一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统与流程

技术特征：
1.一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，设有一个集中式地面控制站gcs和多个无人机uav，方法包括以下步骤：s1、初始化，gcs设置时钟并生成公钥和私钥，定义声誉等级，划分一系列时间间隔以及定义消息类型；s2、无人机注册，当一个新的未注册无人机以离线方式向gcs发送注册请求时，gcs为其分配唯一标识符、配备可信平台模块tpm以及设置声誉等级；s3、声誉等级更新，gcs监控每个已注册的uav，并在每个时间间隔开始时更新每个已注册uav的声誉等级；s4、秘密值分发，已注册uav在需要时通过gcs-to-uav方式向gcs请求其在当前和下一个时间间隔的秘密值；s5、u2u消息交换，无人机对无人机进行消息交换。2.根据权利要求1所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，gcs包含一个时钟；无人机uav包括本地存储以及多种机载传感器，用于存储数据、收集数据并生成消息；在无人机对无人机消息交换时，无人机分别为不同角色，即广播消息的广播无人机以及接收消息的接收无人机。3.根据权利要求1所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤s1具体为：s11、轻量级可信消息交换方法部署在无人机网络中时，gcs首先设置其时钟并生成其公钥pu
g
和私钥pr
g
，其中，公钥pu
g
对所有已注册无人机公开，私钥pr
g
始终由gcs秘密存储；s12、gcs定义n个相同比特长度的声誉等级/阈值等级l1，l2，...，l
n
，其中n∈{1，2，
…
}，l1＜l2＜...＜l
n
；s13、gcs将时间划分为一系列等长的时间间隔t1，t2，...，t
n
，每个时间间隔t
α
包含λ个等长的时间单元t
α，1
，t
α，2
，...，t
α，λ
，t
α
∈{t1，t2，...，t
n
}，λ∈{1，2，...}；s14、gcs定义m种相同比特长度的消息类型y1，y2，...，y
m
，并设置m个分别对应于消息类型y1，y2，...，y
m
的阈值等级tl1，tl2，...，tl
m
，其中，m∈{1，2，...}，tl1，tl2，...，tl
m
∈{l1，l2，...，l
n
}；s15、对于每个时间间隔t
α
，gcs生成一个密钥该密钥始终由gcs秘密存储，然后根据分别为每个声誉等级/阈值等级l
t
∈{l1，l2，...，l
n
}生成一个秘密值gcs将每个元组存储在数据库中；其中，hmac(*，#)表示用#对*执行基于散列函数的消息认证码算法。4.根据权利要求3所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤s2具体包括：s21、当一个未注册无人机以离线方式向gcs发送注册请求时，gcs首先为其分配唯一标识符i，其中i∈{1，2，...}，无人机记为u
i
；s22、gcs生成u
i
的公钥和私钥并为u
i
配备一个可信平台模块tpm；s23、gcs根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α，并将u
i
的声誉分数设置为默认
值s0，将声誉分数转换为相应的声誉等级转换方法如公式(1)：其中s0∈[0，1]；s24、gcs将u
i
的各项信息存储在其数据库中。5.根据权利要求4所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，可信平台模块tpm用于安全存储gcs的公钥pu
g
、u
i
的私钥m种消息类型相对应的声誉等级/阀值等级tl1，tl2，...，tl
m
、共享密码算法与参数、收到的秘密值以及与gcs同步的时钟。6.根据权利要求4所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤s3具体包括：s31、gcs监控每个已注册无人机的行为，并在每个时间间隔t
α
开始时根据已注册无人机的任务成功率、能耗率和实际飞行轨迹与预期飞行轨迹的偏差重新计算每个已注册无人机u
i
的声誉分数s32、gcs根据公式(1)将声誉分数转换为相应的声誉等级并将元组存储在其数据库中。7.根据权利要求4所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤s4具体包括：s41、u
i
通过g2u方式向gcs发送其唯一标识符i作为g2u请求，gcs收到请求后，首先根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α；s42、gcs从数据库中检索私钥pr
g
、u
i
的公钥和u
i
在时间间隔t
α
的声誉等级假设其中l
ni
∈{l1，l2，...，l
n
}，此外，在时间间隔t
α
，gcs无法得知u
i
在下一时间间隔t
α 1
的声誉等级由于无人机的声誉水平不会在短时间内发生显著变化，假设s43、gcs分别检索l
t
在时间间隔t
α
