本發(fā)明涉及無人機信息安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抗量子計算攻擊的無人機區(qū)塊鏈管控策略。

背景技術(shù)：

無人機在智能城市建設(shè)、針對重大災(zāi)害的行動中具有明顯優(yōu)勢，具有不可替代的作用。但隨之而來的一個突出問題是：無人機的無節(jié)制飛行，擾亂了空域秩序，為正常民用航班和其他相關(guān)工作帶來巨大威脅。與此同時，隨著國際恐怖主義形勢的加劇，空難事件的頻發(fā)，針對無人機的航空管控迫在眉睫。特別是考慮到當(dāng)前“量子計算機”問世，傳統(tǒng)的公鑰密碼體制的崩塌，有可能讓掌握高科技犯罪能力的“恐怖分子”將遠程遙控的無人機作為“目標”或“工具”，用以實施破壞活動。

當(dāng)前，我國對無人機的管控處于“一管就死”、“一放就亂”的尷尬境地，這究其原因是：(1)當(dāng)前空域管控體制落后；(2)飛行指揮不統(tǒng)一；(3)管控手段僵硬等等。總的來說，我們?nèi)狈σ惶装踩⑼该骱透咝У捏w制來管控?zé)o人機的飛行。同時，我們又需要靈活的考慮無人機及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在不影響空域安全的前提下，安全和高效的管控其飛行活動。

為了解決上述問題，我們綜合考慮采用區(qū)塊鏈技術(shù)、基于格的公鑰密碼體制等技術(shù)來實現(xiàn)一種抗量子計算攻擊的無人機區(qū)塊鏈管控策略。其中，基于格的公鑰密碼體制是抵抗量子計算機的典型方法，而區(qū)塊鏈是當(dāng)前受到廣泛發(fā)關(guān)注和高度重視的技，它是用于實現(xiàn)全民共識、共治和共享的新型基礎(chǔ)設(shè)施。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供一種抗量子計算攻擊的無人機區(qū)塊鏈管控策略，解決現(xiàn)有技術(shù)由于信息加密方式、信息加密范圍和數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)的局限性導(dǎo)致的無人機管控低效、僵化且不適合集群無人機作業(yè)以及導(dǎo)致的數(shù)據(jù)泄漏風(fēng)險等技術(shù)問題。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種抗量子計算攻擊的無人機區(qū)塊鏈管控策略，包括以下步驟：

步驟1、由用戶節(jié)點向無人機節(jié)點發(fā)送格加密的飛行指令，接著由無人機節(jié)點解密飛行指令、根據(jù)解密后飛行指令產(chǎn)生飛行信息并將飛行信息發(fā)送給飛控節(jié)點；

步驟2、由飛控節(jié)點對飛行信息進行檢驗，檢驗完成后再由飛控節(jié)點通過區(qū)塊鏈記錄關(guān)于無人機節(jié)點處無人機的飛行信息。

上述方法中，所述的步驟2，還包括同時由無人機節(jié)點周期性地返回狀態(tài)信息至飛控節(jié)點，由飛控節(jié)點結(jié)合飛行信息和狀態(tài)信息在區(qū)塊鏈上對無人機的飛行進行記錄和監(jiān)督。

上述方法中，所述的步驟1，在由用戶節(jié)點向無人機節(jié)點發(fā)送格加密的飛行指令之前還包括進行初始化操作，進行初始化操作為對用戶節(jié)點、無人機節(jié)點和飛控節(jié)點頒發(fā)各自的公鑰和私鑰，獲得該三類節(jié)點各自的公開參數(shù)。

上述方法中，所述的步驟1，包括以下步驟：

步驟1.1、由用戶節(jié)點將關(guān)聯(lián)的無人機節(jié)點公鑰地址、預(yù)計飛行時間、預(yù)計飛行高度和預(yù)計飛行范圍作為飛行指令，并將關(guān)聯(lián)的無人機型號、無人機節(jié)點的公鑰地址、調(diào)整后的飛行高度和調(diào)整后的飛行方向作為操作指令；

