董旭雷，朱榮剛，賀建良，王向坡

(1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000； 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)展和作戰(zhàn)樣式的不斷創(chuàng)新，無人機(jī)群作戰(zhàn)范圍已從原來單一的航空域擴(kuò)展至現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)空間域，無人機(jī)群除了面對(duì)武器打擊外，也面臨著網(wǎng)絡(luò)攻擊的威脅。因此,如何保證無人機(jī)群在靈活高效執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的同時(shí)，建立起安全可信的分布式協(xié)作環(huán)境，提高無人機(jī)群的生存能力成為當(dāng)前無人機(jī)群軍事應(yīng)用必須考慮的問題。區(qū)塊鏈作為一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式[1]，具備安全、抗毀、容錯(cuò)、優(yōu)化、自動(dòng)等優(yōu)勢[2]，契合解決無人機(jī)群軍事應(yīng)用“痛點(diǎn)”的迫切需求。

目前，基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群軍事應(yīng)用已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問題，但當(dāng)前研究尚未形成完整、統(tǒng)一的面向無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈體系架構(gòu)。鑒于此，本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)，立足于無人機(jī)群應(yīng)用需求，提出了面向無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈體系架構(gòu)，并對(duì)當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群軍事應(yīng)用中的國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了全面梳理，最后對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群軍事應(yīng)用中面臨的響應(yīng)延遲、帶寬占用以及存儲(chǔ)資源消耗等挑戰(zhàn)及其解決方案進(jìn)行了總結(jié)，提出了后續(xù)的研究方向，為進(jìn)一步將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)群的軍事化提供了研究思路。

1 區(qū)塊鏈概述

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是由分布式網(wǎng)絡(luò)、智能合約、共識(shí)機(jī)制、加密技術(shù)等多種技術(shù)集成的新樣式，主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。1) 結(jié)構(gòu)去中心化。區(qū)塊鏈無需第三方管理機(jī)構(gòu)，也沒有所謂的“中心節(jié)點(diǎn)”，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)限是對(duì)等的。2) 數(shù)據(jù)可溯源，難篡改。區(qū)塊鏈基于哈希算法建立了塊鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上鏈數(shù)據(jù)的溯源且極難被篡改。3) 機(jī)制抗毀容錯(cuò)。區(qū)塊鏈全網(wǎng)共識(shí)，共同記錄和存儲(chǔ)上鏈數(shù)據(jù)，單一節(jié)點(diǎn)的損失不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。4) 運(yùn)行過程自動(dòng)化。區(qū)塊鏈技術(shù)依托智能合約，無須第三方操作，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自主運(yùn)行[3]。

區(qū)塊鏈具備去中心化、抗毀容錯(cuò)、安全可信、自動(dòng)高效等技術(shù)優(yōu)勢。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可有效推動(dòng)無人機(jī)群從集中式向分布式模式轉(zhuǎn)變，使無人機(jī)群在安全可信的戰(zhàn)場環(huán)境下，即使作戰(zhàn)單元出現(xiàn)傷亡，也能保持整體的作戰(zhàn)效能，作為一個(gè)統(tǒng)一的集群組織自主正常運(yùn)作[4]。無人機(jī)群可以在沒有可信任的中央節(jié)點(diǎn)和缺少可信任的通信通道的情況下，通過身份認(rèn)證，防止惡意節(jié)點(diǎn)冒充偽裝發(fā)起的欺騙式網(wǎng)絡(luò)攻擊；采用共識(shí)機(jī)制，快速達(dá)成一致，保持可靠的互聯(lián)互通；利用智能合約，實(shí)現(xiàn)指令決策的自動(dòng)執(zhí)行，確保無人機(jī)群作戰(zhàn)的自主高效。因此，區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)群軍事應(yīng)用，有助于解決當(dāng)前無人機(jī)群在真實(shí)戰(zhàn)場環(huán)境中面臨的協(xié)同和生存問題。

根據(jù)去中心化程度的不同，區(qū)塊鏈可分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈[5]。公有鏈權(quán)限開放，任何節(jié)點(diǎn)都可以加入；私有鏈權(quán)限集中，寫入權(quán)限掌握在單一節(jié)點(diǎn)或機(jī)構(gòu)中；聯(lián)盟鏈去中心化程度在兩者之間，相較于公有鏈，鏈上數(shù)據(jù)只能由聯(lián)盟內(nèi)節(jié)點(diǎn)訪問，相較于私有鏈，鏈上操作由成員共同決定。因此，根據(jù)無人機(jī)群軍事應(yīng)用中分布式可信協(xié)作的需求，聯(lián)盟鏈更適合作為無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈形態(tài)。

2 面向無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈體系架構(gòu)

