综述：区块链与后量子密码学在构建安全无人机网络中的应用：综述

《Pervasive and Mobile Computing》：Blockchain and post-quantum cryptography for secure UAV networks: A comprehensive review

　　# 摘要

无人机（UAV）在军事、农业、灾害管理、基础设施检查、交通监控等多个领域得到广泛应用。在无人机网络中需要解决许多问题，包括无人机之间的可靠通信、数据安全、能源管理和任务分配等。将区块链技术（BT）应用于无人机系统是提高数据安全性和维护数据完整性的有效方法。多个实体可以通过BT以经过身份验证的方式进行安全通信。量子技术的最新进展提供了多种加密技术，可以解决与无人机网络和物联网（IoT）相关的网络安全问题。后量子密码学（PQC）技术被广泛用于抵御经典攻击和量子计算机的攻击。将BT与PQC结合使用，可以进一步提高无人机网络的安全性，保护无人机通信免受量子威胁，并保持通信记录的不可变性。本文回顾了BT、PQC的基本概念、网络安全问题以及无人机网络中的挑战。PQC和BT背后的数学原理使它们能够处理无人机通信中的安全问题。我们回顾了用于无人机安全的BT和PQC的各种数学概念和性能指标。本文的主要目的是探讨无人机网络中的安全问题，并研究BT和PQC在解决这些安全问题方面的应用。

# 引言

目前，无人机在救援行动、产品运输、管道检查、农业和军事应用等多个领域的使用日益增加，这反映了无人机的重要性。无人机在救援和紧急操作中发挥着关键作用，通过提升监控能力帮助拯救生命。根据[1]中的报告估计，到2030年，每年将约有1024亿美元用于基于无人机的应用，复合年增长率（CAGR）为19.6%。5G和6G技术正在改变无人机的使用方式。5G提供的极低延迟和可靠连接显著提升了无人机的实时数据处理、载荷传递和态势感知等能力。未来的6G网络预计将进一步增强无人机的能力，提供更高的速度、更低的延迟和更稳定的连接，从而实现全息通信和机器人系统的群体智能等复杂应用[2]。

然而，无线基础设施中的计算资源分配、轨迹规划、任务卸载等问题也限制了无人机的应用。此外，无人机在无线网络中广播信息可能导致隐私和数据安全受到威胁[3]、[4]。无人机网络需要防止未经授权的设备进行篡改。研究人员采用区块链技术（BT）来解决这些安全问题。BT有助于资源分配、无人机部署和无线基础设施及基于无人机的应用中的任务卸载[5]。为了满足未来基于无人机的应用需求，需要更加先进的基础设施，具备适应性和可扩展性，以及提供高效快速服务的能力。为了解决这些问题，BT被视为在商业无人机行业中建立安全框架的潜在解决方案。尽管BT提高了无人机通信的安全性，但它并不能抵御量子计算攻击。BT在无人机系统中的实现依赖于加密原语来验证交易并保持数据完整性。传统的加密算法在计算上效率低下，容易被量子计算机突破[6]、[7]。量子计算机具有强大的计算能力。基于格的密码学（LBC）[8]、基于码的密码学（CBC）[10]、基于哈希的密码学（HBT）[12]、多变量多项式密码学（MPC）[13]和基于同态的密码学（IBC）[14]等PQC算法基于复杂的数学模型和多项式，即使对量子计算机来说也难以破解[14]，旨在保护系统免受经典和量子计算机的攻击。

无人机在资源、计算能力、内存和能源供应方面存在局限性。在无人机系统中使用PQC可以提高通信的安全性。通过将PQC和BT整合到无人机网络中，可以保护无人机之间的数据传输免受量子威胁，防止潜在的泄露和账本篡改[15]。本文讨论了BT和PQC在管理无人机网络安全挑战中的重要性，并探讨了不同研究人员在无人机系统中使用BT的工作。本文还研究了将PQC应用于基于BT的无人机网络的研究进展。图1展示了本文涉及的与无人机通信相关的各个领域。

无人机在不同领域的广泛应用激发了科学界的研究兴趣，以进一步提升其操作能力。在无人机通信系统中，存在针对无线通信渠道的各种安全威胁。因此，目前的研究越来越关注通过使用BT和PQC算法等手段来保障无人机网络或基于无人机的应用的安全性。BT的不可变性、去中心化和智能合约等功能有助于维护数据准确性和透明度[16]、[17]。BT在无人机网络中的应用不仅可以安全传输信息，还能建立信任机制，保障通信安全。BT能够通过消除对中央权威的需求来解决多种安全威胁[18]、[19]。实施这些技术可以提高安全架构，确保数据完整性和隐私[22]。

