0 引　言

近年来，随着我国海军装备向信息化、智能化方向发展步伐的加快^[1]，无人艇在海上无人作战体系中的应用正趋于多元化，作战样式也发生着改变。无人艇可在执行侦察、打击、支援等任务中扮演多重角色，发挥不同作用。同时，伴随着海上通信、协同控制和人工智能等技术的突飞猛进^[2]，无人艇的智能化发展也促使作战样式从有人无人相结合的模式向自主编队航行、多船海上协同作战演化，这对无人艇编队信息传输的安全及可靠提出了更高的要求。

区块链技术作为前沿的科学技术，通过融合分布式数据存储、P2P传输和智能合约等多种技术^[3]，具备去中心化、不可篡改、安全可靠等突出优势，特别是在产品供应链交易^[4]、版权保护^[5]等具有特定信任机制的信息安全领域具有广泛的应用与研究。在军事领域方面，基于分布式指挥决策、平台构建与管理^[6]、无人蜂群体系安全可靠性^[7]等不同领域也展开了探究与分析。但是，围绕区块链技术特点在无人艇编队协同作战，特别是在典型场景下的应用与研究还存在明显的缺失与不足。

本文将区块链技术运用于无人艇编队协同作战中，从作战样式及区块链总体设计需求入手，结合不同作战流程下的协同工作机制，开展区块链体系结构及架构的总体设计。

1 无人艇编队协同作战 1.1 典型作战样式及作战流程

针对未来海上无人艇集群化、体系化的作战特点，参照美国海军无人艇发展规划^[8]，可将各型无人艇根据其海况适应性、任务搭载能力、续航能力等划分为大型、中型、小型^[9]等不同尺度的无人艇平台。同时，各型平台通过搭载个性化的任务载荷以满足警戒探测、火力打击、支援保障等不同作战任务需求^[10]，从而形成面向作战任务的灵活的、成建制战斗力的编队编成方式。

以协同攻防作战为例，无人艇编队协同作战流程主要包括部署阶段、作战阶段和防守阶段。部署阶段由小型无人艇编组组成，通过搭载雷达、光电跟踪等警戒探测设备快速抵近敌方岸滩完成对各片区内态势环境感知，构设周边海上综合态势。作战及防守阶段由大型、中型及小型无人艇混编组成，先对敌方目标及火力集中区进行重点打击，诱骗并消耗敌方作战力量，后对逃离者实施围堵与防守打击，构成第一、第二火力防线，直至彻底消灭敌方兵力残余。

无人艇编队在参与协同作战任务时，既要兼顾稳定的基本结构，又要根据任务动态调动兵力部署，以实现分布式、扁平化作战。在作战的各阶段，编队内无人艇借助各类通信手段，从指挥中心获取指令或通过多艇协同交互的形式执行或变更行动任务。

1.2 协同通信需求及存在的主要问题

在协同作战中，无人艇编队常通过自组网实现成员间的信息交互。因编队内各成员节点在协同中呈现出移动速度快、结构变化频繁等特点，加上协同作战对信息下达及传递过程中的有效性和准确性有较高的要求，致使编队内的协同通信需要克服弱通信、弱感知、能源与定位等多重技术难题。

现有的无人艇编队协同通信技术，大多借鉴了机器人协同控制、无人机集群飞行等任务特点，基于不同的控制策略，构建相应的组网模式以实现对多无人艇的协同通信。从不同组网模式的数据存储特点看，可概括为集中式和分布式两类。前者实现起来较为容易，但拓展性、容错性较差。而后者虽然具有一定的容错性，但也受制于个体的能力，导致节点易遭受恶意劫持和非法入侵^[6]，难以有效保证信息在传递过程中的可靠性和准确性。

2 区块链技术与无人艇编队协同作战

区块链技术是一种分布式的账本技术，基本结构如图1所示，每一个区块的区块头记录了上一级区块的哈希值，用来验证区块中存储信息的有效性。区块体则存储了区块的核心数据，记录了本区块打包时间周期内的所有交易数据。

如果说互联网解决了个体间的通信问题，那么区块链技术则可以解决信息交互过程中所产生的信任问题。区块链技术是一种融合多种现有技术的新型分布式计算和存储范式^[11]，具有去中心化、防篡改性、可追溯性、开放性、自治性等鲜明特点，而上述特点对于多数以信任为基础的社会行为都具有一定的改进和提升作用。

