基于区块链技术的无人机系统管理浅析
2020-11-08于亚南汤开杰刘鑫鑫聂学华
于亚南,汤开杰,刘鑫鑫,聂学华
中国人民解放军95894部队
本文首先简述区块链的研究现状,以及在金融、政府治理、医疗等领域的应用。以这些领域的应用为背景,提出基于区块链技术的无人机系统管理应用。重点从模型架构的组成、运行机制的流程和问题的解决方法三方面对无人机系统管理应用进行分析阐释。最后,对下一阶段无人机系统管理的拓展运用进行发展展望。
近年来,世界很多国家、地区和组织高度关注区块链技术的应用前景,区块链相关应用的研究呈现百家争鸣的盛景。区块链不再局限于数字货币基础架构,而是向数字化平台相关应用转变。这种转变必将在很多领域带来颠覆式的深远影响。各国大力发展区块链技术就是为探索这种技术运用的更多可能性。2019年1月10日,国家互联网信息办公室发布了《区块链信息服务管理规定》。
基于区块链的系统概述
区块链研究现状
区块链技术最早是2008年由化名为中本聪的学者在发表的论文《比特币:一种点对点电子现金系统》中提出。狭义来讲,区块链是一种按时间顺序将数据块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构,并以密码学的方式保证了不可篡改和不可伪造的分布式账本。广义来讲,区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。区块链从本质上讲是一个去中心化的数据库。在众多领域拥有具体应用前景如图1所示。在金融行业,区块链凭借安全、灵活、低成本等优势,在数字货币领域飞速发展,如无中介的支付汇款、无中心的电子商务交易系统等。在政府治理方面,区块链有助于构建扁平化的组织架构,增强工作的透明度,降低政府数据风险,提升政府公信力。在医疗领域,区块链技术具有理论层面的适应性,能够提高医疗服务水平,简化冗余流程,减小错误率,如电子病历存证保管和药品溯源等。在供应链领域,各方在供应链上构建基于区块链的信息平台,确保信息透明可靠,有助于满足不同主体之间的相互信任、监管溯源、数据安全等方面的需求。美国早已经看到区块链在安全领域的应用潜力,早在2017年12月,美国总统特朗普正式签署了7000亿美元的2018年度国防预算法案,其中就有授权基于区块链的网络安全应用的研究。
图1 区块链应用图。
基于区块链的无人机管理概述
基于区块链的无人机系统管理,是指运用区块链技术将生产单位、运输单位、使用单位、借用单位等要素有机结合,将所有要素互联互通,以触发的方式自动执行契约,并通过分布式节点间的相互监督和数据统一,进而以去中心化、智能协同、集约高效的方式完成系统管理数据库的实时动态更新。基于区块链的无人机系统管理不只是简单地运用区块链技术进行统计,其核心在于生产单位可使用数字化技术,将生产出的每架无人机的信息全部记录在区块链中,并且在出厂后的所有事件中,都能在每架无人机专属的区块链中形成生产、运输、使用等轨迹。
基于区块链的无人机系统管理的核心思想在于,使用无人机产品的单位,在接收无人机时,只需在区块链上查询相关信息,就可以追溯无人机的整个生产过程、运输过程、流转过程、维修情况、质量状况等,从而在使用之初就能对无人机有特别详细的了解。传统的无人机产品难以被追踪整个生产、流转、维修等过程。然而,若运用区块链技术,将记录无人机全寿命周期的所有关键信息,一旦形成记录,不可随意更改,因此能有效解决系统安全、数据存储、过程监督等信息化问题。
区块链在无人机系统管理中的运用
