0 引　言

近年来，智能船舶发展受到世界各国的广泛重视。智能船舶在航行过程中可能需要与其他船舶和岸基交互船舶的动态位置、航行控制指令等关键航行数据，在交互过程中高科技黑客的攻击可能会截取、篡改船舶关键航行数据，进而造成数据泄露甚至导致船舶被劫持^[1]。因此，保障智能船舶的信息交互安全具有重要意义。

目前对智能船舶信息交互安全的研究主要集中在理论上。Kavallieratos等^[2]提出一种识别分析自主船网络风险的模型；林彬等^[3]概述了无人船可能遭遇的网络攻击和对应解决方案；Tian等^[4]总结了未来船联网架构及发展前景，提出应研究跨区域船舶信息整合等方向。汪洋等^[5]提出将区块链应用于智能船舶信用管理的前景。智能船舶信息交互的问题在于其网络结构随船舶移动动态变化，实体身份真实性和数据隐私安全存在隐患^[6]。

区块链本质是一种高性能的分布式数据库^[7]，具有不可篡改、可追溯、隐私性强等优势，突破了传统集中式服务器在数据传输与存储上的局限^[8]，在智能交通领域已有应用。Jabbar等^[9]系统回顾了区块链在智能交通中的应用并提出了未来发展方向。Grover^[10]总结了车联网易受网络攻击类型和区块链对应解决方案。在海上交通方面，Zhang等^[11]用区块链辅助海上物联网设备进行访问控制；Wang等^[12]使用区块链公链投票解决自主船舶网络实体基于证书的信任问题。区块链在以上领域的优势在于，能够在不侵犯数据隐私的前提下整合数据并保证其不可篡改^[13]，使分布式实体基于区块链获得对彼此的信任，打破“信息孤岛”^[14]。因此，区块链可应用于保障智能船舶信息交互安全上。

本文面向船舶智能航行的实际需求，提出智能船舶信息交互技术架构以及数据在区块链中的交互流程，设计开发智能船舶信息交互的区块链试验系统，使其能安全传输并整合存储多源交互信息，抵御黑客对实体身份和数据隐私的攻击，保护智能船舶信息交互安全。

1 智能船舶信息交互 1.1 智能船舶信息交互技术架构

智能船舶的交互种类分为船-岸、岸-船和船-船这3种^[15]，本文将智能船舶航行中的信息交互概念化为一种分层的通信网络模型，其核心功能在于实现智能船舶航行期间的远程监管与驾驶信息交互。该架构由3个关键部分构成，从上至下分别为监管层、传输层，以及船舶层，具体如图1所示。

监管层通常包含船舶交通服务（VTS）、船舶控制中心（ROC）、船东和港口等主体^[16]，是智能船舶在航行期间的主要岸基相关机构。除此之外，一些关心船舶进出港时间的利益相关机构也可能参与通信，如船代和上下游公司等。监管层主要负责接收由船舶层传来的信息，在必要的时候会向船舶层传输监管信息。

在传输层，船舶通信采用多种传输介质以确保信号的稳定传递和数据的实时更新。包括Inmarsat/VSAT卫星通信、AIS/VDES通信等^[17]。当船舶处于沿海或岸基移动通信覆盖的区域内时，可择低成本且高速率的4G/5G公众通信。“船-船”通信或A1海区内的船岸通信一般采用AIS/VDES，这种通信由传统船舶常用的甚高频（VHF）无线电改进而来，成本较低但有距离范围限制问题。远洋船舶与岸间通信则依赖于成本相对较高的卫星通信。传输层是连接监管层与船舶层的桥梁。

船舶层是技术架构的底层，船间信息交互在此层实现，船岸信息交互则需通过传输层与岸基监管层建立联系。在船岸交互中，船舶层不仅需要接收来自上层的指令，还需将其运行状态，包括位置、航向、航速等关键参数实时反馈给监管层。船间主要交互用于船舶避碰的信息，需要注意交互实体的身份真实性和数据泄露风险。

