了网关的角色。我们考虑两种连接方案。在第一种方案中，传感器通过蓝牙[14]与士兵的智能手机连接，后者记录传感器数据、全球定位系统（GPS）数据和其他信息，并使用移动API（如[15]）将它们存储在IPFS中。第二种选择是通过LoRa[16]连接到最近的IPFS节点，作为一个网关[17]。关于一个单元的每个元素的信息被引导到一个可信的网关/IPFS节点，使数据在整个分布式网络中可用。网关的分散存储存储相关数据，并将它们与现有的IPFS对等体同步，因此提供冗余。一个本地部署的软件即服务（SaaS）应用程序（如Thinger.io平台[18]）处理、分析和理解IPFS中的数据。该应用或相关的C2应用，如ATAK或北约共同作战图（NCOP），可以将这些信息提供给其他利益相关者，如图2a所示。分布式C2应用的主要操作优势是没有单点故障。在任何时候，感兴趣的利益相关者都拥有存储在IPFS中的关于部队的最新数据点（健康、疲劳、压力）。

威胁识别：这个场景是连接士兵的分布式网络的延伸。考虑一种情况，即在执行任务期间，一个单位遇到了敌人的炮火或听到了附近的爆炸声。一些COTS组件和服务可以用来开发更好的SA。例如，可以部署一架无人机，如Parrot ANAFI热能无人机[19]，以初步侦察周围地区的情况。收集到的图像可以使用容易获得的物体检测服务进一步处理，如Facebook的Detectron2库[20]，以及跟踪能力，如Bobby Chen的物体检测和跟踪库[21]。无人机可以被训练成对某些手势作出反应，例如，使用Facebook Research的FrankMocap姿势估计器[22]，与生物指纹扫描仪输入相联系，并使用诸如[23]的人脸识别能力，只为已知的一组人服务。在空中飞行时，无人机可以 (1)进行物体检测，并将数据发送到最近的网关，存储在IPFS中（见前一个场景），或者(2)进行物体检测，通过LoRa向最近的网关或手机发送一个JavaScript对象符号（JSON）数据结构，并可能将这些数据存储在IPFS中（见前一个场景）。如果消息被发送到LoRa网关（例如，使用Libelium Meshlium[24]），网关必须被配置为将数据发送到消息队列遥测传输（MQTT）服务器，例如HiveMQ[25]，以及发送到可扩展消息和存在协议（XMPP）服务器，例如Ignite Realtime Openfire[26]，它与C2系统集成，例如ATAK、NCOP、JChat。图2b显示了这第二种能力的图示。上述方案的主要操作好处是在不危及人的生命的情况下增加了安全系数。

病人追踪：这种情况涉及在属于不同国家的设施之间跟踪受伤的士兵（病人）。在这种情况下，所有士兵都被贴上射频识别（RFID）标签。每个RFID标签都能唯一地识别一个士兵。此外，士兵的设备可以包含一个GPS追踪器，该追踪器被设计为在特定的时间间隔内或当集成加速计检测到持续的运动时通过LoRa发送数据。受伤士兵在医疗设施之间被运送，直到他们到达本国或属于本国的医疗设施。医疗机构会遇到属于不同国家的士兵，应该记录这些士兵的健康信息和状态。在所有医疗机构中，工作人员应在当地数据库中记录他们认为必要的关于病人健康的所有信息。这些信息，以及进入和离开的时间戳，应该与士兵的RFID相关联，并记录在数据库中，以便日后查询。在这一点上，参与病人追踪的任何一方都可以以这样的方式查询士兵的信息，即它只能检索它需要知道的信息。为此，我们使用私有集交集（PSI），如谷歌的私有连接和计算项目[27]）。此外，各国可以在不接触个别国家的未加密数据的情况下分析趋势（例如，使用IBM的完全同态加密（FHE）工具包[28]），以确定模式，如访问一组医疗单位的大多数病人在哪里花费最多时间，哪个医疗单位在任何特定时间有最多病人，等等。图3显示了一个图，更详细地描述了母国检索其士兵当前位置信息的过程[29]。这个场景可以作为MEDSUITE的一部分来实现（见第3节）。所关注的技术包括PSI、同源加密（HE）、RFID、GPS和LoRa。这些技术在全文中被提及，并在下一章中进一步讨论。病人追踪的主要操作优势是在不牺牲用户数据保密性的情况下，支持国家间病人信息共享的自动化。

C2系统

已经确定了几个可操作的 C2 系统，可以可视化或处理从 IoT 获得的数据。

• MEDSUITE：医疗信息与协调系统；
• NCOP：北约共同行动图；
• ATAK-CIV：民用安卓团队感知工具包；
• 系统性SitaWare套件
• JChat：基于文本的异步聊天通信

物联网和C2整合的体系结构

物联网涉及广泛的硬件产品（板卡、无线通信、传感器）、软件解决方案、框架和平台。在本节中，我们对与军事场景相关的技术和解决方案进行了非详尽的概述。我们把重点放在广泛可用和已知的商业现货（COTS）解决方案上。这些技术手段可分为功能、安全和辅助性手段。

图4显示了联合物联网应用的拟议架构，包括上面讨论的一些技术推动因素。在消息交换方面，MQTT协议允许物联网设备之间交换消息。它的pub-sub架构是一个事实上的标准，被所有主要的云供应商使用。此外，IST-176工作组目前正在对属于各个国家的物联网系统之间的互操作性进行研究。使用社区支持的板卡，如Arduino和Raspberry Pi，在开发的便利性和速度以及技术支持的可用性方面带来了显著优势。使用LoRaWAN可以有效地进行长距离的通信。它提供了安全性和可靠性，并有一个庞大的社区来支持它。LoRa依赖于能够翻译信息的网关，然后通过互联网发送。然而，这在远程环境中是不可行的。在这些情况下，我们建议利用卫星通信，使用铱星卫星星座和铱星短波数据收发器。根据所选择的场景，标准的WiFi和蓝牙总是很好的选择。在需要公共云组件的情况下，或在实验和验证的情况下，主要的云供应商提供类似的功能。作为物联网应用的主要C2系统，ATAK已被证明是一个合适的选择。它是开源的，并被积极维护。该服务器的最新版本，即Free-TAK，支持与JSON消息的Representational State Transfer（REST）通信，允许与其他系统轻松集成。REST还没有完全发挥作用，因此可能需要一个较低层次的整合。对于一个功能齐全的C2系统，我们推荐NCOP，在NATO内部使用。它支持多种信息类型，包括可扩展标记语言（XML）、ASCII、盟军数据处理出版物（ADatP）-3、超视距瞄准（OTH-T）黄金、结构化查询语言（SQL）、MS Excel和北约矢量图（NVG），以及多种通信协议，如REST和简单对象访问协议（SOAP）。作为一个缺点，它有一个陡峭的学习曲线和漫长的部署程序。此外，它还使用了旧的COTS组件，如Windows Server 2012或SQL Server 2012。对于具有特定策略的数据加密，OpenABE提供了一个有趣的、经济的解决方案。使用ABE可以区分具有不同访问级别的用户。此外，IPFS被推荐用于分布式点对点的信息存储。