基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法及系统

1.本发明涉及无人机技术领域，更具体的，涉及一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法及系统。


背景技术：

2.随着无人机技术的逐步发展，集群无人机的应用越来越广泛。目前市面上大部分集群无人机的通讯往往采用中心式化的方案，其效率较低，依赖于单台无人机进行数据传输，传输速度慢，压力大。新兴的区块链方案采用去中心化的数据传输方式，但其多数采用平层结构，该方案在集群无人机数量较少的时候可以使用，但是当无人机数量变多时，数据的传达时间逐渐趋近甚至大于其更新周期。而本发明提出的基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方案可以有效解决该问题。
3.目前市面上大部分集群无人机的通讯往往采用中心式化的方案，其效率较低，依赖于单台无人机进行数据传输，传输速度慢，压力大。新兴的区块链方案采用去中心化的数据传输方式，但其多数采用平层结构，该方案在集群无人机数量较少的时候可以使用，但是当无人机数量变多时，数据的传达时间逐渐趋近甚至大于其更新周期。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法及系统。
5.本发明第一方面提供了一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法，包括：
6.在集群无人机在地面状态时，通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工；
7.在集群无人机起飞后，当集群无人机收到地面站信息时，根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密并根据信息所属种类获取发送方式；
8.同时，集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新。
9.本方案中，所述的通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工，具体为：
10.集群内无人机均配备实时操作系统和多线程操作系统两套硬件，实时操作系统用于飞行控制，多线程操作系统用于区块链算法控制，还配备一套双冗余存储器、totp密码生成器和独立供电时钟；
11.集群内所有无人机在地面状态未上强电时，通过地面站为无人机分发秘钥，根据rsa算法生成全集群的加密私钥，将公钥分发至无人机的两个操作系统的硬件，用于保障无人机之间的通信安全；
12.同时，为每台无人机通过rsa算法生成分发独立的核心个体私钥，用于在小集群内
进行区块链签名，将公钥统一预存于地面站中，并生成4096位的随机字符串，用于为totp密码生成器生成动态密码；
13.将集群内的无人机分为地面站通信层，传达层，执行层，各层级由若干小集群组成，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工；
14.所有无人机将分工汇总到地面站执行校验，若校验通过，则结合存储的无人机的公钥，生成为信息认证区块链的初始区块，根据信息认证区块链的初始区块，生成数据输入流区块链，数据输出流区块链，日志区块链的初始区块。
15.本方案中，在集群无人机起飞后，当集群无人机收到地面站信息时，根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度，具体为：
16.地面站的信息在进行通信时，依次经过集群无人机的地面站通信层，传达层，执行层，层级之间通信采用p2p通信；
17.当有新的信息到达后，所有接收到信息的无人机将会把信息存储于数据输入流区块链，将最先收到信息的无人机设置为本次信息传达的临时控制机a；
18.若所述信息中出现多种不同信息，则进行区块链共识投票，选取共识投票数大于预设共识投票数阈值的信息；
19.若所述信息需要被继续下发传达，则临时控制机a负责将信息所在区块复制到数据输出流区块链，若所述信息为集群指令，则临时控制机a调度所有无人机参与解析与确认；
20.在进行集群内无人机解析确认时，将收到信息的集群内任一不负责与上级通信的无人机与临时控制机a建立通信，在信息认证区块链确认后，成为临时控制机b，并根据各层级间预设通信无人机数量信息选取收到信息的空闲无人机共同参与消息传输；
21.根据信息认证区块的信息与下层负责通信的无人机建立p2p通信，开始进行信息的传输，完成信息传输后，所述临时控制机b将信息整合发给临时控制机a，并由临时控制机a将信息整合连接于日志区块链中，将临时控制机a、临时控制机b的身份解除。
22.本方案中，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密，具体为：
23.通过全集群的公钥对信息进行加密，收到信息的无人机使用全集群私钥进行解密；
24.在目标无人机发出任何信息前通过私钥进行签名，收到信息的无人机通过公钥验证所述消息是否由目标无人机发出，并判断目标无人机是否在信息认证链中被认证，同时通过crc-32校验信息完整性；
25.目标无人机请求获取区块链信息时，向信息认证链内认证的无人机发起请求，被请求的无人机将检查请求的无人机是否在信息认证链中被认证。
26.本方案中，所述的根据信息所属种类获取发送方式，具体为：
27.若信息为特殊消息，则将信息通信的优先级设置为中等优先级，集群内50％以上的有效无人机同时发起通信连接请求，将信息进行发送处理；