面向無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈體系架構(gòu)主要由基礎(chǔ)設(shè)施層、底層數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)交互層、核心功能層、跨鏈服務(wù)層、應(yīng)用接口層和應(yīng)用服務(wù)層組成，具體見圖1。

圖1 面向無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈體系架構(gòu)Fig.1 Blockchain architecture for military applications of UAV swarm

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層的作用主要是為無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)的運(yùn)行提供各種基礎(chǔ)服務(wù)支持。其組成主要包括提供數(shù)據(jù)來源的無人機(jī)傳感器等機(jī)載設(shè)施、提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的無人機(jī)群通信網(wǎng)絡(luò)以及支撐區(qū)塊鏈平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)的相關(guān)基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)，如證書授證中心為各個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)頒發(fā)數(shù)字證書等。

2.2 底層數(shù)據(jù)層

無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)的數(shù)據(jù)層作為最底層的部分，通過默克爾樹和鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)這兩種哈希結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群鏈上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的追蹤溯源和不可篡改[6]，保證了無人機(jī)群在軍事應(yīng)用中數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性和不可偽造性。

無人機(jī)群區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

無人機(jī)自身能力、狀態(tài)信息以及敵方目標(biāo)信息等重要數(shù)據(jù)上鏈后會(huì)在區(qū)塊體內(nèi)以哈希值的形式作為葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)于默克爾樹中。通過判斷區(qū)塊頭中默克爾樹的根哈希是否發(fā)生改變，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)被篡改信息的快速檢測和定位。同時(shí)，區(qū)塊鏈上的各個(gè)區(qū)塊通過前塊哈希從后向前有序連接形成了一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，敵方對(duì)無人機(jī)群上鏈信息的偽造和篡改需要同時(shí)改變當(dāng)前區(qū)塊默克爾根和后續(xù)區(qū)塊的前塊哈希，而這需要花費(fèi)巨大的計(jì)算算力和時(shí)間成本，在實(shí)際戰(zhàn)場環(huán)境下往往難以實(shí)現(xiàn)。此外，無人機(jī)群還可以根據(jù)區(qū)塊鏈前后區(qū)塊時(shí)間戳差值是否超過閾值判斷執(zhí)行任務(wù)的某一階段是否遭受干擾或攻擊[7]，從而及時(shí)做出調(diào)整。

2.3 網(wǎng)絡(luò)交互層

網(wǎng)絡(luò)交互層是無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)的組網(wǎng)方式使得無人機(jī)群能夠以相互對(duì)等的地位建立起扁平化的組織結(jié)構(gòu)。在區(qū)塊鏈高度去中心化的分布式網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)群中心節(jié)點(diǎn)減少，指揮層級(jí)實(shí)現(xiàn)弱化，抗毀能力和行動(dòng)效率進(jìn)一步提升。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過消息傳播協(xié)議和驗(yàn)證機(jī)制共同參與維護(hù)無人機(jī)群上鏈數(shù)據(jù)的校驗(yàn)過程并均有存儲(chǔ)。單個(gè)平臺(tái)節(jié)點(diǎn)在受到干擾恢復(fù)正常后仍能通過其他節(jié)點(diǎn)完整的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)“斷點(diǎn)續(xù)傳”，無人機(jī)群區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)因少數(shù)節(jié)點(diǎn)的損毀而中斷。

2.4 核心功能層

核心功能層包含了無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)的3個(gè)核心功能，即非對(duì)稱信息加密、分布式共識(shí)一致以及智能合約的自動(dòng)執(zhí)行。

信息加密層通過使用非對(duì)稱加密技術(shù)保證了無人機(jī)群信息傳遞的安全性。無人機(jī)群節(jié)點(diǎn)之間在戰(zhàn)場弱信任環(huán)境下不依靠第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)背書即可保證雙方交換數(shù)據(jù)完整性和真實(shí)性。其主要應(yīng)用場景包括無人機(jī)群信息加密和數(shù)字簽名[8]，具體如圖3和圖4所示。

圖3 無人機(jī)群信息加密示意圖Fig.3 Schematic diagram of UAV swarm information encryption

圖4 無人機(jī)群數(shù)字簽名示意圖

共識(shí)一致層通過共識(shí)算法確保在高度去中心化的分布式無人機(jī)群系統(tǒng)中，即使決策權(quán)高度分散，當(dāng)面對(duì)網(wǎng)絡(luò)丟包、時(shí)鐘漂移、節(jié)點(diǎn)宕機(jī)、節(jié)點(diǎn)作惡等故障情況，仍然能保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)就所要上鏈的信息達(dá)成一致[9]。

合約執(zhí)行層通過智能合約技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群各種算法的可編程性封裝，使得無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)無需依賴任何可信的第三方即可實(shí)現(xiàn)各種作戰(zhàn)任務(wù)邏輯的自動(dòng)計(jì)算[10]。