步驟1.2、由用戶節(jié)點結(jié)合無人機節(jié)點的公鑰對飛行指令和操作指令進行基于格的公鑰加密算法加密，對應(yīng)兩類指令分別獲得各自的密文；

步驟1.3、由無人機節(jié)點使用其私鑰分別對密文解密，獲得飛行指令和操作指令；

步驟1.4、根據(jù)解密后飛行指令產(chǎn)生飛行信息并將飛行信息發(fā)送給飛控節(jié)點。

上述方法中，所述的步驟1.4，包括以下步驟：

步驟1.4.1、由無人機節(jié)點解密后飛行指令，生成飛行路線、預(yù)計飛行時間和預(yù)計飛行高度并作為飛行信息，同時將實時的飛行狀態(tài)、位置信息、時間、飛行高度、飛行方向和飛行信息的哈希值作為狀態(tài)信息，計算出飛行信息和狀態(tài)信息各自的哈希值；

步驟1.4.2、使用無人機節(jié)點的私鑰分別對哈希值進行基于格的簽名算法簽名，再將哈希值簽名后的飛行信息和狀態(tài)信息發(fā)送至飛控節(jié)點。

上述方法中，所述的進行基于格的簽名算法簽名，為進行基于格的安全短簽名一般性構(gòu)造方法的簽名。

上述方法中，所述的步驟2，包括以下步驟：

步驟2.1、由飛控節(jié)點在區(qū)塊鏈上結(jié)合飛行信息的哈希值檢索是否已經(jīng)存在相同的飛行信息；

步驟2.2.1、若存在，則由飛控節(jié)點按照區(qū)塊鏈上區(qū)塊中記錄的飛行信息，監(jiān)督無人機節(jié)點處無人機執(zhí)行飛行計劃狀態(tài)；

步驟2.2.2、若不存在，則由飛控節(jié)點在區(qū)塊鏈上按照時間順序建立新的區(qū)塊并將飛行信息的哈希值寫入該新區(qū)塊內(nèi)，再開始監(jiān)督無人機節(jié)點處無人機執(zhí)行飛行計劃狀態(tài)。

上述方法中，所述的步驟2.2.2，還將飛行信息的哈希值作為其內(nèi)容的索引并將其內(nèi)容存儲與云服務(wù)器上。

上述方法中，所述步驟2，還包括根據(jù)公開參數(shù)的要求，由無人機節(jié)點周期性地返回狀態(tài)信息至飛控節(jié)點，由飛控節(jié)點周期性地驗證狀態(tài)信息。

一種抗量子計算攻擊的無人機區(qū)塊鏈管控系統(tǒng)，包括：

用戶節(jié)點，接入?yún)^(qū)塊鏈；

無人機節(jié)點，接入?yún)^(qū)塊鏈、接收用戶節(jié)點發(fā)送的格加密飛行指令且解密該格加密飛行指令；

飛控節(jié)點，接入?yún)^(qū)塊鏈、接收由無人機節(jié)點根據(jù)解密后飛行指令所生成的飛行信息且檢驗飛行信息；

云服務(wù)器，用于存儲飛行信息的內(nèi)容；

所述飛控節(jié)點將檢驗后飛行信息選擇地記錄其哈希值于區(qū)塊鏈區(qū)塊內(nèi)作為其內(nèi)容的索引并存儲其內(nèi)容于所述云服務(wù)器；

所述無人機節(jié)點處無人機周期性地返回其狀態(tài)信息至所述飛控節(jié)點；

所述飛控節(jié)點根據(jù)已記錄于區(qū)塊鏈上飛行信息監(jiān)督或驗證無人機的飛行計劃執(zhí)行狀態(tài)或狀態(tài)信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