当前无人机系统运用越来越广泛,无人机生产厂商数量不断增加,各种不同用途的无人机系统越来越多地执行测绘、应急救援、电力线路巡检、环境治理、消防灭火、运输等任务,消费级无人机与工业级无人机的使用也存在诸多问题,无人机的运营监管亟待解决。无人机系统的注册登记、运营管理、维修保障过程难免会存在人为差错,为避免这种差错,需要在无人机状态监控、寿命控制、核查统计过程中投入相当大的人力物力,在无人机流转过程中如果对无人机状态掌握不清楚,无人机的任务规划和飞行使用也会存在漏洞,可靠性降低,实时掌握无人机产品状态也是当前急需解决的问题。基于区块链的无人机系统管理构想能为解决以上两方面的问题提供思路办法。
模型架构
区块链的源头为第一区块,在第一区块诞生之后,系统中的各节点通过不断的计算寻找特定哈希函数对应的数值解,当任意一个节点计算出符合要求的数值解后,就会在全网内进行广播,所有网络节点都收到这条信息就会对其进行验证,若通过验证,说明这一事件为有效事件,其他节点就会放弃计算,新创建的区块就会被加盖时间戳,并将新区块加到前一个区块的后面。随着越来越多节点加入到这一系统中,一个又一个哈希函数的数值解被找到,在不断的重复过程中,新的区块链不断被生成、验证,最终形成一个链状结构。因此区块链基本的架构包括:区块头、哈希值、时间戳、区块主体等部分组成,具体结构如图3所示。
图3 模型结构。
运行机制
基于区块链的无人机系统管理具有去中心化的特点,每个与使用、生产、流转等有关的节点都有一个类似账本的记录终端,所有节点都会自动记录产品每次发生出厂、流转、交接、修理、报废等事件。这样,如果某个节点想私自篡改事件的记录是不可能的,因为事件发生时,每个节点均有记录。整个体系的所有节点都将成为事件的公证人,没有任何一个单位可以篡改事件,这就是分布式账本,只要有51%以上账本认同的事件,就是系统权威。但是也引出了三个问题,首先如何保证所有节点都迅速知道一个事件的发生?第二个问题是,这样一个事件让所有节点都记录,如何保护敏感隐私信息?第三个问题是,如何让所有节点快速达成共识?
第一个问题在5G技术出现后已经得到解决,5G技术具有数据传输速率高、低时延、低成本、低功耗等特点,其数据传输速率最高可达10Gb/s,其通信带宽足以满足系统中每个节点微量级响应的要求。
对于敏感隐私问题,如果在实际应用中确实没有必要公之于众的具体事件,只需要通过一种特殊的加密方式进行处理,例如将某型无人机产品出厂的事件转换成一个二进制的字符串,比如1001110……(共256位)。一旦某型无人机产品出厂事件发生,所有单位的账本都会记录1001110……(共256位)。到了需要检验的时候,节点间只需要相互比对这个字符串是否一致,就能知道事件是否确实发生,这样既保证了隐私,又保证了所有节点都是公证单位,这种加密方式就是哈希函数的基本原理,它的特殊之处在于,可以把任何信息都转化为一个256位的二进制字符串,无人机的出厂、维修或转手至其他用户,都可以通过哈希函数变成世界上独一无二的256位二进制字符串,并且只能将信息通过哈希函数解算出字符串,但是不能通过字符串倒推出这条信息,唯一的破解方法就是暴力解算,也就是靠猜测,不断用不同的信息去猜测,试成功的可能性几乎为零,这样就保证了信息的隐私。
图2 运用区块链技术,能有效解决无人机系统的安全、数据存储、过程监督等信息化问题。
图4 基于区块链的无人机系统管理具有去中心化的特点。
