《无人机蜂群智能系统的 IPV6 区块链数据通信》美海军2022最新90页论文

本论文探讨了区块链与互联网协议第六版（IPv6）数据包信息的使用，以支持与无人驾驶飞行器（UAVs）智能蜂群的安全、高性能和可扩展的通信。在这篇论文中，我们研究了三种情况下的加密数据包的交换，即点对点、点对多和多对点。我们模拟了每个场景下的蜂群行为，并在模拟运行中改变了蜂群中无人机的数量。基于仿真的结果显示，对于点对点场景和多对多场景，即使在多对多场景中，交互节点的数量增加，延迟也没有明显增加。相反，在点对多的情况下，延迟会增加。需要进行更多的研究来评估本论文中提出的区块链-IPv6方法的安全性和可扩展性。

图. 使用区块链技术的无人机群智能中的块生成概念

引言

越来越多的无人机被用于军事目的，再加上自动化方面的进步，如为无人驾驶飞行器（UAV）配备不同程度的自主权和群集智能，使得这些飞行器成为敌对势力的诱人目标。为了获得竞争优势，对手将试图找到无人机的飞行控制器、接收器或发射器的可利用的物理和网络漏洞，然后应用动能、网络或某种动能和网络攻击机制的组合来操纵无人机的行为，例如使无人机坠毁或泄露敏感数据。

攻击军用无人机的一个途径是操纵无人机使用的通信机制，无论是无人机与无人机之间的通信还是无人机与人类操作员之间的通信。例如，对手可以修改或阻止无人机群之间的数据交换，以降低无人机群的行动效率。重要的是，为军事单位提供的无人机已经过动能和网络脆弱性评估，与这些脆弱性相关的风险在无人机的操作使用之前就已经得到缓解，并且在无人机的使用寿命内对无人机系统进行修改时，也要进行风险评估和缓解。

安全风险管理也要在一个框架中进行规范，美国国家标准与技术研究所（NIST）就是这样做的，它发布了一个风险管理框架。多种技术可用于实施降低安全风险的措施。例如，Vikas Hassija和Vinay Chamola[1]断言。"当务之急是保持无人机和其他用户之间交易的安全性、成本效益和隐私保护。区块链技术是一个非常有前途的解决方案，可用于部署实时无人机应用"。

A. 问题陈述

科学技术的创新和进步之间存在着一种共生关系。诸如自动驾驶汽车、自主无人驾驶飞行器（UAV）和智能家用电器等能力，一度被认为是科幻小说的范畴，或者在技术上太难实现，现在已经很普遍了。

无人机的概念最早出现在1783年，当时约瑟夫-米歇尔和他的伙伴雅克-艾蒂安-蒙戈尔费埃公开展示了一种当时可以说是无人机或无人驾驶飞机的交通工具[2]，其形式是1849年在法国一个叫安诺奈的地方的热气球，在那次战争中，由奥地利中尉弗朗茨-冯-乌沙提斯创造的气球炸弹被用来攻击威尼斯市。虽然这次攻击只造成了轻微的损失，但它可以被称为成功，因为两天后威尼斯就投降了[3]。尼古拉斯-特斯拉在1898年获得了遥控（RC）的专利，大约20年后，一家名为拉斯顿-普罗克特空中目标的公司在特斯拉之前获得专利的遥控技术基础上发明了第一架无翼飞机[4]。

从那时起，无人机技术和它的应用已经稳步增长。它们已被用于科学研究，如收集有关火山活动的数据，在这些地方使用驾驶飞机会太危险或太昂贵。在20世纪90年代，亚伯拉罕-卡雷姆推出了 "捕食者"，这是一种配备了摄像头和其他传感器的无人机，用于监视。国防界为 "捕食者 "配备了武器装备，包括导弹[5]。掠夺者本身已被用于一些冲突，如在阿富汗、巴基斯坦、波斯尼亚、前南斯拉夫、伊拉克、也门、利比亚、叙利亚和索马里的冲突[6]。在2022年，它们也被乌克兰和俄罗斯武装部队广泛用于战斗。

无人机技术的一个重大进步是应用了蜂群智能，一群无人机模仿大量同质动物的智能行为，如蚁群、鸟群和蜜蜂群。蜂群通过蜂群成员之间的协调表现出集体行为。蜂群的行为可以被编码为算法，而这些算法又可以通过软件实现，在计算机上执行，比如无人机中使用的嵌入式计算机[7]。蜂群行为甚至被用来进行基于无人机的灯光表演，例如在2020年东京奥运会的开幕式上。

在蜂群中，蜂后是控制器，同样地，在蜂群智能无人机中，系统中有一个控制中心，典型的控制器名为地面控制站（GCS）。无人机的工作方式很直接，这涉及到无人机和GCS之间的数据交换，然后GCS可以连接到卫星，或者卫星可以直接连接到无人机，一切都在实时发生。图1说明了无人机和其基础设施的一种通信方式。至少，通信需要是低延迟和安全的[8]。

