[发明专利]基于轻量级区块链的无人机自组网数据可靠共享方法

说明书

本发明公开了一种基于轻量级区块链的无人机自组网数据可靠共享方法，包括：当有区块被共识验证通过时，缓存该区块，区块头存储到本地；根据纠删码编码参数对区块体数据进行纠删码编码；从编码矩阵中选取自身对应的编码数据块存储到本地；当是出块无人机时，收集所有无人机的状态数据；根据所收集的状态数据利用BDQN模型模拟马尔科夫过程来预测各无人机的缓存替换动作的组合，并广播该组合；当获得组合时，按照其中的缓存替换动作对缓存区的区块进行替换；当想要访问目标区块，且目标区块不在缓存空间中时，与其他无人机进行交互来获取或恢复目标区块。本发明可降低无人机部署区块链节点的存储开销，同时兼顾数据存储的可靠性。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种基于轻量级区块链的无人机自组网数据可靠共享方法。

背景技术

无人机技术最早起源于军事领域，常被用于情报侦查、目标搜索和跟踪、对地攻击等用途。近年来，随着无人机尺寸、形状、功能的不断变化和发展，无人机技术已被扩展到了民用领域。相较于单个无人机，多个无人机组成的UAVNET(Unmanned Aerial Vehicle NET，无人机自组网)可以实现在不依赖地面控制站(Ground Control Station，GCS)的情况下借助其他无人机节点多跳转发的方式共享数据，实现协同任务决策、防碰撞等目的，具有抗毁性强，执行效率高等特点，已被广泛应用于货物递送、环境保护、灾害响应等等。其中，UAVNET的网络架构如图1所示。

由于单个无人机覆盖的范围有限、执行的任务单一等原因，因此无人机集群在任务执行过程中需要相互协同，存在数据共享的需求；例如在森林勘探任务中，无人机集群需要采集大量的图像数据并在集群间共享以进行地图合成。区块链技术作为一种分布式数据共享技术，可以应用于无人机集群数据共享。相较于将区块链部署在地面基站、云服务器等中心化设施上，直接将区块链部署到无人机集群中可以避免单点故障的风险，充分发挥区块链的优势。

然而，传统区块链方案使用全量备份的数据存储模式，需要在每一个节点上存储相同的账本数据，因此带来了较大的存储开销；由于无人机存储能力受限，直接存储大量共享数据会使得有限的存储资源快速耗尽。

针对上述问题，相关技术中提出了三种降低区块链存储开销的策略：(1)轻节点策略，其假设UAVNET中存在能力较强的无人机作为全节点存储完整的区块数据，其余无人机作为轻节点仅需存储所有区块的头部信息。然而，轻节点执行任务时需依赖于少量全节点提供完整区块数据，如果这些全量节点被击毁，将导致无人机无法访问数据的问题。另外，由于轻节点无需存储区块链数据，因此加入集群的成本较全节点更低，随着轻节点无人机的不断加入，无人机网络将出现逐渐中心化的问题。此外，Ad-hoc(点对点)网中无人机节点通常是能力对等的，可能不存在满足全节点能力的无人机，因此该方法难以应用在实际环境中。(2)裁剪策略，其将无人机节点上部分历史区块链数据从本地永久删除而仅仅保留区块头部信息，从而降低了区块链的存储开销。然而，当所执行任务需要被裁剪的历史数据时，这种做法将会造成无人机无法使用数据的问题。(3)分片策略，其将区块链节点划分至不同分片中，并将数据存储职责也进行划分，不同分片下的节点仅需要维护各自分片内的部分数据，从而实现降低整个无人机集群存储开销的效果。然而，由于分片技术数据备份数量远小于传统全量备份方案，因此导致了数据存储可靠性较差的问题。

现有的基于轻量级区块链的无人机自组网数据共享方案大多采用裁剪策略或轻节点策略来解决无人机节点无法承担区块链数据存储开销的问题。例如，Singh等人在“Odob:One drone one blockbased lightweight blockchain architecture forinternet of drones”中提出了一种ODOB方案，该方案使用单一区块来标识和存储每个无人机的信息，无人机通过直接修改所属的区块信息来添加新数据。然而，由于区块哈希的计算中没有包含数据部分，破坏了区块链数据不可篡改的基本属性，因此无人机数据仍然面临数据安全风险。