自主深空網絡密鑰管理體系結構

發布時間：2020-04-09所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要：提出了基于單加密密鑰多解密密鑰密鑰協議的密鑰構建更新體系結構的自主深空密鑰管理模型架構，能很好地適用于深空網絡本地自主更新密鑰的需求，滿足自保護的特性，可作為深空網絡安全策略的密鑰管理模型. 關鍵詞：深空網絡;長延時;安全體系結構;自主;

　　摘　　　要：提出了基于單加密密鑰多解密密鑰密鑰協議的密鑰構建更新體系結構的自主深空密鑰管理模型架構，能很好地適用于深空網絡本地自主更新密鑰的需求，滿足自保護的特性，可作為深空網絡安全策略的密鑰管理模型.

　　關鍵詞：深空網絡;長延時;安全體系結構;自主;密鑰管理

　　隨著空間活動的日益增多，基于一跳方式的空間通信難以滿足空間任務需要，基于多跳方式的深空通信網絡被提出[1-3].然而空間環境的復雜多變和網絡覆蓋的面積較大，導致數據傳輸延時較長，鏈路具有間斷連通的特點[4]，這一現狀導致深空的安全問題比地面無線網絡更為突出[5-6].密鑰管理作為網絡安全技術的基礎，是深空網絡安全研究必不可少的內容[7].目前對深空網絡的密鑰管理研究主要集中在衛星網絡[8-10]，如文獻[11-13]在LKH[14]方案的基礎上根據衛星網絡的拓撲特點進行優化，但仍需KMC負責密鑰管理任務;文獻[15]對衛星網絡采用分層分簇，減少密鑰更新開銷;文獻[16]針對近地空間網絡使用基于身份的密鑰協議消除對證書的依賴，并使用分簇方法提高更新效率;文獻[12]采用結合LKH和GDH[17]方案提高衛星網絡的帶寬利用率.CCSDS制定了空間通信協議(spacecommunicationsprotocolspecification，SCPS)[18]，為安全協議預留了安全字段，但是僅僅為深空密鑰管理提供基礎.上述密鑰管理方案適合延時較短的地面與衛星間的通信網絡，密鑰管理服務中心(keymanagementcenter，KMC)能夠提供實時密鑰管理服務，因此該類方案不適合長延時、間斷連通的深空網絡組密鑰管理任務需要[19].

　　隨著高集成度專用芯片的開發和利用[20]，以及可持續能源的高能電池的配備[21]，星上處理能力日益提高，空間實體的自主能力越來越強[22]，目前星上處理的研究主要包括：空間探測器的自主管理、空間飛行器自主導航、軟件信息系統自主管理.在文獻[23-24]中給出自主網絡的定義，構造基于知識庫的深空網絡自主管理方案，以及自主網絡需要滿足的4個屬性：自配置、自恢復、自優化和自保護.空間網絡的自主化必須建立在一定硬件基礎上.目前空間飛行器搭載的處理器從第一代空間飛行器通用計算器(spacecraftcommonflightcomputer，CFC)(每秒1百萬條指令、四芯片、1750指令結構)，發展到第三代空間飛行器(x2000systemflightcompuer，SFC)(PowerPC750CPU)，執行復雜的密鑰算法是可行的，且其運算速度低于秒級，遠低于空間信道的傳輸延時級別.因此對比傳輸延時代價，計算延時代價可以忽略不計.空間實體的能量水平從早期的短壽命的鋅銀電池，到目前支持大功率的長壽命的可持續的太陽能混合燃料電池，使得支撐更為復雜的空間任務成為可能[25].因此，無地面控制中心支持，在具有高性能處理器和高水平能量電池的空間實體上本地執行復雜的安全協議是可行的.

　　綜上所述，自主星上處理能力是未來深空網絡的發展趨勢，設計具有自主性的安全協議和密鑰管理方案是符合這一趨勢要求的，但是自主深空安全策略和其他星上的自主能力是有區別的.

　　1深空網絡密鑰管理性能需求

　　如圖1所示，深空通信具有距離遙遠、長延時傳輸、空間環境復雜、數據傳輸誤碼率較高、間斷連接鏈路、非對稱信道帶寬、異構通信實體、動態網絡拓撲結構、成本高昂和后期維護困難等特點.通過建立若干行星附近的近空網絡，并通過星際主干網絡將這些近空網絡連接起來，提高深空網絡的通信效率[26-27].目前已經提出的4種空間通信協議體系，基于CCSDS的空間協議結構[28]、基于TCP/IP的空間協議結構[29]、結合CCSDS與TCP/IP的空間協議結構[30]、基于容延遲/中斷網絡的空間協議結構[31-32]，都是借鑒地面無線網絡的密鑰管理方式，密鑰管理的性能不能滿足深空通信需求，如密鑰更新難以保證密鑰的新鮮性.

　　既然依賴基礎設備，如KMC的密鑰管理策略不足以滿足深空網絡的安全需要，執行本地化的密鑰管理策略勢在必行，所以深空網絡的密鑰管理有2種狀態：①基于可靠的端到端的鏈接的KMC密鑰管理模式，即地面控制中心的KMC能夠和深空網絡中實體建立可靠的端到端的鏈接，并且其策略的延時是可容忍的，基于KMC的密鑰管理好處在于密鑰的計算任務由KMC承擔，但是延時較長;②基于非可靠的端到端鏈接的本地節點的密鑰管理模式，即由網絡成員分擔網絡密鑰管理任務，優點是能夠靈活應對網絡環境的變化，減少密鑰管理延時，缺點是網絡成員需要承擔大量的計算任務，并且為了保證協議的正確執行，成員的秘密配置信息可能需要被告知管理者，進而威脅秘密配置信息.因此，為滿足本地節點的密鑰管理中成員間無需公開秘密配置信息的目的，設計在安全性上等效于基于KMC的密鑰管理方案的本地節點的自主密鑰管理模式是一個挑戰.

