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　　摘　　　要：提出了基于單加密密鑰多解密密鑰密鑰協(xié)議的密鑰構(gòu)建更新體系結(jié)構(gòu)的自主深空密鑰管理模型架構(gòu)，能很好地適用于深空網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)安全策略的密鑰管理模型.

　　關(guān)鍵詞：深空網(wǎng)絡(luò);長延時;安全體系結(jié)構(gòu);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(wù)需要，基于多跳方式的深空通信網(wǎng)絡(luò)被提出[1-3].然而空間環(huán)境的復(fù)雜多變和網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時較長，鏈路具有間斷連通的特點[4]，這一現(xiàn)狀導(dǎo)致深空的安全問題比地面無線網(wǎng)絡(luò)更為突出[5-6].密鑰管理作為網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的基礎(chǔ)，是深空網(wǎng)絡(luò)安全研究必不可少的內(nèi)容[7].目前對深空網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理研究主要集中在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[8-10]，如文獻[11-13]在LKH[14]方案的基礎(chǔ)上根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲特點進行優(yōu)化，但仍需KMC負責(zé)密鑰管理任務(wù);文獻[15]對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用分層分簇，減少密鑰更新開銷;文獻[16]針對近地空間網(wǎng)絡(luò)使用基于身份的密鑰協(xié)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(jié)合LKH和GDH[17]方案提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率.CCSDS制定了空間通信協(xié)議(spacecommunicationsprotocolspecification，SCPS)[18]，為安全協(xié)議預(yù)留了安全字段，但是僅僅為深空密鑰管理提供基礎(chǔ).上述密鑰管理方案適合延時較短的地面與衛(wèi)星間的通信網(wǎng)絡(luò)，密鑰管理服務(wù)中心(keymanagementcenter，KMC)能夠提供實時密鑰管理服務(wù)，因此該類方案不適合長延時、間斷連通的深空網(wǎng)絡(luò)組密鑰管理任務(wù)需要[19].

　　隨著高集成度專用芯片的開發(fā)和利用[20]，以及可持續(xù)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(dǎo)航、軟件信息系統(tǒng)自主管理.在文獻[23-24]中給出自主網(wǎng)絡(luò)的定義，構(gòu)造基于知識庫的深空網(wǎng)絡(luò)自主管理方案，以及自主網(wǎng)絡(luò)需要滿足的4個屬性：自配置、自恢復(fù)、自優(yōu)化和自保護.空間網(wǎng)絡(luò)的自主化必須建立在一定硬件基礎(chǔ)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(jié)構(gòu))，發(fā)展到第三代空間飛行器(x2000systemflightcompuer，SFC)(PowerPC750CPU)，執(zhí)行復(fù)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(xù)的太陽能混合燃料電池，使得支撐更為復(fù)雜的空間任務(wù)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(zhí)行復(fù)雜的安全協(xié)議是可行的.

　　綜上所述，自主星上處理能力是未來深空網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，設(shè)計具有自主性的安全協(xié)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(qū)別的.

　　1深空網(wǎng)絡(luò)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(huán)境復(fù)雜、數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較高、間斷連接鏈路、非對稱信道帶寬、異構(gòu)通信實體、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、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(wǎng)絡(luò)，并通過星際主干網(wǎng)絡(luò)將這些近空網(wǎng)絡(luò)連接起來，提高深空網(wǎng)絡(luò)的通信效率[26-27].目前已經(jīng)提出的4種空間通信協(xié)議體系，基于CCSDS的空間協(xié)議結(jié)構(gòu)[28]、基于TCP/IP的空間協(xié)議結(jié)構(gòu)[29]、結(jié)合CCSDS與TCP/IP的空間協(xié)議結(jié)構(gòu)[30]、基于容延遲/中斷網(wǎng)絡(luò)的空間協(xié)議結(jié)構(gòu)[31-32]，都是借鑒地面無線網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)設(shè)備，如KMC的密鑰管理策略不足以滿足深空網(wǎng)絡(luò)的安全需要，執(zhí)行本地化的密鑰管理策略勢在必行，所以深空網(wǎng)絡(luò)的密鑰管理有2種狀態(tài)：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(wǎng)絡(luò)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(wù)由KMC承擔(dān)，但是延時較長;②基于非可靠的端到端鏈接的本地節(jié)點的密鑰管理模式，即由網(wǎng)絡(luò)成員分擔(dān)網(wǎng)絡(luò)密鑰管理任務(wù)，優(yōu)點是能夠靈活應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化，減少密鑰管理延時，缺點是網(wǎng)絡(luò)成員需要承擔(dān)大量的計算任務(wù)，并且為了保證協(xié)議的正確執(zhí)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(jié)點的密鑰管理中成員間無需公開秘密配置信息的目的，設(shè)計在安全性上等效于基于KMC的密鑰管理方案的本地節(jié)點的自主密鑰管理模式是一個挑戰(zhàn).

