新的低軌星座組網認證與群組密鑰協(xié)商協(xié)議

張子劍，周琪，張川，童逍瑤，李春磊，王龍

1 引言

在低軌星座組網中，衛(wèi)星數目相對較多，如銥星通信系統(tǒng)中一共有 66顆低軌衛(wèi)星，全球星通信系統(tǒng)中一共有 48顆低軌衛(wèi)星。同時，低軌星座組網中衛(wèi)星的用途廣泛[1]，由于低軌衛(wèi)星距離地面很近，其廣泛用于檢測和通信。

然而，現有的衛(wèi)星系統(tǒng)大多都是由單顆衛(wèi)星組成的。目前，國外的衛(wèi)星組網僅有銥星通信系統(tǒng)和全球星通信系統(tǒng)。由于低軌星座組網的實現和維護成本較高，實現代價較大，國內并沒有成熟的低軌星座組網。

針對低軌星座組網，國內外許多學者對其認證協(xié)議進行了研究。張小亮等[2]設計了一種端到端認證協(xié)議并構建了安全認證仿真系統(tǒng)。徐志博等[3]基于IKE協(xié)議設計了一種適用于衛(wèi)星網絡的端到端認證協(xié)議。徐日新等[4]為衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)提出了一種結合可穿戴設備與智能終端的持續(xù)認證方案。高婧等[5]針對傳統(tǒng)認證方案中認證效率較低、認證過程較復雜等問題提出了一種基于ELGmamal數字簽名的衛(wèi)星網絡認證方案。Cruickshank[6]設計了一種基于PKI（public key infrastructure）架構的用戶與衛(wèi)星間雙向認證的協(xié)議。Chen等[7]在總結一些認證協(xié)議不足的基礎上提出了一種自驗證的認證協(xié)議。然而，由于低軌星座組網中存在2條相鄰但衛(wèi)星運行方向相反的軌道，相鄰軌道間的衛(wèi)星無法進行穩(wěn)定的通信，需要進行鏈路切換，比如通過同一軌道內的低軌衛(wèi)星經過高緯度地區(qū)將消息發(fā)送至目標關口站。這樣的特性使低軌星座組網具有拓撲動態(tài)變化高、鏈路切換快的特點，目前的認證協(xié)議不適用于低軌星座組網。同時，針對低軌星座組網，現有的認證協(xié)議不夠安全。

本文創(chuàng)新點如下：1) 針對低軌衛(wèi)星組網設計了輕量級認證協(xié)議，該認證協(xié)議考慮到低軌星座組網拓撲動態(tài)變化高、鏈路切換快的特點；2) 采用了基于群組的密鑰協(xié)商協(xié)議，提高了組網通信的效率；3)通過仿真實驗模擬了低軌星座組網認證協(xié)議以及群組密鑰協(xié)商協(xié)議，并對協(xié)議的安全性以及性能進行了分析。

2 相關工作

針對組網認證，本文首先研究了 3GPP協(xié)議。3GPP在移動通信領域提出了一系列的認證協(xié)議，研究 3GPP相關的認證協(xié)議可以為衛(wèi)星認證提供參考價值，因此，國內有大量研究人員對加密和認證協(xié)議進行了相關研究。其中，西安郵電大學的賴成喆等[8]基于3GPP 標準框架和技術，對現有的3GPP認證和密鑰協(xié)商協(xié)議進行了分類概述和討論，并對未來技術的發(fā)展進行展望。Gai等[9]提出了一種基于張量的完全同態(tài)加密算法，保證加密數據的安全性。陸峰等[10]基于3GPP AKA協(xié)議安全框架提出了一種新的認證與密鑰協(xié)商協(xié)議。裝備學院的周赤等[11]研究了4G通信主流技術LTE，針對LTE存在的安全問題提出了一種多路徑策略。該策略能夠通過將網絡編碼和TCP進行最大化融合提高網絡的利用率。

