CN106209374B - 基于卫星网络安全域的节点证书颁布方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卫星网络安全域的节点证书颁布方法，主要解决现有技术的节点证书颁布效率低的问题。其技术方案是：由地面控制中心将卫星网络划分成多个安全域，并在卫星网络运行前对安全域进行初始化；卫星网络在运行过程中，卫星节点向安全域中的头节点发送证书颁发请求，头节点接收到请求后发送给安全域中的私钥服务节点；多个私钥服务节点采用秘密共享方案对卫星节点证书进行颁发，并对卫星网络根据卫星节点当前情况进行周期性更新。本发明能同时处理多个卫星节点的证书颁发请求，并减少证书颁发过程中节点寻找服务节点所需的时间，可用于空间信息网络中的卫星网络安全。

Description

基于卫星网络安全域的节点证书颁布方法

技术背景

本发明属于空间信息安全领域，特别涉及一种节点证书颁布方法，可用于空间信息网络中的卫星网络。

背景技术

空间信息网络是以空间平台为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，通过组网互联形成了一个跨地球空间、临近空间、空中、陆地和海上的“天地一体化”立体格局。该空间信息网络主要用于研究高动态条件下空间信息的快速获取、实时传输、协同处理和智能服务问题，将人类科学、生产、军事活动拓展至外层空间，是全球研究热点，由于空间信息网络在军事上担任重要角色，因此空间信息网络也是我国重视的研究领域，尤其是我国国防领域研究的重点，空间信息网络的发展会促进我国国防事业的发展，提高国家安全。

临近空间网络即卫星网络，在空间信息网络中处于举足轻重的地位，是空间信息网络的重要组成部分。然而，卫星网络的环境高度复杂，节点间通信具有不可忽略的延迟，并具有动态性和开放性等特点，这些特点就要求卫星网络必须采用高效可靠的安全协议和方法，保证节点间通信的高效和安全。节点证书颁布是保证网络安全性的重要方面，因此卫星网络需要采用高效的节点证书颁发方法为卫星节点颁发证书，从而提高卫星节点间通信的安全以及整个卫星网络系统的安全。现有的节点证书颁布方法主要有以下几种：

第一种是传统的公钥基础设施和证书认证系统PKI/CA。该方法要求有一个可信的第三方为网络节点颁发证书，节点间的安全通信需要向可信第三方认证机构请求对方的证书，即公钥部分。但是该方法的缺陷是：每次节点间的通信都需要访问第三方认证机构，增加了通信量，对于整个网络系统来说是较大的通信负担，影响证书颁发效率。

第二种是Adi Shamir在其发表的论文“Identity-Based Cryptosystems andSignature schemes”提出的基于身份的密码体制IBC。在IBC中，通过一种公开算法，输入节点的身份信息即可直接得到节点公钥，节点私钥则由一个可信的私钥生成器PKG通过输入一个系统密钥和节点身份信息生成，从而为节点颁发证书。但是，由于卫星网络开放性的特点，私钥生成器PKG必然会成为敌方攻击的重点，PKG一旦被攻击，整个系统的安全就会受到威胁；此外，由于所有节点的私钥生成工作都由一个PKG完成，PKG的业务负担过重，导致PKG成为提高证书颁发效率的瓶颈。

第三种是Ren Feng和Fan Jiulun在其发表的论文“An adaptive distributedcertificate management scheme for space information network”中提出的方法。该方法采用传统的公钥基础设施和证书认证系统PKI/CA为节点生成证书，并动态选择多个卫星节点作为证书认证服务节点，由超过一定门限的服务节点合作完成节点通信时的证书认证。但是，该方法在证书颁发效率方面没有明显改善，而且该方法需要卫星节点在整个卫星网络中寻找服务节点，而服务节点分布区域太大会增大通信负担，影响节点通信效率，也会影响节点证书颁发的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述有技术的不足，提出一种基于卫星网络安全域的节点证书颁布方法，以提高节点证书颁发的效率。

实现本发明目的的技术方案是：将卫星网络划分成多个结构稳定的安全域，在安全域采用基于身份的密码体制IBC和秘密共享方案，实现高效地对卫星节点证书进行颁发，具体步骤包括如下：

