CC BY
39
УДК 004.75
ПРИМЕНЕНИЕ ХАОТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И БЛОКЧЕЙН-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ЗАЩИЩЕННОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В ГРУППАХ РОБОТОВ
В.Б. Шабанов, Д.Я. Иванов
Обмен информацией в группах роботов, на данный момент, является очень популярной темой исследований во всем мире. Вследствие этого становится актуальным вопрос защиты каналов общения в коллективах роботов. В статье рассматриваются существующие подходы реализации информационного обмена и содержится краткий анализ особенностей обмена информацией в зависимости от выбранной стратегии управления группой роботов. В статье предложен метод организации обмена криптозащищенными данными в группе роботов, основывающийся на использовании хаотических моделей и блокчейн-технологии для записи получаемой информации в распределенныйреестр, что позволяет обеспечивать защиту информационного обмена в группе роботов от несанкционированного доступа.
Ключевые слова: система группового управления, блокчейн, хаотический алгоритм, обмен информацией, ограниченные коммуникации, динамическая система, взаимодействие роботов, малоразмерные роботы.
Введение
Популярность использования коалиций мобильных роботов, можно объяснить достижением высокой эффективности группам роботов решающих технические сложные задачи[1-3]. Актуальной становится проблема взаимодействия коллектива [4-6]. Для решения этой задачи рассматривается использование теории динамического хаоса, позволяющей обеспечить шифрованное соединение с коллективом и технологии блокчейн, позволяющей сделать группу децентрализованной и используемой для хранения информации о целях миссии и информации с датчиков.
Шифрование исходящих данных
Начало теории хаоса положено в 1961 году Эдвардом Лоренца в работе - «Эффект бабочки». Хаотические модели применяются во многих науках: математике, информатике, инженерии, финансах. Так же хаотические модели были обнаружены в человеческом мозгу, где они используются при обработке информации.
К преимуществам использования данных моделей стоит отнести высокие показатели производительности при решении технически сложных задач на маломощных вычислительных устройствах. Применительно к обеспечению шифрованного канала связи коалиции мобильных роботов, данный подход интересен ввиду ограниченности вычислительных средств и малого ресурса электроэнергии.
Решение проблемы передачи данных между членами коллектива и распределенным реестром, была возложена на динамические хаотические системы, позволяющие обеспечить защищенную связь между устройствами.
Использование хаотических систем для решения вопроса передачи информации между устройствами тема не новая, существует множество вариантов решения данной проблемы с возможностью общения как клиент-клиент, так и клиент-группа [7]. Выбор динамического хаоса обусловлен чувствительности к начальным параметрам, сложностью структуры, детерминированной псевдослучайностью.
Хаотические модели обладают особенностями, которые отлично подходят для организации информационного обмена в коалициях мобильных роботов:
- Ортоганальность, из-за нерегулярности хаотических сигналов, их автокорреляционная функция имеет сильное затухание, что наилучшим образом указывает на применение в многоагентных системах, в виду большого количества устройств находящихся на одной частоте
- Криптостойкость, сигналы не регулярны и имеют сложную структуру, один и тот же генератор может выдавать разные сигналы при незначительных изменениях. В виду этого спрогнозировать изменения сигнала в долгосрочной и среднесрочной перспективе не представляется возможным.
- Широкополосность, сигналы непереодичны и обладают широким спектром.
Предлагается использовать блочный алгоритм шифрования, характерной особенность которого является использование прямого и обратного преобразования, при этом оба процесса преобразования аналогичны по своей сути. Шифруемая информация разбивается на блоки фиксированной длинны и происходит их последовательная обработка.
Распределенный реестр для децентрализованного хранения данных
Блокчейн - децентрализованная система хранения данных и вычислений, изначально разрабатывалась для цифровой криптовалютыВИ;сот[8,9]. В дальнейшем началось активное внедрение технологии в различные сферы: медицины [10], промышленности [11], 1оТ[12], робототехники[13-15] и др.
Структуру цепи блоков можно представить в виде индекса временной метки, хеша предыдущего блока и данных (см. рис 1).
Блок О
Блок 1
Блок 1
Рис. 1. Архитектура цепочки хранимых данных коллектива роботов
Хеширование блоков используется для сохранения данных, используемый хеш предыдущего блока позволяет всегда знать место хранение информации, запросить требуемые данные в любое время, так же стоит отметить весомое преимущество хэш-функций заключающееся в возможности проверить изменения, обеспечивающее надежное хранение данных.
129
В случае возможной коллизии сети, если устройства создадут одновременно блоки с одним и тем же индексом, приоритет выполнения останется за цепочкой с большим количеством блоков (см. рис.2).
Рис. 2. Результат коллизии в цепочке блоков
Обмен информации в блокчейне - неотъемлемая часть обеспечивающая работоспособность системы. Существует несколько правил для поддержания синхронизации сети узлами.
- Сообщение о генерации нового блока узлом непосредственно перед созданием
- При соединение узла к новому пиру, запрашивается информация о последнем сгенерированном блоке
- При нахождении узла блока с индексом больше чем у него происходит либо запрос полной цепи блоков, либо добавляется блок к своей цели.
