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衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全技術(shù)綜述

文檔作者：關(guān)漢男12，易平1·2，俞敏杰1·2，李建華1.2.3 文檔來源： 1.信息內(nèi)容分析技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 2.上海交通大學(xué)信息安全工程學(xué)院 3.上海鵬越驚虹信息技術(shù)發(fā)展有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年08月01日
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．。壹羹疊豳豳豳一
表3 3種密鑰管理協(xié)議的比較
hierarchv。Um)㈤的密鑰管理方案㈣。該協(xié)議將衛(wèi)星系統(tǒng)的
通信節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)組，每個(gè)組由一個(gè)組控制器(group
con昀Her，GC)和多個(gè)組成員(伊叫p lnember，GM)構(gòu)成。組
內(nèi)構(gòu)成一個(gè)可信域，共享同一個(gè)通信組密鑰，組控制器負(fù)
責(zé)組內(nèi)的密鑰管理和認(rèn)證。所有組控制器由根節(jié)點(diǎn)(蹦)
統(tǒng)一進(jìn)行密鑰管理，形成一個(gè)更高層次的可信域。衛(wèi)星多
播通信中，為了保障前向安全性(即節(jié)點(diǎn)退出后就不能再
獲取多播通信信息)和后向安全性(即新加入的節(jié)點(diǎn)不能
獲知加人前的多播信息)，必須在任何一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)退出
或加入后．更新組內(nèi)密鑰。傳統(tǒng)中心式結(jié)構(gòu)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目
的增加更新密鑰的開銷呈指數(shù)級(jí)增長，基于邏輯密鑰樹的
分層密鑰管理協(xié)議減少了密鑰更新的開銷，非常適合于動(dòng)
態(tài)性強(qiáng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是這種密鑰管理結(jié)構(gòu)還是中心
化的，根節(jié)點(diǎn)作為密鑰管理中心，仍舊存在單點(diǎn)失效的風(fēng)
險(xiǎn)。另外當(dāng)層級(jí)增多或分組過多時(shí)，每次更新密鑰會(huì)產(chǎn)生
較大的通信流量。
鐘焰濤在其博士學(xué)位論文【柏】中設(shè)計(jì)了一種基于LE0
(低地球軌道)和MEO(中地球軌道)的雙軌道密鑰管理架
構(gòu)。所有ME0衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)分布式可信域，通過密鑰協(xié)商
生成共享組密鑰。每個(gè)ME0衛(wèi)星和其信號(hào)輻射范圍內(nèi)所
有LE0衛(wèi)星組成一個(gè)簇，ME0充當(dāng)這個(gè)簇的密鑰管理中
心(簇頭)，簇內(nèi)組密鑰是將ME0組密鑰加入隨機(jī)參數(shù)生
成的．從而保障不同簇的密鑰差異。由于純分布式密鑰管
理密鑰協(xié)商過于頻繁，不適用于星問鏈路，而中心化的結(jié)
構(gòu)又存在單點(diǎn)失效等問題。簇型結(jié)構(gòu)能夠中和以上兩種結(jié)
構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)．可以在性能和效率上取得較好的平衡。
3種密鑰管理協(xié)議的比較如表3所示。
6結(jié)束語
伴隨著空間通信技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星通信環(huán)境逐漸向
“類地化”發(fā)展。據(jù)美國宇航局(NASA)預(yù)測(cè)，低地球軌道衛(wèi)
星的通信能力有望在2020年達(dá)到10 Gbit／s，空間鏈路誤
碼率有望降至10。以下{4ll。這在讓筆者感到興奮的同時(shí)，
也為通信安全敲響了警鐘。衛(wèi)星系統(tǒng)性能的提升為實(shí)現(xiàn)天
地一體化綜合信息網(wǎng)創(chuàng)造了條件。同時(shí)也為更復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)攻
