天地一體化網(wǎng)絡(luò)無縫切換和跨域漫游場景下的安全認(rèn)證增強(qiáng)方案

薛開平，周煥城，孟薇，李少華

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026）

1 引言

近年來，隨著航天和衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展。同時，國家安全、用戶通信等需求的不斷提高促使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展，由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)融合而形成的天地一體化網(wǎng)絡(luò)得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。該網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、拓?fù)鋭討B(tài)變化、受地理?xiàng)l件限制小等特點(diǎn)，因戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性、帶動性和不可替代性，成為了保障國民經(jīng)濟(jì)和國家安全的重大基礎(chǔ)設(shè)施。為了接入天地一體化網(wǎng)絡(luò)，終端必須利用衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)中繼，而衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)包括地球同步（GEO, geostationary earth orbit）衛(wèi)星、中軌（MEO, medium earth orbit）衛(wèi)星和低軌（LEO, low earth orbit）衛(wèi)星。相比地球同步衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星距離地球更近，在通信延時、通信質(zhì)量等方面更具優(yōu)勢，更適合作為衛(wèi)星接入點(diǎn)來為用戶提供衛(wèi)星通信服務(wù)。

然而，由于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的成分復(fù)雜且用戶規(guī)模龐大，會產(chǎn)生許多安全需求。一方面，由于天地一體化網(wǎng)絡(luò)具有鏈路高度開放的特點(diǎn)，更容易面臨信息被竊取和干擾的威脅。另一方面，天地一體化網(wǎng)絡(luò)是一個多種制式的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，是不同接入方式有機(jī)結(jié)合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這樣的網(wǎng)絡(luò)不可能由一家運(yùn)營商進(jìn)行運(yùn)營和管理，大規(guī)模用戶往往屬于不同的信任域。這些信任域彼此之間并不會完全信任對方，當(dāng)用戶從一個信任域管理的接入網(wǎng)關(guān)，接入到另外一個信任域管理的接入網(wǎng)關(guān)時，就涉及漫游。此時，為了保證位于外地信任域的合法用戶仍然能夠正常接入天地一體化網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)計安全有效的漫游接入?yún)f(xié)議。因此，漫游問題無論對于目前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還是未來網(wǎng)絡(luò)都是一個需要重點(diǎn)考慮的問題。在為用戶提供漫游服務(wù)時，如何確保用戶通信服務(wù)的安全性、連續(xù)性及合理計費(fèi)對于一個漫游協(xié)議來說是不可忽略的。因此，本文將從用戶匿名性、網(wǎng)絡(luò)可用性、合理計費(fèi)等角度設(shè)計安全高效的漫游接入?yún)f(xié)議。

近來，針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)的特性，有許多研究提出了各種接入認(rèn)證方案和安全切換方案。文獻(xiàn)[1]從安全接入、安全路由、安全切換、安全傳輸、密鑰管理等功能角度將這些方案進(jìn)行了綜述與評價。但是，至今尚未有適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的安全漫游方案。而傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的漫游方案[2-3]雖然可以提供用戶身份匿名從而保護(hù)用戶的隱私，但是這些漫游方案并沒有考慮計費(fèi)問題。

基于以上考慮，本文提出了一種適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)無縫切換和跨域漫游場景的安全認(rèn)證增強(qiáng)方案。該方案可以實(shí)現(xiàn)安全漫游認(rèn)證及用戶在外地信任域中的合理計費(fèi)。此外，由于衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)和一些終端的高速移動特性，本文還提出了無縫安全切換方案以保證用戶的通信連續(xù)性。通過安全性與性能分析，證明了本文方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的安全漫游接入認(rèn)證，而且可以保證用戶在漫游過程中的合理計費(fèi)。

2 相關(guān)工作

近年來，天地一體化網(wǎng)絡(luò)（國外稱為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）得到了國內(nèi)外越來越多的關(guān)注，大量針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)安全的協(xié)議被提出。早在 1996年，Cruickshank[4]首先提出了一個適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用公鑰體系完成了用戶與服務(wù)器之間的雙向認(rèn)證，然而認(rèn)證效率不高，同時也會暴露用戶的身份信息。2003年，Hwang等[5]提出了一種基于私鑰密碼系統(tǒng)的、適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的、改進(jìn)版的認(rèn)證方案。該方案與Cruickshank[4]的方案相比計算開銷小了許多。然而在 2005年，Chang等[6]發(fā)現(xiàn)了Hwang等[5]的方案并沒有滿足前向安全性，同時會受到密碼猜測攻擊，因此提出了一種基于散列鏈為認(rèn)證手段的改進(jìn)方案，使用DH（Diffie-Hellman）密鑰交換保證了前向安全性。

