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卫星通信系统安全技术综述

文档作者：关汉男12，易平1·2，俞敏杰1·2，李建华1.2.3 文档来源： 1.信息内容分析技术国家工程实验室 2.上海交通大学信息安全工程学院 3.上海鹏越惊虹信息技术发展有限公司		点击数：	更新时间： 2024年08月01日
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．。壹羹叠豳豳豳一
表3 3种密钥管理协议的比较
hierarchv。Um)㈤的密钥管理方案㈣。该协议将卫星系统的
通信节点分为多个组，每个组由一个组控制器(group
con昀Her，GC)和多个组成员(伊叫p lnember，GM)构成。组
内构成一个可信域，共享同一个通信组密钥，组控制器负
责组内的密钥管理和认证。所有组控制器由根节点(蹦)
统一进行密钥管理，形成一个更高层次的可信域。卫星多
播通信中，为了保障前向安全性(即节点退出后就不能再
获取多播通信信息)和后向安全性(即新加入的节点不能
获知加人前的多播信息)，必须在任何一个通信节点退出
或加入后．更新组内密钥。传统中心式结构，随着节点数目
的增加更新密钥的开销呈指数级增长，基于逻辑密钥树的
分层密钥管理协议减少了密钥更新的开销，非常适合于动
态性强的卫星通信系统。但是这种密钥管理结构还是中心
化的，根节点作为密钥管理中心，仍旧存在单点失效的风
险。另外当层级增多或分组过多时，每次更新密钥会产生
较大的通信流量。
钟焰涛在其博士学位论文【柏】中设计了一种基于LE0
(低地球轨道)和MEO(中地球轨道)的双轨道密钥管理架
构。所有ME0卫星构成一个分布式可信域，通过密钥协商
生成共享组密钥。每个ME0卫星和其信号辐射范围内所
有LE0卫星组成一个簇，ME0充当这个簇的密钥管理中
心(簇头)，簇内组密钥是将ME0组密钥加入随机参数生
成的．从而保障不同簇的密钥差异。由于纯分布式密钥管
理密钥协商过于频繁，不适用于星问链路，而中心化的结
构又存在单点失效等问题。簇型结构能够中和以上两种结
构的优点．可以在性能和效率上取得较好的平衡。
3种密钥管理协议的比较如表3所示。
6结束语
伴随着空间通信技术的进步，卫星通信环境逐渐向
“类地化”发展。据美国宇航局(NASA)预测，低地球轨道卫
星的通信能力有望在2020年达到10 Gbit／s，空间链路误
码率有望降至10。以下{4ll。这在让笔者感到兴奋的同时，
也为通信安全敲响了警钟。卫星系统性能的提升为实现天
地一体化综合信息网创造了条件。同时也为更复杂网络攻
击手段提供了温床。因此卫星通信网络的安全研究仍旧是
一个年轻的领域。除了本文讨论的几种技术外，未来的发
万方数据
!睦趟麓阁圈圈
域覆盖面广、通信不受地理条件所限、信道链路成本低、可
用频率资源丰富等优势，成为了构建全球无缝通信互联网
络的重要组网。据统计，近lO年闻，世界各国提出的卫星
宽带综合业务通信方案多达80一100个。可以预见，新一代
卫星通信系统将向通信宽带化、业务综合化、移动终端多样
化、与Incemet(国际互联网)一体化方向发展。
在此背景下。卫星通信系统的安全面临更大挑战。由
于空间通信环境特殊，现有的互联网安全技术并不完全适
用于卫星通信。而以往的研究更多关注于卫星通信的可用
性和效率．对于安全机制的讨论尚不充分。近年来频发的
卫星安全事件足以印证这一点：2006年印尼黑客通过自‘制
的信号终端成功入侵商用卫星⋯；2007年欧洲Galileo
导航系统中G10VE．A卫星的编码算法被攻破【21：2009年