相对应的秘密值和在时间间隔t
α 1
相对应的秘密值然后生成秘密值元组如公式(2)，其中，l
t
∈{l1，l2，...，l
ni
}；s44、gcs随机生成一个会话密钥然后使用将会话密钥加密为如公式(3)：
其中，enca(*，#)表示使用#对*执行公钥加密算法；s45、gcs使用私钥pr
g
将签名为如公式(4)：其中，sign(*，#)表示使用#对*执行签名算法，||表示将比特串进行串联；s46、gcs使用会话密钥将加密为如公式(5)：其中，encs(*，#)表示使用#对*执行对称加密算法；s47、gcs为u
i
生成g2u响应如公式(6)：s48、gcs通过g2u方式将发送至u
i
，收到后，u
i
从本地存储中检索其私钥并使用解密以得到如公式(7)：其中，deca(*，#)表示使用#对*执行公钥解密算法；s49、u
i
使用解密以得到如公式(8)：其中，decs(*，#)表示使用#对*执行对称解密算法；s410、u
i
提取α、和然后从本地存储中检索gcs的公钥pu
g
并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号前时间间隔的序列号可能因重放攻击或通信延迟而与α不同，u
i
验证公式(9)是否成立：其中，verify(*，#，&)表示使用&对*和#执行签名验证算法；如果公式(9)不成立，则说明无法同时满足消息源合法性、及时性和完整性，u
i
直接丢弃否则，u
i
计算其在时间间隔t
α
和t
α 1
的声誉等级ni由公式(10)得出：其中，表示的比特长度，|hmac(*，#)|表示hmac(*，#)的输出比特长度；u
i
将元组和和存储在本地存储中；如果两个或多个存储的元组包含相同的时间间隔序列号，则只保留最新的一个。8.根据权利要求7所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，如果u
i
由于某些原因未能及时收到g2u响应u
i
将在若干时间单元后再次尝试请求
gcs。9.根据权利要求7所述的一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法，其特征在于，步骤s5具体为：s51、u
i
根据其时钟导出当前时间间隔的序列号α和当前时间单元的序列号β，然后从本地存储中检索其在时间间隔t
α
的声誉等级和消息类型y
ω
相对应的阈值等级tl
ω
，其中tl
ω
∈{tl1，tl2，...，tl
m
}；假设和其中s52、如果即表明对于消息类型y
ω
，u
i
不可信，则因此u
i
在时间间隔t
α
不具有声誉等级/阀值等级相对应的秘密值且被禁止广播y
ω
类型的消息；否则，u
i
从本地存储中检索秘密值并生成y
ω
类型的消息内容然后使用将消息内容加密为加密为s53、u
i
生成相应的u2u消息为：其中，u
i
向附近的其他无人机广播消息s54、收到后，u
j
作为接收无人机首先从中提取α和β，并根据其时钟导出当前时间间隔的序列号和当前时间单元的序列号和当前时间单元的序列号和可能由于重放攻击或通信延迟分别与α和β不同，因此验证公式(14)是否成立；s55、如果公式(14)不成立，则不满足消息及时性，u
j
直接丢弃否则，u
j
从中提取y
ω
，并从本地存储中检索其在t
α
的声誉等级和消息类型y
ω
对应的阈值等级tl
ω
；假设和其中s56、如果即表明对于消息类型y
ω
，u
j
不可信，则因此u
j
在时间间隔t
α
不具有声誉等级/阈值等级相对应的秘密值且禁止验证或解密y
ω
类型的消息，所以u
j
直接丢弃否则，u
j
从中提取然后从本地存储中检索并验证是否与公式(13)一致；
s57、如果不一致，则表明不能同时满足源合法性、完整性以及源可信度，u
j
直接丢弃否则，u
j
使用将解密为解密为s58、u
j
进一步验证消息内容是否与消息类型y
ω
一致，如果不一致，则表明不满足消息类型真实性，u
j
直接丢弃否则，u
j
认为和u
i
都是可信赖的，且信任消息内容10.一种无人机网络中的轻量级可信消息交换系统，其特征在于，包括一个集中式地面控制站gcs以及多个无人机uav，轻量级可信消息交换系统中部署如权利要求1-9任一项所述的轻量级可信消息交换方法。

技术总结
本发明公开了一种无人机网络中的轻量级可信消息交换方法及系统，方法包括以下步骤：S1、初始化，GCS设置时钟并生成公钥和私钥、定义声誉等级、划分一系列时间间隔以及定义消息类型；S2、无人机注册，当一个新的无人机以离线方式向GCS发送注册请求时，GCS为其分配唯一标识符、配备可信平台模块TPM以及设置声誉等级；S3、声誉等级更新，GCS监控每个已注册的UAV，并在每个时间间隔开始时更新每个已注册UAV的声誉等级；S4、秘密值分发，已注册UAV在需要时通过GCS-to-UAV方式向GCS请求其在当前和下一个时间间隔的秘密值；S5、U2U消息交换，无人机对无人机进行消息交换。本发明可在较低计算和通信开销的前提下，高效地实现无人机网络中的可信消息交换。信消息交换。信消息交换。


技术研发人员：刘志全 万琳 王立波 李润川 孙恒 蔡东洪 魏林锋 郭晶晶
受保护的技术使用者：暨南大学
技术研发日：2021.12.15
技术公布日：2022/3/3