以上方案的目的都是解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的安全接入問題，但是都沒有考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的安全漫游問題。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的漫游接入認(rèn)證協(xié)議得到了學(xué)術(shù)界的廣泛研究。2004年，Zhu等[7]提出了一種新的高效認(rèn)證方案，聲稱可以為無線環(huán)境提供匿名性。隨后Lee等[2]發(fā)現(xiàn)了Zhu等[7]的方案存在許多安全缺陷，并提出了改進(jìn)方案。2008年，Wu等[8]提出了Lee等[2]的方案并不能保證用戶匿名性。然而 Zeng等[9]發(fā)現(xiàn)了Wu等[8]的方案也不能保護(hù)用戶匿名性，更進(jìn)一步地，Mun等[3]發(fā)現(xiàn)了Wu等[8]的方案存在更多問題，包括用戶密碼泄露、不滿足密鑰前向安全性等。

在以上漫游方案中，用戶的漫游認(rèn)證都需要用戶歸屬域服務(wù)器參與驗(yàn)證，這不僅增加了認(rèn)證時延，而且增大了用戶歸屬域服務(wù)器的計算開銷與通信負(fù)擔(dān)，同時容易使用戶歸屬域服務(wù)器成為漫游系統(tǒng)的性能瓶頸。因此在2010年，Yang等[10]提出了一種適用于無線匿名網(wǎng)絡(luò)中的通用認(rèn)證方案，該方案使用了組簽名，每個移動用戶都可以利用歸屬域服務(wù)器頒發(fā)的組私鑰進(jìn)行消息簽名，拜訪域只需要利用用戶歸屬域服務(wù)器的公鑰即可認(rèn)證漫游用戶的合法性。該方案保證了用戶匿名性，但是由于復(fù)雜的簽名算法帶來較大的計算開銷，因此可用性受到了限制。2012年，He等[11]提出了一種基于雙線性映射的安全高效的切換認(rèn)證方案，該方案通過使用用戶歸屬域服務(wù)器頒發(fā)的假名實(shí)現(xiàn)用戶匿名，同時利用了批量認(rèn)證的手段減少認(rèn)證開銷。然而，該方案在認(rèn)證過程中涉及大量的雙線性映射操作，因此計算開銷比較大，并且該方案不能提供前向安全性。基于以上考慮，Li等[12]提出了一種輕量級的漫游認(rèn)證方案，該方案能夠保證用戶匿名性的同時降低計算開銷。然而該方案沒有考慮計費(fèi)問題，另外，用戶撤銷問題也沒有得到解決，即使用戶身份在歸屬域服務(wù)器被撤銷，在外地也仍然能夠繼續(xù)使用。而且該方案的認(rèn)證流程存在漏洞，攻擊者可以利用用戶的公開信息臨時通過認(rèn)證步驟，雖然并不能獲取認(rèn)證成功之后的會話密鑰，但是攻擊者仍然能占用一條合法的鏈路，因此容易引發(fā)拒絕服務(wù)（DoS,denial of service）攻擊。

2014年，Yan等[13]提出了一種基于全球認(rèn)證中心的安全漫游方案，該方案中全球認(rèn)證中心管理所有國家的服務(wù)器的認(rèn)證信息，用戶接入網(wǎng)絡(luò)時，衛(wèi)星會向全球認(rèn)證中心請求用戶注冊域服務(wù)器的認(rèn)證信息，并對用戶進(jìn)行認(rèn)證。該方案解決了天地一體化網(wǎng)絡(luò)中信任域眾多難以管理的問題，但是引入了新實(shí)體——全球認(rèn)證中心，在現(xiàn)實(shí)中不太合理，因此實(shí)用性欠佳。2016年，Jiang等[14]提出了一種基于 HMAC（Hash-based message authentication code）的VANET（vehicular Ad Hoc network）高效匿名批量認(rèn)證方案，然而該方案需要使用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI, public key infrastructure)來完成對用戶的接入認(rèn)證。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，證書的管理十分復(fù)雜，此外，天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信帶寬不大，鏈路質(zhì)量也不佳，使用證書會引入大量的通信開銷，進(jìn)一步放大了天地一體化網(wǎng)絡(luò)的難點(diǎn)問題。Bao等[15]提出了一種基于身份的身份驗(yàn)證和無線漫游密鑰協(xié)商協(xié)議，該協(xié)議的特點(diǎn)是使用了橢圓曲線密碼與雙線性映射，因此，可以實(shí)現(xiàn)快速認(rèn)證且密鑰短小，大大加快了認(rèn)證速度，減少了存儲開銷。然而在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，許多終端的計算能力都比較弱，這些終端可能無法運(yùn)行雙線性映射算法，因此，該方案的實(shí)用性也不高。