Применительно к тематике управления группами малоразмерных роботов, целесообразно использовать 2 вариант синхронизации. Он предоставляет ряд преимуществ, связанных с масштабируемостью сети и уточнением коллективных задач присоединившимся роботом.
За защиту хранимой информации в блокчейне отвечает хеширую-щая функция [16], она препятствует добавлению в цепочку не валидных блоков. Так же с помощью нее происходит регуляция вычислительной сложности сети. Использование различных алгоритмов позволяет по-разному сконфигурировать защиту информационной цепочки блоков. Можно выделить несколько популярных алгоритмов [17] и адаптировать их к применению в группах малоразмерных роботов, например:
- сгур1о^М[18], использующий протокол кольцевых подписей, позволяющий достичь анонимности в транзакция за счет использования группы пользователей, в которой один из них подписывает транзакцию от всей группы, при этом доподлинно не известной какой именно пользователь. Применительно к групповому управлению, это позволяет создать безопасную систему, в которой даже при получении контроля над элементом системы, нельзя вычислить источник информации в блоке, что в итоге дает защиту других членов коллектива (см. рис.3).
Для затруднения анализа цепочки блоков, кроме кольцевых подписей используются одноразовые адреса в качестве адресов получателей, указывающие на право распоряжения одним из выходов, но не позволяющие определить используемый выход отправителем. С точки зрения поль-
130
зователя, такая транзакция может быть использованы в качестве точки входа в любую транзакцию на которые она ссылается. Повышение комиссии за транзакцию увеличивает анонимность путем расширения круга миксинга.
- еШегеит[19-21], алгоритм основан на смарт контрактах. В нем существует 2 вида учетных записей: внешние, контролируемые с помощью закрытых ключей и контрактные учетные записи, контролируемые кодом, указанным в условиях контракта.
робот! робот 2 робот 3 ... робот п
Рис. 3. Схема протокола кольцевых подписей.
Для внешних учетных записей предусмотрена возможность отправки сообщений другим внешним и контрактным учетным записям, для этого следует создать новую транзакцию используя закрытый ключ, при передаче сообщения контрактной записи есть возможность прикрепить сообщения с возможностью выполнять некие вычисления, создавать новые контракты, переводом токенов.
Контрактные учетные записи не могут самостоятельно инициировать транзакция, они служат для ответа на уже созданные транзакции.
Все действия в блокчейнееШегеит происходят только благодаря транзакциям инициированными внешними учетными записями. (см. Рис.4). Создаваемые транзакции существуют для соединения внешних запросов и внутреннего состояния платформы.
Блок
внешний аккаунт
Рис 4. Блокчейн ethereum.
Так же следует отметить одно из преимуществ платформы ethereum - "протокол Ghost" [22], позволяющий сохранить стабильность системы в периоды создания коллизии выбором цепочки блоков с наибольшим числом вычислений.
Выводы
Анализируя существующие проекты, связанные с блокчейном и робототехникой, нельзя не отметить, что в последнее время тема набирает обороты. В основном проекты основаны на алгоритме ethereum[14], который лидирует за счет скорости создания блоков в 15 секунд.
Используя блокчейн технологию при управлении группами малоразмерных роботов можно решить вопросы недостатка знаний, даже в условиях разрозненности группы. За счет согласованности протокола и репликации сети, блокчейн не создает ни единой точки отказа.
К основным проблемам технологии стоит упомянуть возможность «атаки 51%» [23], а так же потребности в ресурсах для поддержания работы цепи. В тоже время, в виду использования хаотических алгоритмов на основе блочной сети для шифрования передаваемых сообщений, возможность проведения «атаки 51» в сети ничтожно мала. Что касается вопроса потребления ресурсов в алгоритмах POW, стоит заранее определить какую информацию можно обрабатывать локально на роботе, а какую передавать в сеть.
Так же стоит отметить побочную функцию блокчейна - ведение защищенного журнала аудита датчиков находящихся на борту малоразмерного робота. Записанные данные могут быть в дальнейшем проанализированы даже в случае утраты анализируемого члена коллектива.
Исследование выполнено при поддержке проекта РФФИ 19-0700907, 18-58-00051.
Списоклитературы
1. Dorigo M. SWARM-BOT: An experiment in swarm robotics // Proceedings 2005 IEEE Swarm Intelligence Symposium, 2005. SIS 2005. 2005. P. 192-200.
2. Intel Lights Up the Night with 500 "Shooting Star" Drones // Intel.
2016.
3. Kazharov A.A., Kureichik V.M. Ant colony optimization algorithms for solving transportation problems // J. Comput. Syst. Sci. Int. Springer, 2010. Vol. 49, № 1. P. 30-43.
4. Kureichik V.M., Lebedev B.K., Lebedev O.B. Channel routing based on ant colony adaptive behavior model // J. Comput. Syst. Sci. Int. Springer, 2015. Vol. 54, № 2. P. 278-293.
