面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法及应用，用于解决在动态产生拜占庭节点的环境中如何确保网络整体可信的技术问题。所述方法包括：构建无人机网络的区块链系统，该区块链系统包含多个注册无人机节点；采集相邻注册无人机节点的数据转发行为状态以及自身节点的运行状态，以获取注册无人机节点的局部可信状态值；将节点局部可信状态值组播给区块链系统的委托代理组，委托代理组共识节点局部可信状态值，并统计所有注册无人机节点的全局可信状态值；基于全局可信状态值更新委托代理组，建立新创世块并同步至区块链系统。链系统。链系统。

【技术实现步骤摘要】
面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法及应用


[0001]本专利技术是关于区块链
，特别是关于一种面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法及应用。

技术介绍

[0002]轻量化无人机组成临时性网络因其组网快捷，部署方便的特性，对搜救、勘探以及军事目的的任务有着重要的意义。无人机网络是以移动自组织网络作为基础网络，没有可靠中心权威的支持，任务的完成依赖于无人机节点间的相互协作，因而保持无人机网络可信，正确评估节点性能、可信度是任务完成的关键。
[0003]然而复杂的任务环境使得无人机网络不仅面临以物理性干扰造成的网络分区，而且也存在着外部节点恶意网络攻击的风险。同时，任务进程中，合法的无人机节点会因外部干扰、能耗等因素变成故障节点或自私节点；无线网络的开放性也使得无人机节点更易遭受网络攻击(如链路层攻击)而妥协，使其成为具有合法身份的拜占庭节点。由于没有中心支持，错误节点动态产生，且拜占庭节点的行为任意，任务进程中的无人机网络本质上是一个异步拜占庭系统。节点间传递的消息可能被丢弃、延时，甚至被篡改。因此有必要构建无人机网络的高可信分布式拜占庭容错系统，使其在不友好的任务环境中保障资源受限的无人机网络的稳健性、高可信性。实时感知节点的状态变化，准确识别不可信节点，并及时隔离出任务网络，使无人机网络对所有参与节点最新状态高效达成共是问题解决的关键。而拜占庭环境下的无人机网络的异步性及资源受限，是构建能实现轻量高效共识的无人机网络可信系统一大挑战。
[0004]分布式系统是依赖消息传递实现进程或节点间的通信及协调，共识算法是系统各组件实现数据一致性的关键。因而，共识算法一直是分布式系统的研究热点，也是区块链的关键核心。依据分布式系统对故障组件容错能力，共识协议分为崩溃式容错协议(CFT)和拜占庭容错协议(BFT)两大类。
[0005]共识算法主要分两个步骤，其一是选主，确定提议的主节点；其二是对提议达成一致的共识协议。根据一致性决定是否确定，共识协议分为确定性共识和概率性共识。Castro和Liskov首次提出了一种基于复制技术的实用拜占庭共识算法PBFT，首次使高可用分布式容错系统的实现成为可能。PBFT规定所有节点轮流做主节点，采用三段协议(排序、通信和确认)，通过节点间的两两通信，实现了确定性共识，有着较好共识效率，且共识结果不可能改变。但高通信复杂度，要求带宽和计算能力相对充足以及系统参与者的身份必须明确，导致系统规模及应用场景受限。
[0006]比特币作为无许可公有链，其采用的“中本聪共识”实质是概率性共识，通过工作量证明(POW)竞争记账节点(提议主节点)，仅通过一轮广播发送新区块，并利用多次确认的方式使其一致性的概率逐步增加，趋近于1。优点是减小了通信复杂度，参与节点无需许可，因而提升了系统的扩展性。缺点也很明显共识时间成本过高，共识结果也不能确定，易遭受51％网络攻击，对于规模较小的分布式系统风险更高。
[0007]FLP不可能结论是异步系统共识算法(协议)的最基本结论：异步环境下不存在确定性共识算法能够解决拜占庭共识问题，即使是只发生良性错误的情兄。针对具体的异步分布式系统应用，异步拜占庭共识算法设计需要考虑如何突破FLP不可能结论的限制。
[0008]面向任务的无人机网络特点是节点轻量，其带宽，计算能力及其能量供应都受限，外部恶意节点及内部拜占庭节点存在，使得部署其上的分布式任务系统大部分时间呈现异步状态。任务环境的复杂性，错误节点的产生，以及网络拓扑的动态变化，都影响着无人机网络分布式系统共识机制的安全性和活性。同时，任务的时效性也要求提高算法的共识效率，以满足无人机网络的可用性和可信性。
[0009]然而目前的共识算法中，确定性共识的高通信复杂度，概率性共识的低共识效率都不适合无人机网络分布式任务系统在效率和计算开销上的要求。通过设定网络时间超时，节点失效器等方法以网络同步或弱同步假设的共识算法，也由于无人机网络的拓扑的动态变化，连接的不可预测以及网规模可伸缩等特性致使短期分区的网络无法快速恢复。
[0010]已有的异步拜占庭共识算法虽然充分考虑了异步特性(如引入随机方法保存活性，取消周期同步和网络超时设定)，但对节点的计算能力不设限制。针对无人机网络节点轻量化，任务时效性高以及异步网络的特性，如何利用有限的资源，在动态产生拜占庭节点的环境中，确保网络整体可信是亟待解决的问题。