2.5 跨鏈服務(wù)層

由于軍事應(yīng)用場景的特殊性與復(fù)雜性，未來可能存在航空導(dǎo)彈鏈[11]、陸戰(zhàn)場“兵器鏈”[12]等各層各域區(qū)塊鏈，從而導(dǎo)致軍事應(yīng)用場景中的區(qū)塊鏈系統(tǒng)是多鏈并存的。而無人機(jī)群隨著其作戰(zhàn)邊界的不斷擴(kuò)大，必然會(huì)存在與不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)之間互聯(lián)互通的需求。因此，無人機(jī)群除了要提供與其他無人機(jī)群區(qū)塊鏈的跨鏈服務(wù)外，還需要提供與其他類型區(qū)塊鏈的跨鏈服務(wù)，以此來解決多個(gè)同構(gòu)和異構(gòu)區(qū)塊鏈間可信交互的問題。

無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)的跨鏈服務(wù)層主要由中繼鏈、跨鏈網(wǎng)關(guān)及跨鏈協(xié)議3部分組成。通過中繼鏈和跨鏈網(wǎng)關(guān)，無人機(jī)群可以完成不同區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證，確保無人機(jī)群區(qū)塊鏈跨鏈交易數(shù)據(jù)的安全有效?？珂渽f(xié)議則規(guī)定了不同區(qū)塊鏈之間以及區(qū)塊鏈與中繼鏈之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和驗(yàn)證的消息字段，保障跨鏈消息的真實(shí)性和完整性。

2.6 應(yīng)用接口層和應(yīng)用服務(wù)層

應(yīng)用接口層為無人機(jī)群區(qū)塊鏈應(yīng)用服務(wù)提供了多種應(yīng)用程序編程接口(API)或軟件開發(fā)工具包(SDK)，區(qū)塊鏈應(yīng)用服務(wù)層可以獨(dú)立調(diào)用接口層的多種API接口，利用區(qū)塊鏈平臺(tái)提供的加密機(jī)制、共識(shí)算法、各種智能合約和跨鏈交互等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)之間的身份認(rèn)證、鏈上數(shù)據(jù)的安全訪問以及發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)后自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)分配和攻擊決策等多種功能。

3 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群軍事應(yīng)用研究現(xiàn)狀

近幾年，美國、俄羅斯以及北約等世界主要軍事強(qiáng)國和組織都在推動(dòng)區(qū)塊鏈的軍事化應(yīng)用研究，我國也在加快推進(jìn)區(qū)塊鏈在軍事應(yīng)用上的相關(guān)布局[13-14]。無人機(jī)群作為區(qū)塊鏈軍事應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外已對(duì)其展開了眾多研究。

結(jié)合前文建立的面向無人機(jī)群軍事應(yīng)用的區(qū)塊鏈體系架構(gòu)，目前，基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群軍事應(yīng)用研究主要從無人機(jī)群應(yīng)用服務(wù)層出發(fā)，在基于區(qū)塊鏈構(gòu)建的分布式可信協(xié)作環(huán)境下，將底層區(qū)塊鏈平臺(tái)提供的各種功能與無人機(jī)群上層應(yīng)用的需求相結(jié)合，從而延伸出各種基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群典型軍事應(yīng)用，進(jìn)一步提高了無人機(jī)群在有關(guān)軍事應(yīng)用中的去中心化特征和安全性。