通过比较无人艇编队协同作战特点与区块链技术的优势，易发现两者之间存在诸多共通之处，具体如下：

1）区块链的可溯源性和防篡改性等特点与协同作战中对数据可靠性的需求一致；

2）区块链的去中心化与协同作战对扁平化指挥、抗毁与重组等应用需求相似；

3）区块链的信息共享机制与协同作战中信息交互、决策与控制等场景相似；

4）区块链建立在智能合约前提下的运行体系与协同作战中智能化作战的基本要求相似；

5）区块链的自治性与协同作战的自主协同特点一致。

3 基于联盟链的多无人艇跨任务协同作战体系设计 3.1 体系结构设计

按照开放程度，区块链可划分为公有链、私有链和联盟链。在协同攻防作战中，由于战场环境的不断演变，同一任务中的编队成员变化频繁，故需要引入安全可靠的准入机制和适应复杂多变环境的智能合约机制。同时，考虑到编队内无人艇个体可能参与多任务协同作战的需求，成员间需建立一定的信任关系。

本文选用联盟链搭建多无人艇跨任务协同控制的区块链网络，其架构如图2所示，包括网络层、数据层、共识层、控制层和应用层。联盟链网络采用以数字签名技术为代表的证书验证及基于TLS的点对点传输和哈希算法数据验证技术的准入许可机制，对轻量化的信息交互体系进行构建与运用，以控制通信损耗，达到有效保证数据信息安全可靠的目的。

3.2 无人艇编队跨任务链架构设计

以协同攻防作战为例，结合各尺度无人艇平台的特点和作战流程，将编队成员划分至不同的任务组链中并设置对应任务组的信息指挥所作为相应组链中联盟成员的信息监管方。同时，将无人艇参与协同攻防作战场景下的指挥关系与各任务链中节点拓扑关系进行映射，形成如图3所示的无人艇编队跨任务链架构及拓扑关系图。

如图3所示，各任务组链均负责各自链上协同作战信息的校对、广播、追溯及事件区块的创建、写入操作。联盟链网络在聚类算法的作用下将所有节点按照其功能权限划分为主节点（兼任该任务链中的锚节点）、背书节点和记账节点。其中，主节点负责将各事件信息从排序节点分发至任务组链中的其他成员节点。当其发生故障时，将由其余背书节点重新选举产生新的主节点。同一主节点可拥有多个可信的账本数据库。背书节点基于智能合约的数字签名技术产生，执行各事件的模拟流程并对结果进行签名背书。记账节点负责接收生成的交易区块并对其进行验证，随后执行并更新区块链账本。

为满足可信的跨任务协同作战需求，各任务组链均设有对应的信息指挥所作为证书节点，对成员节点的加入与退出进行身份认证及审核，用户节点在获得许可后，才能加入其对应的任务组链中，其身份认证信息及标识将被记录在区块链内，成为联盟成员间重要的信任凭证。此外，联盟网络还对节点访问许可设立了撤销机制，对不受信任的节点及时清退，拒绝恶意节点的加入及访问。联盟链内所有成员节点均可借助区块链账本，获取所需信息，以实现无人艇编队在跨任务链上的信息共享及信息追溯。

4 多任务链下的无人艇编队协同工作机制 4.1 身份与权限管理

信息系统的安全是协同通信过程中需要重点关注的问题。协同作战具有拓扑节点变化频繁的特点，因此基于多任务链下的无人艇编队协同通信，需考虑无人艇节点在不同任务链之间加入与退出的认证机制。在联盟链网络中，可基于身份标识、身份账号，以角色划分、任务限制等手段，借助通信传输加密、数据库集群式等加密方式实现跨任务链上成员节点的身份与权限管理，建立分布式的节点身份与权限管理机制，从而降低联盟链网络受到攻击的风险，如图4所示。

若某节点申请加入一任务链中，需向该任务链对应的指挥节点及该任务链中的主节点递交注册信息，包括ID、公钥、私钥、证书等，由任务链中的背书节点完成该申请事件的身份背书。随后，任务链中的其他成员节点将基于共识算法对该事件进行广播投票，若获得同意，则联盟网络将自动为该节点生成身份标识及账号。该节点将持有的身份认证信息登录联盟网络进行验证，若成功则认证成功，获得加入许可，并且其身份信息将被记录在区块链中，获得联盟中其他成员的信任，不可篡改。