由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在極大的差異，其他無線網(wǎng)絡(luò)中的漫游方案很難適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)，因此，針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)移動和鏈路特性設(shè)計相應(yīng)的漫游方案是研究天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要問題之一。

3 網(wǎng)絡(luò)和安全模型

3.1 系統(tǒng)模型

本文主要研究天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的安全漫游問題，這一過程中主要考慮以下實(shí)體：用戶終端A、歸屬域服務(wù)器 H（home server）、接入衛(wèi)星 SAR（satellite access point）、歸屬域地面站 G（gateway）、拜訪域地面站FG（foreign gateway）與拜訪域服務(wù)器F（foreign server）組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

用戶終端A。在其歸屬域服務(wù)器H上注冊，希望通過接入衛(wèi)星SAR使用拜訪域網(wǎng)絡(luò)。

歸屬域服務(wù)器H。有用戶的注冊信息，同時為用戶提供到特定拜訪域的漫游憑證。

接入衛(wèi)星SAR。是用戶終端A與地面站之間的中繼節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)認(rèn)證信息與會話數(shù)據(jù)。

歸屬域地面站G。屬于歸屬域服務(wù)器H，為用戶終端A提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，歸屬域地面站G與歸屬域服務(wù)器H之間有安全通道。

圖1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)中安全漫游架構(gòu)

拜訪域地面站FG。屬于拜訪域服務(wù)器F，為用戶終端A提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，拜訪域地面站FG與拜訪域服務(wù)器F之間有安全通道。

拜訪域服務(wù)器F。用戶終端A要漫游到的拜訪域中的服務(wù)器，與用戶歸屬域服務(wù)器H共享會話密鑰，可以驗(yàn)證用戶出示的漫游憑證。

3.2 安全假設(shè)

本文方案主要是基于以下的安全假設(shè)。

1) 接入衛(wèi)星與地面站已建立安全通道，地面站與其歸屬的信任域服務(wù)器已建立安全通道，每個信任域服務(wù)器之間已建立安全通道。

2) 拜訪域中的服務(wù)器、地面站及接入衛(wèi)星對于用戶的身份是好奇的，它們希望獲得用戶的真實(shí)身份，同時最大化自己的利益，因此可能會尋找機(jī)會多收取用戶的費(fèi)用。

3) 用戶與歸屬域服務(wù)器希望最大化自己的利益，用戶可能希望不出示或少出示計費(fèi)憑證，從而減少自己的費(fèi)用。如果有機(jī)會的話，歸屬域服務(wù)器會拒絕承認(rèn)拜訪域服務(wù)器出示的計費(fèi)憑證。

4) 攻擊者可以竊聽用戶接入拜訪域網(wǎng)絡(luò)時發(fā)出的認(rèn)證信息，也有能力對內(nèi)容進(jìn)行篡改，并試圖破壞用戶正常接入網(wǎng)絡(luò)、偽裝成用戶接入網(wǎng)絡(luò)或竊聽用戶接入網(wǎng)絡(luò)后發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

3.3 安全需求

基于以上安全模型，一種安全的漫游接入認(rèn)證方案必須滿足以下幾個安全需求。

1) 雙向認(rèn)證。用戶必須認(rèn)證接入的地面站身份的合法性，防止接入假冒地面站。同時地面站必須認(rèn)證用戶的身份，確認(rèn)用戶擁有在本信任域的漫游資格。

