天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)無線鏈路安全防護(hù)技術(shù)探討

0引言天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)采用“天網(wǎng)地網(wǎng)”架構(gòu)，由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)組成，并與地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)互聯(lián)互通，按照“天基組網(wǎng)、天地互聯(lián)、全球服務(wù)”的思路建設(shè)，實(shí)現(xiàn)天空地多層次協(xié)同，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、隨遇接入、按需服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)能力，是國家在信息時(shí)代的戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的天地網(wǎng)絡(luò)融為一體，這就要求天基網(wǎng)絡(luò)具有良好的開放性，支持各類服務(wù)應(yīng)用，支持用戶無感接入或即插即用。此外，天基網(wǎng)絡(luò)的空間及電磁的特殊性易受到攻擊和干擾，而其重要戰(zhàn)略地位又要保證其具備高安全性。因此，天基網(wǎng)絡(luò)安全是整個(gè)系統(tǒng)安全防護(hù)體系的重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要意義。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天基網(wǎng)絡(luò)安全的核心是無線鏈路安全，涉及到用戶接入、節(jié)點(diǎn)互聯(lián)以及移動(dòng)切換等移動(dòng)通信場(chǎng)景的安全防護(hù)，因此需要針對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線鏈路的信道特點(diǎn)，分析無線鏈路面臨的安全威脅，研究復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下的無線接入安全、節(jié)點(diǎn)互聯(lián)安全、安全移動(dòng)切換可信保持等安全防護(hù)技術(shù)，研究相關(guān)安全技術(shù)體制和實(shí)現(xiàn)方式，提出相關(guān)安全技術(shù)解決途徑，為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)體系提供支撐。1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及無線鏈路的特點(diǎn)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是跨陸、海、空、天復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下的多層信息網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)絡(luò)由用戶鏈路、饋電鏈路、星間鏈路等多種鏈路組成，是一個(gè)典型的大時(shí)空尺度的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及無線鏈路具有以下特點(diǎn)。1.1衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)暴露且信道開放天地一體化信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建涵蓋了天基骨干網(wǎng)（高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）和天基接入網(wǎng)（低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)直接暴露于空間軌道上，通信信道具有開放性，容易遭受非法截獲、欺騙、重放以及干擾等攻擊，且威脅復(fù)雜多變，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對(duì)威脅較困難。1.2網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)種類多天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)包括用戶節(jié)點(diǎn)（高軌Ka終端、低軌L終端、低軌Ka終端等）、天基骨干節(jié)（高軌衛(wèi)星）、天基接入節(jié)點(diǎn)（低軌衛(wèi)星）和地基節(jié)點(diǎn)等多種節(jié)點(diǎn)。不同節(jié)點(diǎn)通過不同網(wǎng)域接入天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的方式和流程存在差異。1.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化高天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天基接入節(jié)點(diǎn)（低軌衛(wèi)星）因距離地面近，始終處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，致使星—星之間、星—地之間的無線鏈路的互聯(lián)關(guān)系需要頻繁切換，以保持通信的順暢不中斷。1.4用戶鏈路快速切換由于低軌衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)并且覆蓋范圍有限，用戶終端基于單顆衛(wèi)星持續(xù)通信的時(shí)間較短，超出覆蓋范圍后會(huì)導(dǎo)致原有用戶鏈路失效。為保證通信不間斷，用戶終端必須在后續(xù)衛(wèi)星進(jìn)入覆蓋范圍時(shí)對(duì)通信鏈路進(jìn)行切換，即用戶鏈路切換。1.5衛(wèi)星載荷能力受限受衛(wèi)星有效載荷功耗、體積、重量的限制及太空自然惡劣環(huán)境等因素的影響，衛(wèi)星載荷對(duì)信息的處理能力均受到了較大限制。