基于區(qū)塊鏈技術(shù)的艦船通信系統(tǒng)研究

朱羽張揚(yáng) 李 凱 鮑云飛

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

任務(wù)系統(tǒng)作為艦船執(zhí)行使命任務(wù)的重要依托對(duì)象，直接關(guān)系到艦船執(zhí)行使命任務(wù)的效率及作戰(zhàn)性能。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，任務(wù)系統(tǒng)的重要程度也在日益提高。在戰(zhàn)時(shí)，任務(wù)系統(tǒng)是敵方主要打擊對(duì)象，而在非戰(zhàn)時(shí)期，任務(wù)系統(tǒng)則是艦船進(jìn)行能力評(píng)估及改進(jìn)提升的重要研究對(duì)象。演習(xí)作為檢驗(yàn)裝備指標(biāo)性能及平臺(tái)作戰(zhàn)能力的最重要手段，對(duì)演習(xí)過程中任務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息獲取，以及通過信息數(shù)據(jù)對(duì)演習(xí)全流程進(jìn)行回溯、復(fù)盤，是非戰(zhàn)時(shí)期提升系統(tǒng)效能的最佳方式。

本文主要提出艦船任務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式的發(fā)展需求，分析主流的商用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式的不足，引入電子存證領(lǐng)域流行的區(qū)塊鏈技術(shù)，提出一種依托通信系統(tǒng)的信息交互模型，從理論上提高任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)的抗損毀能力和可回溯性，并提出后續(xù)發(fā)展可行的關(guān)鍵技術(shù)。

1 艦船數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求

在艦船執(zhí)行使命任務(wù)的過程中，各任務(wù)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以反映出任務(wù)過程中發(fā)生的事件和設(shè)備的狀態(tài)，但是現(xiàn)今各任務(wù)系統(tǒng)大部分僅存儲(chǔ)自身的數(shù)據(jù)，并沒有全船性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體系。通信系統(tǒng)作為任務(wù)系統(tǒng)間交互的重要信道，若能將其產(chǎn)生或經(jīng)手的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行收集記錄，任務(wù)結(jié)束后回溯這些真實(shí)的數(shù)據(jù)，便可逆推出任務(wù)執(zhí)行過程中的大部分信息，并以此復(fù)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行情況，為后續(xù)對(duì)船舶相關(guān)技術(shù)能力的評(píng)估及設(shè)計(jì)中對(duì)能力的改進(jìn)提供重要參考。因此，依托通信系統(tǒng)對(duì)任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和保護(hù)勢(shì)在必行。

2 主流商用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式的不足

目前較為成熟的商用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式有兩類，分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及基于云端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)?？紤]到對(duì)信息數(shù)據(jù)的完好性和真實(shí)性的需求，這兩類存儲(chǔ)方式皆存在一定的缺陷：

（1）分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通常采用主/從（Master/Salves）模式，即單中心節(jié)點(diǎn)/多從節(jié)點(diǎn)模式，分布式數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖1 所示。在這種模式下，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)將首先保存在中心節(jié)點(diǎn)上，再分配至各存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。這種模式容易造成單節(jié)點(diǎn)故障，即一旦中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或宕機(jī)，那么該數(shù)據(jù)將完全無法讀取，影響數(shù)據(jù)的完好性?，F(xiàn)在一般通過引入備份節(jié)點(diǎn)的手段在一定程度上規(guī)避單節(jié)點(diǎn)故障問題，但節(jié)點(diǎn)間的同步及切換效率較低。

此外，備份節(jié)點(diǎn)一般數(shù)量有限，若中心節(jié)點(diǎn)與作為備份的個(gè)別節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，其內(nèi)保存的通信信息數(shù)據(jù)易被惡意修改，數(shù)據(jù)的真實(shí)性缺乏保障。

（2）以云計(jì)算為基礎(chǔ)的存儲(chǔ)技術(shù)，其基本架構(gòu)見圖2，核心是將各種數(shù)據(jù)資源抽象成資源池，以透明的方式提供給有權(quán)限的用戶，方便用戶使用。但以云計(jì)算為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)存在工作人員操作失誤、系統(tǒng)攻擊及軟硬件故障導(dǎo)致安全機(jī)制失效等安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 分布式存儲(chǔ)基本架構(gòu)

圖2 云計(jì)算存儲(chǔ)基本架構(gòu)