2) 用戶匿名性。用戶在拜訪域中使用網(wǎng)絡(luò)，但是拜訪域不能獲取用戶的真實(shí)身份。同時用戶多次訪問網(wǎng)絡(luò)出示的多個臨時身份之間應(yīng)沒有聯(lián)系，即臨時身份必須滿足不可鏈接性。

3) 計費(fèi)合理性。方案必須保證用戶使用網(wǎng)絡(luò)時按規(guī)定付費(fèi)，拜訪域服務(wù)器可以向用戶歸屬域服務(wù)器正常收取費(fèi)用，不能多收。歸屬域服務(wù)器不能不付或少付費(fèi)用。

4) 用戶身份動態(tài)撤銷。當(dāng)用戶進(jìn)行不合法行為，或者用戶真實(shí)身份泄露時，需要對用戶身份進(jìn)行動態(tài)撤銷，取消用戶在拜訪域中對應(yīng)的漫游身份。

4 漫游認(rèn)證方案

當(dāng)用戶漫游到拜訪域中，希望使用拜訪域網(wǎng)絡(luò)時，為了實(shí)現(xiàn)安全漫游必須使用漫游認(rèn)證方案。方案包括了5個階段：漫游業(yè)務(wù)注冊階段、接入認(rèn)證階段、無縫安全切換階段、計費(fèi)階段與撤銷階段。漫游認(rèn)證方案中涉及的參數(shù)及其定義如表1所示，模型如圖2所示。

表1 漫游方案中參數(shù)及其含義

圖2 安全漫游方案模型

4.1 漫游業(yè)務(wù)注冊階段

當(dāng)用戶A希望獲取漫游業(yè)務(wù)之前，需要向歸屬域服務(wù)器訂閱對應(yīng)的拜訪域的漫游服務(wù)。首先定義一個函數(shù)f(x,y)=h(x||y)，其中h()函數(shù)是散列函數(shù)，并且定義

初始注冊階段流程如圖3所示，具體步驟如下。

步驟1用戶A首先向歸屬域服務(wù)器H發(fā)送漫游訂閱請求{IDA，IDF}，其中 IDF是拜訪域服務(wù)器F的身份標(biāo)識。

步驟2歸屬域服務(wù)器H為用戶A隨機(jī)產(chǎn)生一個計費(fèi)憑證頭xA-F，同時為用戶 A生成假名之后利用f(x,y)函數(shù)對xA-F和 TIDA進(jìn)行n次計算，獲得計費(fèi)憑證根并用私鑰對y進(jìn)行簽名A-F得到計費(fèi)憑證證書

為了讓拜訪域服務(wù)器F認(rèn)證用戶A的身份，歸屬域服務(wù)器H為用戶A生成一個認(rèn)證載荷Token。

其中，KH-F是歸屬域服務(wù)器H與拜訪域服務(wù)器F共享的對稱密鑰；Tend是該載荷的有效期限，過期作廢。

步驟3歸屬域服務(wù)器H將{Token，SignA-F，TIDA，Tend，xA-F，yA-F，n}通過安全通道發(fā)送給用戶A，并在本地存儲{IDA，IDF，xA-F，n}表項(xiàng)作為后續(xù)審計使用。

4.2 接入認(rèn)證階段

認(rèn)證階段如圖4所示，具體步驟如下。

圖4 安全漫游認(rèn)證流程

步驟1拜訪域服務(wù)器F下屬的地面站FG通過其連接的衛(wèi)星接入點(diǎn) SAR不斷向用戶廣播消息每個時間段Ti對應(yīng)不同的biP。

步驟2當(dāng)用戶A進(jìn)入拜訪域服務(wù)器的服務(wù)范圍時，用戶希望發(fā)起漫游業(yè)務(wù)請求。用戶首先挑選一個時間點(diǎn)Ti，并使用地面站FG的公鑰pkFG驗(yàn)證其簽名。若驗(yàn)證通過，則用戶A生成隨機(jī)數(shù)a，并計算

步驟3衛(wèi)星SAR收到用戶A的接入請求后轉(zhuǎn)發(fā)至地面站FG。

步驟4地面站FG收到用戶的接入請求后，首先驗(yàn)證式(1)是否成立，以防止重放攻擊。

通過驗(yàn)證后再驗(yàn)證簽名SignA-FG的合法性，若不合法，直接拒絕用戶A的接入請求；否則地面站FG會向拜訪域服務(wù)器F轉(zhuǎn)發(fā)消息

