◎中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院 顧升高 閆陳靜 陳漠 張偉
隨著全球網(wǎng)絡(luò)信息化的不斷發(fā)展,基于系統(tǒng)工程理論方法,以天基系統(tǒng)為主體的“星融網(wǎng)”新型未來(lái)全球全域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生?!靶侨诰W(wǎng)”是由覆蓋全球的不同軌道、不同類(lèi)型、不同性能的衛(wèi)星,通過(guò)星間、星地鏈路將地面、海上、空中和深空中的用戶(hù)、飛行器以及各種通信平臺(tái)密集聯(lián)合,按照信息資源的最大有效綜合利用原則,進(jìn)行信息準(zhǔn)確獲取、快速處理、高效傳輸和綜合應(yīng)用的一體化高速寬帶大容量空間信息網(wǎng)絡(luò)。
“星融網(wǎng)”包括天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基綜合網(wǎng)三部分。天基骨干網(wǎng)由若干高軌衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)組成,為中低軌用戶(hù)提供覆蓋全球的骨干互聯(lián)、數(shù)據(jù)中繼、路由管理等服務(wù);天基接入網(wǎng)由各類(lèi)衛(wèi)星、星座和臨近空間飛行器等設(shè)備組成的多種專(zhuān)業(yè)子網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)組成,滿(mǎn)足陸、海、空、天多層次海量用戶(hù)的各種網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)需求;地面綜合網(wǎng)由衛(wèi)星地面站和地面大數(shù)據(jù)中心組成,與其他地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通。
“星融網(wǎng)”是跨越天基、空基、地基、?;诋悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的,以天基網(wǎng)絡(luò)為骨干的復(fù)雜巨系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。由于其網(wǎng)絡(luò)的特殊性,導(dǎo)致以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)的天基骨干網(wǎng)絡(luò)具有物理通信環(huán)境惡劣、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力有限、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、間歇通信與高延遲等安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),因而面臨諸多安全挑戰(zhàn)。
“星融網(wǎng)”系統(tǒng)中基于空基的星間和星地通信鏈路長(zhǎng)期暴露于惡劣的太空環(huán)境且信道開(kāi)放,容易受到宇宙射線(xiàn)、大氣層電磁信號(hào)以及惡意電磁信號(hào)的干擾。由于無(wú)線(xiàn)鏈路具有開(kāi)放性,特別容易受到干擾、截取、偽造等惡意攻擊。
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)空間等都受到一定限制,直接導(dǎo)致星上無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算及大開(kāi)銷(xiāo)通信,這使得基于天基的星間通信、星地通信無(wú)法應(yīng)用復(fù)雜的、高安全性的通信協(xié)議,難以有效部署各種網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)。
“星融網(wǎng)”系統(tǒng)由部署在太空、空中、地面、海上等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組成,傳統(tǒng)的路由、網(wǎng)絡(luò)接入等技術(shù)不能完全適用于“星融網(wǎng)”系統(tǒng)。此外,“星融網(wǎng)”的各天基節(jié)點(diǎn)(衛(wèi)星節(jié)點(diǎn))始終處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),可能頻繁地加入或退出網(wǎng)絡(luò),空基、地基、海基等節(jié)點(diǎn)也會(huì)經(jīng)常移動(dòng),導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)刻發(fā)生變化,網(wǎng)絡(luò)通信各個(gè)終端間的通信關(guān)系也在不斷變化,這也導(dǎo)致傳統(tǒng)的身份認(rèn)證、PKI和訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù),不能有效適用于“星融網(wǎng)”系統(tǒng)。
星間、星地的鏈路由于傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò),且由于衛(wèi)星始終處在變化的惡劣自然環(huán)境中,鏈路與地面通信鏈路相比連通不穩(wěn)定且延遲較高。這導(dǎo)致星間、星地的鏈路更加容易受到欺騙、篡改等方式的網(wǎng)絡(luò)攻擊而難以被發(fā)覺(jué)。
“星融網(wǎng)”將在國(guó)土安全防御、作戰(zhàn)指揮決策、軍事行動(dòng)實(shí)施等領(lǐng)域發(fā)揮出極其重要的作用,也將是決定著未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)成敗的關(guān)鍵因素之一。在網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗背景下,我主要戰(zhàn)略對(duì)手大力發(fā)展網(wǎng)絡(luò)攻擊能力,“星融網(wǎng)”未來(lái)將成為其重要進(jìn)攻方向之一。但是“星融網(wǎng)”有別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),有著信道開(kāi)放性、鏈路間歇性、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性等特征,因此由于其特殊的通信環(huán)境,以及以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為主干的特點(diǎn),使得“星融網(wǎng)”面臨著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的安全威脅。本文結(jié)合“星融網(wǎng)”創(chuàng)新性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),深入分析基于現(xiàn)有技術(shù)建設(shè)“星融網(wǎng)”過(guò)程中可能面臨的安全威脅,為進(jìn)一步研究“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)和安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究提供支撐。