1.2 智能船舶信息交互主体间联系

智能船舶航行期间需要频繁进行信息交互的对象主要包括他船、ROC和VTS，具体交互内容如下：

1）船-船信息交互。船间信息交互主要目的在于避免碰撞。在狭窄水域、交通密集水域等有潜在碰撞风险的场景，智能船舶需要与他它船舶协商航向、航速的变化，沟通航行意图以确保航行安全。在出现船舶故障等紧急情况时，船舶需要与周边船舶通报其航行状态，避免安全事故。

2）船-ROC信息交互。船与ROC信息交互的核心在于航行动态数据的报备、航行计划的更新以及岸基遥控指令传输。船舶定时与ROC共享航行动态数据以便ROC把握船舶的实时状态，ROC更新航行指令并下达给船舶。在紧急情况发生时，ROC迅速传达控制指令指导船舶采取适当的应急措施，此时控制指令的传输优先级最高。

3）船-VTS信息交互。VTS对船舶负有监管和交通组织的责任。VTS需实时监控管辖区域内所有船舶的位置、航向、航速等信息以判断是否存在潜在安全风险^[18]，同时，一旦船舶检测到潜在故障或紧急情况也应立即向VTS报告。交通组织时，VTS会根据实时信息对船舶提出航行建议。

2 区块链技术

区块链的核心在于通过去中心化的方式实现数据的存储、验证和传输，集成了密码学中的非对称加密、哈希加密、身份验证等技术。区块链最初是加密货币比特币的底层技术，因此上传至区块链的数据包被称为“交易”，将交易编译给区块链执行器的代码集合称为“智能合约”^[19]。交易被存储在数据区块中，分布式节点通过共识机制对数据进行同步和维护，用户通过智能合约存储或调用数据。区块链存储的数据具有不可篡改、可追溯、隐私性强的特点：1）不可篡改性。一旦交易被确认并添加到区块链上，就无法被更改或删除^[20]，黑客攻击需要同时占领网络中的大部分节点，其攻击成本远大于成功后的收益。2）可追溯性。所有区块由哈希摘要和时间戳串联成一条可以无限增长的链，可以通过链式结构对数据追本溯源，确保数据完整性和真实性^[21]。3）隐私性。区块链可采取PKI公钥基础设施对数据进行加密和签名，因此，虽然所有计算机都参与验证交易的合法性并为其背书，但只有拥有私钥的用户才能解密出数据的实际内容^[22]。

区块链技术按照其应用场景和参与节点的不同，可细分为公有链、私有链、联盟链这3种主要形式。公有链没有管理机构，允许任何节点匿名加入或退出网络，虽然高度去中心化和透明，但共识效率和吞吐量低，且维护成本高，经典应用有比特币和以太坊等。私有链中心化程度较高，通常用于组织内部管理。联盟链结合了公有链和私有链的优点，不仅可以管控进出实体，且吞吐量和效率更高，有研究测得联盟链比传统公链的传输速率高83%^[23]。由于智能船舶信息交互要求低成本和高效，所以本文采用联盟链进行应用研究。

区块链技术能够满足智能船舶对信息交互的需求。首先，区块链的分布式结构和密码学技术可以保护数据及通信实体身份的真实性、完整性，使通信实体基于区块链建立对彼此的信任；其次，区块链能够灵活增减节点并对数据备份，增强系统的鲁棒性和抗攻击能力，可扩展性和灵活性较高；最后，区块链能够跨越地理空间的限制，将节点分布在不同的区域或数据中心，提升信息交互的效率并减少数据孤立。通过区块链，可以为智能船舶构建一个更加安全高效的信息交互环境。