步驟5拜訪域服務(wù)器F計算Token'，并根據(jù)TIDA查詢本地表中是否有對應(yīng)表項(xiàng)。

步驟6地面站FG收到Token’之后計算V'。

判斷V'=V是否成立，若不成立，則用戶A認(rèn)證失?。环駝t地面站FG認(rèn)可用戶的身份，并且返回認(rèn)證成功消息，然后計算與用戶之間共享的會話密鑰同時記錄下等待用戶發(fā)送作為計費(fèi)憑據(jù)。

步驟7衛(wèi)星接入點(diǎn)SAR收到認(rèn)證響應(yīng)消息后轉(zhuǎn)發(fā)給用戶A。

步驟8用戶A收到認(rèn)證成功消息后即可利用與地面站 FG共享的對稱密鑰KA-FG使用拜訪域中的網(wǎng)絡(luò)。同時用戶A在使用網(wǎng)絡(luò)時，地面站FG會按時間間隔或流量消耗情況，持續(xù)向用戶 A索取進(jìn)行收費(fèi)，否則將用戶連接切斷。

4.3 無縫安全切換階段

在用戶使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，由于衛(wèi)星高速移動或者用戶終端高速移動，可能會發(fā)生連接中斷。為了保證用戶的業(yè)務(wù)連續(xù)性，需要安全高效的網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制。針對不同情況下引起的鏈路切換，本文提出了2種切換方案。

4.3.1 切換衛(wèi)星接入點(diǎn)

在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星相對地面高速移動，用戶大約每10 min就需要切換一個衛(wèi)星接入點(diǎn)。為了便于討論，本文假設(shè)新接入的衛(wèi)星已經(jīng)事先與地面站建立了信任關(guān)系，因此只需要讓新接入衛(wèi)星NSAR和用戶A建立信任關(guān)系。具體做法如下。

步驟1當(dāng)舊衛(wèi)星OSAR離開用戶時，用戶向新衛(wèi)星NSAR發(fā)起連接請求，同時附上

步驟2新衛(wèi)星NSAR事先從地面站FG處獲得了最新的新衛(wèi)星NSAR會驗(yàn)證

若式(2)成立，則認(rèn)為用戶是曾經(jīng)通過接入認(rèn)證的合法用戶，同意建立新的連接。

4.3.2 切換地面站

由于地面站的覆蓋范圍是有限的，而天地一體化網(wǎng)絡(luò)中某些終端（如戰(zhàn)斗機(jī)等）移動速度很快，在使用漫游業(yè)務(wù)的過程中可能會離開原地面站的覆蓋范圍，此時終端為了繼續(xù)使用網(wǎng)絡(luò)需要接入新的地面站。本文假設(shè)終端可以根據(jù)自己的軌跡預(yù)測出下一個要接入的地面站，并且新地面站（NFG,new foreign gateway）和舊地面站（OFG, old foreign gateway）之間彼此信任且具有安全通道。

步驟1用戶A預(yù)先通過OFG為中繼節(jié)點(diǎn)，向NFG發(fā)送DH密鑰協(xié)商參數(shù)a′P。

步驟 2NFG接收到用戶 A的密鑰協(xié)商參數(shù)a′P，生成隨機(jī)數(shù)b′，計算會話密鑰KNFG'-A。式(2)。并通過OFG向用戶A發(fā)送DH密鑰協(xié)商參數(shù)biP。

步驟 3用戶 A收到 NFG的密鑰協(xié)商參數(shù)b′P，計算會話密鑰

用戶 A離開 OFG的覆蓋范圍之前，會通知OFG，并向 NFG發(fā)送建立連接的請求，由于之前已經(jīng)成功協(xié)商了會話密鑰，因此這個過程耗時非常少。同時用戶A發(fā)送，NFG驗(yàn)證式(3)是否成立。

4.4 計費(fèi)階段

在漫游過程中，由于用戶的真實(shí)身份不能暴露給拜訪域服務(wù)器F，計費(fèi)成為一個難點(diǎn)。在本方案中，利用散列鏈的特性順利完成了漫游過程中的計費(fèi)難題。具體分析計費(fèi)階段過程如下。

