適用于雙層衛星網絡的星間組網認證方案

朱輝，武衡，趙海強，趙玉清，李暉

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適用于雙層衛星網絡的星間組網認證方案

朱輝1,2，武衡1，趙海強2，趙玉清1，李暉1

（1. 西安電子科技大學網絡與信息安全學院，陜西 西安 710071；2. 通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081）

為解決雙層衛星網絡高、低軌衛星間的組網認證問題，提出了一種安全、高效的星間組網認證方案。該方案基于對稱加密設計，能夠在無可信第三方參與的情況下，實現高、低軌衛星間的信任建立和安全通信。針對衛星網絡時鐘高度統一、節點運行軌跡可預測的場景特點，設計了認證預計算機制，有效提升了星間組網的認證效率。形式化證明與安全性分析表明，所提方案能夠滿足衛星在組網階段的多種安全需求。性能分析及仿真結果顯示，所提方案具有較低的計算和通信開銷，能夠實現衛星在資源有限場景下的安全組網認證。

雙層衛星網絡；星間組網認證；對稱加密；安全協議

1 引言

利用衛星通信網彌補5G基站的覆蓋盲區，解決山區、極地、遠洋等地區的高帶寬通信難題，已經成為學術和工業領域的一個重要研究方向。包含高軌衛星（GEO，geostationary earth orbit）和低軌衛星（LEO，low earth orbit）的雙層衛星網絡（如圖1所示），由于能夠提供“全球覆蓋、隨遇接入”的通信服務，一提出就受到業內的廣泛關注[1]。

圖1 雙層衛星網絡模型

然而，衛星網絡的組網運行面臨嚴峻的安全挑戰[2]。一方面，由于雙層衛星網絡涉及上百顆不同軌道的衛星，無法維持穩定的拓撲結構，頻繁的鏈路切換顯著增加了該網絡遭受入侵的可能；另一方面，星間通信采用開放鏈路，通信內容易被監聽、篡改和偽造，使衛星網絡的組網過程極有可能因遭受惡意干擾而無法完成。因此，衛星網絡的安全、快速組網是確保其穩定工作的前提。

身份認證是保障衛星網絡安全運行的一項重要技術。然而，雙層衛星網絡特殊的部署環境，對星間身份認證協議的設計提出了更高的要求。首先，星上資源有限，難以應對較大的計算開銷；其次，星間距離較遠，通信時延長達數百毫秒，這種時延不可忽略[3]；最后，由于雙層衛星網絡包含衛星數量眾多，認證協議需要盡量減少地面站等第三方的參與，確保衛星組網的自主性和獨立性。

針對衛星網絡的安全組網問題，研究們者提出了一系列身份認證方案。基于公鑰（或證書）的方案具有密鑰管理簡單、不需要地面頻繁參與的優勢，然而，此類方案認證時需要進行證書傳遞和復雜的公鑰、私鑰計算，存在通信和計算開銷較大等問題。基于對稱加密的方案計算開銷較少，但是通常認證過程繁瑣，或者需要可信第三方的參與，需要進行優化改進才能應用于衛星網絡。此外，現有的許多方案由于并非針對雙層衛星網絡設計，在使用上存在一定的不合理性。

針對上述問題，本文綜合考慮雙層衛星網絡時鐘高度統一、節點運行軌跡可預測的場景特點，基于對稱加密，提出了一種安全、高效的認證與密鑰協商方案（GL-AKA，GEO and LEO authenticated key agreement）。該方案能夠在無可信第三方參與的情況下，實現GEO和LEO之間的信任建立和安全通信。分析表明，本方案能夠有效抵御常見的各類攻擊，且具有較低的計算和通信開銷。

2 相關工作

與衛星網絡相關的安全研究一直是學術界的研究熱點，其中，身份認證技術由于能夠保證衛星網絡的安全組網，受到了學術界的廣泛關注。Liu等[4]分析了身份認證對于衛星組網的重要意義，研究了該場景下的諸多安全威脅，如竊聽、會話劫持、非授權訪問等。Chowdhury等[5]基于衛星節點資源有限的場景特點，為多網融合的衛星系統提出了一個認證框架。