(1)地面控制中心GC对卫星网络初始化：

1a)为每个卫星节点静态划分安全域，为每个安全域生成参数，包括公开参数P、主秘钥s、公钥pk和标识符SC_ID以及安全域更新周期，并将公开参数P、pk、SC_ID和安全域更新周期预置到相应卫星节点中，并创建用来保存安全域head节点的头节点表；

1b)根据卫星节点的实际情况设置每个节点的选举值排序表L，并利用安全域的公开参数P计算得到各个卫星节点的公钥pk_i,私钥sk_i,i＝1,2,…；

1c)根据卫星节点的选举值排序表L为安全域选择私钥服务节点，即从节点的L中选择前n个节点作为私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,…,n，并采用秘密共享方案将系统主秘钥s分成n个碎片s_j分发给私钥服务节点PKG_j；

1d)根据卫星节点的选举值排序表L为安全域选择head节点，即选择位于L首位的节点作为安全域的head节点h，并将其保存在头节点表中；

(2)卫星网络运行之后，若有新节点T请求加入卫星网络，则对T进行证书颁发：

2a)新节点T向地面控制中心GC发出颁发证书请求；

2b)地面控制中心GC验证新节点T的安全性后为其分配安全域，并为新节点T设置所属安全域的公开参数P、公钥pk和标识符SC_ID、安全域更新周期和新节点T的选举值以及用于新节点T与所属安全域内其他卫星节点安全通信的临时会话秘钥k；

2c)地面控制中心GC对临时会话秘钥k和新节点T的身份信息ID_t，用新节点T安全域的head节点h的公钥pk_h加密，并用新节点T的安全域主秘钥s签名后发送给head节点h；

2d)head节点h验证消息签名并解密后得到新节点T的身份信息ID_t和临时会话秘钥k，并用安全域内其他私钥服务节点PKG_j的公钥对ID_t和k加密，然后用自己的私钥签名分别发送给相应私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,…,n；

2e)私钥服务节点PKG_j验证消息签名并解密后得到新节点T的身份信息ID_t和临时会话秘钥k，并利用安全域的公开参数P通过新节点T的身份信息ID_t得到新节点T的公钥pk_t，再通过自己所持主秘钥碎片s_j和新节点T的公钥pk_t计算得到新节点T的私钥碎片sk_tj，然后用临时会话秘钥k对私钥碎片sk_tj加密后用自己的私钥签名后发送给新节点T；

2f)新节点T接受私钥服务节点PKG_j的消息，验证消息签名并解密后得到不少于m个私钥碎片sk_tr,r＝1,2,…m，再采用秘密共享方案合成新节点T的私钥sk_t，并利用安全域的公开参数P通过新节点T的身份ID_t获得T的公钥pk_t，即新节点T颁发证书完成；

(3)卫星网络正常运行后，为保证证书颁发方法有效实施，要对卫星网络安全域进行周期性维护。

本发明具有如下优点：

第一，由于本发明提出的方法是分布式的，在基于身份的密码体制的基础上，将私钥生成任务分发给多个服务节点共同完成，克服了单个私钥服务节点在收到多个私钥生成请求时可能出现的低效率问题。

第二，由于本发明是基于安全域而不是整个卫星网络，节点请求颁发证书时只需向所在安全域中的头节点发请求，由头节点在安全域中寻找私钥服务节点，有效减少了证书颁发过程中寻找私钥服务节点所需的时间，提高了节点证书颁发的效率。

第三，由于本发明中安全域的头节点和私钥服务节点是根据节点的实际情况动态选举，并根据网络实际情况进行周期性更新，克服了节点证书颁发效率随头节点和私钥服务节点处理能力减弱而降低的问题。

附图说明

图1为本发明的卫星网络总流程图；

图2为本发明中对卫星网络初始化的子流程图；

图3为本发明中卫星网络进行证书颁发的子流程图；

图4为本发明中对安全域选举值排序表更新的子流程；

图5为本发明中对安全域私钥服务节点更新的子流程图；

图6为本发明中对安全域头节点更新的子流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明使用的场景包括地面控制中心和卫星节点。

地面控制中心，中包含有安全域参数初始单元、节点数据初始单元和碎片生成单元，其中安全域参数初始单元实现卫星节点安全域划分和安全域参数生成，节点数据初始单元实现卫星节点选举值排序表、公钥和私钥的生成，以及安全域私钥服务节点和头节点的选举。