當(dāng)用戶A初始接入拜訪域網(wǎng)絡(luò)時，拜訪域服務(wù)器F并沒有用戶A的信息。此時拜訪域服務(wù)器F需要記錄用戶A的臨時身份TIDA、計費(fèi)憑據(jù)根yA-F、最新憑據(jù)用戶歸屬域服務(wù)器H對憑據(jù)根yA-F的簽名SignA-F。之后用戶A會持續(xù)發(fā)送，給地面站FG，當(dāng)用戶A離開網(wǎng)絡(luò)時，地面站FG會將最新的發(fā)送給服務(wù)器F。

當(dāng)用戶A再次接入拜訪域網(wǎng)絡(luò)時，拜訪域服務(wù)器 F會查到用戶上次最新的憑據(jù)并發(fā)送給用戶A連接的地面站FG（如4.2節(jié)步驟5所描述）。地面站FG會判斷用戶A是否接著上次的憑據(jù)繼續(xù)發(fā)送若驗(yàn)證通過則同意用戶A接入網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)用戶A出示完n次計費(fèi)憑據(jù)之后就暴露了xA-F，就無法再利用TIDA享受漫游業(yè)務(wù)了。用戶A可以提前向歸屬域服務(wù)器 H購買新的漫游憑據(jù)，獲得新的TID′A及新的計費(fèi)憑據(jù)，利用新的臨時身份和計費(fèi)憑據(jù)繼續(xù)享受漫游業(yè)務(wù)。

4.5 撤銷階段

有時歸屬域服務(wù)器H因?yàn)槟承┰颍ū热缬脩鬉存在不合法行為、不小心泄露了身份等）希望撤銷用戶的漫游身份。由于用戶A的漫游身份TIDA-F是只在對應(yīng)的拜訪域生效的，因此歸屬域服務(wù)器H可以進(jìn)行細(xì)粒度的動態(tài)撤銷。當(dāng)歸屬域服務(wù)器H希望撤銷用戶A在拜訪域中的身份時，只需要查詢本地表項(xiàng)，獲得用戶 A申請在拜訪域中的身份將這些身份添加至身份撤銷列表中，發(fā)送給拜訪域即可。拜訪域服務(wù)器F收到用戶的漫游業(yè)務(wù)請求時，會查詢該用戶的臨時身份是否在撤銷列表中，若是，則拒絕為其提供服務(wù)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)撤銷用戶在特定拜訪域中的漫游身份，而不影響用戶在其他拜訪域中的正當(dāng)漫游身份。同時由于每個漫游身份都有生存周期，當(dāng)撤銷列表中的漫游身份過期時，即可將這些過期身份從撤銷列表中刪除，可以進(jìn)一步減少服務(wù)器的存儲負(fù)擔(dān)和傳輸撤銷列表時占用的帶寬。

5 安全性與性能分析

5.1 安全性分析

安全性分析基于以下前提條件。

前提 1攻擊者可能是不合法的用戶，也可能是具有合法身份的用戶。

前提2對于任何x、y，若存在一者是未知的，則h(x||y)是未知的。

前提3對于攻擊者來說，歸屬域服務(wù)器H的私密信息、拜訪域服務(wù)器F的私密信息及歸屬域服務(wù)器H與拜訪域服務(wù)器F之間的共享秘密信息都是未知的。

前提 4對于攻擊者來說，其他合法用戶的私密信息、其他合法用戶與服務(wù)器之間共享的秘密信息都是未知的。

5.1.1 雙向認(rèn)證

1) 防惡意假冒地面站

對地面站的認(rèn)證首先利用證書驗(yàn)證地面站的公鑰，再利用公鑰認(rèn)證相應(yīng)消息的簽名。該過程所體現(xiàn)的架構(gòu)與PKI體系是等同的，因此，對于仿冒攻擊的抵御也完全等同于PKI的安全性：如果存在某攻擊者有能力在這個過程中欺騙用戶，并在用戶不可察覺的情況下完成了與用戶之間的認(rèn)證流程，則等價于該攻擊者攻破PKI體系。因此，本方案能實(shí)現(xiàn)對地面站的合法性驗(yàn)證。

2) 防惡意用戶接入

攻擊目標(biāo)。攻擊者要以任意合法TIDA為身份，任意未來的時間Ta為時間產(chǎn)生的V，以使地面站FG能檢測到V=V'，其中V'來自兩步的散列計算式如下