基于傳統(tǒng)的OSI網(wǎng)絡(luò)分層模型,本文從物理層、數(shù)據(jù)層、傳輸層和應(yīng)用層四個(gè)層面分別闡述基于現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)“星融網(wǎng)”設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中可能面臨的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
“星融網(wǎng)”物理層在建設(shè)過(guò)程中面臨的安全威脅主要是物理毀損和信號(hào)干擾。
物理毀損主要指對(duì)天、空、地、海等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行物理破壞。主要威脅存在于太空環(huán)境及近地環(huán)境惡劣的自然環(huán)境對(duì)天、空基礎(chǔ)設(shè)施造成不可抗的自然破壞,影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。另一方面,在軍事領(lǐng)域,天基基礎(chǔ)設(shè)施極易成為敵人首要的攻擊目標(biāo),造成“星融網(wǎng)”通信中斷。
信號(hào)干擾主要指?jìng)鬏斝盘?hào)受到自然或人為的電子干擾。由于“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)處于復(fù)雜的電磁環(huán)境下,極易遭受宇宙射線(xiàn)、大氣層電磁信號(hào)、惡意電磁信號(hào)等各類(lèi)干擾,導(dǎo)致正常的數(shù)據(jù)傳輸受到影響乃至發(fā)生中斷。其中,惡意干擾主要包括欺騙干擾、壓制干擾等。欺騙干擾通過(guò)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)重放或偽造,使用戶(hù)終端收到錯(cuò)誤的信息,從而實(shí)現(xiàn)干擾。壓制干擾是通過(guò)同頻段大功率噪聲干擾,致使衛(wèi)星信號(hào)信噪比降低,從而導(dǎo)致通信傳輸可用性降低甚至無(wú)法使用。
“星融網(wǎng)”數(shù)據(jù)層在建設(shè)過(guò)程中面臨的主要安全威脅是數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性破壞。數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性破壞主要是指數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)遭到竊取和破壞。由于星上計(jì)算資源有限,現(xiàn)有星間、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議在設(shè)計(jì)上安全性考慮不足,容易遭到來(lái)自攻擊者的數(shù)據(jù)竊取、篡改和偽造、重放攻擊以及中間人攻擊等。
“星融網(wǎng)”傳輸層在建設(shè)過(guò)程中面臨的主要安全威脅是身份欺騙和拒絕服務(wù)攻擊。身份欺騙主要是指“星融網(wǎng)”節(jié)點(diǎn),尤其是衛(wèi)星節(jié)點(diǎn),由于其動(dòng)態(tài)接入的特點(diǎn),存在真實(shí)節(jié)點(diǎn)被冒充的可能,導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露。拒絕服務(wù)攻擊主要是指利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷,在同一時(shí)間利用大量網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)某一網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)設(shè)備,造成網(wǎng)絡(luò)資源耗盡,無(wú)法提供正常服務(wù)。特別是在天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算資源受限情況下,更易遭到分布式拒絕服務(wù)攻擊。
“星融網(wǎng)”應(yīng)用層可能面臨的威脅主要是指各種蠕蟲(chóng)病毒、惡意軟件、網(wǎng)絡(luò)釣魚(yú)等利用“星融網(wǎng)”可能存在的脆弱點(diǎn)、安全漏洞等缺陷,破壞“星融網(wǎng)”系統(tǒng),威脅“星融網(wǎng)”核心服務(wù)器和骨干鏈路,造成“星融網(wǎng)”基礎(chǔ)設(shè)施癱瘓。
由于“星融網(wǎng)”一體化信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)量龐大的各種接入系統(tǒng)構(gòu)成,每個(gè)接入系統(tǒng)都有可能存在漏洞和脆弱點(diǎn)。攻擊者可能通過(guò)利用任何一個(gè)系統(tǒng)/軟件漏洞,達(dá)到侵入整個(gè)“星融網(wǎng)”的目的,對(duì)“星融網(wǎng)”造成嚴(yán)重威脅。通過(guò)對(duì)以上不同體系結(jié)構(gòu)層次的安全威脅分析,可以看到,“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的各層都存在被攻擊的可能性,因此,設(shè)計(jì)“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)時(shí)必須綜合統(tǒng)籌并合理兼顧,根據(jù)不同空間任務(wù)和應(yīng)用的安全風(fēng)險(xiǎn),對(duì)各層的情況都給予充分的考慮。