擊手段提供了溫床。因此衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的安全研究仍舊是
一個(gè)年輕的領(lǐng)域。除了本文討論的幾種技術(shù)外，未來的發(fā)
萬方數(shù)據(jù)
!睦趟麓閣圈圈
域覆蓋面廣、通信不受地理?xiàng)l件所限、信道鏈路成本低、可
用頻率資源豐富等優(yōu)勢(shì)，成為了構(gòu)建全球無縫通信互聯(lián)網(wǎng)
絡(luò)的重要組網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近lO年聞，世界各國提出的衛(wèi)星
寬帶綜合業(yè)務(wù)通信方案多達(dá)80一100個(gè)?？梢灶A(yù)見，新一代
衛(wèi)星通信系統(tǒng)將向通信寬帶化、業(yè)務(wù)綜合化、移動(dòng)終端多樣
化、與Incemet(國際互聯(lián)網(wǎng))一體化方向發(fā)展。
在此背景下。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全面臨更大挑戰(zhàn)。由
于空間通信環(huán)境特殊，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)并不完全適
用于衛(wèi)星通信。而以往的研究更多關(guān)注于衛(wèi)星通信的可用
性和效率．對(duì)于安全機(jī)制的討論尚不充分。近年來頻發(fā)的
衛(wèi)星安全事件足以印證這一點(diǎn)：2006年印尼黑客通過自‘制
的信號(hào)終端成功入侵商用衛(wèi)星?；2007年歐洲Galileo
導(dǎo)航系統(tǒng)中G10VE．A衛(wèi)星的編碼算法被攻破【21：2009年
我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的M1民用編碼被破解【3】?？梢娦l(wèi)星通
信系統(tǒng)亟需多層次、系統(tǒng)化、綜合性的安全防護(hù)體系。
2衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全弱點(diǎn)
衛(wèi)星通信系統(tǒng)由地面段和空間段組成，地面段包括主
控中心、監(jiān)測(cè)中心及信關(guān)站，空間段包括衛(wèi)星星座、星間鏈
路和星地鏈路。空間段通過微波通信進(jìn)行數(shù)據(jù)及信令的傳
輸、轉(zhuǎn)發(fā)和交換。是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，也是安全隱患最
大的部分，其安全弱點(diǎn)歸納如下。
(1)物理通信環(huán)境惡劣
星座網(wǎng)絡(luò)位于據(jù)地面高度2 000 km(低地球軌道)至
35 800 km(同步衛(wèi)星軌道)的太空近地軌道，通信鏈路
容易受到宇宙射線、大氣層電磁信號(hào)或惡意電磁信號(hào)
的干擾。具有信號(hào)傳輸誤碼率高(10～一lO。)、時(shí)延大
(10～300 ms)、通信不穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于無線鏈路具有
開放性．缺乏物理保護(hù)．容易遭受干擾、截獲、偽造等惡意
攻擊。
(2)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能力受限
相比地面系統(tǒng)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的硬件處理能力較低，星上
系統(tǒng)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間、電能功率等都受到一定限制，
這直接制約了星上運(yùn)算的復(fù)雜度和通信開銷，使得安全性
高的復(fù)雜協(xié)議難以在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。
(3)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性變化
星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂袩o中心、自組織、周期性的特點(diǎn)，而
地面部分用戶終端具有移動(dòng)性，可擴(kuò)展性。這些因素使得
網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)體間的信任關(guān)系不斷變化，增大了身份認(rèn)證、
密鑰管理、訪問控制的難度，地面用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的安全措