我国北斗导航系统的M1民用编码被破解【3】。可见卫星通
信系统亟需多层次、系统化、综合性的安全防护体系。
2卫星通信系统安全弱点
卫星通信系统由地面段和空间段组成，地面段包括主
控中心、监测中心及信关站，空间段包括卫星星座、星间链
路和星地链路。空间段通过微波通信进行数据及信令的传
输、转发和交换。是整个系统的核心部分，也是安全隐患最
大的部分，其安全弱点归纳如下。
(1)物理通信环境恶劣
星座网络位于据地面高度2 000 km(低地球轨道)至
35 800 km(同步卫星轨道)的太空近地轨道，通信链路
容易受到宇宙射线、大气层电磁信号或恶意电磁信号
的干扰。具有信号传输误码率高(10～一lO。)、时延大
(10～300 ms)、通信不稳定等特点。由于无线链路具有
开放性．缺乏物理保护．容易遭受干扰、截获、伪造等恶意
攻击。
(2)卫星节点能力受限
相比地面系统，卫星节点的硬件处理能力较低，星上
系统的计算能力、存储空间、电能功率等都受到一定限制，
这直接制约了星上运算的复杂度和通信开销，使得安全性
高的复杂协议难以在卫星网络中实现。
(3)网络动态性变化
星座网络拓扑具有无中心、自组织、周期性的特点，而
地面部分用户终端具有移动性，可扩展性。这些因素使得
网络通信实体间的信任关系不断变化，增大了身份认证、
密钥管理、访问控制的难度，地面用于静态网络的安全措
施往往不适合这种拓扑结构。
3卫星通信系统安全性概述
根据OSl分层通信模型．卫星通信系统的主要通信协
议、安全威胁和防护技术如表1所示。从低层向高层，安全
威胁呈现出手段更丰富、技术更复杂、隐蔽性更强、防护难
度更高的发展趋势。具体包括硬件设施损毁、压制干扰、欺
骗干扰、频段窃听、数据截获、数据篡改、重放攻击、中间人
攻击、身份仿冒和非授权访问等。卫星系统的安全技术应
该在不同通信层级各有侧重，主要保障系统的可用性、数
表1 卫星通信系统主要协议及安全技术汇总
通信层级卫星通信系统主要协议安全威胁安全技术
应用层
传输层
网络层
空间分组协议SCPs．FP
SCPSJP
SCMP、
SCPS—SP、
SCPS—NP
改进的FrP
改进的TCP(如PEP．7I℃P、
TCP-Peach、TCP—Peach+等)
改进的ICMP；改进的IPSec
(如SalIPsec等)；改进的IP
改进的ATM
非授权访问：
身份仿冒；
拒绝服务；
中间人攻击：
重放攻击；
信息篡改；
信息截获
数据链逻辑链路AOS空间数据链路ProxjIllity空问遥测数据遥控数据链路协议频段窃听
路层子层协议数据链路协议链路协议欺骗干扰
萎耋编码黑詈鎏譬硐卷积编码陋编码Tu加编码咖编码嚣蚕蒌子层PLOPS 同步编码
“””8
物理层信道物理信号射频与调制
基础设施星座网络、控制中心、信关站、监测站、用户终端
访问控制：
身份认证；
新鲜性认证：
完整性认证：
数据加密：
密钥管理
防频段窃听：扩频技术、跳
频技术、加入人工噪声、编
码加密：
抗欺骗干扰：能量鉴别、角度
鉴别、认证加密：
抗压制干扰：提高信源功率、
自适应多波束天线、伪卫星
技术：
抗损毁：设施冗余备份、卫星
高轨道设计、卫星分散化设
计、星座网络自主运行技术
万方数据
万方数据
三．二生氆圈豳簟誓
理论基础是Wvner提出的窃听信道模型，即窃听者的疑义
速率无限接近于信息速率时，不可能得到任何可用信息，
信息可不依赖于加密进行安全通信。参考文献f16】提出一
种基于人工噪声(anificial noise，AN)的窃听反制技术，通
过在不影响信源信号质量的冗余频谱上加入人工噪声，达
到提高窃听信道疑义速率的目的。但是由于星载能量的有
限性，这种技术并不适合在卫星系统中普遍使用。Zheng G