　　在基于本地節(jié)點的密鑰管理模式中，網(wǎng)絡(luò)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(dān)基于KMC密鑰管理模式中面向自身的密鑰管理任務(wù).成員可根據(jù)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(zhí)行優(yōu)化策略，具有更好的性能，如圖2所示.該模式下，深空網(wǎng)絡(luò)成員的密鑰管理降低對地面基礎(chǔ)設(shè)施和可靠端到端鏈路的依賴，降低密鑰材料傳輸?shù)姆秶途嚯x，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(wǎng)絡(luò)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(wù)管理的復(fù)雜度，能夠根據(jù)環(huán)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(wǎng)絡(luò)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(yīng)該具有如下的安全和效率屬性：自組織、自配置、自保護、自優(yōu)化和可視性.

　　2.1自組織

　　自組織是多個成員在密鑰結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的自主性要求.具有兩層含義：①深空網(wǎng)絡(luò)成員具有和其他成員協(xié)作完成協(xié)商、生成、分發(fā)、使用和撤銷密鑰的能力;②深空網(wǎng)絡(luò)成員具有建立基于私鑰的公鑰自組織結(jié)構(gòu)的能力，使得網(wǎng)絡(luò)成員根據(jù)本地上下文情景協(xié)商局部共享的公鑰組織結(jié)構(gòu)，不僅可以減少密鑰協(xié)商時間，而且提高了協(xié)議成功執(zhí)行的概率.自組織是自主性在網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和密鑰組織上的行為能力體現(xiàn)，設(shè)成員ui，i∈{1，2，…，n｝在安全協(xié)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(xié)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(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化時，網(wǎng)絡(luò)成員不能及時有效的從KMC中得到配置信息，深空網(wǎng)絡(luò)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(quán)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(xiàn)，前提是自配置不能破壞其他節(jié)點

　　2.4自優(yōu)化

　　密鑰管理的自優(yōu)化是指，在可靠端到端聯(lián)系下，KMC能夠及時獲取網(wǎng)絡(luò)的全局信息，執(zhí)行最優(yōu)化的密鑰管理策略.但是在深空網(wǎng)絡(luò)中，KMC獲取的信息可能是陳舊的，不僅不能優(yōu)化密鑰管理性能，反而可能會對環(huán)境變化做出錯誤反應(yīng).因此，深空網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要有能力根據(jù)環(huán)境的變化調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(zhí)行的發(fā)起者，但是它們是有區(qū)別的，KMC對所有成員的秘密安全參數(shù)都是可視的，而成員只有自己的秘密配置參數(shù).

　　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(zhí)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(shù){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(yōu)化和可視性屬性，無論KMC支撐還是缺乏KMC支撐，密鑰協(xié)議都可成功執(zhí)行，并且在安全性能上等價.可靠性是深空網(wǎng)絡(luò)密鑰管理中需要重點考慮的屬性，自保護屬性嚴(yán)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(wù)正確的執(zhí)行;②動態(tài)成員在執(zhí)行密鑰管理任務(wù)中不會降低系統(tǒng)的安全性，保護密鑰更新的前向和后向安全性;③動態(tài)成員執(zhí)行密鑰管理任務(wù)不會破壞其他節(jié)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(xié)議協(xié)商共享加密密鑰，當(dāng)有成員加入或退出網(wǎng)絡(luò)時，由加入或退出成員執(zhí)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(jié)點的是一個惡意成員.

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