(1)提供了一種安全(格加密算法和不可篡改的區(qū)塊鏈)、透明(并不是所有信息全部加密)和高效(結(jié)合區(qū)塊鏈和云服務(wù)器構(gòu)建了低冗余度全新數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu))的管控策略及系統(tǒng)；

(2)分別采用基于格的加密和簽名方法(ntru加密算法、boyen的“l(fā)atticemixingandvanishingtrapdoors：aframeworkforfullysecureshortsignaturesandmore”)，能夠有效抵抗量子計算攻擊，確保無人機在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)空間安全形勢嚴峻的情況下，有效應(yīng)對量子計算攻擊，實現(xiàn)安全的管控；

(3)采用基于區(qū)塊鏈的技術(shù)記錄飛行信息，由于區(qū)塊鏈具有不可篡改、安全、可追溯等優(yōu)秀特點，可以幫助實現(xiàn)透明的無人機管控，同時提供事故追責(zé)等功能；

(4)設(shè)計了一套完整的無人機飛行管控機制，同時實現(xiàn)了靈活和安全的無人機飛行管控，無人機要按照事先記錄在區(qū)塊鏈上的信息進行飛行，但允許根據(jù)用戶發(fā)送的操縱指令進行小范圍的改動，但需要滿足公開參數(shù)所設(shè)定的容忍范圍，這樣做的目的是在滿足空域安全的前提下合理滿足飛行需求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例的各節(jié)點信息交互示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的區(qū)塊內(nèi)容示意圖。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明：

初始化，基于公鑰密碼體系(public-keyinfrastructure,pki)，認證中心(certificateauthority,ca)為用戶節(jié)點、無人機節(jié)點、飛控節(jié)點頒發(fā)公鑰和私鑰，產(chǎn)生公開參數(shù)；

用戶節(jié)點生成飛行指令，包括：無人機節(jié)點的公鑰地址、預(yù)計飛行時間、預(yù)計飛行高度、預(yù)計飛行范圍，這里，飛行指令可以是預(yù)先設(shè)計好的飛行指令。也就是說，無人機可以按照指令自動飛行無需操縱，但也可以是用戶節(jié)點提前估計好的飛行路線(在實際飛行中，可按照操縱指令做小范圍調(diào)整，具體由公開參數(shù)決定，詳見后面)；

接著，用戶節(jié)點使用無人機節(jié)點的公鑰對飛行指令進行加密，采用的是hoffstein等人提出的名為：ntru的格公鑰加密算法進行加密，將產(chǎn)生的密文通過公共渠道發(fā)送給無人機節(jié)點；

這里，我們采用ntru格公鑰加密算法的原因有如下：(1)高效實用，這是因為ntru是當(dāng)前最快的格公鑰加密算法，也是最快的公鑰加密算法之一(2)基于格困難問題，有效抵抗量子攻擊的威脅，避免具有量子計算能力的攻擊者截獲并偽造飛行指令；

無人機節(jié)點收到指令密文后，使用自己的密鑰進行解密，從而得到飛行指令，然后根據(jù)飛行指令，生成飛行信息，具體包括：飛行路線、預(yù)計飛行時間、預(yù)計飛行高度等，并計算其哈希值，然后對哈希值進行簽名并且發(fā)送給飛控節(jié)點；

需要指出，上述簽名算法采用的是：boyen提出的基于格的安全短簽名一般性構(gòu)造方法(latticemixingandvanishingtrapdoors：aframeworkforfullysecureshortsignaturesandmore)，我們考慮采用其的原因是：(1)安全性高，安全性證明緊湊，在選擇消息攻擊下是存在性不可偽造的(2)簽名簡單、方法實用高效(3)支持基于身份的加密體系(identity-basedencryption)，應(yīng)用前景廣闊，可以有效克服現(xiàn)有的pki體制的不足，即密鑰管理的問題(4)基于格困難問題，有防止具有量子計算能力的攻擊者偽造簽名；