Zhang等[12]指出3GPP AKA協(xié)議存在重定向攻擊等安全問題，并提出了增強型AP-AKA協(xié)議。針對Zhang等[12]提出的增強型AP-AKA協(xié)議的不足，Juang等[13]采用臨時密鑰體制完善協(xié)議，解決了IMSI標識暴露、交互信息流量大以及存儲節(jié)點存儲負擔重等問題；Lee等[14]針對AP-AKA協(xié)議的效率問題，提出了解決方法，在保證安全性的基礎上提高了AP-AKA的效率。由于3GPP中存在重定向攻擊等安全問題，本文提出了一種適應于低軌星座組網的輕量級認證協(xié)議。

針對群組密鑰協(xié)商協(xié)議，Diffie等[15]最早提出的密鑰協(xié)商協(xié)議僅支持 2個參與者。Joux[16]基于Weil對實現了3個參與者的密鑰協(xié)商協(xié)議。然而，這些協(xié)議在群成員較多或通信時延較長時效率較低，也無法抵御“中間人攻擊”。針對這些不足，許多學者提出了一些新的協(xié)議。陳虹等[17]采用雙線性對運算方法提出了一種改進的基于身份的認證密鑰協(xié)商協(xié)議。陳海紅等[18]基于 Weil對和完全三叉樹提出了一種新的群組密鑰協(xié)商協(xié)議。

3 基礎知識

現有的移動通信系統(tǒng)安全框架采用的是 3GPP組織建議的AKA協(xié)議機制。通過研究3GPP標準文檔[19]，3GPP AKA協(xié)議的具體流程如圖1所示。

圖1 3GPP AKA協(xié)議流程

在3GPP AKA協(xié)議中，認證向量AV由5個部分組成，分別是隨機數 RAND、用于驗證用戶的XRES、用于加密的密鑰CK、用于完整性驗證的密鑰 IK以及用于認證檢驗的 AUTH。生成認證向量AV的算法如算法1所示。其中，0f是偽隨機數發(fā)生器，用于產生偽隨機數，1f、2f是消息認證碼算法，3f是加密密鑰生成算法，4f是完整性密鑰生成算法，5f是匿名密鑰生成算法。

算法1 3GPP AKA認證向量生成算法

輸入 主密鑰K

輸出 認證向量AV

MAC = f1K(S QN||R AND||A MF)

XRE =f2K(R AND)

CK =f3K(R AND)

IK = f4K(R AND)

AK =f5K(R AND)

AUTH = S QN ⊕ AK||A MF||MAC

AV =RAND||X RES||C K||I K ||AUTH

return AV

用戶收到認證請求應答時，根據得到的RAND(i)以及AUTH(i)對基站的身份進行認證。認證如算法2所示。

算法2 3GPP AKA用戶認證基站算法

輸入 RAND||AUTH

輸出 認證結果

AK =f5K(R AND)

SQN = ( SQN ⊕ AK ) ⊕AK

XMAC = f1K(S QN||R AND||A MF)

if XMAC = M AC then

return true

else

return false

end if

用戶認證基站成功后，需要通過CK=f3K(R AND)以及 I K =f4K(R AND)得到加密密鑰CK和完整性密鑰IK。與此同時，用戶通過RES=f3K(R AND)計算得到 RES。基站得到 RES后只需檢查 RES和 XRES是否相等即可認證用戶的身份。

4 低軌星座組網認證模型

低軌星座組網模型如圖2所示。為了形式化說明低軌星座組網認證過程，首先給出低軌星座組網、低軌衛(wèi)星、低軌星間鏈路以及低軌衛(wèi)星關口站的符號化定義。

1) 低軌星座組網。LUG表示低軌星座組網，它由低軌衛(wèi)星以及低軌星間鏈路組成。低軌星座組網可以用無向屬性圖LUG = (LV, LE)表示，其中，LV表示低軌衛(wèi)星，LE表示低軌星間鏈路。