3 智能船舶信息交互中的区块链应用 3.1 智能船舶信息交互安全与区块链解决方案

本节总结出智能船舶信息交互易受攻击的类别、原理和场景，并将被攻击数据和区块链解决方案进行总结，如表1所示。

可知，通过选择适当的区块链数据加密与身份认证方案，能有效保护智能船舶信息交互安全。在抵御身份攻击方面，区块链会为所有智能船舶通信相关实体生成唯一的身份标识、账户地址、公私钥对和身份证书，通过节点共识分布式保存，因此实体身份很难被伪造、冒用或凭空捏造。在数据完整性保护方面，每个区块都有一个默克尔树^[24]记录该区块内所有交易的哈希值，任何交易的微小变动都能体现在默克尔树的根哈希上，因此节点共识时能快速查验数据是否被篡改，确保信息的完整性。在数据机密性保护方面，区块链提供不可逆的哈希加密保护数据安全，实体也可通过区块链生成的公私钥实现非对称加密，设置双重保障防止黑客攻击。综上所述，区块链在解决智能船舶信息交互安全问题上具有很大潜力。

3.2 智能船舶信息交互流程

智能船舶信息在区块链网络中的传输和存储流程如下。在交互开始前，智能船舶、ROC、VTS注册联盟链账户并得到唯一的公私钥对和数字证书。公钥用于数据加密和生成账户地址，私钥用于身份签名和解密。数字证书（CA Certificate，CAC）由第三方证书颁发机构（Certificate Authority, CA）验证身份合法后颁发，全网公开并保留在区块链中。实体通过账户接入的区块链节点对区块链进行操作。图2为船A向所属岸基远程监控中心ROC点对点加密发送的信息（交易）在区块链中的流传过程，流转过程采取了实用拜占庭容错共识算法（PBFT）。

1）发送交易。船A向客户端发送信息交互请求，输入航行动态等数据并用私钥签名。客户端收到船A请求后与证书一起打包成交易并用ROC公钥加密，传给区块链接入节点。

2）交易验证与广播。船A的接入节点对交易进行验签和查重，验证交易合法后将其存入交易池（TxPool），并将该交易广播至已知的其它节点。如果交易不合法或重复出现，则丢弃交易并返回错误信息。

3）交易执行与共识。区块链网络内节点收到消息后均进行如上的独立验证和转发流程。PBFT主节点将交易从TxPool中取出，用Sealer进程将交易打包成PBFT共识消息包，用Engine执行交易并留存结果，通过P2P网络发送给其他节点并收集共识结果。根据PBFT的共识规则^[25]，当2/3以上的共识节点都得出相同的验证结果时，则共识成功。此后各共识节点执行交易并将执行结果进行永久保存，同时更新区块高度等内容。已处理的交易将从TxPool中删除，主节点顺次更换。

4）实现信息交互和反馈结果。船A和ROC通过接入节点监听区块链。在交易共识上链后，ROC用私钥解密信息，实现信息交互。若共识失败，则船A收到报错反馈。

3.3 智能船舶信息交互功能设计

智能船舶信息交互功能的设计体现在对智能合约的设计，这是区块链应用研究与开发的核心部分。本文预编译了智能船舶信息交互合约，实体只需要输入相关信息并调用合约，区块链就会自动执行并共识。本系统编写的智能合约能够实现用户注册、己方信息的更新和查询、查看他人信息这3种功能，合约规定数据内容、格式、可以部署和调用合约的对象，以便用户录入和查询数据。区块链作为一项耗费资源较大的信息传输系统，其上链数据应具备不可篡改、可追溯、安全共享的特点。为满足降本增效的要求，智能船舶在区块链上传输的数据应是最易受网络攻击的数据，包括实体身份信息、船舶发送的其他实体的位置航向等船舶航行动态信息（Ship Dynamic Information, SDI）、船舶发送给ROC的感知监控等船舶隐私信息（Ship Private Information, SPI）、ROC下达给船的航行指令（Navigation Instruction, NI）、VTS发送给船的交通组织信息（Ship Traffic Services, STS）等。智能合约针对信息录入发送与查询的数据格式设计如表2所示，其中船舶静态信息（Ship Static Information, SSI）由客户端自动发送，其他信息则需要用户主动输入。所有上链信息由区块链节点备份留证，其中私密信息以加密形式被共识节点验证同步，只有对应接收方能够解密。所有用户都可查询己方接收与发送的信息和其他用户公开发送的信息，其中查询他人信息需要对方给予授权。用智能合约录入到区块链的信息不能被删改，只能更新和覆盖。