等人在参考文献『171中结合多波束通信、AN等安全技术，
提出一种对窃听者信道产生最大化干扰的防护策略。但该
算法建立在已知窃听者信道状态信息(CSI)(至少要获知信
道协方差矩阵(CCM))的假设之下，因此在实际应用中存
在局限。
底层加密技术也可以起到综合防护的效果，缺点是只
能保护一条链路的传输安全，不能实现端到端的防护．因
此只适用于数据交换量不大、安全要求高的特定场景。如
GPs的AS(锄ti．spoo{ing)防护机制，其目的是通过链路层编
码加密来保护用于军用卫星导航的P码序列，AS机制将P
码与加密的W码模2相加形成加密的P(Y)码，实现了卫
星导航信号的防窃听、抗干扰和授权访问。
5网络层／传输层安全
近年间，物理层技术的进步推动了空间信道质量的提
升。通信协议明显有从低层向高层发展的趋势。早在1999年，
国际空间数据系统咨询委员会(Consultalive Committee for
Space Data Systems，CCSDS)就制定了空间通信协议(space
communication protoc01 speci{icalion，SCPS严锄，SCPs沿用
了TCP，【P分层结构．但为了在空间网络环境下保持最佳
传输比特率，SCPs对传输层的3次握手、超时重传等机制
进行了裁剪，在网络层甚至放弃了与IP数据分组的兼容
性阿。这使得SCPs并未成为广泛认同的标准，对TCP和
IP的不同改进也成为以往研究的热点，参考文献
(24，25】先后提出一种基于“突发启动”和“快速恢复”机制
的TCP改进协议TCP-I)each以及其优化版本7rCP．Peach十：
针对星座链路间流量分布不均匀、节点处理能力有限、
星座拓扑动态变化等特点，参考文献【26]设计了一种用
于LE0星座的传播时延最小路由算法，参考文献【27】提
出了针对层次化拓扑结构星座的路由算法。这些改进不同
程度地优化了卫星网络的路由交换和分组传输，由于并非
本文综述的重点，这里不再详述。
在安全性的设计上，SCPs也非常有限，其协议栈中只
有子协议SCPs．sP用于保障通信安全。SCPS．sP工作在传
输层和网络层之间，类似于TCP／IP协议栈中的IPsec协
议。但SCPs．sP占用的通信开销要小得多，这也导致其安
全性减弱，不能防范流量分析、数据分组重放等攻击手段。
这主要是因为SCPs．SP制定于十几年前，当时的空间带宽
十分珍贵．但在今天看来这种设计显得过于保守。
因此许多研究着眼于设计新的高层安全协议。由于数
据加密技术已有成熟的算法标准，并且可移植性很强，只
要根据不同卫星的计算能力和数据的密级，选择合适的加
密算法和密钥长度，即可实现通信数据保密，所以星上数
据加密并不是协议设计的热点。以往的研究主要集中于两
个方面：认证机制和密钥管理。
5．1 认证机制
认证机制包括完整性认证、新鲜性认证和身份认证。
完整性认证用于防止数据损毁和恶意篡改，常用技术是散
列函数校验或消息码认证(messa筘autllenIication code，
MAC)㈣；新鲜性认证可以抵御重放攻击[1l】，一般通过向
通信报文中加人时间戳、序列号或随机数等新鲜因子实
现；身份认证可以防止身份仿冒，如中间人攻击㈣、非授
权访问等。主要通过数字签名技术嗍实现。
Wunems C等人提出一种基于公钥密码体制的认证技
术13l】，该方法将地面控制中心作为可信第三方(tusted third
pany，7I，IP)，当某卫星节点与地面用户通信时，地面控制中
心首先生成该卫星节点的一对公私钥，然后用控制中心的
私钥对其签名(即用私钥对信息加密)后通过安全信道(用
已协商好的密钥加密的信道)发送给卫星。卫星通过验证