有两种技术可以在GCS和无人机之间进行通信。第一种技术是基于蜂群基础设施的GCS，第二种是飞行Ad-Hoc网络（FANET）。基于蜂群基础设施的GCS本身有一个GCS，用于集中式通信。所有的无人机群都将与GCS进行通信，以便群组能够运作。然而，这种技术的一个缺点是，它依赖于GCS的可用性和正确运作。如果GCS受到干扰，整个无人机群也会受到干扰。相比之下，FANET使用一个发射器向某个无人机发送命令，然后该无人机将这些命令转发给第二个无人机。然后这些命令将以串行或并发的方式分发给其他无人机。所有的无人机将进行通信，并拥有发射器给出的命令列表，这样，如果这个发射器发生故障，所有的无人机仍然可以执行命令，因为每个无人机都有一个有效的命令列表。最后，通过使用这种FANET技术，每个无人机将具有冗余性，而不完全依赖通信基础设施。然而，这种技术也有缺点。例如，一个入侵者或一个未知的无人机可以进入并破坏无人机群。再比如，无人机群的授权成员无法检测到，所以入侵者（即未经授权的参与者）的无人机，从而可以获得将由授权无人机执行的命令列表[9]。

为了克服入侵者无人机的问题，也许可以应用区块链来防止未经授权的无人机使用无人机群命令来获取列表。区块链本身已被广泛用于金融领域，目的是在每笔交易的验证过程中消除第三方。

在区块链中，当数据被分发时，将很难被黑客攻击并获得完整的数据，因为它是由一个使用加密手段的网络验证的。每个区块由前一个区块的哈希值，验证哈希值的随机数，或称nonce，以及时间戳组成。完整性的保证是由区块链为第一个区块的形成提供的，这个区块是由一个经过验证的交易形成的结果，称为创世区块。由于哈希值是不可预测的或唯一的，欺诈或复制行为将被发现。每个经过验证的区块都有其哈希值，对该区块的任何改变都会对其他区块产生影响。如果所有或大多数节点给予许可或同意，该区块就会被添加到链上，因为共识机制安排交易的有效性在某个区块的有效性。

区块链上的这种共识机制可以通过三种方式进行，那就是工作证明、股权证明和投票，实用拜占庭容错。在加密货币的世界里，工作证明被用于采矿。它的工作原理是在每个节点上进行数学方程的计算，然后每个首先完成计算的节点将有权将最新的区块输入区块链。使用权益证明，只有合法的节点可以进行计算以达成共识。另一方面，实用拜占庭容错是基于投票的，要求至少有三分之一的授权节点是拜占庭的。

认证过程是通过生成具有伪随机函数的一次性密码（OTP）来进行的。无人机在区块链中注册，每架无人机根据存储在区块链节点中的关系，确定它能够认证的最近的无人机。认证请求从无人机发送至相关的无人机，后者在区块链中观察并检查该无人机是否有关系，并能对其进行认证。这个方案能够挫败外部恶意无人机的攻击或第三方攻击，即使对手知道第一个令牌。

B. 方法

在本论文中，我们研究了使用IPv6（互联网协议版本6）在无人机之间进行通信的方式。与IPv4（互联网协议版本4）相比，IPv6有很多优点，即速度更快，更有效，因为它的路由表比IPv4少，所以路由过程将更有组织和有效，而且更安全，因为它配备了交换数据的加密功能。带宽更有效，因为IPv6支持组播。配置更容易，因为它自动运行。总的来说，IPv6更适合无人机等移动设备，因为不需要通过网络地址表（NAT），因此延迟低。IPv6将使用区块链与权益证明共识相结合。

与加密货币一样，区块链上的每个节点都必须进行支付。在这项研究中，支付被替换成OTP。每个节点产生相同或同步的OTP。区块链和OTP在这里的使用是为了检测未经授权的无人机，并防止他们读取或更新无人机群使用的命令列表。此外，我们探索了区块链、智能合约共识（SCC）和分布式账本技术在蜂群通信方面的能力。此外，还根据提出的无人机群智能通信架构的概念进行了模拟。

C. 范围

本论文的范围仅限于探索区块链技术和OTP的联合使用，这两种技术在IPv6数据包中都有填充。

D. 研究结果总结

在进行了模拟物理无人机在点对点、点对多、多对点场景下的运行，并使用1-10000次迭代或交易的实验后，得到了各场景的延迟比较结果。从这些结果可以得出结论，对于点对点方案和多对多方案，即使在多对多方案中，交互节点的数量增加，延迟也没有显著增加。而在点对多的情况下，一个节点以广播信息的形式同时向几个节点进行交易，这导致了延迟的增加。第四章和第五章解释了仿真结果和这些结论的总结。此外，第五章还讨论了与本论文中的事项有关的未来工作的可能性和建议。

E. 论文组织

第二章介绍了无人机群智能通信区块链功能的背景，并利用它作为无人机群智能的通信手段。它还对IPv6结构格式进行了概述。第三章讨论了基于IPv6区块链的通信数据传输的分析。具体而言，分析了IPv6区块链数据包的场景、保密性、完整性和可用性。第四章阐述了IPv6区块链在无人机蜂群智能中实现的可能性和挑战的研究成果。第五章提供了结论和对未来研究的建议。