为了抵御量子攻击，需要使用PQC。通过采用PQC，可以确保基于无人机的应用（如防御、监控和关键基础设施监控）的长期安全性。PQC降低了无人机受到网络攻击的风险，保护它们免受间谍活动、破坏和其他有害行为的侵害[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。虽然区块链技术和PQC在现有文献中已分别被广泛研究，但它们的结合应用尚未得到充分探索。现有的调查主要集中在BT或PQC单独应用于无人机安全的方面，而本文分析了BT和PQC的集成，以保护无人机网络免受新兴量子时代威胁的影响。本文的创新之处在于：

- 提供了结合BT和PQC、无人机安全需求及相关威胁的全面分类；
- 对PQC算法进行了详细分析，包括其数学基础，并讨论了其在无人机通信系统中的适用性（而大多数现有研究仅停留在理论层面）；
- 研究了PQC与基于区块链的无人机系统的结合，以保护其免受量子攻击；
- 总结了现有工作，并指出了在无人机网络中整合BT和PQC以保护通信免受量子攻击时的研究挑战和未来方向。

本文的主要贡献包括：

- 提出了BT、PQC以及可能出现在无人机网络中的安全威胁和攻击的分类；
- 概述了各种PQC算法及其在保障无人机通信安全中的作用，包括这些算法的数学基础；
- 探讨了将BT整合到无人机系统中以增强安全性的研究进展，通过透明和去中心化的方式存储信息；
- 分析了基于BT的无人机网络的局限性，并提出了改进无人机通信安全性的研究方向。

# 第2节 无人机基本概念与网络安全威胁

# 第3节 区块链和PQC算法基础

# 第4节 现有研究的回顾与比较分析

# 第5节 使用BT和PQC的考虑因素与挑战第7节讨论了未来的研究方向，并在最后对本文进行了总结。图2展示了本文的结构（见表1）。

**无人机概述**
无人机通常被称为“drone”，是一种能够自主飞行而无需飞行员操作的飞行器，由地面控制站进行管理。无人机通过基于无线电的遥控设备或编程控制设备进行操作。它们遵循空气动力学原理，可以搭载摄像头、传感器和通信设备[29]。无人机由机械和电子部件组成，这些部件共同作用使其能够正常运行。图3展示了一些基本组件。

**比特币（BT）的概念**
中本聪在2008年10月31日发布的比特币白皮书中引入了比特币（BT）的概念[53]。BT 1.0被视为比特币的诞生。随着基于以太坊的智能合约的发展，出现了BT 2.0[54]。BT 3.0引入了分布式特性，提出了分布式超级账本的概念[55]。这种数字账本通过加密和共识机制来保障数据隐私。记录在数字账本上的交易是不可更改的。

**相关工作**
在本节中，我们介绍了多位研究人员为提高无人机通信安全性所进行的研究。我们的综述的主要贡献在于探讨了将比特币技术与密码学量子通信（PQC）结合以增强无人机系统隐私性和安全性的研究内容。然而，从事这一方向研究的人非常少，因此将比特币技术与PQC集成到无人机系统中也被视为一个研究空白和未来的研究方向。

**性能测量指标**
测量通用无人机通信系统的性能是将比特币技术与PQC应用于无人机的重要步骤。在本节中，我们研究了用于评估无人机通信效率和安全性的各种指标。

**开放性问题与挑战**
无人机通信和无人机网络领域存在许多未解决的问题和挑战。这些挑战为无人机通信领域的研究提供了机会。本文为在无人机环境中使用比特币技术与PQC技术以提高通信安全性提供了有价值的研究见解。保密性、完整性、可用性和认证性是任何类型通信安全性的主要方面。为了确保这些安全性的方面得到维护……

**未来的研究方向**
在未来的工作中，我们需要针对上一节讨论的挑战开发相应的解决方案。在无人机系统中实施PQC和比特币技术的后续研究工作还应着重于解决现有的威胁和漏洞。未来的研究工作还包括开发创新的节能解决方案，以解决与比特币技术相关可扩展性问题。开发节能解决方案有助于延长无人机的飞行时间。

**结论**
无人机数据的安全性和隐私性是关键问题。随着技术的不断发展，新的安全威胁也在层出不穷。本文研究了可能侵犯无人机数据隐私并影响无人机功能的各种安全威胁。我们的综述从无人机的基本类型、无人机通信系统及其应用概述开始，接着介绍了比特币技术的背景、特点及其在通信中的重要性。

**作者贡献声明**
Manoj Kumar：撰写原始草稿、可视化设计、研究方法、数据整理、概念构建。
Rashmi Chaudhry：撰写审稿意见与编辑工作、监督工作、研究方法论、数据整理。
Daya Sagar Gupta：撰写审稿意见与编辑工作、监督工作、研究方法论、概念构建。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文所述工作的个人关系。