針對衛星網絡的身份認證方案主要分為2類。一部分研究者主張采用公鑰、證書等技術。任方等[6]提出了一種基于證書的公鑰基礎設施，采用分布式證書頒發機構，能夠在復雜多變的衛星網絡中實現星間身份認證。Zhong等[7]利用基于身份的公鑰體制設計了一種適用于衛星網絡的星間認證與密鑰協商方案。然而，基于公鑰的認證方案由于計算開銷較大，在應用上存在一定的局限性。

另一部分研究者傾向于采用對稱加密進行方案設計。Zhang等[8]基于對稱加密提出了一種認證和密鑰協商方案，并通過形式化分析證明了其安全性。然而，Qi等[9]經過分析發現該方案存在一些不足，如面對拒絕服務攻擊的不安全性、存在密鑰更新問題等，對此，Qi提出了一種增強型認證方案。但是，許多基于對稱密鑰的方案依舊存在認證過程復雜、需要可信第三方參與等問題。

鑒于資源有限的星上環境，對認證方案的輕量化改進也是一個重要的研究方向。Vossaert等[10]使用對稱加密設計了一種適用于資源有限節點的輕量化認證方案，性能分析表明該方案能夠有效地減少衛星在認證過程中的計算開銷。Lee等[11]為進一步減少星間認證的計算開銷，提出了一種僅使用散列函數和異或計算的認證方案，該方案的計算開銷極低。然而，Zhang等[12]發現該方案因過多的簡化，無法保證星間認證的安全性，易受到拒絕服務攻擊、重放攻擊等多種安全威脅，故對該方案進行改進，提高了安全性。

衛星的身份匿名性也是設計認證方案時的一個關注重點。為了防止衛星身份信息的泄露， Tsai[13]提出了一種匿名認證方案，該方案在用戶身份匿名保護上有了較大的改進，能夠有效地防止衛星節點真實身份信息的泄露。然而，匿名保護算法也在一定程度上增加了認證方案的計算復雜度。為了提升認證效率，Yoon等[14]在認證方案中使用了一種輕量化的匿名技術，實現匿名保護的同時有效地減少了匿名運算帶來的額外開銷。

綜上所述，現有認證方案在安全性、輕量化等方面進行了較大改進。但是，上述方案并非針對雙層衛星網絡設計，在應用上還存在局限性。本文旨在針對雙層衛星網絡，基于對稱加密技術，提出一種安全、高效的組網認證方案。

3 預備知識

3.1 系統模型

高、低軌衛星間的組網認證主要考慮GEO和LEO。其中，GEO使用地球同步軌道，由于星間位置相對固定，多顆GEO能夠組成一個結構穩定的衛星網絡； LEO使用極地軌道，由于運行速度較快、公轉周期較短，通信鏈路無法長時間維持。受軌道設置的影響，LEO和GEO網絡之間難以維持穩定的拓撲結構。在運行過程中，為保證與GEO網絡通信的穩定性，LEO需要在GEO網絡的不同接入點之間進行頻繁的鏈路切換。

如圖2所示，在2個GEO與一個LEO組成的最小雙層衛星網絡系統中，可以看出，LEO與GEO之間的鏈路切換主要發生在極點附近。當順時針運行的LEO經過北極點時，由于地球的阻擋，其與GEO1之間的通信鏈路會出現中斷。此時，該LEO需要與GEO2建立新的通信鏈路才可以再次接入GEO網絡。

圖2 星間鏈路切換示意

由于GEO在極點附近存在覆蓋盲區，經過極點時，LEO會暫時脫離GEO網絡。為保證衛星網絡的運行安全，每次鏈路切換時，衛星之間都需要重新進行身份認證并協商新的會話密鑰，為保證衛星通信的連續性，該過程需要在保證安全的前提下盡量減少切換時延。

3.2 攻擊者模型

星間通信鏈路高度開放，攻擊者能夠通過信道監聽、信令重放等方式對星間組網認證實施干擾。這一場景特點與安全協議形式化分析中常用到的Dolev-Yao模型[15]所定義的“網絡處于攻擊者的控制之下”具有一致性，因此，本文認為該場景下的攻擊者也具有與Dolev-Yao模型中的攻擊者相似的網絡攻擊能力，對攻擊者的具體定義如下。