28.若信息为紧急消息，则将信息通信的优先级设置为最高优先级，集群内所有无人机停止当前所有工作，通过广播地址将信息进行同时发送处理。
29.本方案中，所述的集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新，
具体为：
30.无人机内的实时操作系统需要每秒将正确的6位密码a发送给totp密码生成器，获取6位密码b，所述密码a及密码b每秒更新，关系为a(t)＝b(t-1)，t表示秒；
31.小集群内无人机每隔固定时间进行一次数据接龙，所述数据接龙为每台无人机在pow工作量证明上完成一个区块的构建，当数据接龙完成后，若出现不符合共识机制的数据，则将判断不符合共识机制的数据的对应无人机视为出现问题，集群对其发起不信任投票，当超过50％共识得票，则确认为不可用机组，生成新的信息认证区块链的区块时，其将定义为不可用；
32.若无人机得出多次校验错误的数据，集群也将发起不信任投票，超过50％共识得票则确认为不可用机组，生成新的信息认证区块链的区块时，其将定义为不可用；
33.第一个完成数据接龙的无人机，生成下一时间区间内，精确到秒的新时间c，并基于新时间c定义下一次信息认证区块链的更新时间。
34.本方案中，所述小集群内无人机每隔固定时间进行一次数据接龙，具体为：
35.第一个区块的hash0为0，每一个区块中包含c时刻的无人机得到的密码b1(c)和pow工作量证明所需的字符；
36.第一个完成区块的无人机将第一区块的hash1发送给小集群内其他无人机，其他无人机的区块里包含hash1与无人机得到的密码b2(c)和pow工作量证明所需的字符，得到新的hash2发送给小集群内其他无人机，以此类推至完成。
37.本方案中，判断集群无人机中不可用机组时，还包括：
38.在判断不可用的无人机时，生成投票共识的无人机将向通讯层发送新生成的信息认证区块链的区块数据；
39.通讯层收到并确认后向下面全部传达层和执行层的小集群发送新的信息认证区块链的区块；
40.所有小集群在收到新的信息认证区块链的区块后，均立即发起一次信息认证区块链的更新。
41.本方案中，无人机的实时操作系统将保存近期60s的a(t)的数据，并且，由于b(t)的获取性质，若无人机程序超时和被入侵超过1s，b(t)将不可再被读取到，阻断了该无人机干涉集群内其他无人机的可能性。
42.本发明第二方面还提供了一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输系统，该系统包括：存储器、处理器，所述存储器中包括一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法程序，所述一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
43.在集群无人机在地面状态时，通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工；
44.在集群无人机起飞后，当集群无人机收到地面站信息时，根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密并根据信息所属种类获取发送方式；
45.同时，集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新。
46.本发明公开的一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法及系统，包
括：在集群无人机在地面状态时，通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工，在集群无人机起飞后，当集群无人机收到新的信息，根据信息性质判断对消息进行传达及集群内无人机的调度，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密并根据信息所属种类获取发送方式；同时，集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新。本发明基于分级结构的数据传输方案中，集群内部分级传达自治维护，有效提升了数据传输的效率，降低了数据分发压力。同时，本发明的密钥维护方案，既保证了小集群内通信，也保证了小集群间、分级结构网络中的通信，提升了整体集群的安全性。
附图说明
47.图1示出了本发明一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法的流程图；
48.图2示出了本发明根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度方法流程图；
49.图3示出了本发明一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输系统的框图。
具体实施方式
50.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
51.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
52.图1示出了本发明一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法的流程图。
53.如图1所示，本发明第一方面提供了一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法，包括：
54.s102，在集群无人机在地面状态时，通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工；