攻擊資源。攻擊者能拿到多個過去時間Ti對應(yīng)的通信信息，每個Ti對應(yīng)一個bP與多個元組，其中V滿足

地面站認(rèn)證用戶主要憑借的是4.2節(jié)步驟6中的V=V’是否成立來對用戶身份合法性進(jìn)行判斷。因此，對于該問題的攻擊可形式化為生成六元組，其中，Ta為待攻擊的未來某時間，V是攻擊者為了通過認(rèn)證產(chǎn)生的認(rèn)證信息，其他信息aP、IDH、Tend、TIDA對于攻擊者來說都是已知且可以修改的。

由于V'的計算式是事先確定的，攻擊者只能修改計算V'的輸入?yún)?shù){aP,IDH,Tend,TIDA,Ta}，但是由前提3可知，KH-F對于攻擊者來說是未知的。由前提2可知，由于KH-F是未知的，Token′對于攻擊者來說都是未知的。進(jìn)一步由前提2推導(dǎo)出，V'對于攻擊者來說是未知的。換句話說，攻擊者可以修改V'的值，但仍舊無法獲得V'的值，因此攻擊者無法產(chǎn)生正確的V，使得地面站驗(yàn)證V=V'等式通過。

綜上所述，攻擊者無法通過地面站的驗(yàn)證過程，因此本方案可以實(shí)現(xiàn)地面站認(rèn)證合法用戶的功能。

5.1.2 防重放攻擊

攻擊目標(biāo)。攻擊者要以過去的時間To時合法用戶產(chǎn)生的Vo作為認(rèn)證載荷，使得地面站FG檢測得到Vo=Vo'。

攻擊資源。攻擊者能拿到多個過去時間To-i對應(yīng)的通信信息，每個To-i對應(yīng)一個bo-iP與多個元組，其中Vo-i滿足

在4.2節(jié)步驟4中，地面站收到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的用戶接入請求時，會驗(yàn)證時間To與當(dāng)前時間Tnow的差距是否大于閾值ΔT，若差距過大，則會拒絕用戶的接入請求，并不會進(jìn)行接下來的認(rèn)證步驟。因此當(dāng)攻擊者希望利用過去截獲的合法用戶認(rèn)證信息通過認(rèn)證時，地面站會及時發(fā)現(xiàn)并抵抗該攻擊。因此，本方案可以抵抗重放攻擊。

5.1.3 用戶匿名性與身份不可鏈接性

由于用戶 A在接入拜訪域網(wǎng)絡(luò)時出示的是臨時身份TIDA，真實(shí)身份IDA從未暴露在拜訪域網(wǎng)絡(luò)中。而臨時身份 TIDA與真實(shí)身份 IDA的對應(yīng)關(guān)系只有用戶A和歸屬域服務(wù)器H知道，由前提3與前提4可知，攻擊者無法獲得臨時身份TIDA與真實(shí)身份IDA的對應(yīng)關(guān)系，即無法通過用戶A的臨時身份TIDA推導(dǎo)出用戶的真實(shí)身份IDA，因此用戶匿名性可以得到保證。

5.1.4 抗中間人攻擊

當(dāng)攻擊者希望在用戶A與地面站FG進(jìn)行中間人攻擊時，必須使用戶A相信其是一個合法的地面站FG，同時使地面站FG相信其是用戶A。根據(jù) 5.1.1節(jié)分析的雙向認(rèn)證特性，攻擊者無法偽裝成一個合法地面站，同時也無法仿冒用戶A的身份，因此中間人攻擊不會成功。而方案的安全性使中間人攻擊只能將用戶/衛(wèi)星之間的認(rèn)證數(shù)據(jù)和之后的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行不修改的轉(zhuǎn)發(fā)，無法從中獲得任何利益（如獲得通信內(nèi)容、偽造身份等）。

5.1.5 會話機(jī)密性

本方案的密鑰協(xié)商過程是基于橢圓曲線的 DH密鑰交換算法?；贒H困難假設(shè)，任何攻擊者在僅知道P、aP和bP的情況下無法計算出KA-FG=abP。在本方案中，用戶 A和地面站 FG分別隨機(jī)產(chǎn)生DH密鑰協(xié)商參數(shù)aP和bP，攻擊者只能獲得aP和bP，且無法篡改它們，因?yàn)橐坏┐鄹拿荑€協(xié)商參數(shù)aP或bP，那么V或V'的值就會發(fā)生變化，則認(rèn)證會失敗。所以任何除了用戶A和地面站FG的實(shí)體都無法計算出會話密鑰，包括衛(wèi)星FLEO。

