总线技术：物联网无人机集群辅助下的区块链数据采集新方案

物联网（IoT）是一种新兴技术，通过互联网能够连接由传感器、执行器、软件等组成的诸多对象。物联网设备可以感知环境并基于传感器数据执行操作。随着物联网的普及，截止2020年该网络已连接超300亿个物联网设备。物联网的出现给包括农业、医疗、智能电网、智能家居在内的各个领域带来了巨大利益，然而物联网设备仍然存在诸如连接性、低计算能力和电池寿命不足等挑战。

无人机的诞生在工业界和学术界都引起了极大关注。虽然无人机最初是为军事目的设计的，但由于其良好的功能，如易于部署、低维护成本和可用性，它们已被广泛应用于民用领域。无人机群的出现进一步拓展了无人机的应用领域，其覆盖范围更大，部署成本更低。然而，无人机与物联网之间、无人机与服务器之间的通信充满了网络威胁，包括中间人攻击、重放攻击等。此外，累积的数据可能在服务器中遭到非法更改，从而引发完整性问题。因此，需要一种方案来确保数据采集过程的安全并保持数据的完整性。

区块链是一种分布在对等方之间的数字账本，每个对等方持有相同的数据副本。向区块链添加数据后，不能进行任何修改。如果有人试图在块中进行更改，块的哈希也会更改并断开块链。要重建链，所有验证程序都必须同意此更改，从而保证区块链中的数据安全。因此，借助区块链功能可能是应对上述安全威胁（即网络攻击、数据完整性问题）的潜在解决方案。

本文提出了一种基于区块链的安全数据采集方案，该方案利用无人机集群从物联网设备上采集数据，并存储在服务器端的区块链中。目前，利用区块链通过无人机集群获取物联网设备的数据，提供安全性和数据完整性尚未得到探索。如图1所示，我们设计了一个支持区块链的数据采集方案（称为“总线”），以支持在无人机群的协助下从物联网设备采集数据。

图1 基于区块链的无人机群安全数据采集

总线由以下组件组成：

• 物联网设备：物联网设备从环境中收集数据，并在无人机集群的协助下将这些数据传输到服务器。

• 无人机集群：无人机集群从物联网设备收集数据，并将这些数据传输到最近的服务器。

• 服务器：服务器保存物联网设备的数据，每个数据都存储在区块链中。

• 卫星：在移动网络不可用的位置，总线利用卫星从物联网设备获取数据，无人机群可以通过卫星与PC保持通信。

总线的目的是安全地从物联网设备收集数据，并将这些数据存储到保持其完整性的服务器中。在总线中，每个参与者（包括物联网设备和无人机）都必须在参与总线之前向服务器注册。部署无人机集群之前，服务器创建一个任务，并利用智能合约（SC）将该任务信息存储在区块链中。然后，所有的无人机群必须在任务中注册他们的公钥，无人机集群中的每个无人机创建一个共享密钥并与物联网设备共享。总线在实体（即物联网无人机、无人机-无人机、无人机服务器）之间使用不同的链路，每个链路具有不同的信道状态。当一个数据到达无人机时，无人机会对其进行处理，处理后无人机会将其添加到队列中，然后再转发给下一个实体。总线虽然有不同的链路，但在数据采集过程中保持了一致性。在总线中，每个块在同一块中包含多个数据，例如（1）Header和（2）Body，如图2所示。标头包含块的哈希、nonce、timestamp、Merkle根和前一个块的哈希。正文包含从物联网设备收集的数据。正文中可能存储一个或多个数据。

图2 区块链内部的数据管理

仿真结果表明，总线成功地利用了hash-bloom过滤器，能够完全过滤恶意设备。通过对结果和安全性分析表明，利用无人机作为物联网设备的辅助，不仅扩展了物联网的连通性，而且有助于降低物联网的能耗。

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