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區塊鏈航天應用之歐洲BC4SA項目

軍工資源網 2021年12月20日

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引言:2019年,歐空局(ESA)發布《區塊鏈和地球觀測白皮書》,以確認地球觀測界在太空4.0和未來太空任務數字化工程背景下需要探索的重點領域。空間活動區塊鏈項目(BC4SA)是一項早期的概念驗證,深入洞察區塊鏈技術對ESA的太空任務數字化工程的影響。項目是在ESA通用支持技術計劃(GSTP)的框架內實施的。通過該計劃,歐洲航天工業開發前沿航天技術,通過創造新產品促進創新,并促進航天部門外界技術的引入。BC4SA項目旨在開發和原型化一系列新技術,以實現對太空任務數據的安全和可追溯利用。


一、項目背景

歐洲地球觀測部門正面臨著管理來自哥白尼以及其他國家任務的大量地球觀測數據的問題。這些數據已經達到PB量級,并且還在不斷增長。迄今為止,超過1200萬個數字哥白尼產品可通過哥白尼開放訪問中心下載,相當于總容量超過120PB。對于ESA等地球觀測數據提供商而言,高級地球觀測數據管理的需求除了可訪問性和可用性,還有實施云審計解決方案和來源信息維護。這是因為管理如此大量的數據需要在包括云端設施在內的諸多設施托管和處理。這種計算環境引入了意外數據損壞、處理錯誤、安全違規、數據篡改或惡意干擾等風險。

數據管理工作流為數據來源、分發和流跟蹤提供安全、明確的參考。數據流的跟蹤也被定義為“可追溯性”或“處理步驟的記錄”,可確保對地球觀測產品和服務質量的持續監控(質量保證),特別是考慮到越來越多的地球觀測產品生成和處理都是在歐洲DIAS(數據和信息訪問服務)平臺或協同地面段設施(CollGS)進行的。改進和重新定義地球觀測數據與服務的處理和分發方式,保證提供相同(高)質量的數據產品,是地面段能力創新的關鍵驅動力。

以哨兵產品生命周期(Sentinel Product Life Cycle)為例,它需要標記地球觀測數據以便于搜索和進行互操作。保護數據不被篡改,保護軟件和處理流程不被干擾,對于按需進行的數據處理越來越重要。通過提供可追溯性、地球觀測價值鏈的不可變性與真實性的驗證來保證產品的完整性,具有很高的實用價值。

BC4SA項目專注于一些用例,在這些用例中,創新的區塊鏈解決方案可用于Sentinel數據來源的跟蹤,以及數據完整性驗證。

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追溯鏈條示例

二、地球觀測用例

BC4SA項目的目標之一是為需要獨立的數據和工作流來源驗證(定義為完整性和時間驗證)的ESA哥白尼數據映射當前潛在用戶組,并為每個用戶組設計特定的關鍵用例。在選擇用例時,重點是那些對地球觀測數據產品及其價值鏈的完整性保證和長期數據來源有直接需求的用戶。由此確定了四個主要用戶組:

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以下幾個方面是所有用戶組共同關注的:


下表總結了每個用戶組的高級用例。單元格中的值指示用例的優先級:

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1、用戶需求

EO數據中心運營商被認為是EO數據來源服務主要的潛在用戶群體。商業運營商(例如Maxar、Planet)和公共運營商(例如ESA、EUMETSAT)都關注以下問題:

  • 保護其長期數據;

  • 通過按需處理來減少EO產品數據的存儲;

  • 提供用于開發EO下游服務的關于時間、數據來源的驗證。


以ESA運營的哥白尼核心地面段為例。它允許系統地獲取、處理和分發所有Sentinel數據,包括通過哨兵開放數據中心(DHuS,是一個基于Java網絡的系統,旨在管理ESA哥白尼Sentinel數據的在線分發)。核心地面段由有效載荷數據地面段(PDGS)管理,包括負責任務控制(任務規劃、生產規劃)、質量控制(校準、驗證、質量監測、儀器性能評估)、精確軌道確定、用戶服務接口和采集、處理和存檔的設施。它由以下元素組成:飛行操作段(FOS)、核心地面站、處理和存檔中心(PAC)、任務性能中心(MPC)。

