HASHDRONE: A Lightweight Blockchain-Based Consensus Protocol for Data Integrity and Security in Autonomous UAV Swarm Networks

Öz

This paper proposes a HashDrone algorithm that is a lightweight blockchain-based protocol designed to ensure secure and reliable sensor data integrity in decentralized Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarms. Developed following the design science research methodology, HashDrone employs a Python-based, resource-efficient blockchain architecture using the SHA-256 hashing algorithm, enabling deployment on constrained embedded platforms. The simulation results show that HashDrone could able to detect nearly 100% of data tampering attempts while providing millisecond-level real-time verification, significantly outperforming existing blockchain-based UAV solutions with second-level latency as well as an effective and scalable solution for secure data management in autonomous UAV swarm systems.

Anahtar Kelimeler

• Blokchain
• SHA-256
• Data Integrity
• Lightweight Consensus
• Unmanned Aerial Vehicles.

HashDrone: Otonom İHA Sürü Ağları için Hafif Blokzincir Tabanlı Veri Bütünlüğü Doğrulama Mimarisi

Öz

Bu çalışmada, dağıtık İnsansız Hava Araçları (İHA) sürü sistemlerinde sensör verilerinin güvenli ve güvenilir biçimde bütünlüğünü sağlamak amacıyla, hafif bir blokzincir tabanlı veri bütünlüğü doğrulama mekanizması olan HashDrone algoritması önerilmektedir. Tasarım bilimi araştırma metodolojisi izlenerek geliştirilen HashDrone, SHA-256 karma (hash)  algoritmasını kullanan, Python tabanlı ve kaynak açısından verimli bir blokzincir mimarisi sunmakta olup, kısıtlı donanım kaynaklarına sahip gömülü platformlarda çalışabilecek şekilde tasarlanmıştır. Benzetim sonuçları, kullanılan SHA-256 algoritmasının deterministik yapısının doğal bir sonucu olarak, HashDrone mimarisinin veri manipülasyonu girişimlerine karşı anında yüksek duyarlılıkla tespit imkânı sunduğunu ve teorik olarak milisaniye mertebesinde doğrulama potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, önerilen yöntemin geleneksel uzlaşma protokollerinin getirdiği mesajlaşma ve hesaplama yükünü barındırmaması sebebiyle, kaynakları kısıtlı otonom İHA sürü sistemlerinde güvenli veri yönetimi için etkili ve uygulanabilir bir alternatif çözüm olduğu ortaya konmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Blokzincir
• SHA-256
• Veri Bütünlüğü
• Hafifletilmiş Doğrulama
• insansız Hava Araçları

Kaynakça

1. [1] M. Mesbahi and M. Egerstedt, Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks, Princeton Univ. Press, Princeton, NJ, USA, 2010.
2. [2] T. Alladi, V. Chamola, N. Sahu, and M. Guizani, “Applications of blockchain in unmanned aerial vehicles: A review,” Vehicular Communications, vol. 23, Art. no. 100249, 2020, doi: 10.1016/j.vehcom.2020.100249.
3. [3] S. Samonas and D. Coss, “The CIA triad: A review of information security,” J. Inf. Syst. Secur., vol. 10, no. 3, pp. 14–26, 2014.
4. [4] N. Zhao et al., “Vulnerabilities of centralized UAV networks and potential of decentralization,” IEEE Wireless Commun., vol. 25, no. 1, pp. 2–7, Feb. 2018.
5. [5] R. W. Sinnott, “Virtues of the Haversine,” Sky Telescope, vol. 68, no. 2, p. 159, Aug. 1984.
6. [6] H. Feistel, “Cryptography and computer privacy,” Sci. Amer., vol. 228, no. 5, pp. 15–23, May 1973.
7. [7] NIST, “FIPS PUB 180-4: Secure Hash Standard (SHS),” Nat. Inst. Stand. Technol., Gaithersburg, MD, USA, Tech. Rep., Aug. 2015.
8. [8] K. Can and A. Başçi, “Leader-Follower Formation Control of Quadrotor: A Simple Virtual Leader Approach,” in Proc. Int. Symp. on Applied Sciences and Engineering (ISASE), 2021, pp. 479–483.

9. [9] X. Li et al., “Real-time verification delays in conventional blockchain-UAV architectures,” J. Syst. Archit., vol. 154, pp. 103–115, Jan. 2025.
10. [10] A. Koulianos and A. Litke, “Hardware constraints in blockchain-enabled edge computing for drones,” IEEE Access, vol. 11, pp. 1422–1435, 2023.
11. [11] W. Shi et al., “Edge computing: Vision and challenges,” IEEE Internet Things J., vol. 3, no. 5, pp. 637–646, Oct. 2016.
12. [12] A. Muslimov and R. Munasypov, “Energy efficiency challenges of consensus mechanisms in mini-UAVs,” Appl. Sci., vol. 11, no. 9, p. 3851, Apr. 2021.
13. [13] R. Diestel, Graph Theory, 5th ed., Springer-Verlag, Berlin, Germany, 2017.
14. [14] K. Can and A. Başçi, “Robust Consensus-Based Formation Control of a Group of UAVs,” Elektronika ir Elektrotechnika, vol. 29, no. 4, pp. 4–10, 2023, doi: 10.5755/j02.eie.34306.
15. [15] T.C. Strateji ve Bütçe Başkanlığı, “On İkinci Kalkınma Planı (2024–2028),” Ankara, Türkiye, Teknik Rapor, 2023.
16. [16] A. R. Hevner et al., “Design science in information systems research,” MIS Quart., vol. 28, no. 1, pp. 75–105, Mar. 2004.
17. [17] L. Roque et al., “Blockchain for swarm robotics: A survey,” Sensors, vol. 20, no. 18, p. 5244, Sep. 2020, doi: 10.3390/s20185244.
18. [18] M. Javaid et al., “Blockchain technology applications in Industry 4.0: A review,” J. Ind. Inf. Integr., vol. 24, p. 100209, Dec. 2021.
19. [19] S. Nakamoto, “Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system,” 2008. URL: https://bitcoin.org (Erişim zamanı: Mayıs 27, 2026).
20. [20] Folium Developers, “Interactive maps with Python,” 2023. URL: https://python-visualization.github.io/folium/ (Erişim zamanı: Mayıs 27, 2026).
21. [21] X. Huang and D. Huang, “Performance Analysis of Blockchain Consensus Algorithm in Unmanned Aerial Vehicle Ad Hoc Networks,” Drones, vol. 9, no. 5, Art. no. 334, 2025, doi: 10.3390/drones9050334.
22. [22] L. Wang, Y. Chen, and H. Gupta, “Edge computing for resource-constrained avionics: A performance study,” in Proc. Eur. Conf. Embedded Syst. (ECES), 2024.
23. [23] R. Xu, Z. Chang, X. Zhang, and T. Hämäläinen, “Blockchain-Based Resource Trading in Multi-UAV Edge Computing System,” IEEE Internet Things J., vol. 11, no. 12, pp. 21559–21573, Jun. 2024, doi: 10.1109/JIOT.2024.3375918.