1) 攻擊者能夠監聽、攔截和存儲衛星間的全部會話，包括所有的認證信令。

2) 攻擊者能夠通過構造的代理節點與目標衛星建立連接并參與星間組網認證。

3) 攻擊者能夠對存儲的會話內容進行破解，得到諸如會話密鑰、認證密鑰等關鍵參數。

4) 攻擊者能夠重放攔截的認證信令或利用破解得到的關鍵參數偽造認證信令。

根據文獻[4]對衛星網絡安全威脅的研究，攻擊者對衛星網絡發起的攻擊主要包括以下2類。

1) 實體假冒。攻擊者通過分析星間認證信令，推斷認證流程，進而構造衛星代理節點，通過重放、偽造認證信令等方式，實施網絡入侵。

2) 拒絕服務攻擊。攻擊者通過搜集認證節點的身份信息，利用得到的合法身份信息偽造認證信令，向目標衛星頻繁發送認證請求，不斷消耗衛星的計算資源和通信帶寬，達到癱瘓衛星的目的。

3.3 安全需求

衛星通信網涉及地面上億用戶的通信安全，需要極高的安全性。為保證衛星間的組網安全，認證協議需要滿足以下安全需求。

1) 雙向認證。為了保證星間組網的安全性，認證方案需要保證協議雙方均能夠檢驗對方身份的合法性。

2) 抵御重放攻擊。認證方案需要設計有效的抗重放機制，防止攻擊者通過重放攔截的星間認證信令，實施網絡攻擊。

3) 抵御拒絕服務攻擊。由于衛星資源有限，難以應對大量接入請求，認證方案需要能夠對合法用戶進行快速區分。

4) 前向安全性和后向安全性。由于攻擊者極有可能破解攔截到的星間會話，認證方案必須保證星間通信在安全方面的前向/后向獨立性。

3.4 BAN邏輯

BAN邏輯最初由Burrows、Abaci和Neecham聯合提出，目前，已廣泛用于認證協議安全性的形式化分析[16]。表1列舉了使用BAN邏輯時用到的基本符號及其含義。相關BAN邏輯規則描述如下。

4) 消息接收規則

6) 信念規則

表1 BAN邏輯符號及其含義

4 GL-AKA星間組網認證方案

針對雙層衛星網絡的場景特點，為滿足星間組網的安全需求，本節提出了一種適用于高、低軌衛星的星間組網認證方案，包括系統初始化、認證信息注冊、認證預計算和星間切換認證這4個部分。表2列舉了GL-AKA中使用的符號及其含義。

表2 GL-AKA使用的符號及其含義

4.1 系統初始化

系統初始化由地面站在衛星發射準備階段進行，主要包括認證信息的生成和分發，如ID、IDKey、MainKey等，其中，1) ID是衛星的身份信息，用于對衛星節點進行唯一標識；2) IDKey是衛星身份信息的匿名保護密鑰，屬于GEO與LEO群組之間的共享秘密，用于認證階段LEO臨時身份的生成；3) MainKey是星間認證的主密鑰，屬于GEO和LEO衛星之間的共享秘密，用于生成認證密鑰AuthKey。

4.2 認證信息注冊

認證信息注冊包括2個步驟，分別是LEO首次接入GEO網絡時的身份認證和隨后的信息注冊。衛星間的首次信任建立需要進行一次完整的身份認證，如圖3所示。該過程包括以下4個步驟。

步驟2 收到認證請求后，GEO首先對該請求的合法性進行驗證，如1)所示。

圖3 認證信息注冊過程

4.3 認證預計算

為減少衛星在認證階段的計算開銷，本文方案基于衛星的時鐘同步性和軌位可預測性設計了認證預計算機制，該過程由GEO和LEO獨立完成，具體如下。

預計算完成之后，LEO和GEO的認證信息表中分別存儲下次認證所需各項參數，再次進行組網認證時，衛星只需要通過查表就可以得到所需要的認證參數。

4.4 星間切換認證

當LEO再次與已經注冊過認證信息的GEO進行認證時，只需要執行輕量化的認證協議，具體步驟如下。

步驟1 LEO首先判斷自身軌道參數是否發生改變。如果出現軌道攝動，由于預計算參數已經失效，需要按照4.2節所述的認證過程重新進行身份認證，并更新認證信息；如果軌道參數正常，LEO將預計算得到的TID和RES連同認證請求一起發送給GEO。