卫星节点，包含有选举值计算单元和重组单元，其中选举值计算单元实现卫星节点选举值的计算，重组单元依据Shamir提出的秘密共享方案实现秘钥的重组后和秘钥碎片的生成。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，卫星网络初始化。

在卫星网络正常运行之前，实现地面控制中心GC对卫星网络进行初始化。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

1a)地面控制中心GC的安全域参数初始单元为每个卫星节点静态划分安全域，并为每个安全域生成公开参数P、主秘钥s、公钥pk和标识符SC_ID以及安全域更新周期，其中公开参数P包括G₁和G₂是同阶的加法群和乘法群，阶数为质数q；为从G₁×G₁到G₂的双线性映射，用于安全域中卫星节点间会话秘钥生成；H₁为从{0,1}^*到G₁的单向哈希函数，用于生成卫星节点公钥；H₂为从G₂到{0,1}^*的单向哈希函数，用于安全域中卫星节点间会话秘钥生成。

1b)地面控制中心GC将公开参数P、pk、SC_ID和安全域更新周期预置到相应卫星节点中，并创建用来保存安全域head节点的头节点表，其中头节点表包含安全域标识符SC_ID、安全域head节点h的身份信息ID_h和安全域head节点h的公钥pk_h；

1c)地面控制中心GC的节点数据初始单元利用安全域的公开参数P计算得到每个卫星节点的公钥pk_i,私钥sk_i,i＝1,2,…，并根据卫星节点的实际情况设置每个卫星节点的选举值排序表L，其中，卫星节点的公钥pk_i是利用公开参数中的单向哈希函数H₁通过卫星节点的身份信息得到，卫星节点的私钥sk_i是利用公开参数中的单向哈希函数H₂通过安全域主秘钥和卫星节点公钥得到，选举值排序表L是节点数据初始单元通过计算安全域中每个卫星节点当前的选举值并按降序排列后得到；

1c)地面控制中心GC的节点数据初始单元选择卫星节点的选举值排序表L中前n个节点作为私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,…,n，并将私钥服务节点的身份信息发送给地面控制中心的碎片生成单元，碎片生成单元采用Shamir提出的秘密共享方案，将系统主秘钥s分成n个碎片s_j分发给相应的私钥服务节点PKG_j；

1d)地面控制中心GC的节点数据初始单元选择卫星节点的选举值排序表L首位的节点作为安全域的head节点h，并将其保存在头节点表中。

步骤2，卫星网络对卫星节点进行证书颁发。

卫星网络初始化完成后，运行卫星网络，若有新节点T请求加入卫星网络，则对T进行证书颁发。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

2a)新节点T向地面控制中心GC发送自己的身份信息ID_t，请求颁发证书；

2b)地面控制中心GC验证新节点T的安全性后，根据新节点T的需求为其分配安全域，并为新节点T设置所属安全域的公开参数P、公钥pk和标识符SC_ID、安全域更新周期和新节点T的选举值以及用于新节点T与所属安全域内其他卫星节点安全通信的临时会话秘钥k，其中的临时会话秘钥由地面控制中心根据安全域标识符SC_ID、新节点T的身份信息ID_t、系统时间和一个随机数组成；

2c)地面控制中心GC对临时会话秘钥k和新节点T的身份信息ID_t，用新节点T安全域的head节点h的公钥pk_h加密，并用新节点T的安全域主秘钥s签名后发送给head节点h，其中的加密和签名可以采用的现有算法有RSA、Diffie-Hellman、ElGamal，其中本实例采用RSA算法；

2d)head节点h验证消息签名并解密后得到新节点T的身份信息ID_t和临时会话秘钥k，并用安全域内其他私钥服务节点PKG_j的公钥对ID_t和k加密，然后用自己的私钥签名分别发送给相应私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,…,n，其中的加密、解密、签名和验证签名可以采用的现有算法有RSA、Diffie-Hellman、ElGamal，其中本实例采用RSA算法；

2e)私钥服务节点PKG_j验证消息签名并解密后得到新节点T的身份信息ID_t和临时会话秘钥k，并利用安全域的公开参数P通过新节点T的身份信息ID_t得到新节点T的公钥pk_t，再通过自己所持主秘钥碎片s_j和新节点T的公钥pk_t计算得到新节点T的私钥碎片sk_tj；然后用临时会话秘钥k对私钥碎片sk_tj加密后用自己的私钥签名后发送给新节点T，其中新节点T的私钥碎片sk_tj利用公式sk_tj＝s_j·pk_t计算得到，解密、签名和验证签名可以采用的现有算法有RSA、Diffie-Hellman、ElGamal，其中本实例采用RSA算法，加密可以采用的现有算法有DES、3DES、Blowfish，其中本实例采用DES算法；