5.1.6 計費(fèi)與撤銷

根據(jù)4.4節(jié)中對計費(fèi)過程的分析和4.5節(jié)中對撤銷過程的分析，可以知道本文方案能夠完成合理的計費(fèi)和細(xì)粒度的動態(tài)撤銷功能。簡要來說，用戶必須出示計費(fèi)憑證才能連續(xù)地享受漫游服務(wù)；同時基于散列鏈的單向性，拜訪域服務(wù)器F無法通過已有的計費(fèi)憑證推斷出更多的計費(fèi)憑證，因此拜訪域服務(wù)器F無法多收取費(fèi)用；而歸屬域服務(wù)器H用自身的私鑰對計費(fèi)憑證進(jìn)行了簽名，因此它無法對計費(fèi)憑證抵賴，從而保證了拜訪域服務(wù)器能夠順利向歸屬域服務(wù)器收取漫游費(fèi)用。

5.2 性能分析

本文通過基于Token的安全認(rèn)證機(jī)制，保證了安全漫游協(xié)議中用戶與拜訪域網(wǎng)絡(luò)完成雙向認(rèn)證；通過基于散列鏈的計費(fèi)憑證，達(dá)到實(shí)時計費(fèi)的功能。表2是本文方案與文獻(xiàn)[3]方案和文獻(xiàn)[12]方案的性能對比結(jié)果。選取文獻(xiàn)[3]方案和文獻(xiàn)[12]方案的原因是文獻(xiàn)[3]方案安全性能比較優(yōu)秀，而文獻(xiàn)[12]方案通信負(fù)擔(dān)比較低。

假設(shè)用戶A與LEO、LEO與FG、FG與服務(wù)器F、服務(wù)器F與服務(wù)器H之間的通信時延分別為TA-LEO、TLEO-FG、TFG-F、TF-H。由于低軌衛(wèi)星和地面相距500～2 000 km，一般通信時延為10～30 ms，且經(jīng)過實(shí)際測試，實(shí)驗(yàn)室主機(jī)到云端服務(wù)器單跳時延約為10 ms。本文假定TA-LEO=TLEO-FG=20 ms，TFG-F=TF-H=10 ms。另外，在P-IV 3 GHz處理器上利用OPENSSL庫測得一些密碼學(xué)計算的計算耗時，其中一次橢圓曲線點(diǎn)乘TMul=0.376 ms，一次非對稱加密TAsym=0.201 ms，一次對稱加密TSym=0.000 1 ms。由于散列操作和異或操作相對而言耗時極小，因此可以忽略它們帶來的計算耗時。

表2 與文獻(xiàn)[3]方案、文獻(xiàn)[12]方案的性能分析與對比

從表2可以看到，相比文獻(xiàn)[3]方案和文獻(xiàn)[12]方案，本文方案安全性更強(qiáng)，性能上的表現(xiàn)也更佳。例如，本文方案支持實(shí)時計費(fèi)與動態(tài)撤銷，同時支持雙向認(rèn)證，這是文獻(xiàn)[12]方案所欠缺的。從計算耗時上看，本文方案相比于文獻(xiàn)[12]方案具有更低的計算開銷。最為重要的是，本文方案考慮到天地一體化網(wǎng)絡(luò)中通信時延較長的特點(diǎn)，大大簡化了交互流程，因此通信時延相對較低。結(jié)合計算開銷與通信時延，最終在整體的認(rèn)證時延上本文方案比文獻(xiàn)[3]方案和文獻(xiàn)[12]方案耗時更短，性能表現(xiàn)更優(yōu)。

6 結(jié)束語

本文針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了一種安全漫游方案。該方案利用Token及散列鏈實(shí)現(xiàn)了用戶在外地域中的安全漫游與合理計費(fèi)；此外，考慮到衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)的高速移動性，提出了2種無縫安全切換方案以保證用戶通信連續(xù)性。最后的安全性分析表明，本文方案能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的安全漫游接入認(rèn)證，同時通過合理的計費(fèi)手段保證了各個實(shí)體的正當(dāng)權(quán)益。