另外，云端數(shù)據(jù)在硬件上仍體現(xiàn)出集中存儲(chǔ)的特征，當(dāng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)處的防護(hù)被攻破后，數(shù)據(jù)將全面被破壞，難以恢復(fù)。

上述兩類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式都存在著高權(quán)限用戶，即分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式的中心節(jié)點(diǎn)及云存儲(chǔ)模式的云端存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，通過攻破高權(quán)限用戶，可以破壞數(shù)據(jù)的完好性和真實(shí)性。

為此，我們需要選擇一種合適的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，來保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完好和真實(shí)。我們理所當(dāng)然希望這種存儲(chǔ)形式具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）該存儲(chǔ)形式內(nèi)不存在高權(quán)限用戶，即無法通過攻陷少量節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的篡改；

（2）信息數(shù)據(jù)一旦被存儲(chǔ)、記錄后，即使部分節(jié)點(diǎn)故障或宕機(jī)，仍可通過其他節(jié)點(diǎn)得到記錄的全部數(shù)據(jù)。

現(xiàn)今在電子存證領(lǐng)域逐步開展應(yīng)用的區(qū)塊鏈技術(shù)，具備去中心化、不可篡改的特性，較為契合我們需求的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)及其應(yīng)用

區(qū)塊鏈，狹義上來講是一種以區(qū)塊為單位，按照時(shí)間順序前后相連的單向鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過共識(shí)機(jī)制、密碼學(xué)組建和系統(tǒng)容錯(cuò)等技術(shù)保障節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)的一致性和安全性。從應(yīng)用角度來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)菍?duì)傳統(tǒng)密碼學(xué)、分布式網(wǎng)絡(luò)、博弈論等技術(shù)的組合應(yīng)用，利用共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)交易的更新和共享，利用密碼學(xué)技術(shù)保障交易的安全性。典型的區(qū)塊鏈架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 典型的區(qū)塊鏈架構(gòu)

我們可以將區(qū)塊視作由四個(gè)部分組成的單元：上一區(qū)塊校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼對(duì)應(yīng)的散列值、本區(qū)塊的時(shí)間戳、本區(qū)塊攜帶的信息內(nèi)容及本區(qū)塊的校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼，只有當(dāng)一個(gè)區(qū)塊的第一部分與上一區(qū)塊的第四部分匹配時(shí)，該區(qū)塊方可連接至上一區(qū)塊。

除創(chuàng)世塊外，每當(dāng)一個(gè)新的區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈后，產(chǎn)生該區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)將把該信息廣播至其他節(jié)點(diǎn)。收到信息的節(jié)點(diǎn)對(duì)新生成的區(qū)塊進(jìn)行合演，當(dāng)區(qū)塊內(nèi)的散列值匹配本節(jié)點(diǎn)區(qū)塊鏈最后一個(gè)區(qū)塊時(shí)，將其加入本節(jié)點(diǎn)保存的區(qū)塊鏈中。這給區(qū)塊鏈帶來去中心化的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都各自保存了全部的區(qū)塊鏈信息。

4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的通信系統(tǒng)模型

為充分利用區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)真實(shí)性、完好性的保障，筆者設(shè)想一種理想的通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互模型。

該模型由n個(gè)互相等價(jià)的通信終端（J1、J2、J3…Jn）組成，各終端有不同的特征碼，其硬件、軟件采用相同的配置，可通過軟件設(shè)置更改其輸出波形，使其匹配對(duì)應(yīng)的射頻終端，進(jìn)行不同頻段、不同信道的通信。該通信系統(tǒng)中的射頻并不直接對(duì)應(yīng)某個(gè)或某幾個(gè)業(yè)務(wù)終端，而是連接至通信終端的總集。該模型遵循以下幾個(gè)工作規(guī)則：

（1）當(dāng)該系統(tǒng)開始工作時(shí)，各終端之間相互發(fā)送帶有本終端特征碼的問詢信息，并回復(fù)其余終端發(fā)來的問詢信息，藉此來確認(rèn)本次工作本系統(tǒng)內(nèi)參與設(shè)備的數(shù)量，此時(shí)各終端生成一個(gè)創(chuàng)世塊。