4 智能船舶信息交互试验系统

为深入探讨本区块链系统在智能船舶交互的可用性，本文设计一套综合性实验场景。该设计旨在仿真智能船舶沿预定航线航行时的行为模式，并考察其利用交互系统实现与其他船舶、岸基指挥中心及远程控制中心之间的数据交换与控制指令传递。

4.1 智能船舶信息交互系统应用

本系统设计基于国内微众银行研发的开源区块链平台FISCO BCOS，编写前后端系统连接FISCO提供的SDK接口，使用ubuntu18.04虚拟机搭建底层共识节点，节点数量设置为4个，分别代表本船（Own Ship，OS）、ROC、VTS和目标船（Target Ship，TS）的账户所接入的节点，4个节点均参与共识。通信采用局域网，共识采用PBFT共识算法。用ECDSA算法计算PKI公私钥：使用OpenSSL生成对应椭圆曲线私钥，参数使用secp256k1，私钥采用PEM格式，长度32字节，对应公钥长64字节。数字证书采用x509协议的格式，身份签名由私钥经过keccak256加密算法处理形成。用户账户地址由公钥取哈希获得：用账户公钥的16进制表示计算keccak-256sum哈希，取计算结果的后20字节的16进制表示作为账户地址。

实验场景为本船OS航行在一条近岸的繁忙航线上，从VTS报告区外进入港口，期间与他船TS形成对遇，由VTS和ROC介入交通组织。信息交互情景包括正常航行状态下的信息交互、存在碰撞风险状态下与他船协调避碰的信息交互、紧急情况下VTS介入协调避碰和ROC干预测试。OS在近岸区域信息交互流程如图3所示。

1）OS进入VTS报告区时询问是否可以进港

OS在即将进入报告区时向VTS提出进港申请，发送航行意图和位置等动态信息SDI，由客户端提取OS静态信息和CA证书后，签名发送到区块链网络，经节点共识验证身份合法性和数据完整性后发给VTS，交管中心根据港口情况回复OS是否可以进港，此场景下VTS同意OS进入。

2）OS与TS对遇并协商避碰

OS进入VTS报告区后与TS对遇并发起避碰协商。OS通过TS的MMSI寻址对方账户地址，并通过区块链网络发送身份签名、CA证书、航向航速变化决策等动态信息SDI。TS收到后返回己方决策信息、签名及证书。以上信息由船舶为VTS授予该信息的查看权，便于海事监管。

3）VTS与ROC在必要时介入

若TS同意OS避碰决策，则两船直接执行决策，不需进一步协商。若TS不同意，则OS将情况报告至VTS和ROC，并向ROC额外报告感知数据和信息交互记录等船舶隐私信息SPI。收到报告后，VTS调取两船交互记录、发送交通组织信息介入协调避碰，ROC则发出航行指令。当VTS与ROC命令冲突时，优先执行VTS命令。此场景下经过VTS协调后，两船达成共识并执行决策。

以上所有信息交互记录由区块链分布式存储，不可篡改、可追溯。信息安全由身份签名、数字证书和公私钥加密三重防护机制保障，由全网共识节点共同验证信息合法性，因此非法第三方无法冒充合法身份发送恶意信息，也无法在信息传输过程中篡改或泄露信息，可保证智能船舶信息交互安全。