控制中心的签名信息(即用控制中心的公钥解密)确保获
得公私钥的真实性。然后卫星用自己的私钥对发送给地面
用户的信息进行签名并广播自身公钥。地面用户验证签名
后即可确保卫星信号的真实性。该认证协议结构简单、可
用性强，选择地面控制中心作为认证中心(cer【i{icate
au出ori辞，CA)，可以发挥控制中心计算和存储能力强的优
势，减轻了其他节点证书管理的负担。但是由于用户终端
并不直接与控制中心通信。因此用户端无法获取自己的公
私钥，使得用户与卫星的认证关系是单向的，实际应用中
往往采用验证用户终端ID的方式对这种缺陷进行弥补，
从而实现用户的授权访问。所以这种结构只适用于用户端
与卫星无需对称交互的场景。如星座导航、遥感卫星等单
向通信系统。
Cruickshank设计了一种实现用户端与卫星间双向认
霾潮鹣
万方数据
综述
证的协议阎，合法用户可以通过向地面CA注册获取证书．
实现与卫星节点的完整性认证、加密通信和身份认证。由
于是完全基于PKI(public key infrastructure)架构，该协议
在保障良好认证效果的同时，需要较大的计算开销和交互
频率，并且公钥证书的撤销、更新和维护依赖于地面中心．
具有很大的维护成本和单点失效的风险。并且该协议应用
于全球移动通信系统，由于每次通信都要公开存放有用户
个人信息的公钥证书．缺乏对个人隐私的保护。
Chen等人在总结上述认证协议缺点的基础上，提出一
种自验证的认证协议圈。该协议分为初始化、注册、认证3个
步骤：初始化阶段地面网络控制中心(net control centre，
NCC)向用户发放一组长久使用的公私钥和由该私钥推算
出的对称主密钥。注册阶段用户将通过主密钥加密的消息
认证码(MAC)连同自身ID和一份I临时ID发送给NCC，由
于主密钥是NCC与用户独有的，可以实现NCC与用户的
双向认证。认证阶段卫星通过NCC获取用户ID和I临时
ID．而后根据临时ID生成与用户共享的会话密钥，用该会
话密钥和用户ID实现同用户的双向身份认证。由于每一
次认证后临时ID都会被刷新．因此可以保障新鲜性认证，
通信数据的完整性认证则由消息认证码校验来实现。由于
使用SHA．1算法和DES算法㈣生成消息认证码，其计算开
销比公钥加密小得多．减轻了移动用户终端的负担。该协
议根据用户临时身份ID推算会话密钥，减小了存储维护
密钥的难度。同时临时身份的刷新机制有效地保护了用户
隐私。但由于该协议结合了公钥加密、对称密钥加密、散列
处理等多种计算过程，因此对于每次认证的计算次数和交
互较多．适用于通信环境较好的低轨道宽带通信卫星或移
动通信卫星。
3种认证机制的比较如表2所示。
5．2密钥管理
密钥管理包括密钥的生成、分发、更新及销毁．是数据
加密、身份认证等安全技术的基础保障。卫星通信系统中
密钥管理的难点在于：如何在远距离、高时延、不稳定的无
线链路中安全有效地分发密钥：如何在高动态性的用户网
络和星座网络中及时更新密钥。
Alphand等人在参考文献f35冲提出一种卫星网络安
全协议SatIPSec。SatIPSec针对IKE密钥交换协议136】在广播
通信上的不足。提出了适合于卫星广播信道的密钥交换协
议FMKE(flat muhicast key exchange)，FMKE由GCK(group
controller＆key server)负责密钥的管理，各用户端必须通
过信关站与卫星通信．在每个信关站出口均设有SC
(SatIPSec client)，SC负责建立安全联盟(security
association)t聊IP数据分组的封装(IP分组以隧道的形式
在卫星组网间传输)。这种设计结构使得FMKE可以不必