（2）當(dāng)有信息經(jīng)由通信系統(tǒng)發(fā)送時(shí)，選擇就近的通信終端接收發(fā)送指令，該終端將帶有本終端特征碼的發(fā)送問詢信息廣播發(fā)送至其他終端，其他終端接收到該問詢信息后進(jìn)行回復(fù)。當(dāng)回復(fù)的終端數(shù)量大于（n-1）/2 時(shí)，即當(dāng)一半以上的通信終端回復(fù)了該發(fā)送問詢信息時(shí)，選取最后回復(fù)的終端作為發(fā)送終端，進(jìn)行信息發(fā)送。

（3）每個(gè)時(shí)刻隨機(jī)選擇一個(gè)終端作為當(dāng)下的接收終端，當(dāng)有信息發(fā)送至通信系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)下的接收終端將帶有本終端特征碼的接收問詢信息廣播至其他終端，其他終端接到該問詢信息后進(jìn)行回復(fù)。當(dāng)回復(fù)的終端數(shù)量大于（n-1）/2 時(shí)，即當(dāng)一半以上的通信終端回復(fù)該接收問詢信息時(shí)，進(jìn)行信息接收。

（4）每當(dāng)該系統(tǒng)進(jìn)行信息發(fā)送或信息接收，則生成一個(gè)新的區(qū)塊，鏈入到現(xiàn)存的區(qū)塊鏈中，將進(jìn)行信息發(fā)送或信息接收的終端的區(qū)塊鏈定義為全局版本的區(qū)塊鏈。

（5）每個(gè)終端除儲(chǔ)存完整的區(qū)塊鏈外，還儲(chǔ)存一個(gè)僅由各區(qū)塊校驗(yàn)信息組成的日志鏈。每隔一定時(shí)間，各終端將把自身的日志鏈廣播至其余終端，若接收到的日志鏈信息與本終端存儲(chǔ)的不同 ，則回復(fù)自身的區(qū)塊鏈至日志鏈發(fā)送方。當(dāng)某個(gè)終端收到數(shù)量大于（n-1）/2 的區(qū)塊鏈回復(fù)時(shí)，將自身的區(qū)塊鏈更新為全局版的區(qū)塊鏈。

（6）當(dāng)某終端發(fā)現(xiàn)新增區(qū)塊無法接入至本終端存儲(chǔ)的區(qū)塊鏈時(shí)，立刻進(jìn)行規(guī)則（5）中的校驗(yàn)。

為便于讀者直觀理解，下面我們采用n= 6 的模型來分析這種通信系統(tǒng)具備的特性。

首先，我們隨機(jī)給各終端分配特征碼，并分配該特征碼對(duì)應(yīng)值。終端和特征碼對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 終端對(duì)應(yīng)特征碼及對(duì)應(yīng)值

任務(wù)過程中產(chǎn)生7 個(gè)區(qū)塊，形成圖4 所示區(qū)塊鏈。

圖4 生成的典型模型

我們將區(qū)塊中的校驗(yàn)標(biāo)識(shí)用“接收發(fā)送指令和進(jìn)行信息發(fā)送的終端的特征碼”或“接收信息的特終端的特征碼”代替，將散列值用特征碼對(duì)應(yīng)值代替。這個(gè)區(qū)塊鏈具備以下特性：

（1）可回溯性

分析圖4 的區(qū)塊鏈，可獲知各時(shí)刻的信息交互：

T0時(shí)刻，系統(tǒng)開始執(zhí)行任務(wù)；

T1時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為2 的J1終端收到發(fā)送指令，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為6 的J5終端進(jìn)行信息發(fā)送；

T2時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為5 的J2終端進(jìn)行信息接收；

T3時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為2 的J1終端收到發(fā)送指令，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為1 的J3終端進(jìn)行信息發(fā)送；

T4時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為5 的J2終端收到發(fā)送指令，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為9 的J6終端進(jìn)行信息發(fā)送；

T5時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為2 的J1終端進(jìn)行信息接收；

T6時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為1 的J3終端收到發(fā)送指令，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為8 的J4終端進(jìn)行信息發(fā)送；

T7時(shí)刻，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼為9 的J6終端進(jìn)行信息接收。

通過本模型的區(qū)塊鏈，我們可以逆推出每個(gè)記錄時(shí)間點(diǎn)上通信系統(tǒng)傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，因此本模型具備較強(qiáng)的可回溯性。