在身份与权限管理机制中，还设置了对不可信节点的许可撤销机制。若某节点遭遇恶意攻击或被篡改，则其拥有的认证信息将会改变，也无法正常登录联盟链网络。若多次登录失败，网络将自动判别该节点为不可信节点，并通过追溯机制注销其原有的认证信息。

4.2 信息交互

信息交互是成员在参与协同通信中的必要环节，以信息查询为例，联盟链网络将数据按知悉范围划为基础信息及关键信息，前者可被任务链中所有成员节点查阅，而后者只对持有相应公钥或私钥的部分节点开放查阅。

为防止信息在交互过程中被恶意篡改或因个体节点受损导致数据丢失的问题，在联盟链网络中，采用非对称加密技术与加密哈希函数所组成的数字签名技术以保证原始信息的可靠性和准确性。

多任务链下的无人艇编队协同信息交互流程如图5所示。节点A跨任务链访问节点B内的关键信息，需先完成节点认证，流程如下：

1）节点A对节点B发出访问申请；

2）节点B在收到节点A的访问申请后，向节点A发送随机数N；

3）节点A收到随机数后使用私钥对其进行私钥加密获取数字签名Sig(N)并连同随机数N及身份证书一起发送给节点B；

4）节点B收到信息后利用公钥对数字签名Sig(N)进行解密并判断随机数的有效性，同时判断用户证书及签名证书的正确性和有效性；

5）节点B还需向节点A所在的任务组链1中的锚节点C进行二次认证，获取信息交互准许，在完成数字签名加密流程后获取锚节点C的身份证书并核实其随机数N1及证书有效期等信息；

6）若二次认证成功，则根据区块链使用的哈希算法将用户证书进行哈希运算，得到区块链上的最终查询结果。该交互过程还可用来核验信息在传递过程中有无被篡改。

4.3 指挥与决策

无人艇编队通过部署在岸基的中心站或卫星通信、短波及超短波通信等手段实现协同指挥与决策。基于作战规则的情报信息通常是格式化报文或标准化协议的电子数据，借助于区块链技术，可选择不同的合约库和共识算法，以实现对指令下发、决策部署、行动跟踪、数据追溯等不同场景下的具体应用。

以下发指令事件为例，在联盟链网络中，由用户（或是联盟某成员节点）向某任务组链发起指令下达事件，该事件的执行需由任务组链中所有节点共同参与完成，其流程如图6所示。

1）用户端在向任务组链发起请求前，首先需获得联盟认证许可，然后向该任务组链中的背书节点发送事件处理请求指令。

2）背书节点在收到该用户提交的请求指令后，将在本地模拟该事件的执行过程并对结果生成签名，回复用户，完成对该事件的模拟。

3）用户对反馈后的签名进行验证，并比对多个背书节点的回复结果，检查是否收集了足够多的节点支持；

4）检查无误后，用户正式向该任务链提交事件执行请求。若此时有多个用户或同一用户提交了不同的事件，则这些事件将由该任务组链中的排序节点按照事件提交的时间顺序对其进行排序，打包生成区块，分发给任务组链中的记账节点。

5）记账节点对区块的结构完整性、签名等进行核验，无误后执行区块并更新区块链账本，完成该事件的全部执行过程。

5 结　语

本文基于区块链的多无人艇跨任务协同通信技术是对区块链在无人艇编队协同作战中的进一步运用。通过挖掘区块链技术与无人艇编队协同作战中存在的一致特点，面向无人艇编队参与攻防作战场景，开展基于联盟链的多无人艇跨任务协同通信技术设计。利用区块链去中心化、不可篡改、亦追溯等技术特点，提出一种无人艇编队跨任务链架构，并对无人艇协同作战中基于身份认证、信息交互、指挥与决策等场景开展流程设计，克服了传统无人艇编队自组网控制策略中存在的数据丢失或不可信问题，提高了编队信息传输的可靠性和准确性。

本文提出的基于联盟链的多无人艇跨任务协同通信技术可针对不同应用场景选择相匹配的合约库和共识算法，安全可靠、扩展性强，对未来无人艇编队协同作战具有一定的借鉴和参考意义，可为未来实现大规模的无人战场自治提供设计思路。

本文探讨的层面仍基于理论阶段，真正将区块链技术运用到无人艇编队协同作战中不仅需要突破基础领域存在的不足，如通信带宽不足、数据容量与算力不相匹配等问题，还需要进一步完善实践层面上对区块链应用支持平台的建设。