　　在基于本地節點的密鑰管理模式中，網絡成員具有比集中式密鑰管理方案中成員更強的能力，能夠承擔基于KMC密鑰管理模式中面向自身的密鑰管理任務.成員可根據效率和本地上下文情景選擇2種模式中的一種，或者混合模式，并能執行優化策略，具有更好的性能，如圖2所示.該模式下，深空網絡成員的密鑰管理降低對地面基礎設施和可靠端到端鏈路的依賴，降低密鑰材料傳輸的范圍和距離，從而提高密鑰管理的成功率.

　　2自主密鑰管理屬性

　　基于自主的深空網絡密鑰管理的最終目的是盡量減少地面控制中心的KMC的實時任務管理的復雜度，能夠根據環境的變化作出可靠的密鑰管理策略[33-34].基于自主的深空網絡密鑰管理除了需要滿足密鑰管理的基本安全和效率屬性外，還應該具有如下的安全和效率屬性：自組織、自配置、自保護、自優化和可視性.

　　2.1自組織

　　自組織是多個成員在密鑰結構在網絡結構上的自主性要求.具有兩層含義：①深空網絡成員具有和其他成員協作完成協商、生成、分發、使用和撤銷密鑰的能力;②深空網絡成員具有建立基于私鑰的公鑰自組織結構的能力，使得網絡成員根據本地上下文情景協商局部共享的公鑰組織結構，不僅可以減少密鑰協商時間，而且提高了協議成功執行的概率.自組織是自主性在網絡組網和密鑰組織上的行為能力體現，設成員ui，i∈{1，2，…，n｝在安全協議P中t時刻的自組織密鑰操作有{TPtui，z|z∈{1，2，…，m｝｝，KMC在安全協議中t時刻的密鑰操作有{TPtKMC，z|z∈{1，2，…，m｝｝.

　　2.2自配置

　　自配置是單個成員在自主性上的要求.當網絡環境變化時，網絡成員不能及時有效的從KMC中得到配置信息，深空網絡成員需要具有生成足夠密鑰資料的能力，并能對密鑰管理中涉及本身的部分有權利進行配置、修改和更新.自配置是成員本身具有KMC實施該成員密鑰管理全部功能的體現，前提是自配置不能破壞其他節點

　　2.4自優化

　　密鑰管理的自優化是指，在可靠端到端聯系下，KMC能夠及時獲取網絡的全局信息，執行最優化的密鑰管理策略.但是在深空網絡中，KMC獲取的信息可能是陳舊的，不僅不能優化密鑰管理性能，反而可能會對環境變化做出錯誤反應.因此，深空網絡節點需要有能力根據環境的變化調整密鑰管理策略，提高密鑰管理的性能

　　.2.5可視性

　　密鑰管理的可視性，KMC在密鑰管理中的核心地位是不變的，網絡中所有成員的安全配置信息對KMC都是可視的，即在可靠端到端連接允許的情況下，任何成員都必須向KMC匯報自己的安全配置參數，然而這種可視性僅僅限于KMC.也因此自主密鑰管理方案中KMC和成員都可以作為密鑰管理執行的發起者，但是它們是有區別的，KMC對所有成員的秘密安全參數都是可視的，而成員只有自己的秘密配置參數.

　　2.6自主密鑰管理定義

　　定義1自主密鑰管理(autonomickeymanagement，AKM)，具有自組織、自配置、自保護的基于本地成員的密鑰管理方案稱為自主密鑰管理方案，即在密鑰管理P中，成員ui對私有秘密密鑰資料的自組織行為等價KMC對其私有秘密密鑰資料的行為，且成員ui執行任意自組織行為SOPij都不會破壞成員uj(i≠j)的所有自配置參數{SFPij|j∈{1，2，…，k｝｝的合法性.

　　基于以上的自組織、自配置、自保護、自優化和可視性屬性，無論KMC支撐還是缺乏KMC支撐，密鑰協議都可成功執行，并且在安全性能上等價.可靠性是深空網絡密鑰管理中需要重點考慮的屬性，自保護屬性嚴格界定了KMC和成員間的安全邊界，是判斷密鑰管理自主性的基本條件，因此自保護處于自主密鑰管理安全核心地位.因此自主密鑰管理中的安全具有3層含義：①在無KMC支持的情況下，成員能夠保證組密鑰管理任務正確的執行;②動態成員在執行密鑰管理任務中不會降低系統的安全性，保護密鑰更新的前向和后向安全性;③動態成員執行密鑰管理任務不會破壞其他節點的安全性，其他成員的私有秘密值不能被篡改.

　　3自主密鑰管理模型

　　提出獨立性單加密密鑰多解密密鑰密鑰更新模型(autonomicone-encryption-keymulti-decryption-keyrekeyingmodel，AOMRM)，即AOMRM在保證密鑰更新獨立特性同時，更新成員具有獨立更新加密密鑰的能力.如圖3所示，密鑰管理中通過密鑰交互協議協商共享加密密鑰，當有成員加入或退出網絡時，由加入或退出成員執行密鑰更新過程，注冊或撤銷自己的私有秘密密鑰的合法性，并且密鑰更新的實施者不能威脅其他合法成員私有解密密鑰合法性，即使加入或退出節點的是一個惡意成員.

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