3.1 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群身份安全驗(yàn)證

利用無人機(jī)群執(zhí)行各種軍事任務(wù)之前，常常需要通過高安全性的身份認(rèn)證體系來準(zhǔn)確檢測、識(shí)別各平臺(tái)身份，隔離并限制虛假及篡改信息的傳輸，以防止敵方入侵作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，仿冒或盜用我方身份進(jìn)行干擾和破壞，但傳統(tǒng)的安全準(zhǔn)入機(jī)制并不能滿足無人機(jī)群在分布式環(huán)境下的跨域安全認(rèn)證需求。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于哈希鏈的節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證方案，管理節(jié)點(diǎn)通過提取節(jié)點(diǎn)的身份特征并寫入到自己的哈希鏈中，利用區(qū)塊鏈鏈上信息的不可篡改和可追蹤溯源特性，在進(jìn)行跨域認(rèn)證時(shí)只需要比對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)際身份特征與哈希鏈存儲(chǔ)信息是否一致，即可快速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)安全加入新區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)。但該方法在應(yīng)用于向無人機(jī)群動(dòng)態(tài)發(fā)起的任務(wù)請(qǐng)求時(shí)，并不能支持無人機(jī)群快速實(shí)時(shí)身份認(rèn)證。文獻(xiàn)[16]采用主鏈-子鏈的分層區(qū)塊鏈方法，通過主鏈面向任務(wù)選擇不同信任域的無人機(jī)完成建群認(rèn)證，通過子鏈面向協(xié)同實(shí)現(xiàn)參加任務(wù)的無人機(jī)完成網(wǎng)絡(luò)切換為自組網(wǎng)環(huán)境后的臨時(shí)身份認(rèn)證，解決了跨信任域和跨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的無人機(jī)群身份信息安全管理問題。但隨著認(rèn)證節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，數(shù)據(jù)傳輸量的增加在一定程度上會(huì)影響認(rèn)證的效率。文獻(xiàn)[17]利用布隆過濾器占用內(nèi)存少、查詢速度快的優(yōu)點(diǎn)，將其用于無人機(jī)群區(qū)塊鏈的身份認(rèn)證，隨著用戶數(shù)量的增加，該方法的哈希處理時(shí)間更少，能夠在相同時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)更多用戶的認(rèn)證，但該方法需要控制傳輸數(shù)據(jù)大小等因素以減少使用布隆過濾器產(chǎn)生的誤報(bào)問題。上述幾種方法雖然都通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群身份認(rèn)證應(yīng)用上的有效性，但都只關(guān)注了軟件層面的功能設(shè)計(jì)，并未考慮實(shí)際情況下區(qū)塊鏈在無人機(jī)有限的硬件資源上對(duì)通信帶寬和計(jì)算資源的占用和消耗。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于區(qū)塊鏈的軟硬一體化無人機(jī)群輕量級(jí)入網(wǎng)認(rèn)證體系，在基于無人機(jī)嵌入式系統(tǒng)硬件環(huán)境設(shè)計(jì)的可信平臺(tái)模塊上，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算量和能耗較小的節(jié)點(diǎn)身份安全認(rèn)證。

3.2 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群訪問控制機(jī)制

通過身份認(rèn)證的無人機(jī)在獲取網(wǎng)絡(luò)其他成員的數(shù)據(jù)時(shí)往往需要經(jīng)過授權(quán)才能進(jìn)行訪問。但類型多樣的數(shù)據(jù)資源、海量的訪問請(qǐng)求和復(fù)雜動(dòng)態(tài)的戰(zhàn)場環(huán)境對(duì)現(xiàn)有的無人機(jī)群訪問控制機(jī)制從穩(wěn)定性、訪問權(quán)限判斷性能和安全性上提出了新的挑戰(zhàn)。而通過將訪問策略記錄在區(qū)塊鏈上，并利用智能合約做出分布式訪問決策，自主查詢鏈上存儲(chǔ)權(quán)限憑證信息來證明用戶已被授予訪問權(quán)限的分布式訪問控制具備高效靈活且可擴(kuò)展的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[19]提出了一種穩(wěn)定性和安全性兼?zhèn)涞腢AV集群訪問控制機(jī)制，無人機(jī)需要根據(jù)基于智能合約自動(dòng)分配得到的自身角色及權(quán)限，來獲取存儲(chǔ)在區(qū)塊哈希結(jié)構(gòu)中的訪問策略和訪問控制策略，在確定約束條件后才能訪問資源。而文獻(xiàn)[20]相較于文獻(xiàn)[19]，對(duì)無人機(jī)訪問控制的過程進(jìn)一步細(xì)化，通過設(shè)計(jì)屬性注冊(cè)、執(zhí)行訪問請(qǐng)求、訪問策略判斷和授權(quán)檢查這4種智能合約，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)訪問者基于屬性的訪問權(quán)限的多次交叉驗(yàn)證，同時(shí)在訪問策略中引入了對(duì)無人機(jī)近期操作是否異常的動(dòng)態(tài)判斷，進(jìn)一步提升了無人機(jī)群訪問控制的安全性。雖然區(qū)塊鏈技術(shù)為無人機(jī)群的訪問控制研究提供了新的思路，但由于鏈上需要記錄訪問策略等信息，為無人機(jī)平臺(tái)帶來了存儲(chǔ)上的壓力[21]。

以上研究雖然都通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了將區(qū)塊鏈技術(shù)用于無人機(jī)群身份認(rèn)證、訪問控制這些執(zhí)行邏輯較為簡單的應(yīng)用場景，達(dá)到了預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能，但并未考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化和意外干擾因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)，為滿足實(shí)際需要，還應(yīng)對(duì)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)后無人機(jī)群對(duì)通信時(shí)延、帶寬等方面的性能要求做進(jìn)一步的探討。