圖2 低軌星座組網模型

2) 低軌衛(wèi)星。低軌衛(wèi)星（LV）表示低軌星座組網中的低軌衛(wèi)星，記為 ＜ nLV,sLV,dLV＞，其中，nLV表示低軌衛(wèi)星編號，唯一標識一個低軌衛(wèi)星；sLV表示低軌衛(wèi)星的安全模塊；dLV表示低軌衛(wèi)星的受控模塊。

3) 低軌星間鏈路。低軌星間鏈路 LE表示低軌衛(wèi)星之間的安全模塊，記為 ＜＞，其中

lvm∈LV為邊le的起點，lvn∈LV為邊le的終點。

4) 低軌衛(wèi)星關口站。低軌衛(wèi)星關口站用 LS表示，記為 ＜ nLS,sLS,cLS＞，其中， nLS表示低軌衛(wèi)星關口站編號，唯一標識一個低軌衛(wèi)星關口站；sLS表示低軌衛(wèi)星的安全模塊； cLS表示的是低軌衛(wèi)星關口站的控制模塊。

5 低軌星座組網認證與群組密鑰協(xié)商協(xié)議

5.1 低軌星座組網認證協(xié)議

低軌星座組網節(jié)點間的認證，一方面，因為衛(wèi)星經過極地交匯處之后相鄰兩側軌道上的衛(wèi)星發(fā)生了變化，相應的衛(wèi)星間的通信鏈路需要進行切換，衛(wèi)星之間也需要進行重新認證；另一方面，存在處于相鄰軌道上但運行方向相反的衛(wèi)星，這樣的衛(wèi)星之間不能直接進行通信，需要通過同軌道上的衛(wèi)星往高緯度方向進行通信再跳轉至相鄰軌道上，這樣，鏈路上的衛(wèi)星之間也需要進行認證。因此，需要研究出一種輕量級的認證協(xié)議，以滿足低軌星座組網的認證需求。

低軌星座組網中低軌衛(wèi)星的認證依賴地面的低軌衛(wèi)星關口站進行認證。當低軌衛(wèi)星1需要與低軌衛(wèi)星2進行認證時，低軌衛(wèi)星1首先會與低軌衛(wèi)星關口站進行認證。認證成功后，低軌衛(wèi)星關口站會根據低軌衛(wèi)星 1的認證請求選擇相應的低軌衛(wèi)星 2進行認證。雙方都認證完成后，由低軌衛(wèi)星關口站產生對稱密鑰并分發(fā)給低軌衛(wèi)星1和低軌衛(wèi)星2。此時，低軌衛(wèi)星1與低軌衛(wèi)星2已經完成了雙方的互認證，它們使用低軌衛(wèi)星關口站分發(fā)的對稱密鑰進行加密通信。認證過程如圖3所示。

圖3 低軌星座組網認證流程

低軌衛(wèi)星與關口站組網認證協(xié)議流程如圖4所示，令PRNG為偽隨機數發(fā)生器，Enc為對稱加密算法。

圖4 低軌衛(wèi)星與關口站組網認證協(xié)議流程

1) 低軌衛(wèi)星A發(fā)起認證請求前，讀取關口站B的IDB以及自己與關口站B的預共享密鑰 KAB。

2) 低軌衛(wèi)星A產生隨機數 rA= P RNG()，并利用KAB計算密文 E ncKAB(rA)，然后發(fā)送 IDA||E ncKAB(rA)給B。

3) 關口站B收到了低軌衛(wèi)星A發(fā)送的消息后，利用與A預共享的密鑰解密密文獲得 rA，同時產生rB，將 E ncKAB(I DA||rA||rB)發(fā)送給低軌衛(wèi)星A。

4) 低軌衛(wèi)星A接收到關口站B的消息后，利用與B預共享的密鑰解密密文，得到 IDA、 rA、 rB，驗證IDA、 rA是否正確，計算 s k = H (rA||rB)然后利用sk計算出 C K = E ncsk(0)，再利用與 I DB的預共享密鑰KAB計算 E ncKAB(rA||rB)，并將其發(fā)送給關口站B。