5. Иванов Д.Я., Шабанов И.Б. Модель применения коалиций интеллектуальных мобильных роботов при ограниченных коммуникациях. Шестнадцатая Национальная конференция по искусственному интеллекту КИИ-2018: тр. конф. М., 2018. P. 24-27.
6. Иванов Д.Я. Распределение ролей в коалициях роботов при ограниченных коммуникациях на основе роевого взаимодействия // Управление большими системами. Институт проблем управления им. ВА Трапезникова РАН, 2019. Vol. 78. С. 23-45.
132
7. Milanovic V., Zaghloul M.E. Improved masking algorithm for chaotic communications systems // Electron. Lett. IET, 1996. Vol. 32, № 1. P. 11-12.
8. Nakamoto S., others. Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. Working Paper, 2008.
9. Narayanan A. et al. Bitcoin and cryptocurrency technologies: A comprehensive introduction. Princeton University Press, 2016.
10. Azaria A. et al. Medrec: Using blockchain for medical data access and permission management // 2016 2nd International Conference on Open and Big Data (OBD), 2016. P. 25-30.
11. Sikorski J.J., Haughton J., Kraft M. Blockchain technology in the chemical industry: Machine-to-machine electricity market // Appl. Energy. Elsevier, 2017. Vol. 195. P. 234-246.
12. Samaniego M., Deters R. Virtual resources &blockchain for configuration management in IoT // J. Ubiquitous Syst. Pervasive Networks, 2017. Vol. 9, № 2. P. 1-13.
13. Ferrer E.C., Hardjono T., others. RoboChain: A Secure Data-Sharing Framework for Human-Robot Interaction // arXivPrepr. arXiv1802.04480, 2018.
14. Strobel V., Dorigo M. Blockchain technology for robot swarms: A shared knowledge and reputation management system for collective estimation, 2018.
15. Ferrer E.C. The blockchain: a new framework for robotic swarm systems // Proceedings of the Future Technologies Conference, 2018. P. 10371058.
16. Rogaway P., Shrimpton T. Cryptographic hash-function basics: Definitions, implications, and separations for preimage resistance, second-preimage resistance, and collision resistance // International workshop on fast software encryption, 2004. P. 371-388.
17. Luntovskyy A., Guetter D. Cryptographic Technology Blockchain and Its Applications // The International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics, 2018. P. 14-33.
18. Noether S. Ring SIgnature Confidential Transactions for Monero. // IACR Cryptol. ePrint Arch, 2015. Vol. 2015. P. 1098.
19.Dannen C. Introducing Ethereum and Solidity. Springer, 2017.
20. Wood G., others. Ethereum: A secure decentralisedgeneralised transaction ledger // EthereumProj. yellow Pap. 2014. Vol. 151. P. 1-32.
21. Buterin V., others. A next-generation smart contract and decentralized application platform // white Pap. 2014.
22. Atzei N., Bartoletti M., Cimoli T. A survey of attacks on Ethereum smart contracts. // IACR Cryptol. ePrint Arch. 2016. Vol. 2016. P. 1007.
23. Bastiaan M. Preventing the 51%-attack: a stochastic analysis of two phase proof of work in bitcoin // Availab le at [Электронный ресурс] URL: http://referaat. cs. utwente. nl/conference/22/paper/7473/preventingthe-51-attack-astochastic-analysis-of-two-phase-proof-of-work-in-bitcoin. pdf. (дата обращения: 10.03.2019).
Шабанов Владимир Борисович, младший научный сотрудник, v. b.shabanovagmail.com, Россия, Таганрог, ООО «Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных и управляющих систем»,
Иванов Донат Яковлевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, v. b.shabanovagmail.com, Россия, Таганрог, Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем им. акад. А. В. Каляева Южного федерального университета
APPLICA TION OF CHAOTIC MODELS AND BLOCKCHAIN TO ORGANIZE SECURE INFORMA TION EXCHANGE IN GROUPS OF ROBOTS
V.B. Shabanov, D. Y. Ivanov
The exchange of information in groups of robots is currently a very popular topic, the reason for this is the widespread introduction of robots in human life. As a result of this, the issue of protecting communication channels in teams of robots becomes acute, the article discusses the existing approaches for implementing information exchange and provides a brief analysis of the features of information exchange depending on the type of management strategy, also proposes a method for organizing the exchange of crypto-protected data in a group of robots based on the use of blockchain technology for recording received information in a distributed database and chaotic models that allow encrypting the transmitted Information to coalition members.
Key words: group management system, blockchain, chaotic algorithms, information exchange, limited communications, dynamic systems, interaction of robots, small-sized robots.
Shabanov Vladimir Borisovich, Junior Researcher, v. b.shabanovagmail. com, Russia, Taganrog, LLC "Research Institute of Multiprocessor Computing and Control Systems",
Ivanov Donat Yakovlevich, candidate of technical sciences, senior researcher, v. b. shabanov®,gmail. com, Russia, Taganrog, Research Institute of Multiprocessor Computing Systems named after Acad. A. V. Kalyaev of the Southern Federal University