施往往不適合這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全性概述
根據(jù)OSl分層通信模型．衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要通信協(xié)
議、安全威脅和防護(hù)技術(shù)如表1所示。從低層向高層，安全
威脅呈現(xiàn)出手段更豐富、技術(shù)更復(fù)雜、隱蔽性更強(qiáng)、防護(hù)難
度更高的發(fā)展趨勢(shì)。具體包括硬件設(shè)施損毀、壓制干擾、欺
騙干擾、頻段竊聽、數(shù)據(jù)截獲、數(shù)據(jù)篡改、重放攻擊、中間人
攻擊、身份仿冒和非授權(quán)訪問等。衛(wèi)星系統(tǒng)的安全技術(shù)應(yīng)
該在不同通信層級(jí)各有側(cè)重，主要保障系統(tǒng)的可用性、數(shù)
表1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要協(xié)議及安全技術(shù)匯總
通信層級(jí)衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要協(xié)議安全威脅安全技術(shù)
應(yīng)用層
傳輸層
網(wǎng)絡(luò)層
空間分組協(xié)議SCPs．FP
SCPSJP
SCMP、
SCPS—SP、
SCPS—NP
改進(jìn)的FrP
改進(jìn)的TCP(如PEP．7I℃P、
TCP-Peach、TCP—Peach+等)
改進(jìn)的ICMP；改進(jìn)的IPSec
(如SalIPsec等)；改進(jìn)的IP
改進(jìn)的ATM
非授權(quán)訪問：
身份仿冒；
拒絕服務(wù)；
中間人攻擊：
重放攻擊；
信息篡改；
信息截獲
數(shù)據(jù)鏈邏輯鏈路AOS空間數(shù)據(jù)鏈路ProxjIllity空問遙測(cè)數(shù)據(jù)遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路協(xié)議頻段竊聽
路層子層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議鏈路協(xié)議欺騙干擾
萎耋編碼黑詈鎏譬硐卷積編碼陋編碼Tu加編碼咖編碼囂蠶蔞子層PLOPS 同步編碼
“””8
物理層信道物理信號(hào)射頻與調(diào)制
基礎(chǔ)設(shè)施星座網(wǎng)絡(luò)、控制中心、信關(guān)站、監(jiān)測(cè)站、用戶終端
訪問控制：
身份認(rèn)證；
新鮮性認(rèn)證：
完整性認(rèn)證：
數(shù)據(jù)加密：
密鑰管理
防頻段竊聽：擴(kuò)頻技術(shù)、跳
頻技術(shù)、加入人工噪聲、編
碼加密：
抗欺騙干擾：能量鑒別、角度
鑒別、認(rèn)證加密：
抗壓制干擾：提高信源功率、
自適應(yīng)多波束天線、偽衛(wèi)星
技術(shù)：
抗損毀：設(shè)施冗余備份、衛(wèi)星
高軌道設(shè)計(jì)、衛(wèi)星分散化設(shè)
計(jì)、星座網(wǎng)絡(luò)自主運(yùn)行技術(shù)
萬方數(shù)據(jù)
萬方數(shù)據(jù)
三．二生氆圈豳簟誓
理論基礎(chǔ)是Wvner提出的竊聽信道模型，即竊聽者的疑義
速率無限接近于信息速率時(shí)，不可能得到任何可用信息，
信息可不依賴于加密進(jìn)行安全通信。參考文獻(xiàn)f16】提出一
種基于人工噪聲(anificial noise，AN)的竊聽反制技術(shù)，通
過在不影響信源信號(hào)質(zhì)量的冗余頻譜上加入人工噪聲，達(dá)
到提高竊聽信道疑義速率的目的。但是由于星載能量的有
限性，這種技術(shù)并不適合在衛(wèi)星系統(tǒng)中普遍使用。Zheng G
等人在參考文獻(xiàn)『171中結(jié)合多波束通信、AN等安全技術(shù)，
提出一種對(duì)竊聽者信道產(chǎn)生最大化干擾的防護(hù)策略。但該
算法建立在已知竊聽者信道狀態(tài)信息(CSI)(至少要獲知信
道協(xié)方差矩陣(CCM))的假設(shè)之下，因此在實(shí)際應(yīng)用中存
在局限。
底層加密技術(shù)也可以起到綜合防護(hù)的效果，缺點(diǎn)是只
能保護(hù)一條鏈路的傳輸安全，不能實(shí)現(xiàn)端到端的防護(hù)．因
此只適用于數(shù)據(jù)交換量不大、安全要求高的特定場(chǎng)景。如
GPs的AS(鋤ti．spoo{ing)防護(hù)機(jī)制，其目的是通過鏈路層編
碼加密來保護(hù)用于軍用衛(wèi)星導(dǎo)航的P碼序列，AS機(jī)制將P