PDGS通過下行鏈路操作獲取衛星圖像,生成原始數據產品,直接分發Level 0的數據,或者處理生成并分發Level 1和Level 2的數據。


近實時的Sentinel數據采集和產品生成在意大利Matera(eGeos)、挪威Svalbard(K-Sat)、西班牙Maspalomas(Inta)和美國Alaska(K-Sat)的核心地面站進行。本地站點可以通過(本地)協作站點提供(站點覆蓋范圍內)區域準實時(距離傳感10-15分鐘)的數據服務。本地/區域站點補充核心X波段和Ka波段站點網絡。

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Sentinel核心地面站和PAC

Sentinel處理和存檔中心(PAC)分布如下:

  • Sentinel-1(Astrium/UK, DLR/Germany),

  • Sentinel-2(Astrium/UK, Indra/Spain),

  • Sentinel-3(OLCI Land DLR/Germany, SRAL CLS/France, SLSTR-SYN ACRI/France), Sentinel-3(OLCI Marine EUMETSAT/Germany),

  • Sentinel-5(DLR/Germany)


這些處理中心負責對從哥白尼采集站接收到的預處理數據進行歸檔,將它們系統地提煉為數據產品,并在全球范圍內提供。

2、數據來源和可追溯性的作用

數據來源對于哥白尼數據流至關重要。但目前并沒有用于系統地驗證EO產品完整性或時間戳的彈性手段,例如確保原始Sentinel數據來源的識別,或保護數據免受惡意篡改。當前的基線方法是計算SAFE(歐洲Sentinel標準存檔格式)包(已壓縮)的MD5哈希值,但是,這僅適用于檢測短期意外數據更改(例如,通過網絡復制數據時的損壞)。

目前Sentinel產品的SAFE包確實包含有限的來源信息,但需要更好地驗證該信息。哥白尼Sentinels產品可追溯性服務要解決其中一些問題。該服務的詳細信息于2019年披露,有以下幾個目標:記錄產品生命周期事件、允許檢索產品歷史記錄、驗證產品副本是否為真以及增強對處理鏈條的信任。該服務計劃用于解決可用產品的指數增長,其技術堆包括:追溯、哈希函數、驗證過程、數字簽名。

它是ESA長期戰略的一部分,以實現對哥白尼EO產品數據來源的客觀驗證,從而保證數據安全。從安全性和可審計性的角度來看,這被視為一般的“必備”功能,并且是Sentinel地面段功能未來發展的獨立于特定應用程序的重要元素。

解決EO產品供應鏈來源軌跡的安全性(不變性)的需求也被視為未來可追溯性服務的一個重要特征,但是用于從來源數據中挖掘和提取知識的來源分析和可視化技術仍有待研究。另一方面,這對于所有按需處理場景都特別重要。

此外,由于ESA核心地面段打算讓云服務和外部各方參與到各種預處理任務(例如DIAS)中,因此能夠在不同的設施中擴展和驗證來源路徑變得至關重要。

3、實施選項

起源鏈有幾種可能的實現方式,它們依賴于從EO產品和處理器計算的哈希值。

  • 公鑰基礎設施(PKI),這是一種傳統上用于驗證參與數據價值鏈的用戶和設備的技術。PKI通常由可信任機構實施,該機構提供創建、管理、分發、使用、存儲和撤銷數字證書以及管理公鑰加密所需的一組角色、策略、硬件、軟件和程序。

  • KSI無密鑰簽名,這是一種設計用于基于數據完整性和時間的記錄自動驗證數字簽名的技術。兩種方法之間的主要區別在于,雖然PKI依賴于私鑰的持續保密(這是識別來源所必需的),但無密鑰簽名僅依賴于哈希函數的加密特性和廣泛發布的驗證碼的可用性。


PKI和KSI都旨在通過提供用于識別數據來源的機制,并對應用的數據處理步驟的創建進行驗證,使電子數據更加可靠。

基于PKI的方法是生成跟蹤(散列)并將它們存儲在可追溯服務(例如云數據庫)中,該服務可以使用兩個加密連接的密鑰進行驗證:一個廣泛可用并充當身份驗證的公鑰錨和用于生成數字簽名的私鑰。這種數字簽名允許驗證數字蹤跡的真實性:數字簽名消息的接收者可以通過檢查附加簽名在預期發送者的公鑰下是否有效來驗證接收消息的來源和完整性。此類簽名的管理被授予認證機構(CA),其任務是交付數字證書、公鑰和私鑰的所有權、驗證密鑰及其所有者的身份以及證書的內容。

使用區塊鏈技術作為概念驗證(PoC)實現的EO來源服務可以為這些功能添加額外的補充。

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