复制多份组密钥数据分组，也不必与多个接收节点分别建
立安全联盟，而是将SC作为密钥分发的网关，再转发给所
有的广播接收节点。FMKE的优势是在不降低安全性的同
时，提高了组密钥分发的效率。但由于SC的设计必须依赖
于地面信关站．而且SC对应的用户端相对固定，所以该协
议无法适用于强动态性的网络结构，一旦用户出现频繁
的加入与退出．中心式的密钥管理结构将产生很大的更
新密钥开销。密钥管理中心也容易出现单点失效或者性
能瓶颈。
Howartb等人提出了一种基于逻辑密钥树(1唧cal key
表2 3种认证机制的比较
万方数据
．。壹羹叠豳豳豳一
表3 3种密钥管理协议的比较
hierarchy．Um)㈤的密钥管理方案㈣。该协议将卫星系统的
通信节点分为多个组，每个组由一个组控制器(group
condoner，GC)和多个组成员(group member，GM)构成。组
内构成一个可信域，共享同一个通信组密钥，组控制器负
责组内的密钥管理和认证。所有组控制器由根节点(root)
统一进行密钥管理，形成一个更高层次的可信域。卫星多
播通信中，为了保障前向安全性(即节点退出后就不能再
获取多播通信信息)和后向安全性(即新加入的节点不能
获知加人前的多播信息)，必须在任何一个通信节点退出
或加入后．更新组内密钥。传统中心式结构，随着节点数目
的增加更新密钥的开销呈指数级增长，基于逻辑密钥树的
分层密钥管理协议减少了密钥更新的开销，非常适合于动
态性强的卫星通信系统。但是这种密钥管理结构还是中心
化的，根节点作为密钥管理中心，仍旧存在单点失效的风
险。另外当层级增多或分组过多时，每次更新密钥会产生
较大的通信流量。
钟焰涛在其博士学位论文【柏】中设计了一种基于LEO
(低地球轨道)和MEO(中地球轨道)的双轨道密钥管理架
构。所有MEO卫星构成一个分布式可信域，通过密钥协商
生成共享组密钥。每个MEO卫星和其信号辐射范围内所
有LE0卫星组成一个簇，MEO充当这个簇的密钥管理中
心(簇头)，簇内组密钥是将MEO组密钥加入随机参数生
成的．从而保障不同簇的密钥差异。由于纯分布式密钥管
理密钥协商过于频繁，不适用于星问链路，而中心化的结
构又存在单点失效等问题。簇型结构能够中和以上两种结
构的优点．可以在性能和效率上取得较好的平衡。
3种密钥管理协议的比较如表3所示。
6结束语
伴随着空间通信技术的进步，卫星通信环境逐渐向
“类地化”发展。据美国宇航局(NASA)预测，低地球轨道卫
星的通信能力有望在2020年达到10 Gbit／s，空间链路误
码率有望降至10。以下{4ll。这在让笔者感到兴奋的同时，
也为通信安全敲响了警钟。卫星系统性能的提升为实现天
地一体化综合信息网创造了条件。同时也为更复杂网络攻
击手段提供了温床。因此卫星通信网络的安全研究仍旧是
一个年轻的领域。除了本文讨论的几种技术外，未来的发
展还应包括以下几个方面。
·星座网络安全路由技术的研究。星座网络是一种特
殊的无中心、自组织网．不排除未来出现恶意的空
间节点。对卫星节点发起黑洞攻击、虫洞攻击等攻
击行为。
·高层空间安全协议的研究。现有的卫星安全协议大
多是对IPSec协议的改进，随着天基网传输层、应用
层协议的发展，将有类似SSL、TLS、SSH、PGP等高
层安全协议出现。
·卫星网络安全审计与人侵检测的研究。结合流量
监控、数据挖掘、特征匹配、关联分析等技术，在
卫星通信系统中建立完整的安全审计及人侵检测
模块。
·空间信息安全
的研究。结合信息安全管理
技术．建成系统化、标准化、全方位、普适性强的空
间信息安全
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