碼與加密的W碼模2相加形成加密的P(Y)碼，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)
星導(dǎo)航信號(hào)的防竊聽、抗干擾和授權(quán)訪問。
5網(wǎng)絡(luò)層／傳輸層安全
近年間，物理層技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了空間信道質(zhì)量的提
升。通信協(xié)議明顯有從低層向高層發(fā)展的趨勢(shì)。早在1999年，
國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(Consultalive Committee for
Space Data Systems，CCSDS)就制定了空間通信協(xié)議(space
communication protoc01 speci{icalion，SCPS嚴(yán)鋤，SCPs沿用
了TCP，【P分層結(jié)構(gòu)．但為了在空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保持最佳
傳輸比特率，SCPs對(duì)傳輸層的3次握手、超時(shí)重傳等機(jī)制
進(jìn)行了裁剪，在網(wǎng)絡(luò)層甚至放棄了與IP數(shù)據(jù)分組的兼容
性阿。這使得SCPs并未成為廣泛認(rèn)同的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)TCP和
IP的不同改進(jìn)也成為以往研究的熱點(diǎn)，參考文獻(xiàn)
(24，25】先后提出一種基于“突發(fā)啟動(dòng)”和“快速恢復(fù)”機(jī)制
的TCP改進(jìn)協(xié)議TCP-I)each以及其優(yōu)化版本7rCP．Peach十：
針對(duì)星座鏈路間流量分布不均勻、節(jié)點(diǎn)處理能力有限、
星座拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，參考文獻(xiàn)【26]設(shè)計(jì)了一種用
于LE0星座的傳播時(shí)延最小路由算法，參考文獻(xiàn)【27】提
出了針對(duì)層次化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星座的路由算法。這些改進(jìn)不同
程度地優(yōu)化了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由交換和分組傳輸，由于并非
本文綜述的重點(diǎn)，這里不再詳述。
在安全性的設(shè)計(jì)上，SCPs也非常有限，其協(xié)議棧中只
有子協(xié)議SCPs．sP用于保障通信安全。SCPS．sP工作在傳
輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間，類似于TCP／IP協(xié)議棧中的IPsec協(xié)
議。但SCPs．sP占用的通信開銷要小得多，這也導(dǎo)致其安
全性減弱，不能防范流量分析、數(shù)據(jù)分組重放等攻擊手段。
這主要是因?yàn)镾CPs．SP制定于十幾年前，當(dāng)時(shí)的空間帶寬
十分珍貴．但在今天看來這種設(shè)計(jì)顯得過于保守。
因此許多研究著眼于設(shè)計(jì)新的高層安全協(xié)議。由于數(shù)
據(jù)加密技術(shù)已有成熟的算法標(biāo)準(zhǔn)，并且可移植性很強(qiáng)，只
要根據(jù)不同衛(wèi)星的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)的密級(jí)，選擇合適的加
密算法和密鑰長度，即可實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)保密，所以星上數(shù)
據(jù)加密并不是協(xié)議設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)。以往的研究主要集中于兩
個(gè)方面：認(rèn)證機(jī)制和密鑰管理。
5．1 認(rèn)證機(jī)制
認(rèn)證機(jī)制包括完整性認(rèn)證、新鮮性認(rèn)證和身份認(rèn)證。
完整性認(rèn)證用于防止數(shù)據(jù)損毀和惡意篡改，常用技術(shù)是散
列函數(shù)校驗(yàn)或消息碼認(rèn)證(messa筘autllenIication code，
MAC)㈣；新鮮性認(rèn)證可以抵御重放攻擊[1l】，一般通過向
通信報(bào)文中加人時(shí)間戳、序列號(hào)或隨機(jī)數(shù)等新鮮因子實(shí)
現(xiàn)；身份認(rèn)證可以防止身份仿冒，如中間人攻擊㈣、非授