4.2 智能船舶信息交互试验系统功能实现 4.2.1 准入权限与数据访问控制

智能船舶相关实体的准入控制对信息交互安全来说至关重要，为防止黑客伪造或冒充合法身份进入区块链，所有实体在信息交互前都需要向区块链提交注册申请以获取准入权限。除此之外，区块链还能结合智能合约实现基于角色权限的数据访问控制功能，在本文场景下体现为：VTS有权查看本船OS与他船TS间公开发送的协商避碰信息，所有实体能查看自己在区块链中发送和接收的信息，但其余实体不得查看他人收发的信息。这种设计可以在增强海上监管效率和安全的同时保护数据隐私，图4展现用户向区块链申请准入权限并进行数据访问的流程。

在准入权限申请方面，用户需要提交第三方认证的身份证书（CAC）和身份标识ID进行注册申请，船舶用户需额外输入船舶静态信息（Ship Static Inforamtion, SSI）。区块链从第三方CA数据库中查验该证书是否合法以及ID是否被注册过，船舶的ID就是MMSI码。身份查验合法后区块链授予该用户准入权限，创建账户绑定其CAC和ID，生成账户地址addr和对应的PKI公私钥，共识保存到CAC中。

在数据访问方面，用户注册成功后使用ID和addr登录区块链，提交待查实体身份标识id下的数据m的访问申请，签名打包到区块链。区块链验证用户有权查看id信息的判定标准有2个：ID=id或同时满足ID=VTS账户、id=船舶账户、m为明文信息3个条件。验证通过后，区块链给予用户数据访问权限，通过id寻址对应信息m的哈希摘要hash(m)，以此为参数调用智能合约，将m返回给用户。

若区块链验证身份不合法，即CAC不存在或ID重复注册，区块链拒绝该请求并返回报错，防止恶意实体伪造冒充合法身份或女巫攻击。若区块链验证用户未拥有m的查看权，则同样拒绝请求。此外，若m为加密信息，即使验证用户拥有查看权也不会调取id私钥进行解密。准入权限与访问控制功能是数据安全存储和访问的基础，对智能船舶数据隐私和交互安全至关重要。

4.2.2 信息收发与验证

实体完成准入申请和数据授权的配置后，在模拟实验场景下进行信息的收发与验证。本场景中，本船OS涉及向他船TS和当地交管中心VTS发送明文船舶动态信息SDI，向ROC发送加密船舶隐私信息SPI，后者需要ROC私钥才能解密查看。为防止信息交互中数据被恶意篡改或泄露，采用基于PKI公钥的非对称加密数字签名，结合区块链内置哈希算法进行数据加密，由区块链共识验证数据合法性，共识成功后分布式保存信息，以此保护数据的完整性、机密性和身份真实性。OS在区块链试验系统中的信息收发与验证流程如图5所示，信息的发送首先需要对数据进行签名和加密处理。OS向ROC发送隐私信息m₁=SPI，向TS和VTS发送动态信息m₂=SDI，签名加密处理涉及OS公钥K_O、私钥k_o和ROC公钥K_R，私钥k_r。客户端将m₁签名加密为M₁，将m₂签名处理为M₂，处理后打包成交易M发送至区块链进行共识验证。

M表达式为：

$M={M}_{1}+{M}_{2}。$

(1)

式中：M为客户端对OS数据进行签名加密处理后打包的交易；M₁为客户端对OS加密发送的数据处理后的结果；M₂为客户端对OS公开发送的数据处理后的结果。

M₁表示式为：

${\begin{array}{c}{M}_{1} = {K}_{R}\left({m}_{1}\right) + {k}_{o} \left({\rm{hash}}\left({m}_{1}\right)\right) + {\rm{hash}}\left({m}_{1}\right) + CAC\left(OS\right) \end{array}。}$

(2)