55.s104，在集群无人机起飞后，当集群无人机收到地面站信息时，根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密并根据信息所属种类获取发送方式；
56.s106，同时，集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新。
57.需要说明的是，集群无人机被分工为若干个小集群，每个小集群的定义为8-12台无人机构成的集群，所述的通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工，具体为：
58.集群内无人机均配备实时操作系统和多线程操作系统两套硬件，实时操作系统用于飞行控制，多线程操作系统用于区块链算法控制，还配备一套双冗余存储器、totp密码生
成器和独立供电时钟；
59.集群内所有无人机在地面状态未上强电时，通过地面站为无人机分发秘钥，根据rsa算法生成全集群的加密私钥，将公钥分发至无人机的两个操作系统的硬件，用于保障无人机之间的通信安全；
60.同时，为每台无人机通过rsa算法生成分发独立的核心个体私钥，用于在小集群内进行区块链签名，将公钥统一预存于地面站中，并生成4096位的随机字符串，通过双冗余存储器上的独立接口将其写入到存储器中，并对内置的独立时钟进行校时工作，用于为totp密码生成器生成动态密码；
61.将集群内的无人机分为地面站通信层，传达层，执行层，各层级由若干小集群组成，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工；
62.所有无人机将分工汇总到地面站执行校验，若校验通过，则结合存储的无人机的公钥，生成为信息认证区块链的初始区块，区块链的每个区块包含对每一台无人机都有如下信息描述：自身id，所属集群id，分工信息，所属公钥信息，剩余任务数，是否可用等信息。根据信息认证区块链的初始区块，所有无人机统一生成数据输入流区块链，数据输出流区块链，日志区块链的初始区块，所有区块链均具有非对称签名加密验证，pow工作量证明，hash算法校验，差异发生时的共识机制等特征，以保证区块链的安全性与稳定性。
63.图2示出了本发明根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度方法流程图。
64.根据本发明实施例，在集群无人机起飞后，当集群无人机收到地面站信息时，根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度，具体为：
65.s202，当有新的信息到达后，所有接收到信息的无人机将会把信息存储于数据输入流区块链，将最先收到信息的无人机设置为本次信息传达的临时控制机a；
66.s204，若所述信息中出现多种不同信息，即存在信息有误，则进行区块链共识投票，选取共识投票数大于预设共识投票数阈值的信息；
67.s206，若所述信息需要被继续下发传达，则临时控制机a负责将信息所在区块复制到数据输出流区块链，若所述信息为集群指令，则临时控制机a调度所有无人机参与解析与确认；
68.s208，在进行集群内无人机解析确认时，将收到信息的集群内任一不负责与上级通信的无人机与临时控制机a建立通信，在信息认证区块链确认后，成为临时控制机b，并根据各层级间预设通信无人机数量信息选取收到信息的空闲无人机共同参与消息传输；
69.s210，根据信息认证区块的信息与下层负责通信的无人机建立p2p通信，开始进行信息的传输，完成信息传输后，所述临时控制机b将信息整合发给临时控制机a，并由临时控制机a将信息整合连接于日志区块链中，将临时控制机a、临时控制机b的身份解除。
70.需要说明的是，集群与地面站间使用多频段无线电加密通信，集群间使用mesh组网实现集群间p2p点对点的去中心化的区块链数据传输方案。数据以数据包形式打包发送，包括使用crc-32校验与rsa签名与加密的技术；
71.地面站的信息在进行通信时，依次经过集群无人机的地面站通信层，传达层，执行层，层级之间通信采用p2p通信；地面站通信层由一个小集群组成，3台无人机负责与地面站
通信，剩下的无人机负责与传达层的一个小集群的通信，同时需要响应接收特殊信息；传达层由多个小集群组成，且该层物理上可以由多层构成，组成树形结构。每个小集群由3台无人机负责与通信层或上层传达层通信，剩下的无人机负责与执行层或下层传达层通信。一个小集群的传达层通常与4个次级传达层或4个控制层的通信；执行层由多个小集群组成，所有无人机都需要负责执行任务，其中3台无人机还需要负责与传达层通信，分级结构整体为树形结构，分级结构的通信结构为树形通信，即正常信息的下发和收回均需要从逐层下发并逐层接收，传达层的网络结构为树形；
72.每一层负责与上一层通信的无人机数量均为3或奇数量，作为预设通信无人机数量信息，通信时均采用p2p通信，即一次通信会建立3条或奇数条p2p通道，通过区块链算法共识得出正确的指令并执行，避免单通道通信被入侵事件的发生。
73.需要说明的是，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密，具体为：
74.通过全集群的公钥对信息进行加密，收到信息的无人机使用全集群私钥进行解密，保障对外通信安全；
75.在目标无人机发出任何信息前通过私钥进行签名，收到信息的无人机通过公钥验证所述消息是否由目标无人机发出，并判断目标无人机是否在信息认证链中被认证，同时通过crc-32校验信息完整性；
76.目标无人机请求获取区块链信息时，向信息认证链内认证的无人机发起请求，被请求的无人机将检查请求的无人机是否在信息认证链中被认证。