2f)新节点T接受私钥服务节点PKG_j的消息，验证消息签名并解密后得到不少于m个私钥服务节点PKG_r的私钥碎片sk_tr,r＝1,2,…m，采用Shamir提出的秘密共享方案将m个私钥服务节点PKG_r的私钥碎片sk_tr合成新节点T的私钥sk_t，并利用安全域的公开参数P通过新节点T的身份ID_t获得T的公钥pk_t，即新节点T颁发证书完成，其中的验证签名可以采用的现有算法有RSA、Diffie-Hellman、ElGamal，其中本实例采用RSA算法，解密可以采用的现有算法有DES、3DES、Blowfish，其中本实例采用DES算法。

步骤3，卫星网络安全域进行周期性维护。

卫星网络正常运行后，为保证证书颁发方法有效实施，要对卫星网络安全域进行周期性维护，其包括安全域卫星节点选举值排序表更新、安全域私钥服务节点更新和安全域头节点更新。

3a)安全域卫星节点选举值排序表更新:

参照图4，本步骤中的具体实现如下：

3a1)在安全域更新周期之后，每个卫星节点重新计算自己的选举值，安全域中所有卫星节点之间相互发送自己的选举值，其中卫星节点的选举值由卫星节点中的选举值计算单元根据卫星节点当前情况计算获得；

3a2)每个卫星节点得到安全域中所有卫星节点的选举值后，更新自己的选举值排序表，得到最新的选举值排序表L′；

3b)安全域私钥服务节点更新：

参照图5，本步骤中的具体实现如下：

3b1)根据最新的选举值排序表L′，卫星节点选择新进入选举值排序表L′的前n位卫星节点作为安全域的新私钥服务节点PKG_w；

3b2)安全域中其他有效私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,…向新私钥服务节点PKG_w发送主秘钥碎片s_j；

3b3)新私钥服务节点PKG_w接受安全域中其他有效私钥服务节点PKG_j,得到不少于m个有效私钥服务节点PKG_r的主秘钥碎片s_r,r＝1,2,…,m，新私钥服务节点PKG_w的重组单元采用Shamir提出的秘密共享方案利用m个有效私钥服务节点PKG_r的主秘钥碎片s_r生成自己的主秘钥碎片s_w；

3c)安全域头节点更新：

参照图6，本步骤中的具体实现如下：

3c1)根据最新的选举值排序表L′，卫星节点检查当前head节点h在最新选举值排序表L′中的位置，当h不在选举值排序表L′前n/3的位置时，重新选择排在L′首位的卫星节点作为安全域的新head节点h_e；

3c2)安全域的私钥服务节点PKG_j向新head节点h_e发送自己主秘钥碎片s_j；

3c3)新head节点h_e用安全域公钥pk对自己的身份信息ID_h加密，并用从私钥服务节点PKG_j收到的主秘钥碎片s_j分别签名后发送给地面控制中心GC，其中的加密可以采用的现有算法有RSA、Diffie-Hellman、ElGamal，其中本实例采用RSA算法；

3c4)地面控制中心GC验证消息签名并解密后，对头节点表进行更新，其中的验证签名和解密可以采用的现有算法有RSA、Diffie-Hellman、ElGamal，其中本实例采用RSA算法。

以上描述仅是本发明的一个实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于卫星网络安全域的节点证书颁布方法，包括:

(1)地面控制中心GC对卫星网络初始化：

1a)为每个卫星节点静态划分安全域，为每个安全域生成参数，包括公开参数P、主秘钥s、公钥pk和标识符SC_ID以及安全域更新周期，并将公开参数P、pk、SC_ID和安全域更新周期预置到相应卫星节点中，并创建用来保存安全域head节点的头节点表；

1b)根据卫星节点的实际情况设置每个节点的选举值排序表L，并利用安全域的公开参数P计算得到各个卫星节点的公钥pk_i,私钥sk_i,i＝1,2,...；

1c)根据卫星节点的选举值排序表L为安全域选择私钥服务节点，即从节点的L中选择前n个节点作为私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,...,n，并采用秘密共享方案将系统主秘钥s分成n个碎片s_j分发给私钥服务节点PKG_j；