3.3 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在軍事場景下，無人機(jī)群之間進(jìn)行協(xié)作常面臨高毀傷、高機(jī)動(dòng)、高對(duì)抗的復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，因此，需要研究高可靠、高安全、高可用的無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為無人機(jī)群在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[22]基于區(qū)塊鏈技術(shù)，根據(jù)無人機(jī)任務(wù)角色構(gòu)建了情報(bào)偵察鏈、集群控制鏈和武器打擊鏈，搭建了分布式無人機(jī)集群的信息安全防護(hù)體系。文獻(xiàn)[23]提出了一種無人機(jī)群去中心化信任監(jiān)控框架UASTrustChain用以檢測編隊(duì)內(nèi)的異常無人機(jī)，該框架利用區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制使各個(gè)擔(dān)任信任評(píng)分的平臺(tái)就結(jié)果達(dá)成一致，整個(gè)過程高度透明，避免了中央決策者可能產(chǎn)生的單點(diǎn)故障，同時(shí)，由于每個(gè)無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的信任分?jǐn)?shù)都完整保存在區(qū)塊鏈中，也避免了虛假篡改評(píng)分現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[24]針對(duì)現(xiàn)有無人機(jī)群系統(tǒng)安全研究僅從物理層等層面注重局部安全防護(hù)的問題，將區(qū)塊鏈技術(shù)與無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成，提出了一種UAV-Swarm Net的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過公鑰基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(Public Key Infrastructure，PKI)的身份認(rèn)證實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)群的準(zhǔn)入機(jī)制和通信加密；利用區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)庫的本質(zhì)實(shí)現(xiàn)了上鏈數(shù)據(jù)的溯源難篡；同時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持了區(qū)塊鏈去中心化的特征，在面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)仍然能夠正常運(yùn)行，并且易于擴(kuò)展。

3.4 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群軍事業(yè)務(wù)場景應(yīng)用

在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)群具體軍事場景應(yīng)用上，國外研究以無人機(jī)群在戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)中的軍事業(yè)務(wù)場景為主。

無人機(jī)群在戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)中雖然具備成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)以及可遠(yuǎn)程操作等優(yōu)勢，但在執(zhí)行任務(wù)的過程中，有限的電池容量和計(jì)算能力常常會(huì)限制其處理復(fù)雜事務(wù)的能力。而移動(dòng)邊緣計(jì)算在幫助無人機(jī)群處理復(fù)雜數(shù)據(jù)從而降低其能耗、縮短任務(wù)時(shí)間的同時(shí)，如何在這一過程中最大限度地保護(hù)傳輸數(shù)據(jù)的安全也成為一個(gè)關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[17]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到無人機(jī)群輔助的移動(dòng)邊緣計(jì)算中，利用基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群組建的P2P網(wǎng)絡(luò)作為移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信中繼，完成對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送方的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)的加密傳輸，而收到數(shù)據(jù)后，移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器則會(huì)進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)和發(fā)送者的身份并將數(shù)據(jù)上鏈以進(jìn)行下一步處理。文獻(xiàn)[25]針對(duì)在戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)中無人機(jī)群搜救檢測傷員的任務(wù)背景下將任務(wù)數(shù)據(jù)移交給邊緣計(jì)算服務(wù)器過程中出現(xiàn)的傳輸安全問題，通過建立可信的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，利用非對(duì)稱加密保證傳輸過程沒有第三方干預(yù)，杜絕了惡意節(jié)點(diǎn)傳播虛假信息的可能性，同時(shí)傳播的數(shù)據(jù)經(jīng)過多方共識(shí)存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈后不可篡改，也為后續(xù)的處理提供了完整可靠的數(shù)據(jù)來源。此外，5G技術(shù)為戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)中的無人機(jī)群帶來更低通信延遲的同時(shí)，其開放性也導(dǎo)致無人機(jī)群面臨著惡意干擾和網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全問題，文獻(xiàn)[26]針對(duì)戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)中用于區(qū)域劃分和監(jiān)視的無人機(jī)群在采用5G技術(shù)后出現(xiàn)的數(shù)據(jù)安全問題，將區(qū)塊鏈技術(shù)和星際文件系統(tǒng)(Inter Planetary File System，IPFS)進(jìn)行結(jié)合，任何惡意的無人機(jī)通信更新都會(huì)被標(biāo)記為無效塊，只有經(jīng)過授權(quán)的無人機(jī)節(jié)點(diǎn)才能獲取區(qū)塊鏈賬本中的IPFS密鑰從而訪問存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。該方法利用IPFS內(nèi)容存儲(chǔ)和哈希去重等技術(shù)，可以有效減少數(shù)據(jù)的過度重復(fù)，相較于只用區(qū)塊鏈存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)性能更高。