此外，為了保證業(yè)務(wù)信道的傳輸性能，控制信道帶寬亦受限，且衛(wèi)星發(fā)射后硬件層面幾乎沒有升級(jí)改造的可能，難以實(shí)現(xiàn)能力的有效擴(kuò)展。上述這些特點(diǎn)為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)無線鏈路安全防護(hù)帶來了諸多挑戰(zhàn)，因此對(duì)無線鏈路安全關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究時(shí)需要充分考慮這些因素，以確保相關(guān)解決方案的可行性和實(shí)用性。2無線鏈路面臨的安全威脅天地一體化信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無線鏈路主要涉及無線接入、節(jié)點(diǎn)互聯(lián)和移動(dòng)切換3個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，是系統(tǒng)無線鏈路安全防護(hù)的重點(diǎn)研究對(duì)象。2.1無線接入安全威脅無線接入分為用戶終端接入和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接入。首先，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的天基節(jié)點(diǎn)、地基節(jié)點(diǎn)和用戶終端均通過開放的無線鏈路進(jìn)行通信。由于無線信道的開放性，網(wǎng)絡(luò)易受到攻擊，如面臨身份假冒、信息被竊聽、信息被篡改和重放等威脅，造成系統(tǒng)被非法訪問、信息泄露甚至工作異常。其次，用戶終端接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要上報(bào)自己的身份信息，如果該終端身份信息在空中傳輸時(shí)被攻擊者截獲，將造成用戶位置信息暴露，對(duì)身份敏感的特種用戶會(huì)造成較大的安全威脅。因此，用戶終端或者衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接入地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)需進(jìn)行身份認(rèn)證，以保證用戶終端或者衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的真實(shí)性與合法性，并提供控制面和用戶面的信息加密和完整性保護(hù)，同時(shí)對(duì)高端用戶的身份信息需進(jìn)行加密保護(hù)，防止用戶被定位和跟蹤。2.2節(jié)點(diǎn)互聯(lián)安全威脅由于天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天基接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化，為了保證通信業(yè)務(wù)的穩(wěn)定暢通，各相鄰星—星節(jié)點(diǎn)間、星—地節(jié)點(diǎn)間的通信業(yè)務(wù)需要進(jìn)行無線鏈路互聯(lián)。節(jié)點(diǎn)互聯(lián)面臨的威脅主要包括身份假冒、信息被竊聽、信息篡改和重放等，導(dǎo)致衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)被非法訪問、攻擊，造成節(jié)點(diǎn)互聯(lián)異常；或者對(duì)無線鏈路的路由協(xié)議進(jìn)行惡意攻擊，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能明顯下降甚至癱瘓。因此，在天基網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咚僮兓?、高時(shí)延等復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下，如何在保證實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)認(rèn)證的同時(shí)，對(duì)星載資源的占用和信道開銷最少、認(rèn)證效率高，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可靠、可信的互聯(lián)安全控制成為天地一體化信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。2.3移動(dòng)切換安全威脅用戶終端移動(dòng)切換面臨的安全威脅主要體現(xiàn)在由于用戶鏈路的開放性使得用戶在星間切換過程中切換控制消息也可能面臨竊取、篡改、偽造、重放等攻擊，造成移動(dòng)切換時(shí)通信中斷而無法為用戶提供可靠的通信服務(wù)。同時(shí)，用戶終端移動(dòng)切換也面臨著問題。一方面，當(dāng)用戶終端在通信過程中發(fā)生切換時(shí)，如果用戶終端與目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新認(rèn)證時(shí)勢(shì)必會(huì)造成通信斷續(xù)，從而影響用戶的使用；另一方面，由于用戶終端的移動(dòng)切換過程主要是在星上完成，而衛(wèi)星載荷的處理能力有限，頻繁切換會(huì)對(duì)衛(wèi)星載荷和安全防護(hù)載荷的處理能力提出了較高的要求。3無線鏈路安全防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑3.1復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下的無線接入安全為了保證復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下的接入安全，需為用戶終端和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)提供無線接入認(rèn)證安全機(jī)制以及空口數(shù)據(jù)加密和完整性保護(hù)機(jī)制，同時(shí)為高端用戶提供用戶身份保護(hù)等安全防護(hù)機(jī)制。3.1.1用戶終端接入認(rèn)證天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的用戶終端分為低軌L終端、低軌Ka終端和高軌Ka終端三類。