5 方案分析

5.1 基于BAN邏輯的安全性證明

由于信息注冊階段的認證過程和切換認證階段的認證過程結構基本相同，本節主要對認證過程較為復雜的前者進行安全性證明。下文中，A、B分別為LEO和GEO的ID。

1) 協議理想化

本階段衛星間所傳遞消息的理想化模型如下。

2) 協議目標

3) 初始假設

本協議的初始化假設如下。

4) 協議分析

本協議的部分安全性證明如下。

由消息1可得

由語句①和假設1，根據消息含義規則得

由語句②和假設5，根據新鮮性規則得

由消息2可得

由語句④，根據消息接收規則可得

由語句⑤和假設2，根據消息含義規則可得

由語句⑥和假設6，根據新鮮性規則可得

此時，A相信收到的消息確實來自B，并且不是重放消息，完成了對B的認證。

由語句⑥和語句⑦，根據新鮮性驗證規則和信念規則可得

由語句⑧和假設7，根據控制規則得

由消息3可得

由語句⑩和假設3，根據消息含義規則得

此時，B相信收到的消息確實來自A，并且不是重放消息，完成了對A的認證。

由語句?，根據新鮮性驗證規則可得

5.2 安全性分析

5.2.1 雙向認證

5.2.2 抵御重放攻擊

本文所提方案能夠有效抵御攻擊者的重放攻擊。由于衛星網絡具有時鐘高度同步的特點，可以采用時間戳技術抵御重放攻擊。

5.2.3 抵御拒絕服務攻擊

本文所提方案能夠有效地抵御攻擊者的拒絕服務攻擊。對于衛星網絡，攻擊者可以通過向目標衛星頻繁發送接入請求來消耗其有限的計算資源。本文方案通過臨時身份對接入請求的合法性進行鑒別，緩解了衛星在認證階段的計算壓力。

5.2.4 前向安全性與后向安全性

本文所提方案能夠有效保證星間身份認證的前向安全性和后向安全性。

5.2.5 身份匿名性

表3列舉了本文方案與同類無線方案在安全性上的對比結果。通過分析可以發現，本方案在保證星間認證安全的基礎上，還對衛星進行身份信息匿名化處理。同時，本文方案利用衛星網絡的時鐘同步優勢，避免了認證過程產生的同步開銷。

表3 本方案與現有方案在安全性上的對比

5.3 性能分析

5.3.1 通信開銷

本節主要分析星間組網認證方案的通信開銷。受通信距離的影響，星間鏈路具有極高的通信時延。在認證階段，相比于數百毫秒的傳輸時延，認證信令的發送時延及其帶寬消耗對方案通信開銷的影響可以忽略不計。因此，對于衛星網絡這一特殊認證場景，本文主要通過完成認證所需會話次數來對各方案的通信開銷進行比較，表4列舉了不同方案的對比結果。其中，如果認證方案需要注冊步驟，階段1表示首次身份認證所需要的會話次數，階段2表示隨后的切換認證所需的會話次數；如果沒有注冊步驟，階段1表示單次認證所需會話次數，階段2中用“—”表示無此步驟。

由表4可知，相比于其他方案，本文方案由于在認證預計算階段已經預先完成了部分認證參數的傳遞與計算，在已注冊認證信息之后的切換認證過程中，只需要2次星間會話即可完成星間身份認證與密鑰協商。因此，本文方案在以高通信時延為特點的衛星網絡場景中具有更大優勢。

表4 各方案完成認證所需會話次數

5.3.2 計算開銷

本節主要分析星間組網認證方案的計算開銷。由于各方案涉及較多的自定義參數及其對應的計算函數，無法對各方案的計算復雜度進行直接比較，本文采用與文獻[21]相同的關鍵計算比較法對各方案的計算復雜度進行對比，如表5所示。其中，BL代表一次分組加密，H代表一次散列運算，M代表一次消息驗證碼運算，C代表一次比較運算。

