衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全技術(shù)綜述*

關(guān)漢男 ，易 平 ，俞敏杰 ，李建華 ，3

（1.信息內(nèi)容分析技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 上海 200240；2.上海交通大學(xué)信息安全工程學(xué)院 上海 200240；3.上海鵬越驚虹信息技術(shù)發(fā)展有限公司 上海 201203）

1 引言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)是指具有空間通信能力的衛(wèi)星或星座，與地面站及用戶終端協(xié)同合作，實(shí)現(xiàn)全球移動(dòng)通信、廣播電視通信、定位導(dǎo)航、氣象測(cè)繪、軍事國防等多種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星“伴侶號(hào)”成功發(fā)射，到1994年GPS（global positioning system）正式布設(shè)完成，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域化向全球化的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也從單星中繼轉(zhuǎn)向了星座互聯(lián)。近幾年，伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速興起和多網(wǎng)融合趨勢(shì)的顯現(xiàn)，衛(wèi)星通信網(wǎng)以其區(qū)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10年間，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)80～100個(gè)。可以預(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Internet（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[1]；2007年歐洲Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)中GIOVE-A衛(wèi)星的編碼算法被攻破[2]；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?？臻g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（10-8～10-3）、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)OSI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)據(jù)機(jī)密性、完整性、身份認(rèn)證性、不可抵賴性和訪問可控性等，技術(shù)細(xì)節(jié)及研究進(jìn)展將在下文詳述。

表1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要協(xié)議及安全技術(shù)匯總

4 物理層/數(shù)據(jù)鏈路層安全

4.1 抗損毀技術(shù)

由于在軍事領(lǐng)域的重要作用，衛(wèi)星系統(tǒng)經(jīng)常成為軍事打擊的目標(biāo)。目前攻擊在軌衛(wèi)星的武器主要有反衛(wèi)星導(dǎo)彈、反衛(wèi)星激光和核輻射粒子束[4]。最主要的抗損毀策略是衛(wèi)星冗余備份和高軌道分散化星座設(shè)計(jì)。例如GPS星座由分布在6條軌道上的21顆衛(wèi)星和3顆備份衛(wèi)星構(gòu)成，備份衛(wèi)星可在任意衛(wèi)星損毀的情況下保障定位精度不受損；GLONASS星座[5]運(yùn)行在離地約 20 000 km的中軌道，相較于多數(shù)運(yùn)行在低軌道的衛(wèi)星，更不易遭受反衛(wèi)星導(dǎo)彈的攻擊；涉及軍事應(yīng)用的星座往往采用多條軌道分散化布局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以減少星座運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)兩顆以上衛(wèi)星聚攏的現(xiàn)象，從而防止多顆衛(wèi)星被同一導(dǎo)彈摧毀。

對(duì)于衛(wèi)星地面站的防護(hù)除了加強(qiáng)設(shè)施安保、多站備份等方式外，還可以通過星座自主運(yùn)行技術(shù)來減少衛(wèi)星對(duì)地面站的依賴，通過更復(fù)雜的星間鏈路協(xié)議使衛(wèi)星與地面站交互的頻次降低，甚至可以實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急條件下，星座脫離地面站自主運(yùn)行。這種技術(shù)在星座導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用較多，如未來的GPSⅢ將實(shí)現(xiàn)星座在與地面控制中心失去聯(lián)系的情況下，仍能在180天內(nèi)按系統(tǒng)規(guī)范精度發(fā)送導(dǎo)航信號(hào)。

4.2 抗干擾技術(shù)

針對(duì)衛(wèi)星無線鏈路的干擾分為兩類：壓制干擾和欺騙干擾。

壓制干擾是指無意或蓄意的干擾源通過產(chǎn)生與衛(wèi)星信號(hào)同頻段大功率噪聲，導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)信噪比降低，從而失去可用性的干擾手段。

壓制干擾技術(shù)含量不高，但實(shí)現(xiàn)成本低、可操作性強(qiáng)，在對(duì)衛(wèi)星信號(hào)特征了解不多的情況下，也可以對(duì)局部區(qū)域形成有效干擾。最直接的抗擊手段是提高衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射功率，但是由于星載供電系統(tǒng)功率有限，并且ITU（國際電信聯(lián)盟）對(duì)衛(wèi)星廣播功率有規(guī)定限額[4]，使得這種抗干擾方式效果并不明顯。自適應(yīng)多波束天線[6]彌補(bǔ)了這種不足，該技術(shù)通過星上感應(yīng)器感知通信環(huán)境的變化，在信號(hào)信噪比下降時(shí)可以自適應(yīng)改變通信波束的方向、范圍或強(qiáng)度，其效果取決于自適應(yīng)算法的設(shè)計(jì)，常見的有最小均方（LMS）、多重信號(hào)分類（MUSIC）和徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[7]。