區(qū)塊鏈技術(shù)的使用為解決無人機(jī)群在戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中面臨的安全可信問題提供了新方法，但無人機(jī)群與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備協(xié)作時(shí)，可能會(huì)面臨不同的通信介質(zhì)和協(xié)議。為了使無人機(jī)群區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)在此類通信介質(zhì)中完成共識(shí)，還需要通過在物理適配層中設(shè)計(jì)多種通信插件，來解決多種不同通信介質(zhì)和協(xié)議的適配問題。此外，如何在滿足區(qū)塊鏈平臺(tái)正常工作的前提下，盡可能減少對(duì)無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)資源以及任務(wù)效率的影響仍是今后研究的一個(gè)重要方向。

3.5 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群軍事作戰(zhàn)場景應(yīng)用

相較于國外，國內(nèi)在無人機(jī)群的軍事應(yīng)用上更加側(cè)重于將區(qū)塊鏈技術(shù)用于無人機(jī)群的分布式協(xié)同軍事作戰(zhàn)場景。在無人機(jī)群任務(wù)分配方面，文獻(xiàn)[27]通過將合同網(wǎng)算法寫入無人機(jī)群的區(qū)塊鏈智能合約，利用區(qū)塊鏈加密技術(shù)和塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)確保了無人機(jī)群執(zhí)行算法的過程中信息在通信信道傳輸和上鏈后存儲(chǔ)的完整性、保密性和可用性，解決了算法實(shí)際應(yīng)用過程中的信息可靠問題；利用區(qū)塊鏈共識(shí)算法為無人機(jī)群提供了全局信息視圖，解決了無人機(jī)群執(zhí)行任務(wù)過程中的信息一致性問題；利用區(qū)塊鏈無需中心節(jié)點(diǎn)、域內(nèi)自治的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)群的分布式在線實(shí)時(shí)任務(wù)分配，提高了無人機(jī)群任務(wù)分配算法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和安全性。此外，無人機(jī)蜂群作為以智能化無人控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)為支撐的集群式作戰(zhàn)武器，在現(xiàn)代化軍事戰(zhàn)爭中具備突出的體系生存優(yōu)勢和效費(fèi)交換優(yōu)勢[28]，但整個(gè)蜂群作戰(zhàn)體系高度集群化和自主化也為之帶來了組織協(xié)同的高復(fù)雜度和對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境的強(qiáng)依賴性問題。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自主式蜂群作戰(zhàn)系統(tǒng)，通過區(qū)塊鏈去中心化的分布方式實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)管理，并基于區(qū)塊鏈共識(shí)機(jī)制和智能合約實(shí)現(xiàn)無人機(jī)蜂群內(nèi)部交互模式的規(guī)范化、統(tǒng)一化和高效化。文獻(xiàn)[29]介紹了無人機(jī)蜂群協(xié)同作戰(zhàn)面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)蜂群身份管理上的強(qiáng)匿名性、信息傳播中共識(shí)校驗(yàn)防偽造以及關(guān)鍵指令存儲(chǔ)到區(qū)塊后防篡改的可行性和安全性進(jìn)行了分析。

國內(nèi)在基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群分布式協(xié)同作戰(zhàn)應(yīng)用中，對(duì)于包含探測、攻擊和制導(dǎo)等不同角色類型的無人機(jī)群，目前在攻擊決策和蜂群作戰(zhàn)等涉及復(fù)雜作戰(zhàn)邏輯的應(yīng)用研究方面還處于理論分析階段，接下來還應(yīng)對(duì)如何建鏈，建鏈后需要上鏈的信息、需要設(shè)計(jì)的智能合約以及鏈與鏈之間的交互等進(jìn)行深入研究，以形成具體可行的技術(shù)方案。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群軍事應(yīng)用上的挑戰(zhàn)及其解決方案

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

4.1.1 響應(yīng)延遲和帶寬占用問題

相較于在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，區(qū)塊鏈在對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高的無人機(jī)群軍事應(yīng)用中由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和硬件資源的限制，區(qū)塊鏈共識(shí)帶來的響應(yīng)時(shí)間延遲和帶寬占用問題已成為其進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用的首要制約因素。