針對(duì)用戶終端不同的空中接口標(biāo)準(zhǔn)，需采用不同的認(rèn)證協(xié)議體系，將接入認(rèn)證協(xié)議與系統(tǒng)控制信道通信流程緊密融合，通過地面認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的用戶終端接入認(rèn)證服務(wù)。此外，為了減輕衛(wèi)星載荷的處理負(fù)擔(dān)，用戶終端所有的認(rèn)證消息均在地面進(jìn)行處理，衛(wèi)星載荷只進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。三種類型用戶終端接入認(rèn)證的示意圖如圖1所示。圖1三種類型用戶終端通過天基網(wǎng)接入地面網(wǎng)絡(luò)低軌L終端工作于L頻段，空中接口標(biāo)準(zhǔn)采用地面通用移動(dòng)通信系統(tǒng)的衛(wèi)星擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（SatellitecomponentoftheUniversalMobileTelecommunicationsSystem，S-UMTS），具有與地面4G移動(dòng)通信系統(tǒng)相同的接入特性，為用戶提供移動(dòng)通信服務(wù)。因此，低軌L終端接入認(rèn)證可借鑒4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證與密鑰協(xié)商（AuthenticationandKeyAgreement，AKA）接入認(rèn)證機(jī)制和協(xié)議體系進(jìn)行改進(jìn)?；趯?duì)稱和非對(duì)稱混合密碼體制，采用終端自身的私鑰對(duì)身份信息進(jìn)行簽名，保證終端身份的唯一性和真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)用戶終端與認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)的雙向身份認(rèn)證和控制面/用戶面密鑰派生，生成L用戶終端與地基節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的安全關(guān)聯(lián)，用于無線鏈路傳輸?shù)男帕詈蜆I(yè)務(wù)信息的機(jī)密性完整性保護(hù)。高軌Ka終端和低軌Ka終端工作于Ka頻段，空中接口均采用數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)（DigitalVideoBroadcasting，DVB），因此高軌/低軌Ka終端的接入認(rèn)證流程統(tǒng)一設(shè)計(jì)，基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PubicKeyInfrastructure，PKI）的公私鑰認(rèn)證體系進(jìn)行改進(jìn)。采用對(duì)稱和非對(duì)稱混合密碼體制，基于空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystem，CCSDS）鏈路層安全協(xié)議規(guī)范，將認(rèn)證數(shù)據(jù)包嵌入CCSDS鏈路層數(shù)據(jù)幀，采用終端自身的私鑰對(duì)身份信息進(jìn)行簽名，保證終端身份的唯一性和真實(shí)性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高軌Ka終端和低軌Ka終端的入網(wǎng)雙向認(rèn)證和控制面/用戶面密鑰派生，生成Ka終端與地基節(jié)點(diǎn)和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的安全關(guān)聯(lián)，用于無線鏈路傳輸?shù)男帕詈蜆I(yè)務(wù)信息的機(jī)密性完整性保護(hù)。針對(duì)身份隱私具有較高安全需求的用戶，可使用認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)的公鑰證書對(duì)上報(bào)的身份信息進(jìn)行加密，實(shí)現(xiàn)用戶身份保護(hù)功能，防止身份信息被監(jiān)聽竊取而導(dǎo)致用戶身份的暴露和被定位。此外，在上報(bào)的信息中嵌入時(shí)間戳信息，可以有效防止重放攻擊。3.1.2衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接入認(rèn)證在通信層面上，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)（包括天基骨干節(jié)點(diǎn)和天基接入節(jié)點(diǎn)）的饋電鏈路亦采用DVB空口標(biāo)準(zhǔn)接入網(wǎng)絡(luò)。因此，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接入認(rèn)證可看作Ka終端接入認(rèn)證的特殊情況。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的接入認(rèn)證可與Ka終端接入認(rèn)證機(jī)制和流程保持一致，基于PKI的公私鑰認(rèn)證體系進(jìn)行改進(jìn)，采用對(duì)稱和非對(duì)稱密碼體制相結(jié)合的方式，參照CCSDS鏈路層安全協(xié)議規(guī)范，通過地面認(rèn)證服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)骨干節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)雙向認(rèn)證和控制面/用戶面密鑰派生。3.2復(fù)雜時(shí)空環(huán)境下節(jié)點(diǎn)互聯(lián)安全技術(shù)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)安全主要針對(duì)天基網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化時(shí)，為相鄰節(jié)點(diǎn)間提供互聯(lián)認(rèn)證安全機(jī)制以及空口數(shù)據(jù)加密和完整性保護(hù)機(jī)制。根據(jù)系統(tǒng)通信架構(gòu)，節(jié)點(diǎn)互聯(lián)認(rèn)證分為星地互聯(lián)認(rèn)證和星間互聯(lián)認(rèn)證兩種場(chǎng)景。