另一種思路是采用近地設(shè)備對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行中繼加強(qiáng)，從而提高接收端信號(hào)的信噪比，比較典型的應(yīng)用是星座導(dǎo)航系統(tǒng)中的偽衛(wèi)星技術(shù)[8]。偽衛(wèi)星是一部設(shè)在地面或機(jī)載的發(fā)射機(jī)，發(fā)射和衛(wèi)星信號(hào)相同載頻和偽隨機(jī)碼的更大功率信號(hào)。由于偽衛(wèi)星與用戶的距離比衛(wèi)星近得多，往往可提高衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度達(dá)數(shù)百倍，從而有效應(yīng)對(duì)壓制干擾。

欺騙干擾是通過對(duì)衛(wèi)星信號(hào)重放轉(zhuǎn)發(fā)或模仿偽造，使用戶終端做出錯(cuò)誤判斷的干擾攻擊。由于無需大功率的干擾信號(hào)，因此它在空間上比壓制干擾作用域更廣，但這種攻擊需要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)編碼特征具有一定了解。

Warner等人在參考文獻(xiàn)[9]中介紹了針對(duì)GPS中C/A碼的欺騙干擾手段，并提出了能量鑒別、角度鑒別、認(rèn)證加密等反制措施。能量鑒別是對(duì)干擾信號(hào)中的真實(shí)信號(hào)進(jìn)行殘留檢測(cè)，該方法只有在真實(shí)信號(hào)沒有被完全抑制的情況下才能奏效[10]；角度鑒別是通過干擾源與星座信號(hào)發(fā)射角度的差異來檢測(cè)真實(shí)信號(hào)，該方法只能鑒別單一方向的干擾源；向衛(wèi)星信號(hào)中加入密文傳輸?shù)恼J(rèn)證碼是最為有效的防護(hù)手段，但認(rèn)證碼并不能防護(hù)重放式欺騙干擾，因?yàn)橹胤鸥蓴_的干擾信號(hào)和真實(shí)信號(hào)完全相同。此時(shí)可以通過在認(rèn)證碼中添加“新鮮因子”實(shí)現(xiàn)抗重放性[11]。這些認(rèn)證機(jī)制均依賴于網(wǎng)路層、傳輸層等高層設(shè)計(jì)，這將在下一節(jié)詳述。

擴(kuò)頻調(diào)制和跳頻調(diào)制技術(shù)[12]屬于無線電通信領(lǐng)域經(jīng)典的抗干擾技術(shù)，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中已得到普遍應(yīng)用。擴(kuò)頻技術(shù)通過偽隨機(jī)擴(kuò)頻序列將發(fā)送的信號(hào)頻帶擴(kuò)展，接收端用相同的擴(kuò)頻碼解擴(kuò)，從而達(dá)到“稀釋”干擾信號(hào)的目的；跳頻則是通過連續(xù)改變發(fā)送信號(hào)的中心頻率的方式，實(shí)現(xiàn)物理意義上的隨機(jī)信道選擇，提高通信信道的隱蔽性。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，直序擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)在抗干擾中應(yīng)用比較廣泛，如Wu等人在參考文獻(xiàn)[13]中提出了基于非線性預(yù)測(cè)誤差濾波器的直序擴(kuò)頻技術(shù)；Chakraborty等人在參考文獻(xiàn)[14]中設(shè)計(jì)了基于LMS的直序擴(kuò)頻算法；參考文獻(xiàn)[15]通過設(shè)計(jì)基于抗干擾矩陣的自適應(yīng)接收天線，一定程度上彌補(bǔ)了直序擴(kuò)頻信號(hào)難以捕獲的缺點(diǎn)。這些研究從不同角度優(yōu)化了直序擴(kuò)頻技術(shù)的效果。

4.3 其他安全策略

一些學(xué)者從信息理論角度研究物理層的安全通信，其理論基礎(chǔ)是Wyner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)[16]提出一種基于人工噪聲（artificial 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)[17]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（anti-spoofing）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) （Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）就制定了空間通信協(xié)議（space communication protocol specification，SCPS）[18～22]，SCPS 沿 用了TCP/IP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[23]。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-Peach以及其優(yōu)化版本TCP-Peach+；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LEO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 （message authentication code，MAC）[28]；新鮮性認(rèn)證可以抵御重放攻擊[11]，一般通過向通信報(bào)文中加入時(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[29]、非授權(quán)訪問等，主要通過數(shù)字簽名技術(shù)[30]實(shí)現(xiàn)。

Wullems C等人提出一種基于公鑰密碼體制的認(rèn)證技術(shù)[31]，該方法將地面控制中心作為可信第三方（tusted third party，TTP），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（certificate authority，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)證的協(xié)議[32]，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[33]。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[34]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)[35]中提出一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議SatIPSec。SatIPSec針對(duì)IKE密鑰交換協(xié)議[36]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（flatmulticast 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）[37]和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。

Howarth等人提出了一種基于邏輯密鑰樹 （logical keyhierarchy，LKH）[38]的密鑰管理方案[39]。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 controller，GC）和多個(gè)組成員（groupmember，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)不能獲知加入前的多播信息），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。

表2 3種認(rèn)證機(jī)制的比較

表3 3種密鑰管理協(xié)議的比較

鐘焰濤在其博士學(xué)位論文[40]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LEO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，不適用于星間鏈路，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10-7以下[41]。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)與入侵檢測(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)及入侵檢測(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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