在未來(lái)“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,通信數(shù)據(jù)加密、控制消息完整性保護(hù)、接入身份認(rèn)證等安全服務(wù)和安全機(jī)制的操作都離不開(kāi)密鑰管理技術(shù)??傮w上,密鑰管理法分為集中式和分布式兩種,對(duì)于密鑰管理集中式管理模式,在地面安全區(qū)域,設(shè)置一個(gè)總的密鑰管理中心,負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的密鑰進(jìn)行管理。由于“星融網(wǎng)”規(guī)模龐大再加之計(jì)算復(fù)雜度高,可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)域?qū)⒚荑€管理劃分為三個(gè)中心:衛(wèi)星域密鑰管理中心、臨近空間域密鑰管理中心和地面終端域密鑰管理中心,每個(gè)密鑰管理中心對(duì)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的公鑰進(jìn)行管理,并接受總密鑰管理中心的控制,由于“星融網(wǎng)”特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),該方案適用于規(guī)模較小的組播通信工作。但是,由于集中式密鑰管理方案可靠性較差,當(dāng)組控制者被攻擊時(shí),容易導(dǎo)致整個(gè)組癱瘓(即存在單點(diǎn)失效問(wèn)題)。
分布式密鑰管理不需要設(shè)置固定的組控制者,密鑰由所有成員共同協(xié)商得到。但在密鑰初始協(xié)商、成員加入和退出時(shí),必須要由某個(gè)或某些組成員來(lái)?yè)?dān)當(dāng)臨時(shí)管理者,為其他節(jié)點(diǎn)計(jì)算分發(fā)相關(guān)參數(shù)?!靶侨诰W(wǎng)”是由空間/衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)融合而成的多域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),結(jié)合以上兩種密鑰管理方式的優(yōu)缺點(diǎn),未來(lái)“星融網(wǎng)”密鑰管理可以采用以分布式密鑰管理為主的方式。此外,還應(yīng)在未來(lái)“星融網(wǎng)”建設(shè)中解決由于密鑰協(xié)商消息需經(jīng)多次轉(zhuǎn)發(fā)才可到達(dá),協(xié)商時(shí)延較長(zhǎng)和成功率較低的問(wèn)題。
空間網(wǎng)絡(luò)由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可預(yù)測(cè)性及通信的高度暴露性,使得路由協(xié)議的控制消息面臨著竊取、篡改、偽造、仿冒、重放、蟲(chóng)洞和拒絕服務(wù)等多種惡意攻擊,目前的路由算法如果在“星融網(wǎng)”中應(yīng)用會(huì)存在很多不足。
現(xiàn)有的路由算法的抗毀性差,即使一體化路由協(xié)議具備一定的抗毀能力,但是層次組織結(jié)構(gòu)沒(méi)有過(guò)多的冗余度,在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)失效的情況下,需要花費(fèi)大量的開(kāi)銷(xiāo)使網(wǎng)絡(luò)再次穩(wěn)定下來(lái)。
現(xiàn)有的路由算法大多仍是采用傳統(tǒng)的地面IP編址方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址。如果衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)也采用IP編址方案,則需要的存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)太大,對(duì)于本來(lái)星上存儲(chǔ)能力就有限的衛(wèi)星更是遇到了瓶頸。即使在地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行消息傳輸?shù)臅r(shí)候把數(shù)據(jù)包頭部的IP地址轉(zhuǎn)換成適合衛(wèi)星系統(tǒng)的編址,也會(huì)大大增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),增加網(wǎng)絡(luò)處理延遲。
現(xiàn)有的路由算法大多以衛(wèi)星為控制中心,地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)地面站向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信的目的。雖然建立了多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),上層衛(wèi)星對(duì)于下層衛(wèi)星來(lái)說(shuō)只起到了管理的作用,在下層衛(wèi)星路由失效的情況下報(bào)告錯(cuò)誤并進(jìn)行路由重計(jì)算。路由的功能主要由下層的衛(wèi)星完成,這樣就加大了下層衛(wèi)星的負(fù)荷,而上層衛(wèi)星與下層衛(wèi)星之間的鏈路資源沒(méi)有得到充分的利用。
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于所處空間的獨(dú)特性,衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生各種各樣的故障。一旦網(wǎng)絡(luò)中存在突發(fā)流量或者發(fā)生故障,整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)崩潰,沒(méi)有很好的適應(yīng)能力。
針對(duì)當(dāng)前路由算法存在的諸多風(fēng)險(xiǎn),在未來(lái)的“星融網(wǎng)”安全防護(hù)方案研究中需要著重研究安全路由協(xié)議。由于“星融網(wǎng)”是由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)和地面無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),消息在傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)和處理等過(guò)程中需要設(shè)計(jì)一種高效安全的路由協(xié)議方案,用以找出一條從源端路由器到目的端路由器的最優(yōu)路徑,保證“星融網(wǎng)”的路由安全。