權(quán)訪問等。主要通過數(shù)字簽名技術(shù)嗍實(shí)現(xiàn)。
Wunems C等人提出一種基于公鑰密碼體制的認(rèn)證技
術(shù)13l】，該方法將地面控制中心作為可信第三方(tusted third
pany，7I，IP)，當(dāng)某衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與地面用戶通信時(shí)，地面控制中
心首先生成該衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的一對(duì)公私鑰，然后用控制中心的
私鑰對(duì)其簽名(即用私鑰對(duì)信息加密)后通過安全信道(用
已協(xié)商好的密鑰加密的信道)發(fā)送給衛(wèi)星。衛(wèi)星通過驗(yàn)證
控制中心的簽名信息(即用控制中心的公鑰解密)確保獲
得公私鑰的真實(shí)性。然后衛(wèi)星用自己的私鑰對(duì)發(fā)送給地面
用戶的信息進(jìn)行簽名并廣播自身公鑰。地面用戶驗(yàn)證簽名
后即可確保衛(wèi)星信號(hào)的真實(shí)性。該認(rèn)證協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單、可
用性強(qiáng)，選擇地面控制中心作為認(rèn)證中心(cer【i{icate
au出ori辭，CA)，可以發(fā)揮控制中心計(jì)算和存儲(chǔ)能力強(qiáng)的優(yōu)
勢(shì)，減輕了其他節(jié)點(diǎn)證書管理的負(fù)擔(dān)。但是由于用戶終端
并不直接與控制中心通信。因此用戶端無法獲取自己的公
私鑰，使得用戶與衛(wèi)星的認(rèn)證關(guān)系是單向的，實(shí)際應(yīng)用中
往往采用驗(yàn)證用戶終端ID的方式對(duì)這種缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，
從而實(shí)現(xiàn)用戶的授權(quán)訪問。所以這種結(jié)構(gòu)只適用于用戶端
與衛(wèi)星無需對(duì)稱交互的場(chǎng)景。如星座導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星等單
向通信系統(tǒng)。
Cruickshank設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)用戶端與衛(wèi)星間雙向認(rèn)
霾潮鶼
萬方數(shù)據(jù)
綜述
證的協(xié)議閻，合法用戶可以通過向地面CA注冊(cè)獲取證書．
實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的完整性認(rèn)證、加密通信和身份認(rèn)證。由
于是完全基于PKI(public key infrastructure)架構(gòu)，該協(xié)議
在保障良好認(rèn)證效果的同時(shí)，需要較大的計(jì)算開銷和交互
頻率，并且公鑰證書的撤銷、更新和維護(hù)依賴于地面中心．
具有很大的維護(hù)成本和單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。并且該協(xié)議應(yīng)用
于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，由于每次通信都要公開存放有用戶
個(gè)人信息的公鑰證書．缺乏對(duì)個(gè)人隱私的保護(hù)。
Chen等人在總結(jié)上述認(rèn)證協(xié)議缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出一
種自驗(yàn)證的認(rèn)證協(xié)議圈。該協(xié)議分為初始化、注冊(cè)、認(rèn)證3個(gè)
步驟：初始化階段地面網(wǎng)絡(luò)控制中心(net control centre，
NCC)向用戶發(fā)放一組長久使用的公私鑰和由該私鑰推算
出的對(duì)稱主密鑰。注冊(cè)階段用戶將通過主密鑰加密的消息
認(rèn)證碼(MAC)連同自身ID和一份I臨時(shí)ID發(fā)送給NCC，由
于主密鑰是NCC與用戶獨(dú)有的，可以實(shí)現(xiàn)NCC與用戶的
雙向認(rèn)證。認(rèn)證階段衛(wèi)星通過NCC獲取用戶ID和I臨時(shí)
ID．而后根據(jù)臨時(shí)ID生成與用戶共享的會(huì)話密鑰，用該會(huì)
話密鑰和用戶ID實(shí)現(xiàn)同用戶的雙向身份認(rèn)證。由于每一
次認(rèn)證后臨時(shí)ID都會(huì)被刷新．因此可以保障新鮮性認(rèn)證，