飛控節(jié)點收到飛行信息和簽名后，首先使用無人機節(jié)點的公鑰驗證簽名的正確性，同時，檢查該次飛行信息是否合法，若通過，則繼續(xù)執(zhí)行下一步，否則，飛控節(jié)點拒絕此次飛行，并且根據(jù)相關(guān)法規(guī)采取反制措施，防止無人機非法飛行，擾亂空域安全；

需要指出的是，我們僅僅對飛行指令和操縱指令進行加密，而對飛行信息和狀態(tài)信息進行簽名后明文發(fā)送，這樣做的目的是：(1)重點防范具有量子計算能力的攻擊者竊取或篡改對無人機發(fā)送的指令(2)將飛行信息和狀態(tài)信息透明的記錄在區(qū)塊鏈上，用于公共的監(jiān)督和檢索(3)以最少的代價換來整個系統(tǒng)的高效和可靠運營；

飛控節(jié)點計算飛行信息的哈希值，并且在記錄飛行信息的區(qū)塊鏈上檢索該次飛行信息是否存在，若存在，則代表無人機節(jié)點之前已經(jīng)得到飛控節(jié)點的合法授權(quán)并且記錄，那么飛控節(jié)點在云服務(wù)器中檢索到對應(yīng)的飛行信息，并且監(jiān)督無人機按照預(yù)定的飛行信息進行飛行；若該哈希值不存在，則飛控節(jié)點在按照時間順序，在最近一次的區(qū)塊后面，創(chuàng)建一個新的區(qū)塊，將該次飛行信息寫入該區(qū)塊中，最后廣播該區(qū)塊；

在記錄飛行信息的區(qū)塊鏈中，一個區(qū)塊的區(qū)塊頭內(nèi)容包括：飛行信息的哈希值、區(qū)塊的建立時間、前后區(qū)塊的指針；區(qū)塊體具體內(nèi)容包括：無人機節(jié)點的公鑰地址、用戶節(jié)點的公鑰地址、無人機型號、用戶信息、飛行信息；

這里需要指出的是，我們僅僅在區(qū)塊里記錄飛行信息的哈希值，而將具體的飛行信息存儲在云服務(wù)器中，將哈希值作為其索引，這樣既避免了區(qū)塊內(nèi)容過多造成的區(qū)塊鏈冗余，同時也提供了高效的索引辦法，使得飛控節(jié)點可以快速高效的檢索，確保無人機管控策略的高效，此外，我們還可以考慮對存儲在云服務(wù)器中的飛行信息加密，以此確保飛行敏感數(shù)據(jù)不泄露；

接下來，用戶節(jié)點可以生成操縱指令，包括:無人機的型號、無人機節(jié)點的公鑰地址、調(diào)整后的飛行高度、調(diào)整后的飛行方向等信息，并使用無人機節(jié)點的公鑰，基于ntru格公鑰加密算法加密得到密文，將密文發(fā)送給無人機節(jié)點；

無人機節(jié)點收到密文后，使用公鑰并基于ntru算法進行解密，并且得到操縱指令，無人機根據(jù)操縱指令，并且在不危害航空安全和符合規(guī)定的前提下，對飛行狀態(tài)進行小范圍調(diào)整，這樣做是為了適當(dāng)滿足無人機用戶的飛行需要；

接著，無人機會按照區(qū)塊鏈上記錄的飛行信息進行既定的飛行(也可能接受了用戶節(jié)點的操縱指令，小范圍的變動了飛行狀況，但具體通過飛行高度和公開參數(shù)進行合理范圍的限定，若超出范圍則視為非法飛行)，無人機節(jié)點會周期性的返回狀態(tài)信息給飛控節(jié)點，用于實時的監(jiān)督飛行是否合法；

其中，上述過程具體為：無人機節(jié)點按照公開參數(shù)的要求，生成由：飛行狀態(tài)、位置信息、時間、飛行高度、飛行方向、飛行信息的哈希值等組成的狀態(tài)信息，并且采用boyen的方法進行簽名，然后發(fā)送給飛控節(jié)點進行驗證；