“星融網(wǎng)”各管理域中節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程中,為了保證移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或臨近空間網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不間斷的通信,必須使用切換機(jī)制用以提供無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。切換是指終端在通信過(guò)程中,從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的覆蓋區(qū)域進(jìn)入到另一接入點(diǎn)的覆蓋區(qū)域時(shí),必須改變通信鏈路以保持不間斷的通信。
當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)在空間網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生切換時(shí),與新網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、舊網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn),甚至地面控制網(wǎng)絡(luò)之間均需要進(jìn)行頻繁的切換信息,進(jìn)行交互。切換控制消息可能受到竊取、篡改、偽造、重放等攻擊的威脅,因此,切換過(guò)程中需要滿(mǎn)足關(guān)鍵數(shù)據(jù)保密性、注冊(cè)認(rèn)證管理和控制消息完整性等安全需求,才能為網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)提供安全保障。因此,在未來(lái)“星融網(wǎng)”的建設(shè)中,需要根據(jù)不同切換場(chǎng)景的特點(diǎn)和要求,設(shè)計(jì)快速、平滑、無(wú)縫的安全切換方案和協(xié)議,確保使用的安全機(jī)制滿(mǎn)足各項(xiàng)安全屬性,同時(shí)盡量縮短切換延遲,降低切換過(guò)程中的丟包率。
在“星融網(wǎng)”中,從一個(gè)終端用戶(hù)到另一個(gè)終端用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸可能涉及到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)域。然而,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路動(dòng)態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)時(shí)空行為復(fù)雜且分布稀疏,同時(shí)無(wú)線(xiàn)電干擾、節(jié)點(diǎn)能量限制等原因,導(dǎo)致通信鏈路具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸時(shí)延大、高誤碼率、間歇性連接等特性,這些都與傳統(tǒng)的地面互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制技術(shù)的前提要求有很大的不同。地面互聯(lián)網(wǎng)的高速高效數(shù)據(jù)傳輸及其擁塞控制,是建立在數(shù)據(jù)源和目的之間存在端到端路徑、端到端時(shí)延可控、丟包率較小等假設(shè)條件之上的,無(wú)法有效適應(yīng)空間網(wǎng)絡(luò)。
“星融網(wǎng)”的端到端數(shù)據(jù)傳輸需跨越多個(gè)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)域,帶寬受限、高延遲的信道環(huán)境會(huì)嚴(yán)重降低安全傳輸通道的建立、維護(hù)和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程,影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?,并可能造成不同網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)部信息的泄露,因此,在未來(lái)“星融網(wǎng)”設(shè)計(jì)建設(shè)的過(guò)程中需采取措施提高安全傳輸通道建立、維護(hù)的效率和安全性,需要研究適用于“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)信道環(huán)境的安全傳輸技術(shù)。
隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用需求的多樣化,功能單一、結(jié)構(gòu)規(guī)則、運(yùn)行依賴(lài)于地面、相互之間孤立的天地通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、綜合性的服務(wù)需求。目前,搶占未來(lái)天空地信息競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)、建設(shè)“星融網(wǎng)”是推進(jìn)我國(guó)快速發(fā)展的又一次戰(zhàn)略機(jī)遇。但是總體上看,基于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù),“星融網(wǎng)”在未來(lái)的建設(shè)中可能在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、密鑰管理、路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全切換、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫婷媾R著安全風(fēng)險(xiǎn)。本文基于“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu),深入分析了現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于“星融網(wǎng)”未來(lái)建設(shè)中可能面臨的安全威脅,為下一步研究提出具有系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、全方位、普適性的“星融網(wǎng)”安全架構(gòu)方案和安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)提供了有力依據(jù)和指引。