1d)根据卫星节点的选举值排序表L为安全域选择head节点，即选择位于L首位的节点作为安全域的head节点h，并将其保存在头节点表中；

(2)卫星网络运行之后，若有新节点T请求加入卫星网络，则对T进行证书颁发：

2a)新节点T向地面控制中心GC发出颁发证书请求；

2b)地面控制中心GC验证新节点T的安全性后为其分配安全域，并为新节点T设置所属安全域的公开参数P、公钥pk和标识符SC_ID、安全域更新周期和新节点T的选举值以及用于新节点T与所属安全域内其他卫星节点安全通信的临时会话秘钥k；

2c)地面控制中心GC对临时会话秘钥k和新节点T的身份信息ID_t，用新节点T安全域的head节点h的公钥pk_h加密，并用新节点T的安全域主秘钥s签名后发送给head节点h；

2d)head节点h验证消息签名并解密后得到新节点T的身份信息ID_t和临时会话秘钥k，并用安全域内其他私钥服务节点PKG_j的公钥对ID_t和k加密，然后用自己的私钥签名分别发送给相应私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,...,n；

2e)私钥服务节点PKG_j验证消息签名并解密后得到新节点T的身份信息ID_t和临时会话秘钥k，并利用安全域的公开参数P通过新节点T的身份信息ID_t得到新节点T的公钥pk_t，再通过自己所持主秘钥碎片s_j和新节点T的公钥pk_t计算得到新节点T的私钥碎片sk_tj，然后用临时会话秘钥k对私钥碎片sk_tj加密后用自己的私钥签名后发送给新节点T；

2f)新节点T接受私钥服务节点PKG_j的消息，验证消息签名并解密后得到不少于m个私钥碎片sk_tr,r＝1,2,...m，再采用秘密共享方案合成新节点T的私钥sk_t，并利用安全域的公开参数P通过新节点T的身份ID_t获得T的公钥pk_t，即新节点T颁发证书完成；

(3)卫星网络正常运行后，为保证证书颁发方法有效实施，要对卫星网络安全域进行周期性维护。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述的安全域公开参数P，包括其中，G₁和G₂是同阶的加法群和乘法群，阶数为质数q；为从G₁×G₁到G₂的双线性映射，用于安全域中卫星节点间会话秘钥生成；H₁为从{0,1}^*到G₁的单向哈希函数，用于生成卫星节点公钥；H₂为从G₂到{0,1}^*的单向哈希函数，用于安全域中卫星节点间会话秘钥生成。

3.根据权利 要求1所述的方法，其中所述的头节点表，包含安全域标识符SC_ID、安全域head节点h的身份信息ID_h和安全域head节点h的公钥pk_h。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)中对卫星网络安全域进行周期性维护，按如下步骤进行：

3a)在安全域更新周期之后，每个卫星节点重新计算自己的选举值，安全域中所有卫星节点之间相互发送自己的选举值；

3b)每个卫星节点得到安全域中所有卫星节点的选举值后，更新自己的选举值排序表，得到最新的选举值排序表L′；

3c)根据最新的选举值排序表L′，卫星节点选择新进入选举值排序表L′的前n位卫星节点作为安全域的新私钥服务节点PKG_w；

3d)安全域中其他有效私钥服务节点PKG_j,j＝1,2,...，向新私钥服务节点PKG_w发送主秘钥碎片s_j；

3e)新私钥服务节点PKG_w接受安全域中其他有效私钥服务节点PKG_j,得到不少于m个有效私钥服务节点PKG_j的主秘钥碎片s_r,r＝1,2,...,m，并依据秘密共享方案生成自己的主秘钥碎片s_w；

3f)根据最新的选举值排序表L′，卫星节点检查当前head节点h在最新选举值排序表L′中的位置，当h不在选举值排序表L′前n/3的位置时，重新选择排在L′首位的卫星节点作为安全域的新head节点h_e；

3g)安全域的私钥服务节点PKG_j向新head节点h_e发送自己主秘钥碎片s_j；

3h)新head节点h_e用安全域公钥pk对自己的身份信息ID_h加密，并用从私钥服务节点PKG_j收到的主秘钥碎片s_j分别签名后发送给地面控制中心GC；

3i)地面控制中心GC验证消息签名并解密后，对头节点表进行更新。