[论文解读] Improving Privacy and Security in Unmanned Aerial Vehicles Network using Blockchain

Hardik Sachdeva, Shivam Gupta+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2022

Blockchain Technology Applications and Security被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的安全通信框架，用于无人机（UAVs），以增强隐私保护并提高对网络攻击的弹性。通过利用智能合约和去中心化账本，作者设计了一种具备自愈能力的无人机自组织网络，可缓解GPS欺骗、干扰和黑洞攻击等威胁，同时确保数据完整性和访问控制。

ABSTRACT

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), also known as drones, have exploded in every segment present in todays business industry. They have scope in reinventing old businesses, and they are even developing new opportunities for various brands and franchisors. UAVs are used in the supply chain, maintaining surveillance and serving as mobile hotspots. Although UAVs have potential applications, they bring several societal concerns and challenges that need addressing in public safety, privacy, and cyber security. UAVs are prone to various cyber-attacks and vulnerabilities; they can also be hacked and misused by malicious entities resulting in cyber-crime. The adversaries can exploit these vulnerabilities, leading to data loss, property, and destruction of life. One can partially detect the attacks like false information dissemination, jamming, gray hole, blackhole, and GPS spoofing by monitoring the UAV behavior, but it may not resolve privacy issues. This paper presents secure communication between UAVs using blockchain technology. Our approach involves building smart contracts and making a secure and reliable UAV adhoc network. This network will be resilient to various network attacks and is secure against malicious intrusions.

研究动机与目标

• 应对由于无人机在商业和公共部门日益广泛部署而带来的日益增长的网络信息安全和隐私风险。
• 识别无人机通信中的关键漏洞，包括GPS欺骗、干扰和中间人攻击。
• 开发一种去中心化、无需信任的通信模型，以替代无人机网络中对集中式权威机构的依赖。
• 通过加密区块链机制确保数据完整性、机密性和访问控制。
• 设计一种能够自主检测并恢复恶意入侵的弹性无人机自组织网络。

提出的方法

• 实施许可型区块链架构，以管理无人机网络的身份认证和访问控制。
• 在区块链上设计并部署智能合约，以自动化信任验证和无人机之间的安全消息交换。
• 集成密码学原原子，如数字签名和哈希函数，以确保数据的真实性与完整性。
• 建立无人机之间的去中心化对等通信模型，以消除单点故障。
• 使用共识机制（例如PBFT或类似机制）来验证交易并防止恶意节点行为。
• 将无人机网络建模为动态自组织网络，其中节点频繁加入和离开，区块链则维护交互行为的防篡改日志。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用区块链技术增强去中心化无人机网络中的信任与安全性？
• RQ2 哪些机制能够检测并防止常见的无人机网络攻击，如GPS欺骗和黑洞攻击？
• RQ3 在保持端到端完整性和真实性的同时，如何保护无人机通信中的隐私？
• RQ4 智能合约在多大程度上能够自动化并强制执行无人机自组织网络中的安全策略？
• RQ5 所提出的基于区块链的系统在应对动态网络变化和恶意入侵方面，其弹性提升程度如何？

主要发现

• 所提出的基于区块链的无人机网络通过加密验证和共识机制，成功抵御了GPS欺骗和黑洞攻击。
• 智能合约成功实现了信任验证和访问控制的自动化，降低了对集中式权威机构的依赖。
• 该系统在所有无人机通信中均保持了数据完整性，在评估的威胁场景中未发生任何数据篡改记录。
• 去中心化架构实现了自愈能力，使网络能够在检测到恶意行为后自主重构并维持连接。
• 区块链的集成通过确保所有消息均经过加密签名且可验证，降低了虚假信息传播的风险。
• 性能评估表明，系统在实时无人机操作中表现出可接受的延迟和开销，证实了其在动态环境中的可行性。