5) 關口站B接收到低軌衛(wèi)星A的消息后，利用與A預共享的密鑰 KAB解密密文，得到 rA、 rB，驗證 rA、rB是否正確，從而驗證A的身份，并計算sk = H (rA||rB)，從而利用sk計算出 C K = E ncsk(0)、IK = E ncsk(1)。

考慮到星地傳輸時延較大，本文設計的協(xié)議只需要關口站和衛(wèi)星3次消息傳遞即可完成認證，效率較高。

下面，使用符號化定義描述低軌星座組網認證過程。當低軌衛(wèi)星ilv需要加入低軌星座組網 LUG時，它首先與低軌衛(wèi)星關口站kls進行認證。與低軌衛(wèi)星關口站kls完成認證之后，低軌衛(wèi)星ilv會向低軌衛(wèi)星關口站kls發(fā)送與低軌衛(wèi)星jlv的認證請求。接下來，低軌衛(wèi)星關口站kls將與低軌衛(wèi)星jlv進行認證。同時，低軌衛(wèi)星關口站kls會生成低軌衛(wèi)星ilv與低軌衛(wèi)星jlv之間的會話密鑰。當低軌衛(wèi)星關口站與2個衛(wèi)星認證通過后，低軌衛(wèi)星關口站將會話密鑰發(fā)送給低軌衛(wèi)星ilv和低軌衛(wèi)星jlv。低軌衛(wèi)星ilv與低軌衛(wèi)星jlv完成認證后，低軌衛(wèi)星ilv將加入低軌星座組網 LUG中，此時，低軌星座組網會增加與低軌衛(wèi)星ilv以及低軌衛(wèi)星jlv相關聯的低軌星間鏈路ijle。當低軌衛(wèi)星關口站需要控制低軌星座組網LUG時，低軌衛(wèi)星關口站的控制模塊LSc 與低軌衛(wèi)星的受控模塊LVd 對接。

由于低軌星座組網具有網絡拓撲結構高動態(tài)變化、星際鏈路快速切換的特點，認證方案需要考慮認證時如何進行切換。

假設地面存在3個關口站，那么在本方案中，每個低軌衛(wèi)星需要根據周圍相鄰的存在通信鏈路的低軌衛(wèi)星與目標關口站地理位置的空間距離來決定下一跳低軌衛(wèi)星。

以一條消息需要經過低軌星座組網轉發(fā)進入地面關口站為例，圖5為局部的低軌星座組網。

首先，消息從地面終端發(fā)往離終端最近的低軌衛(wèi)星Sat35。低軌衛(wèi)星Sat35收到消息之后，會計算當前時刻低軌衛(wèi)星Sat45、低軌衛(wèi)星Sat34以及低軌衛(wèi)星Sat25與關口站2的空間距離s1、s2、s3。由圖5可以看出，s2最小，因此低軌衛(wèi)星Sat35優(yōu)先選擇向低軌衛(wèi)星Sat34發(fā)送消息。如果低軌衛(wèi)星Sat34失效，則向與關口站空間距離更遠一些的Sat25發(fā)送消息。如果Sat25也失效，則向低軌衛(wèi)星Sat45發(fā)送消息。如果周圍低軌衛(wèi)星均已失效，則Sat35會執(zhí)行分組丟失操作。

如圖6所示，當低軌衛(wèi)星Sat34收到消息后，執(zhí)行上一步低軌衛(wèi)星Sat35相同的操作。不同的是，本文方案中認證消息傳遞不能經過相同的衛(wèi)星，而低軌衛(wèi)星 Sat34收到的消息來自 Sat35，因此它不會將消息往回發(fā)送。