為保障天基網(wǎng)絡(luò)的暢通，需要不斷進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的無線鏈路互聯(lián)，因此節(jié)點(diǎn)互聯(lián)安全技術(shù)是系統(tǒng)安全運(yùn)行關(guān)鍵。節(jié)點(diǎn)互聯(lián)認(rèn)證示意如圖2所示。圖2節(jié)點(diǎn)互聯(lián)認(rèn)證過程以星間互聯(lián)認(rèn)證為例，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)認(rèn)證均屬于端到端認(rèn)證，不涉及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)或設(shè)備，因此節(jié)點(diǎn)互聯(lián)可借鑒PKI基于非對(duì)稱密碼的認(rèn)證體制進(jìn)行改進(jìn)。在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)建立連接時(shí)，將互聯(lián)認(rèn)證協(xié)議嵌入節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的控制協(xié)議中，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的雙向認(rèn)證以及實(shí)現(xiàn)星間鏈路控制面密鑰派生，用于節(jié)點(diǎn)間無線鏈路傳輸?shù)男帕钚畔⒌募用芎屯暾员Ｗo(hù)。通過節(jié)點(diǎn)互聯(lián)認(rèn)證可以保證通信雙方身份的真實(shí)性，確保合法節(jié)點(diǎn)間的正常互聯(lián)，防止假冒節(jié)點(diǎn)對(duì)合法節(jié)點(diǎn)的欺騙，保障端到端信息可靠傳輸。在認(rèn)證策略上，由于節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的場(chǎng)景較為頻繁，為減少衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)資源的占用和信道開銷，不用每次節(jié)點(diǎn)互聯(lián)時(shí)均認(rèn)證，可以采用定期認(rèn)證的方式實(shí)現(xiàn)。3.3用戶終端安全移動(dòng)切換可信保持技術(shù)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置是動(dòng)態(tài)變化的。為了保證用戶終端之間通過天基接入網(wǎng)進(jìn)行不間斷的通信，必須使用安全切換機(jī)制以提供無縫網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。當(dāng)?shù)蛙塋/Ka終端在不同衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間切換時(shí)，不但需要解決切換過程中的切換控制信令的保護(hù)問題，還需要解決用戶終端和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間信任關(guān)系的無縫傳遞，本質(zhì)為接入層信令保護(hù)密鑰等安全參數(shù)的傳遞。在移動(dòng)切換發(fā)生前，源接入衛(wèi)星與目的衛(wèi)星之間進(jìn)行節(jié)點(diǎn)互聯(lián)認(rèn)證，以便利用互聯(lián)認(rèn)證過程中協(xié)商的互聯(lián)保護(hù)密鑰Kintercon，為后續(xù)的切換控制信令和密鑰傳遞提供機(jī)密性和完整性保護(hù)。移動(dòng)切換時(shí)用戶終端發(fā)起請(qǐng)求，源接入衛(wèi)星將與用戶終端接入認(rèn)證派生的控制面密鑰經(jīng)過密鑰Kintercon加密保護(hù)傳遞給目的衛(wèi)星，形成用戶終端與目的衛(wèi)星的安全關(guān)聯(lián)。通過用戶終端信任源接入衛(wèi)星，源接入衛(wèi)星信任目的衛(wèi)星，最終完成用戶終端與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的信任關(guān)系在源接入衛(wèi)星與目的衛(wèi)星之間的信任傳遞。由于用戶終端與目的衛(wèi)星無須重新認(rèn)證，既實(shí)現(xiàn)了用戶終端安全的移動(dòng)切換與可信保持，也實(shí)現(xiàn)了新用戶鏈路的快速建立，保證移動(dòng)切換時(shí)通信業(yè)務(wù)連續(xù)不間斷，工作原理如圖3所示。圖3用戶終端安全移動(dòng)切換可信保持工作原理該安全移動(dòng)切換機(jī)制借鑒了4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的切換機(jī)制，但又具有一些特殊性。一是低軌衛(wèi)星移動(dòng)速度快，為了避免用戶通信中斷，需要將安全移動(dòng)切換設(shè)置為較高優(yōu)先級(jí)；二是為了減少對(duì)衛(wèi)星資源占用和控制信道的開銷，需要對(duì)4G安全移動(dòng)切換協(xié)議流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，保持其高效和快捷。通過用戶終端的安全移動(dòng)切換和可信保持機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)終端與目的節(jié)點(diǎn)的可信保持，保證通信雙方身份的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)切換時(shí)對(duì)相關(guān)信令（如切換請(qǐng)求、參數(shù)傳遞等）的保護(hù)，保證移動(dòng)切換整個(gè)過程的安全性。4結(jié)語作為國家級(jí)的重大基礎(chǔ)設(shè)施，天地一體化信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性、可控性和可用性顯得尤為重要。通過對(duì)天地一體化信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析，竊取、欺騙、假冒、篡改以及重放等攻擊最容易出現(xiàn)的環(huán)節(jié)是無線接入、節(jié)點(diǎn)互聯(lián)和移