表5 各方案完成認證所需計算開銷

如表5所示，當新入軌LEO在GEO處完成認證信息注冊后，憑借基于軌位預測技術設計的認證預計算機制，本文方案實現了衛星認證參數的預計算。在后續的認證過程中，衛星只要將收到的認證參數與預計算得到的參數進行簡單的序列比較以及進行少量計算就能完成身份認證，不需要進行參數的現場計算與檢驗，有效地減少了衛星在認證階段的計算開銷。

為進一步對各方案的計算開銷進行比較，本文對各方案進行了仿真實驗。在仿真實驗中，統一采用i5 4590 + 8 GB RAM的實驗環境，將SM3-256 bit作為散列函數、SM3-HMAC-256 bit作為MAC計算函數、SM4-128 bit作為分組加密算法，將隨機數的長度限制為128 bit、時間戳（序列號）的長度限制為48 bit。圖4為各方案完成一定次數的身份認證，計算和驗證認證參數所耗費的時間。仿真結果表明，相比于其他方案，本文方案在認證階段所需的參數計算時間更少。

圖4 各方案完成認證的計算時間

6 結束語

本文針對雙層衛星網絡高、低軌衛星間的安全組網問題，基于對稱加密，設計了一種安全、高效的星間組網認證方案。本文方案充分考慮了衛星網絡時鐘高度同步、衛星軌道可預測的場景特點，設置了認證預計算機制，在保證安全的前提下，通過預計算認證參數有效地緩解了衛星在認證階段的計算壓力。理論分析表明，本文方案除了提供雙向認證、抵御重放攻擊、抵御拒絕服務攻擊外，還能保證會話的前向/后向安全性及衛星身份的匿名性。同時，與同類方案相比，本文方案在提供同等安全性的基礎上，具有更低的計算和通信開銷，更適用于資源有限的衛星場景中。

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Efficient authentication scheme for double-layer satellite network

ZHU Hui1,2, WU Heng1, ZHAO Haiqiang2, ZHAO Yuqing1, LI Hui1

1. School of Cyber Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China 2.Science and Technology on Communication Networks Laboratory, Shijiazhuang 050081, China

To solve the issue of networking authentication among GEO and LEO satellites in double-layer satellite network, a secure and efficient authenticated key agreement scheme was proposed. Based on symmetric encryption, the proposed scheme can achieve trust establishment and secure communication between satellites without the trusted third party. Meanwhile, considering characteristics of highly unified clock and predictable satellite trajectory in satellite networks, a pre-calculation method was designed, which can effectively improve the authentication efficiency of satellite networking. Moreover, formal proof and security analysis demonstrate that the scheme can satisfy various security requirements during satellite networking. Performance analysis and simulation results show that the scheme has low computation and communication overhead, which can achieve the authentication of satellite networking in resource-limited scenarios.

double-layer satellite network, satellite networking authentication, symmetric encryption, secure protocol

TP302

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2019058

2018?03?16；

2019?01?24

國家重點研發計劃基金資助項目（No.2016YFB0800300）；國家自然科學基金資助項目（No.61672411, No.U1401251）；通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室開放課題基金資助項目（No.KX172600023）；高等學校學科創新引智計劃基金資助項目（No.B16037）

The National Key Research and Development Program of China (No.2016YFB0800300), The National Natural Science Foundation of China (No.61672411, No.U1401251), Science and Technology on Communication Networks Laboratory (No.KX172600023), China’s 111 Project (No.B16037)

朱輝（1981? ），男，河南周口人，博士，西安電子科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為數據安全與隱私保護、安全方案及協議設計、網絡及應用安全。

武衡（1992? ），男，山西盂縣人，西安電子科技大學碩士生，主要研究方向為安全方案及協議設計。

趙海強（1978? ），男，湖北宜昌人，中國電子科技集團公司第五十四研究所碩士生，高級工程師，主要研究方向為網絡安全技術。

趙玉清（1994? ），女，河北石家莊人，西安電子科技大學碩士生，主要研究方向為安全方案及協議設計。

李暉（1968? ），男，河南靈寶人，博士，西安電子科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為密碼學、無線網絡安全、云計算安全、信息論與編碼理論。