5.2 低軌星座組網群組密鑰協(xié)商協(xié)議

圖5 低軌衛(wèi)星Sat35路由選擇情況

圖6 低軌衛(wèi)星Sat34路由選擇情況

如圖7所示，在低軌星座組網中，消息在經過每一顆低軌衛(wèi)星時都要使用相應的對稱密鑰進行一次解密和一次加密。這樣，雖然保證了低軌星座組網的安全性，但是會影響消息在低軌星座組網中的傳輸效率。同時，每一顆衛(wèi)星接收到消息之后都會進行一次解密操作和一次加密操作，容易遭受拒絕服務攻擊。為了防止拒絕服務攻擊的發(fā)生，同時保證傳輸過程的高效性，本文采用基于群組的密鑰生成方法，同一軌道上的低軌衛(wèi)星作為一個群組，相鄰軌道上的低軌衛(wèi)星作為一個群組，這樣，將所有的低軌衛(wèi)星劃分成了多個群組，每個群組協(xié)商得到密鑰之后會將密鑰發(fā)送給低軌衛(wèi)星關口站，這樣，低軌衛(wèi)星關口站會維護這些群組的密鑰。通信的消息在群組內直接轉發(fā)，當由一個群組進入另一個群組后，使用另外一個群組的密鑰進行二次加密。這樣，每個低軌衛(wèi)星的運算強度是一樣的，防止了拒絕服務攻擊的發(fā)生。同時，傳輸的協(xié)議會在消息內容中附加消息經過的群組。這樣，消息到達低軌衛(wèi)星關口站的時候，由低軌衛(wèi)星關口站根據消息經過的群組使用密鑰依次解密。群組劃分示意如圖8所示。

圖7 無群組密鑰的低軌星座組網消息傳輸示意

圖8 低軌衛(wèi)星群組密鑰協(xié)商示意

每個群組的密鑰由這個群組內所有的對稱密鑰進行異或計算得到。以相鄰軌道上的低軌衛(wèi)星進行群組密鑰協(xié)商為例，密鑰協(xié)商過程如圖9所示，具體算法如算法3所示。

算法3 群組密鑰協(xié)商算法

輸入 lv ,s kg,ls

i k

輸出 s kg

Auth_Result= A uth(l vk, l vi)

if Auth_Result=true then

計算 s kik

skg=skg⊕skik

end if

return s kg

當低軌衛(wèi)星1進入預定軌道之后，此時只存在一顆低軌衛(wèi)星，不需要進行群組密鑰協(xié)商。當低軌衛(wèi)星2進入預定軌道之后，與低軌衛(wèi)星1進行認證并協(xié)商出對稱密鑰 s k12。此時，群組密鑰skg=。

當低軌衛(wèi)星3進入預定軌道之后，與低軌衛(wèi)星2進行認證并協(xié)商出對稱密鑰 s k23。此時，低軌衛(wèi)星2使用群組密鑰與 s k23進行異或運算得到新的對稱密鑰，即 s kg=⊕，并將新的群組密鑰發(fā) 送給組內其他成員。之后有新的低軌衛(wèi)星加入群組時也是執(zhí)行相同的操作。

6 安全性分析與性能分析

在低軌星座組網認證協(xié)議與消息傳輸過程中使用對稱密鑰來保證消息的私密性，協(xié)議可以抵抗仿冒等安全威脅。同時，協(xié)議中采用了偽隨機數，保證了在星地傳輸時延較大的情況下能夠防止重放攻擊的發(fā)生。

在群組密鑰協(xié)商協(xié)議中，由于低軌衛(wèi)星之間都經過認證并建立了可靠的星間鏈路，在星間鏈路上廣播群組密鑰是安全的。同時，在群組密鑰協(xié)商的過程中，衛(wèi)星不需要知道群組中其他衛(wèi)星的密鑰，這樣，單顆衛(wèi)星被攻擊之后其他衛(wèi)星的密鑰不會被泄露，只需要重新進行群組密鑰協(xié)商即可。

為了對協(xié)議的性能進行測試，本文模擬了低軌星座組網的認證協(xié)議和群組密鑰協(xié)商協(xié)議，經過多次實驗分析其性能。實驗在3.1GHz Intel Core i5的處理器上進行。實驗中構建的低軌衛(wèi)星星座有 6個軌道，平均每個軌道上分布10顆衛(wèi)星，共60顆衛(wèi)星，軌道傾角為90°，軌道高度為780 km?？紤]星地傳輸存在通信時延，設定星地傳輸時延為2.6 ms。