[0011]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于提供一种面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法及应用，其用于解决在动态产生拜占庭节点的环境中如何确保网络整体可信的技术问题。
[0013]为实现上述目的，本专利技术的实施例提供了一种面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法，所述方法包括：
[0014]构建无人机网络的区块链系统，所述区块链系统包含多个注册无人机节点；
[0015]采集相邻注册无人机节点的数据转发行为状态以及自身节点的运行状态，以获取所述注册无人机节点的局部可信状态值；
[0016]将所述节点局部可信状态值组播给所述区块链系统的委托代理组，所述委托代理组共识所述节点局部可信状态值，并统计所有所述注册无人机节点的全局可信状态值；
[0017]基于所述全局可信状态值更新所述委托代理组，并建立新创世块同步至所述区块链系统。
[0018]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述采集相邻注册无人机节点的数据转发行为状态以及自身节点的运行状态，以获取节点局部可信状态值，具体包括：
[0019]设定局部状态采样周期，采集当前轮次相邻注册无人机节点的数据转发行为状态并进行局部信誉评估；
[0020]比较所述注册无人机节点的数据转发时长与预设时长，并对数据转发时长超出预设时长的所述注册无人机节点的信誉值进行折扣计算，以统计当前轮次所有所述注册无人机节点的局部信誉损失；
[0021]基于所述局部信誉损失计算得到节点局部可信状态值。
[0022]在本专利技术的一个或多个实施方式中，统计当前轮次所有所述注册无人机节点的局部信誉损失，具体还包括：
[0023]统计当前轮次所述注册无人机节点的数据转发次数，并计算所述注册无人机节点每次转发行为的信誉折扣估值，以得到每个注册无人机节点的全部信誉折扣估值；
[0024]对每个所述注册无人机节点的全部信誉折扣估值进行均值计算，并将计算得到的信誉折扣估值作为当前轮次所述注册无人机节点的最新局部信誉损失。
[0025]在本专利技术的一个或多个实施方式中，所述方法还包括：
[0026]随机选择一组注册无人机节点作为委托代理组负责任务开始后的首轮共识成员，并基于所有所述注册无人机节点的全局可信状态值周期性更新所述委托代理组的共识成员。
[0027]在本专利技术的一个或多个实施方式中，构建无人机网本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法，其特征在于，所述方法包括：构建无人机网络的区块链系统，所述区块链系统包含多个注册无人机节点；采集相邻注册无人机节点的数据转发行为状态以及自身节点的运行状态，以获取所述注册无人机节点的局部可信状态值；将所述节点局部可信状态值组播给所述区块链系统的委托代理组，所述委托代理组共识所述节点局部可信状态值，并统计所有所述注册无人机节点的全局可信状态值；基于所述全局可信状态值更新所述委托代理组，并建立新创世块同步至所述区块链系统。2.如权利要求1所述的面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法，其特征在于，所述采集相邻注册无人机节点的数据转发行为状态以及自身节点的运行状态，以获取节点局部可信状态值，具体包括：设定局部状态采样周期，采集当前轮次相邻注册无人机节点的数据转发行为状态并进行局部信誉评估；比较所述注册无人机节点的数据转发时长与预设时长，并对数据转发时长超出预设时长的所述注册无人机节点的信誉值进行折扣计算，以统计当前轮次所有所述注册无人机节点的局部信誉损失；基于所述局部信誉损失计算得到节点局部可信状态值。3.如权利要求2所述的面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法，其特征在于，统计当前轮次所有所述注册无人机节点的局部信誉损失，具体还包括：统计当前轮次所述注册无人机节点的数据转发次数，并计算所述注册无人机节点每次转发行为的信誉折扣估值，以得到每个注册无人机节点的全部信誉折扣估值；对每个所述注册无人机节点的全部信誉折扣估值进行均值计算，并将计算得到的信誉折扣估值作为当前轮次所述注册无人机节点的最新局部信誉损失。4.如权利要求1所述的面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法，其特征在于，所述方法还包括：随机选择一组注册无人机节点作为委托代理组负责任务开始后的首轮共识成员，并基于所有所述注册无人机节点的全局可信状态值周期性更新所述委托代理组的共识成员。5.如权利要求1所述的面向任务无人机网络轻量异步可证明共识方法，其特征在于，构建无人机网络的区块链系统具体包括：分别对安全环境参数、注册无人机以及区块链的创世块进行初始化，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兵，孔令军，胡峰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：