通信數(shù)據(jù)的完整性認(rèn)證則由消息認(rèn)證碼校驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。由于
使用SHA．1算法和DES算法㈣生成消息認(rèn)證碼，其計(jì)算開
銷比公鑰加密小得多．減輕了移動(dòng)用戶終端的負(fù)擔(dān)。該協(xié)
議根據(jù)用戶臨時(shí)身份ID推算會(huì)話密鑰，減小了存儲(chǔ)維護(hù)
密鑰的難度。同時(shí)臨時(shí)身份的刷新機(jī)制有效地保護(hù)了用戶
隱私。但由于該協(xié)議結(jié)合了公鑰加密、對(duì)稱密鑰加密、散列
處理等多種計(jì)算過程，因此對(duì)于每次認(rèn)證的計(jì)算次數(shù)和交
互較多．適用于通信環(huán)境較好的低軌道寬帶通信衛(wèi)星或移
動(dòng)通信衛(wèi)星。
3種認(rèn)證機(jī)制的比較如表2所示。
5．2密鑰管理
密鑰管理包括密鑰的生成、分發(fā)、更新及銷毀．是數(shù)據(jù)
加密、身份認(rèn)證等安全技術(shù)的基礎(chǔ)保障。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中
密鑰管理的難點(diǎn)在于：如何在遠(yuǎn)距離、高時(shí)延、不穩(wěn)定的無
線鏈路中安全有效地分發(fā)密鑰：如何在高動(dòng)態(tài)性的用戶網(wǎng)
絡(luò)和星座網(wǎng)絡(luò)中及時(shí)更新密鑰。
Alphand等人在參考文獻(xiàn)f35沖提出一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安
全協(xié)議SatIPSec。SatIPSec針對(duì)IKE密鑰交換協(xié)議136】在廣播
通信上的不足。提出了適合于衛(wèi)星廣播信道的密鑰交換協(xié)
議FMKE(flat muhicast key exchange)，F(xiàn)MKE由GCK(group
controller＆key server)負(fù)責(zé)密鑰的管理，各用戶端必須通
過信關(guān)站與衛(wèi)星通信．在每個(gè)信關(guān)站出口均設(shè)有SC
(SatIPSec client)，SC負(fù)責(zé)建立安全聯(lián)盟(security
association)t聊IP數(shù)據(jù)分組的封裝(IP分組以隧道的形式
在衛(wèi)星組網(wǎng)間傳輸)。這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得FMKE可以不必
復(fù)制多份組密鑰數(shù)據(jù)分組，也不必與多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)分別建
立安全聯(lián)盟，而是將SC作為密鑰分發(fā)的網(wǎng)關(guān)，再轉(zhuǎn)發(fā)給所
有的廣播接收節(jié)點(diǎn)。FMKE的優(yōu)勢(shì)是在不降低安全性的同
時(shí)，提高了組密鑰分發(fā)的效率。但由于SC的設(shè)計(jì)必須依賴
于地面信關(guān)站．而且SC對(duì)應(yīng)的用戶端相對(duì)固定，所以該協(xié)
議無法適用于強(qiáng)動(dòng)態(tài)性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一旦用戶出現(xiàn)頻繁
的加入與退出．中心式的密鑰管理結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生很大的更
新密鑰開銷。密鑰管理中心也容易出現(xiàn)單點(diǎn)失效或者性
能瓶頸。
Howartb等人提出了一種基于邏輯密鑰樹(1唧cal key
表2 3種認(rèn)證機(jī)制的比較
萬方數(shù)據(jù)
．。壹羹疊豳豳豳一
表3 3種密鑰管理協(xié)議的比較
hierarchy．Um)㈤的密鑰管理方案㈣。該協(xié)議將衛(wèi)星系統(tǒng)的
通信節(jié)點(diǎn)分為多個(gè)組，每個(gè)組由一個(gè)組控制器(group
condoner，GC)和多個(gè)組成員(group member，GM)構(gòu)成。組
內(nèi)構(gòu)成一個(gè)可信域，共享同一個(gè)通信組密鑰，組控制器負(fù)
責(zé)組內(nèi)的密鑰管理和認(rèn)證。所有組控制器由根節(jié)點(diǎn)(root)
統(tǒng)一進(jìn)行密鑰管理，形成一個(gè)更高層次的可信域。衛(wèi)星多
播通信中，為了保障前向安全性(即節(jié)點(diǎn)退出后就不能再