（2）不可篡改性

如果有人篡改本模型中某終端上的區(qū)塊鏈，比如在T3時(shí)刻，J4終端上的區(qū)塊鏈被篡改為圖5 所示區(qū)塊鏈。

圖5 被篡改后的區(qū)塊鏈

根據(jù)工作規(guī)則（5），在校驗(yàn)數(shù)據(jù)鏈的階段，由于其他終端的區(qū)塊鏈?zhǔn)钦_的，J4終端將會(huì)收到其他終端發(fā)來的正確區(qū)塊鏈（見圖6），并將自身的區(qū)塊鏈更新為正確版本。

圖6 正確的區(qū)塊鏈

因此，當(dāng)篡改方無法一次性篡改一半以上的終端上的區(qū)塊鏈時(shí)，本模型具備自動(dòng)糾錯(cuò)的能力。

（3）抗損毀能力

由于各終端每隔一定時(shí)間將更新自身的區(qū)塊鏈，因此，各終端都存儲(chǔ)完整的區(qū)塊鏈。當(dāng)部分終端故障或宕機(jī)的時(shí)候，通過對(duì)正常工作的終端的區(qū)塊鏈的讀取，仍然可以獲知全部的信息數(shù)據(jù)內(nèi)容。因此該模型具有較高的抗損毀能力。

5 模型實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

由于上述模型是一個(gè)理想模型，為將其應(yīng)用至艦船上，需要充分利用現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，特別是要對(duì)與下列技術(shù)的結(jié)合作進(jìn)一步研究和探討。

5.1 與軟件無線電的形式結(jié)合

各通信終端互相等價(jià)，除分配的特征碼外不存在區(qū)別，這種技術(shù)狀態(tài)與業(yè)界先進(jìn)的軟件無線電在思路上有一定的重合。利用軟件無線電技術(shù)中“硬件設(shè)備僅作為無線通信的基本平臺(tái)，通信功能經(jīng)由軟件編程實(shí)現(xiàn)”的思路，可以通過硬件同質(zhì)化、軟件通用化的方式實(shí)現(xiàn)通信終端的等價(jià)。

5.2 與格式化數(shù)據(jù)的結(jié)合

格式化數(shù)據(jù)是報(bào)文頭格式、報(bào)文長度固定，按照一定頻率發(fā)送的數(shù)據(jù)。這個(gè)特性與本模型中區(qū)塊按時(shí)刻生成，校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼、散列值格式基本一致的特性可以進(jìn)行結(jié)合；可以嘗試將區(qū)塊的校驗(yàn)標(biāo)識(shí)碼及散列值結(jié)合進(jìn)在格式化數(shù)據(jù)的報(bào)文頭中，通過報(bào)文頭實(shí)現(xiàn)區(qū)塊的鏈接。此外，區(qū)塊鏈的校對(duì)周期也可以參照格式化數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率。

5.3 與日志鏈技術(shù)的結(jié)合

區(qū)塊鏈技術(shù)從本質(zhì)來講是利用對(duì)數(shù)據(jù)的冗余存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改性及抗損毀性的技術(shù)，因此其所占數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大。在校驗(yàn)區(qū)塊鏈信息時(shí)，所占帶寬較高，給實(shí)際實(shí)現(xiàn)提供了難度。

通過日志鏈的技術(shù)，即建立一個(gè)存有校驗(yàn)信息和時(shí)間戳的簡化版區(qū)塊鏈，在校驗(yàn)區(qū)塊鏈信息時(shí)，僅發(fā)送日志鏈與其他終端進(jìn)行比對(duì)，可有效降低對(duì)存儲(chǔ)空間和通信帶寬的需求。

6 結(jié) 語

在艦船執(zhí)行使命任務(wù)的過程中，艦船任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)估艦船執(zhí)行使命任務(wù)能力及后續(xù)改進(jìn)任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有極高的參考價(jià)值，但現(xiàn)今對(duì)全船范圍的任務(wù)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)仍未受到重視。本文提出的模型依托提供主要信道能力的通信系統(tǒng)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和回溯，以提高分析和改進(jìn)艦船執(zhí)行使命任務(wù)情況的能力。為使該模型具備實(shí)際應(yīng)用的條件，需要進(jìn)一步研究與現(xiàn)存的軟件無線電、格式化數(shù)據(jù)等技術(shù)的結(jié)合。