式中：m₁为OS向ROC发送的船舶隐私信息SPI；K_R为ROC公钥；k_o为OS私钥；hash(m₁)为m₁的哈希摘要；CAC(OS)为OS的身份证书。

M₂表示公式如下：

${M}_{2}={m}_{2}+{k}_{o}\left({\rm{hash}}\left({m}_{2}\right)\right)+{\rm{hash}}\left({m}_{2}\right)+CAC\left(OS\right)。$

(3)

式中：m₂为OS向TS和VTS公开发送的船舶动态信息SDI。

公式中M₁和M₂均包含信息内容、签名、信息哈希摘要和身份证书4个部分。M₁的信息内容是K_R(m₁)，由ROC公钥对明文m₁加密而得，M₂的信息内容是明文m₂。2种信息加密后的签名步骤是共性的，用m代表m₁和m₂，先对m取哈希得到hash(m)，再使用OS私钥对hash(m)进行签名处理，即得到m的签名结果k_o(hash(m))。接收方收到信息后，使用CAC(OS)中OS公钥K_O验证签名即可得到hash(m)，将此值与接收信息中的哈希摘要做对比，如果一致则说明数据可靠。在接受M₁信息时，还需使用ROC私钥k_r对K_R(m₁)解密，得到m₁明文。

在区块链共识验证方面，各节点收到消息包后独立验证信息，通过查验比对链内CAC(OS)和M中证书是否一致、使用K_O验签来判断实体身份合法性。若身份合法，则将信息保存在本地并广播PBFT共识结果包S< M, hash(M), s, v, n, i, sign(i)>，其中s为共识状态，v为该共识下的视图，用于确定主节点，n为消息M的编号，i为该节点的编号，sign(i)为该节点的签名，用于向其他节点表明身份。各节点接收其他节点的共识结果包，通过节点签名验证S的真实性，验证S完整性则需要将其他节点S中的hash(M)和本地保存hash(M)进行对比，当hash值一致时，认为该节点签名下的S有效。当节点收到其他节点有效签名的数量超过所有节点数量的2/3时，认为共识成功，节点执行合约并将执行结果保存在本地磁盘，客户端监听共识结果并反馈给用户，完成信息的安全交互。

为防止恶意节点或实体攻击，共识节点在验证身份不合法或数据完整性受损时，会丢弃收到的消息包。当节点收到其他节点的共识消息包数量少于或等于2/3所有共识节点数量时，认为共识失败并返回报错。在本次实验中没有出现共识失败的情况。

以上4个功能通过开发智能合约和编写前后端脚本实现，由于智能合约部署到区块链上之后无法被篡改和撤回，因此在部署智能合约之前必须验证智能合约有无漏洞。系统使用Oyente智能合约验证工具进行智能合约的安全检验。Oyente内嵌于开发编译solidity智能合约常用的Remix平台中，能检测智能合约中常见的安全漏洞，如重放攻击、合约顺序依赖、操作异常等。经反复检验和调试后，当前智能合约符合安全要求。

基于区块链的智能船舶信息交互试验系统能实现准入权限、数据访问控制、区块链信息收发与验证功能，有效保护信息交互数据的机密性、完整性和身份真实性，使智能船舶能在复杂的航行环境中安全可靠地进行数据交换，验证区块链在保护智能船舶信息交互安全方面的潜力。

5 结　语

为了抵御海上黑客攻击，提高智能船舶信息交互的安全性和可靠性，本文提出一种基于区块链的智能船舶信息交互技术架构并开发了试验系统。文章阐明区块链在保护智能船舶信息交互安全方面的优势，总结智能船舶信息交互中需要用区块链传输的信息种类，明确船舶信息在区块链内的交互流程。文章设计船舶信息交互相关的智能合约，基于FISCO BCOS联盟链开发试验系统，通过模拟海上实际应用场景，验证区块链用于保护智能船舶信息交互安全的可行性。未来的研究将在现有基础上，进一步探索和完善该系统，以推动智能船舶技术的发展和海上交通管理的现代化。