圖9 低軌衛(wèi)星群組密鑰協(xié)商協(xié)議流程

低軌星座組網認證協(xié)議的性能測試結果如圖 10所示。本文一共進行了 10組實驗來將本文方案與3GPP AKA協(xié)議做對比。從圖10可以看出，本文方案認證時延最大為10.30 ms，最小為9.49 ms，平均時延為 9.80 ms。3GPP AKA方案認證時延最大為14.36 ms，最小為9.41 ms，平均時延為12.26 ms。本文方案比3GPP AKA方案效率提高了20%的效率。

圖10 低軌星座組網認證協(xié)議的性能測試結果

實驗還測試了不同加密位數對認證協(xié)議效率的影響，結果如圖11所示。從實驗結果可以看出，不同的加密位數對協(xié)議性能影響不大。

圖11 不同加密位數的低軌星座組網認證協(xié)議效率對比

低軌星座組網同軌道內群組密鑰協(xié)商協(xié)議的性能測試結果如圖 12所示。實驗從群組中只有一顆衛(wèi)星的情況到群組中有 10顆衛(wèi)星的情況都進行了測試。低軌星座組網相鄰軌道內群組密鑰協(xié)商協(xié)議的性能測試結果如圖 13所示。實驗從群組中只有一顆衛(wèi)星的情況到群組中有6顆衛(wèi)星的情況都進行了測試。從圖 13可以看出隨著群組中衛(wèi)星數量的增多，群組密鑰協(xié)商完成的時間也在增加。同軌道內群組密鑰協(xié)商時延最高在300 ms左右，相鄰軌道內群組密鑰協(xié)商時延最高在70 ms左右。

圖12 低軌星座組網同軌道內群組密鑰協(xié)商協(xié)議的性能測試

圖13 低軌星座組網相鄰軌道內群組密鑰協(xié)商協(xié)議的性能測試

除了考慮群組密鑰協(xié)商協(xié)議的效率外，還要考慮采用該協(xié)議對整個傳輸效率的影響。低軌星座組網相鄰軌道最大傳輸時延如圖14所示，低軌星座組網同軌道最大傳輸時延如圖15所示。實驗結果表明，采用群組密鑰協(xié)商協(xié)議比常規(guī)方案在傳輸時延上有所降低，但差距不明顯，這是由于只考慮了一條消息的傳遞。

根據以上結果可知，低軌星座組網的認證協(xié)議比傳統(tǒng)公鑰協(xié)議效率有所提高，而且群組密鑰協(xié)商協(xié)議能夠在300 ms內協(xié)商完成，采用群組密鑰協(xié)商協(xié)議的傳輸時延比常規(guī)方案的傳輸時延更小。

圖14 低軌星座組網相鄰軌道最大傳輸時延

圖15 低軌星座組網同軌道最大傳輸時延

7 結束語

本文通過分析低軌星座組網的特點，設計了一種輕量級的低軌星座組網認證協(xié)議和群組密鑰協(xié)商協(xié)議，并對協(xié)議進行了安全性分析和性能分析。本文提出的協(xié)議考慮了低軌衛(wèi)星組網拓撲動態(tài)變化高、鏈路切換快的特點，設計的協(xié)議比3GPP AKA協(xié)議效率提高了20%，同時，群組密鑰協(xié)商時間約為300 ms，采用群組密鑰協(xié)商協(xié)議的傳輸時延比常規(guī)方案的傳輸時延更小。

在未來的研究中將完善本文設計的低軌星座組網以及群組密鑰協(xié)商協(xié)議。低軌星座組網的認證還需要考慮更多的空間場景，包括太空環(huán)境對衛(wèi)星通信的影響。同時，隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，可以在衛(wèi)星上搭載更安全的公鑰認證體系。