在區(qū)塊鏈主流的共識(shí)算法中，工作量證明(Proof of Work，PoW)機(jī)制和股份證明(Proof of Stake，PoS)機(jī)制作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中常用的虛擬加密貨幣共識(shí)算法，需要在進(jìn)行共識(shí)時(shí)占用無人機(jī)有限的算力資源進(jìn)行挖礦運(yùn)算，因此不適用于無人機(jī)群的軍事應(yīng)用。目前，無人機(jī)群軍事應(yīng)用共識(shí)算法主要包括基于PoS機(jī)制優(yōu)化而來的股份授權(quán)證明(DPoS)機(jī)制[30]，以實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT)算法為代表的針對(duì)拜占庭問題而提出的傳統(tǒng)分布式共識(shí)算法[31]和以DPoS+PBFT為代表的混合類共識(shí)算法[20]。但是這些共識(shí)算法串行處理和多輪共識(shí)的機(jī)制仍是造成區(qū)塊鏈在無人機(jī)群軍事應(yīng)用中出現(xiàn)時(shí)延和帶寬占用的重要原因。并且，隨著無人機(jī)群聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)數(shù)量規(guī)模的不斷擴(kuò)大，節(jié)點(diǎn)之間需要交換的信息增多，平臺(tái)的負(fù)載增加及網(wǎng)絡(luò)通信量增大，會(huì)對(duì)無人機(jī)性能造成較大的影響。

4.1.2 存儲(chǔ)資源消耗問題

隨著無人機(jī)群執(zhí)行任務(wù)時(shí)間的增加，運(yùn)行的區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)也會(huì)呈現(xiàn)出線性增長，而區(qū)塊鏈?zhǔn)降拇鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)以及分布式全同步機(jī)制也會(huì)造成鏈上數(shù)據(jù)的高度冗余。同時(shí)，一些非結(jié)構(gòu)化的大文件，如音頻、視頻、圖片等也不適合直接存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。此外，采用虛擬機(jī)的智能合約執(zhí)行引擎，雖然足夠靈活，但也需要占用較多的運(yùn)行和存儲(chǔ)資源，這些都在一定程度上增加了無人機(jī)群的存儲(chǔ)成本和容量需求。

4.1.3 安全漏洞問題

區(qū)塊鏈在無人機(jī)群軍事應(yīng)用上的安全漏洞問題主要有3個(gè)方面：1) 無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)采用的不同策略的加密機(jī)制貫穿應(yīng)用于整個(gè)任務(wù)流程中所涉及的數(shù)據(jù)、通信傳輸、物理連接等各個(gè)部分，而量子計(jì)算等新興技術(shù)的使用則會(huì)對(duì)區(qū)塊鏈現(xiàn)有的加密算法造成威脅；2) 針對(duì)共識(shí)Primary節(jié)點(diǎn)的攻擊可能會(huì)對(duì)共識(shí)的過程甚至是結(jié)果造成影響；3) 智能合約由于使用圖靈完備語言，所以在合約編寫過程中容易產(chǎn)生可能被非法利用的安全漏洞和惡意代碼。

4.2 解決的方案

國內(nèi)外針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群軍事應(yīng)用的挑戰(zhàn)，已提出部分解決方案。

1) 區(qū)塊鏈共識(shí)算法改進(jìn)。

對(duì)于區(qū)塊鏈共識(shí)算法，當(dāng)前研究主要從功能上改進(jìn)共識(shí)算法邏輯降低算法復(fù)雜度、從性能上降低通信時(shí)延和從安全性上降低主節(jié)點(diǎn)被攻擊危險(xiǎn)3個(gè)方面對(duì)無人機(jī)群區(qū)塊鏈共識(shí)算法進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[20]對(duì)DPoS算法進(jìn)行改進(jìn)，投票權(quán)重依據(jù)無人機(jī)群具體應(yīng)用場景中不同無人機(jī)的任務(wù)能力和安全性進(jìn)行分配，在保持DPoS算法高性能共識(shí)能力的同時(shí)，解決了無人機(jī)群角色差異性對(duì)共識(shí)結(jié)果的影響，保證無人機(jī)群作戰(zhàn)過程中共識(shí)結(jié)果的可靠一致。文獻(xiàn)[32]在傳統(tǒng)PBFT算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，提出了一種雙層分組拜占庭容錯(cuò)共識(shí)算法，通過雙層分組共識(shí)結(jié)構(gòu)，減少節(jié)點(diǎn)間通信次數(shù)，并引入門限簽名技術(shù)，降低了通信復(fù)雜度。同時(shí)，由于共識(shí)主節(jié)點(diǎn)從內(nèi)部組成的高信譽(yù)委員會(huì)中選取，降低了被敵方攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[33]采用了DPoS和PBFT相結(jié)合的共識(shí)機(jī)制，通過DPoS機(jī)制動(dòng)態(tài)選取網(wǎng)絡(luò)中的高信譽(yù)節(jié)點(diǎn)，再利用PBFT算法實(shí)現(xiàn)高信譽(yù)節(jié)點(diǎn)的一致共識(shí)，保證了無人機(jī)群區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)共識(shí)過程的高效和共識(shí)結(jié)果的可靠。