77.需要说明的是，所述的根据信息所属种类获取发送方式，具体为：
78.若信息为特殊消息，则将信息通信的优先级设置为中等优先级，集群内50％以上的有效无人机同时发起通信连接请求，将信息进行发送处理；
79.若信息为紧急消息，则将信息通信的优先级设置为最高优先级，集群内所有无人机停止当前所有工作，通过广播地址将信息进行同时发送处理；
80.特殊信息及紧急信息的真伪程度仍然会经过其他逻辑验证，以保证不会出现一个集群50％以上有效无人机同时出现机体错误或被入侵的情况。
81.需要说明的是，所述的集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新，具体为：
82.无人机内的实时操作系统需要每秒将正确的6位密码a发送给totp密码生成器，获取6位密码b，所述密码a及密码b每秒更新，关系为a(t)＝b(t-1)，t表示秒；
83.小集群内无人机每隔固定时间进行一次数据接龙，所述数据接龙为每台无人机在pow工作量证明上完成一个区块的构建，当数据接龙完成后，若出现不符合共识机制的数据，则将判断不符合共识机制的数据的对应无人机视为出现问题，集群对其发起不信任投票，当超过50％共识得票，则确认为不可用机组，生成新的信息认证区块链的区块时，其将定义为不可用；
84.若无人机得出多次校验错误的数据，集群也将发起不信任投票，超过50％共识得票则确认为不可用机组，生成新的信息认证区块链的区块时，其将定义为不可用；
85.第一个完成数据接龙的无人机，生成下个1-2分钟时间区间内，精确到秒的新时间c，并基于新时间c定义下一次信息认证区块链的更新时间。
86.本方案中，所述小集群内无人机每隔固定时间进行一次数据接龙，具体为：
87.第一个区块的hash0为0，每一个区块中包含c时刻的无人机得到的密码b1(c)和pow工作量证明所需的字符；
88.第一个完成区块的无人机将第一区块的hash1发送给小集群内其他无人机，其他无人机的区块里包含hash1与无人机得到的密码b2(c)和pow工作量证明所需的字符，得到新的hash2发送给小集群内其他无人机，以此类推至完成；
89.在收到新的hash时，所有无人机不仅会按照该hash继续计算，也会保留该hash确保数据不会在最终验证阶段被篡改，若目前有n台有效无人机，在目前仍有效的无人机完成hashn广播后，所有无人机开始交换进行最终验证阶段。若有无人机m在最终认证阶段尝试篡改自己的算出的密码bm(c),则其hashm会发生改变，使区块链破裂。
90.需要说明的是，判断集群无人机中不可用机组时，还包括：
91.在判断不可用的无人机时，生成投票共识的无人机将向通讯层发送新生成的信息认证区块链的区块数据；
92.通讯层收到并确认后向下面全部传达层和执行层的小集群发送新的信息认证区块链的区块；
93.所有小集群在收到新的信息认证区块链的区块后，均立即发起一次信息认证区块链的更新。
94.需要说明的是，无人机的实时操作系统将保存近期60s的a(t)的数据，并且，由于b(t)的获取性质，若无人机程序超时和被入侵超过1s，b(t)将不可再被读取到，阻断了该无人机干涉集群内其他无人机的可能性。
95.在硬件上，集群与地面站，集群与集群间通信将分别使用一下通讯方案：上电前使用通讯线缆通信，保障核心密钥的安全；上电后，飞离之前，使用mesh多跳自组网近场通信，保障在地面站指导下的区块链的初始区块生成安全；飞离后，通讯层与地面站通讯转为多频段无线电通信，集群间采用mesh多跳自组网通信。降落时反向重复上述的步骤，保障信息安全。
96.图3示出了本发明一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输系统的框图。
97.本发明第二方面还提供了一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输系统3，该系统包括：存储器31、处理器32，所述存储器中包括一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法程序，所述一种基于多跳自组织网络分级结构的高效指令传输方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤：
98.在集群无人机在地面状态时，通过地面站对无人机设置秘钥，并根据地面站指令与pow工作量证明生成区块链共识机制认同的小集群分组，所属层及小集群内部分工；
99.在集群无人机起飞后，当集群无人机收到地面站信息时，根据信息性质对消息进行传达及集群内无人机的调度，在进行集群内部无人机通信时，对信息进行通信加密并根据信息所属种类获取发送方式；
100.同时，集群无人机信息认证区块链根据预设时间间隔进行动态更新。
101.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或
可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
102.上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
103.另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
104.本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
105.或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
106.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。