如之前所述，飛控節(jié)點基于boyen的算法，先驗證簽名的正確性，再配合飛行信息檢查狀態(tài)信息是否合法，若通過，則繼續(xù)執(zhí)行下一步，否則，采取相應(yīng)的反制措施，打擊無人機非法飛行；

最后，飛控節(jié)點檢查無人機是否已經(jīng)停止飛行，具體為：檢查飛行狀態(tài)信息、位置信息、時間，飛行高度等信息，具體方法可由公開的參數(shù)或者方法設(shè)定，在此不多做介紹，若無人機停止，則結(jié)束，否則，繼續(xù)要求接受無人機返回的狀態(tài)信息，以實時的管控?zé)o人機的飛行。

實施例1

參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)如下：

初始化，認證中心(certificateauthority,ca)為用戶節(jié)點、無人機節(jié)點、飛控節(jié)點頒發(fā)公鑰和私鑰，產(chǎn)生公開參數(shù)。

用戶節(jié)點生成飛行指令，使用無人機節(jié)點的公鑰對飛行指令進行加密，采用ntru的格公鑰加密算法進行加密，并將產(chǎn)生的密文通過公共渠道發(fā)送給無人機節(jié)點；

無人機節(jié)點將指令密文解密后得到飛行指令，然后根據(jù)飛行指令，生成飛行信息，并計算其哈希值，然后對哈希值進行簽名并且發(fā)送給飛控節(jié)點；

飛控節(jié)點對收到的簽名和飛行信息的合法性分別進行驗證，若通過，則繼續(xù)執(zhí)行下一步，否則，飛控節(jié)點拒絕此次飛行，并且根據(jù)相關(guān)法規(guī)采取反制措施，防止無人機非法飛行，擾亂空域安全；

接著，飛控節(jié)點計算飛行信息的哈希值，并且在區(qū)塊鏈上檢索該次飛行信息是否存在，若存在，在云服務(wù)器中檢索到對應(yīng)的飛行信息，并且監(jiān)督無人機按照預(yù)定的飛行信息進行飛行；若該哈希值不存在，則飛控節(jié)點在按照時間順序，在最近一次飛行時間的區(qū)塊后面，創(chuàng)建一個新的區(qū)塊，并將該次飛行信息寫入該區(qū)塊中，最后廣播該區(qū)塊，其中，節(jié)點信息交互如圖2所示，區(qū)塊內(nèi)容如圖3所示；

在無人機會按照區(qū)塊鏈上記錄的飛行信息進行既定飛行的同時，用戶節(jié)點可以生成操縱指令，并且使用ntru格公鑰加密算法加密后發(fā)送給無人機節(jié)點，無人機解密后得到操縱指令，無人機根據(jù)操縱指令，并且在不危害航空安全和符合規(guī)定的前提下，對飛行狀態(tài)進行小范圍調(diào)整，這樣做是為了在不危害空域安全的條件下，適當(dāng)滿足無人機用戶的飛行需要；

與此同時，無人機節(jié)點會周期性的返回狀態(tài)信息給飛控節(jié)點，用于實時的監(jiān)督飛行是否合法，并且采用boyen提出的基于格的安全短簽名一般性構(gòu)造方法進行簽名，然后發(fā)送給飛控節(jié)點進行驗證；

飛控節(jié)點驗證簽名的正確性，再配合飛行信息檢查狀態(tài)信息是否匹配一致(可能出現(xiàn)不按照規(guī)定飛行的情況)，若通過，則繼續(xù)執(zhí)行下一步，否則，采取相應(yīng)的反制措施，打擊無人機非法飛行；

最后，飛控節(jié)點檢查無人機是否已經(jīng)停止飛行，若停止，則結(jié)束，否則，繼續(xù)要求接受無人機返回的狀態(tài)信息，以實時的管控?zé)o人機的飛行。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。