雖然目前共識(shí)算法在無人機(jī)群作戰(zhàn)應(yīng)用中的時(shí)延已達(dá)到秒級(jí)[32]，安全性也有了一定的提高，但還不足以支撐無人機(jī)群攻擊決策等高速動(dòng)態(tài)變化場景中毫秒級(jí)的性能需求。對(duì)此，除了對(duì)共識(shí)算法的機(jī)制和邏輯做進(jìn)一步研究外，還可根據(jù)無人機(jī)群網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)情況實(shí)現(xiàn)低時(shí)延和高容錯(cuò)兩種共識(shí)算法的動(dòng)態(tài)可插拔切換。Hotstuff共識(shí)算法、基于可信執(zhí)行環(huán)境(Trusted Execution Environment，TEE)的軟硬一體化共識(shí)算法FastBFT等新興共識(shí)算法在性能和安全性上相較于傳統(tǒng)共識(shí)算法有很大的提升，值得考慮應(yīng)用于無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)。

2) 區(qū)塊鏈存儲(chǔ)性能提升。

針對(duì)區(qū)塊鏈存儲(chǔ)資源消耗問題，文獻(xiàn)[34]針對(duì)包括戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)在內(nèi)的戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)典型系統(tǒng)模型所建立的區(qū)塊鏈，采用分片技術(shù)將其劃分為不同分片，各分片并行處理各自任務(wù)且負(fù)責(zé)維護(hù)自身分片的存儲(chǔ)狀態(tài)，在不影響區(qū)塊鏈去中心化程度的前提下提高了鏈上的存儲(chǔ)性能。文獻(xiàn)[32]設(shè)計(jì)了一種鏈上鏈下雙層無人機(jī)群數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，直接在區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)較小的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，而對(duì)于較大的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用了基于內(nèi)容尋址的文件隨機(jī)分片存儲(chǔ)技術(shù)，鏈上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的哈希值，鏈下對(duì)數(shù)據(jù)分片存儲(chǔ)在分布式網(wǎng)盤中，減小了無人機(jī)群應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)在存儲(chǔ)上的壓力。此外，采用提前編譯方式的智能合約，也可以降低執(zhí)行合約時(shí)產(chǎn)生的資源消耗，提升執(zhí)行速度。

3) 區(qū)塊鏈安全機(jī)制優(yōu)化。

文獻(xiàn)[35]針對(duì)無人機(jī)群區(qū)塊鏈加密機(jī)制所設(shè)計(jì)的橢圓矩陣算法，能有效規(guī)避傳統(tǒng)RSA加密算法根據(jù)公鑰難以反向求解a,b參數(shù)的問題，并基于此算法對(duì)無人機(jī)通信協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，有效降低了無人機(jī)群通信時(shí)延，提升了無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)的數(shù)據(jù)安全傳輸能力和實(shí)時(shí)通信能力。而文獻(xiàn)[19]針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群軍事應(yīng)用中出現(xiàn)的集群分叉導(dǎo)致的作戰(zhàn)信息獲取不完全問題，通過設(shè)計(jì)一種UAV-VCM的智能合約，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原本舍棄的分叉區(qū)塊的信息讀取，確保了無人機(jī)群鏈上作戰(zhàn)信息的完整性。

5 總結(jié)與展望

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用從整體上看在一定程度上解決了無人機(jī)群軍事應(yīng)用場景中出現(xiàn)的交互過程不夠安全可信和自主協(xié)同能力不足的問題，無論是在提升戰(zhàn)場物聯(lián)網(wǎng)無人機(jī)群可信協(xié)作能力上，還是有助于無人機(jī)群實(shí)現(xiàn)分布式作戰(zhàn)場景下高度去中心化的協(xié)同作戰(zhàn)上，都有著很大的應(yīng)用前景，但當(dāng)前基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)群軍事應(yīng)用研究仍處于理論論證和實(shí)驗(yàn)探索階段，在實(shí)際的軍事應(yīng)用之前還有一些問題需要解決。這些問題產(chǎn)生的原因，一方面是復(fù)雜動(dòng)態(tài)變化的軍事應(yīng)用場景對(duì)無人機(jī)群區(qū)塊鏈平臺(tái)的能力提出了更高的要求，另一方面則是區(qū)塊鏈平臺(tái)的性能受限于無人機(jī)有限的硬件資源會(huì)受到影響，而無人機(jī)群受到區(qū)塊鏈平臺(tái)造成的時(shí)延、占用的帶寬和存儲(chǔ)等資源的影響，在一定程度上也會(huì)降低其處理任務(wù)的能力，因此，除進(jìn)一步深入探索和研究區(qū)塊鏈技術(shù)在無人機(jī)群軍事方面的應(yīng)用之外，如何從這兩方面解決區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用上的難題也將會(huì)是未來基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)群軍事化應(yīng)用研究的重點(diǎn)突破方向。