现在讨论如何解决最后一个问题。随着越来越多的设备出厂、流转等事件发生,节点之间的事件也越来越多,如何才能快速核对如此多的事件?这时候可以采用如下办法,例如将某型无人机出厂的第一个事件转换成一个二进制的字符串,比如转换成1001110……(共256位),当这台无人机又要从昆明运输到广州的第二个事件发生时,将第二个事件的数据加密,这时把第一次纪录的字符串也纳入进来,变成了将“1001110……(共256位),某型无人机产品又要从昆明运输到广州”这个信息进行加密,得出一串数字,比如“1001111……(共256位)”,这样只需要核对“1001111……(共256位)”就可以判断这两次事件是否确实发生过。第三次事件发生时,再将“1001111……(共256位)”纳入进去,以此类推,即使事件过程发生了一百万次事件变更,也只需要核对最后一串字符,前面所有事件均能核对上。用这种办法可以将一个节点的事件变成一串字符,以现在的网络技术,将数万个节点的事件变成一串字符,非常容易实现。而这一次次的事件就是区块,通过加密方式把这些区块串在一起,就是区块链。区块链就是为实现分布式账本所采用的辅助手段,它的发明最开始为虚拟的数字货币提供了一种可行的密码保障,但是后来越来越多的人发现它的价值不仅局限于此,还拥有非常广阔的应用空间,借助大数据、人工智能、超级算力等新技术,在数据、网络、应用等多个方面为智能化系统管理提供底层技术支撑,对网络化、信息化装备及设施设备研发,互联网+及云计算推广等工程建设也具有现实指导意义。
图5 区块链加密方式采用哈希函数的基本原理,保证了信息的隐私。
问题和解决方法
区块链作为一项新兴的技术,近年来处于技术发展的初期阶段,同其他新技术一样,存在不少短板弱项,现对三个典型问题进行分析。
(1) 自由交互面临有效监管的挑战
基于区块链技术搭建的系统,每个分布式节点都对等,节点之间可以点对点完成事务的处理,从而面临自由交互和有效监管的矛盾,具体应用要满足现行制度和法律法规,操作还有一定难度。任何一个新技术的运用都会对现行监管制度产生挑战,这就要求在应用的设计之初就应主动考虑法律监管的因素,让监管部门成为节点的普通一员,参与验证,可能会成为一种解决策略,同时可以限制节点权限,例如信息单向访问、交互阈值的限定等,让节点在网络中有法可依。
图6 基于区块链技术的无人机系统管理未来能获得良好的应用效果。
(2) 缩短每个节点共识形成的时间
区块链技术非常完美地解决了系统内每个节点的共识形成,但是这一共识的完成是通过竞争-验证-同步-竞争的循环,竞争就是在竞争记录权,验证就是校验信息是否可信,同步就是将本地数据更新,这一过程使得流程会经历比较长的时间。通过改变哈希函数的解算难度可以调整用户算出解的时间。虽然哈希函数降低难度可以缩短求解时间,但是过于简单会导致安全性降低,这就需要运用5G技术的强大传输能力和超级计算机的强大运算能力,通过这些技术的运用,可以使以复杂哈希函数为基础的系统中的数据响应速度达到微量级别,处理容量达到每秒万级。
(3) 降低恶意节点引发的风险
在比较敏感系统的应用中,有可能出现不计成本且数量占优势的恶意节点,这些节点会干扰或破坏敏感系统区块链应用系统的正常运行。为保证系统的安全性和可靠性,必须降低恶意节点引发的风险,这就对系统中节点入链初期的审核以及实际运转中定期的系统体检提出了较高要求,尤其在初期搭建敏感系统时,应高度重视所有节点的审验。
发展与展望
从理论上看,基于区块链技术的无人机系统管理在未来既可以满足保密要求、防止恶意篡改,又能够极大节约管理成本,保证数据的可靠性、可信性和安全性,虽然存在的各种风险需要研究解决策略,但随着各项针对性研究的深入,以及包括大数据采集、大数据预处理、大数据存储、大数据分析等大数据,包括全面感知、可靠传输、智能处理等物联网,包括认知计算、深度学习、机器学习等人工智能,预计传输能力是5G100倍的6G,运算速度在每秒一太次以上的超级计算机等技术的发展,基于区块链技术的无人机系统管理的前景日趋宽广,必能获得良好应用效果。