獲取多播通信信息)和后向安全性(即新加入的節(jié)點(diǎn)不能
獲知加人前的多播信息)，必須在任何一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)退出
或加入后．更新組內(nèi)密鑰。傳統(tǒng)中心式結(jié)構(gòu)，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目
的增加更新密鑰的開銷呈指數(shù)級(jí)增長，基于邏輯密鑰樹的
分層密鑰管理協(xié)議減少了密鑰更新的開銷，非常適合于動(dòng)
態(tài)性強(qiáng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是這種密鑰管理結(jié)構(gòu)還是中心
化的，根節(jié)點(diǎn)作為密鑰管理中心，仍舊存在單點(diǎn)失效的風(fēng)
險(xiǎn)。另外當(dāng)層級(jí)增多或分組過多時(shí)，每次更新密鑰會(huì)產(chǎn)生
較大的通信流量。
鐘焰濤在其博士學(xué)位論文【柏】中設(shè)計(jì)了一種基于LEO
(低地球軌道)和MEO(中地球軌道)的雙軌道密鑰管理架
構(gòu)。所有MEO衛(wèi)星構(gòu)成一個(gè)分布式可信域，通過密鑰協(xié)商
生成共享組密鑰。每個(gè)MEO衛(wèi)星和其信號(hào)輻射范圍內(nèi)所
有LE0衛(wèi)星組成一個(gè)簇，MEO充當(dāng)這個(gè)簇的密鑰管理中
心(簇頭)，簇內(nèi)組密鑰是將MEO組密鑰加入隨機(jī)參數(shù)生
成的．從而保障不同簇的密鑰差異。由于純分布式密鑰管
理密鑰協(xié)商過于頻繁，不適用于星問鏈路，而中心化的結(jié)
構(gòu)又存在單點(diǎn)失效等問題。簇型結(jié)構(gòu)能夠中和以上兩種結(jié)
構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)．可以在性能和效率上取得較好的平衡。
3種密鑰管理協(xié)議的比較如表3所示。
6結(jié)束語
伴隨著空間通信技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星通信環(huán)境逐漸向
“類地化”發(fā)展。據(jù)美國宇航局(NASA)預(yù)測(cè)，低地球軌道衛(wèi)
星的通信能力有望在2020年達(dá)到10 Gbit／s，空間鏈路誤
碼率有望降至10。以下{4ll。這在讓筆者感到興奮的同時(shí)，
也為通信安全敲響了警鐘。衛(wèi)星系統(tǒng)性能的提升為實(shí)現(xiàn)天
地一體化綜合信息網(wǎng)創(chuàng)造了條件。同時(shí)也為更復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)攻
擊手段提供了溫床。因此衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的安全研究仍舊是
一個(gè)年輕的領(lǐng)域。除了本文討論的幾種技術(shù)外，未來的發(fā)
展還應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。
·星座網(wǎng)絡(luò)安全路由技術(shù)的研究。星座網(wǎng)絡(luò)是一種特
殊的無中心、自組織網(wǎng)．不排除未來出現(xiàn)惡意的空
間節(jié)點(diǎn)。對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)起黑洞攻擊、蟲洞攻擊等攻
擊行為。
·高層空間安全協(xié)議的研究。現(xiàn)有的衛(wèi)星安全協(xié)議大
多是對(duì)IPSec協(xié)議的改進(jìn)，隨著天基網(wǎng)傳輸層、應(yīng)用
層協(xié)議的發(fā)展，將有類似SSL、TLS、SSH、PGP等高
層安全協(xié)議出現(xiàn)。
·衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全審計(jì)與人侵檢測(cè)的研究。結(jié)合流量
監(jiān)控、數(shù)據(jù)挖掘、特征匹配、關(guān)聯(lián)分析等技術(shù)，在
衛(wèi)星通信系統(tǒng)中建立完整的安全審計(jì)及人侵檢測(cè)
模塊。
·空間信息安全管理體系的研究。結(jié)合信息安全管理
技術(shù)．建成系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、全方位、普適性強(qiáng)的空
間信息安全管理體系。
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