CN111818525B - 面向空间信息网络的密钥更新方法和系统 - Google Patents

面向空间信息网络的密钥更新方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种面向空间信息网络的密钥更新方法和系统，应用于通信卫星，包括：基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥；获取目标加密参数；目标加密参数为通信卫星对应的地面控制中心利用目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数；利用目标会话密钥对目标加密参数进行解密，得到种子密钥同步参数；基于种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥。本发明缓解了现有技术中存在的密钥的分发方式复杂的技术问题。

Description

面向空间信息网络的密钥更新方法和系统
技术领域
本发明涉及网络安全技术领域，尤其是涉及一种面向空间信息网络的密钥更新方法和系统。
背景技术
卫星通信是一种可以为用户提供无处不在接入的通信方式。无论你是在城市，海上还是沙漠，只要在卫星发射的电波覆盖范围之内就可以进行通信，不受地理位置的限制。无论是在民用还是军用，卫星通信在未来都有着不可替代的地位。随着卫星通信在通信领域中所起作用越来越大，对卫星通信的安全也提出了新的要求。
目前卫星通信安全普遍地采用地面通信网络的数据加密体制，即使用对称加密体系对数据进行加密，对称加密体系的安全性主要取决于密钥的安全性。在密钥分发中普遍地采用非对称密码加密对称密钥的分发方式。但是非对称加密体系在加解密过程涉及到大数运算，算法复杂度高且加解密速度非常慢，非对称密码加密对称密钥的分发过程复杂，并不适合用于计算资源受限和通信时延较高的空间通信网络。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向空间信息网络的密钥更新方法和系统，以缓解了现有技术中存在的密钥的分发方式复杂的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种面向空间信息网络的密钥更新方法，应用于通信卫星，包括：基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥；获取目标加密参数；所述目标加密参数为所述通信卫星对应的地面控制中心利用所述目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数；利用所述目标会话密钥对所述目标加密参数进行解密，得到所述种子密钥同步参数；基于所述种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；所述预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥。
进一步地，基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥，包括：基于更新之前的种子密钥，对祖冲之算法集进行初始化，得到初始化之后的祖冲之算法集；利用所述初始化之后的祖冲之算法集，生成目标会话密钥。
进一步地，基于所述种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥，包括：基于所述种子密钥同步参数，生成种子密钥指针；基于所述种子密钥指针，在所述预设种子密钥矩阵中确定目标矩阵元；将所述目标矩阵元所对应的预设种子密钥确定为更新之后的种子密钥。
进一步地，所述方法还包括：生成初始会话密钥，包括：获取初始种子密钥同步参数；基于所述初始种子密钥同步参数，生成初始种子密钥指针；基于所述初始种子密钥指针，在所述预设种子密钥矩阵中确定初始矩阵元；将所述初始矩阵元所对应的预设种子密钥确定为初始种子密钥；基于所述初始种子密钥和祖冲之算法集，生成初始会话密钥。
进一步地，所述方法还包括：更新所述预设种子密钥矩阵。
进一步地，更新所述预设种子密钥矩阵，包括：获取目标加密矩阵元；所述目标加密矩阵元为所述地面控制中心，利用预设种子密钥矩阵中的待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和所述目标会话密钥，对新预设种子密钥进行加密之后所得到的加密矩阵元；基于所述待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和所述目标会话密钥，对所述目标加密矩阵元进行解密，得到所述新预设种子密钥；将所述新预设种子密钥作为所述待更新矩阵元，更新所述预设种子密钥矩阵。
第二方面，本发明实施例还提供了一种面向空间信息网络的密钥更新系统，应用于通信卫星，包括：生成模块，获取模块，解密模块和更新模块，其中，所述生成模块，用于基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥；所述获取模块，用于获取目标加密参数；所述目标加密参数为所述通信卫星对应的地面控制中心利用所述目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数；所述解密模块，用于利用所述目标会话密钥对所述目标加密参数进行解密，得到所述种子密钥同步参数；所述更新模块，用于基于所述种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；所述预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥。
进一步地，所述系统还包括：密钥矩阵更新模块，用于更新所述预设种子密钥矩阵。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述第一方面所述方法。
本发明提供了一种面向空间信息网络的密钥更新方法和系统，首先基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥；获取目标加密参数；然后利用目标会话密钥对目标加密参数进行解密，得到种子密钥同步参数；最后基于种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥，本发明实施例通过对种子密钥同步参数进行加密之后分发，然后利用种子密钥同步参数结合预设种子密钥矩阵的方式，实现在卫星通信过程中的密钥分发过程，在保证了密钥分发安全性的同时，缓解了现有技术中存在的密钥的分发方式复杂的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种面向空间信息网络的密钥更新方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种生存初始会话密钥的方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种卫星通信网络的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种会话密钥生成方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种种子密钥更新方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的一种种子密钥矩阵更新方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的一种面向空间信息网络的密钥更新系统的示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种面向空间信息网络的密钥更新系统的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
图1是根据本发明实施例提供了一种面向空间信息网络的密钥更新方法的流程图，该方法应用于卫星通信网络中的通信卫星。其中，卫星通信网络还包括与通信卫星相对应的地面控制中心。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤S102，基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥。
在本发明实施例中，种子密钥用于祖冲之算法集(ZUC算法)的初始化，更新之前的种子密钥分别保存在卫星通信网络的通信卫星和地面控制中心上面。通信卫星和地面控制中心都可以通过更新之前的种子密钥生成目标会话密钥。目标会话密钥用于对卫星通信网络的通信过程进行加密。
具体地，基于更新之前的种子密钥，对祖冲之算法集进行初始化，得到初始化之后的祖冲之算法集；利用初始化之后的祖冲之算法集，生成目标会话密钥。
步骤S104，获取目标加密参数；目标加密参数为通信卫星对应的地面控制中心利用目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数。种子密钥同步参数为对种子密钥进行更新的参数。
步骤S106，利用目标会话密钥对目标加密参数进行解密，得到种子密钥同步参数。
步骤S108，基于种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥。
可选地，通信卫星在利用种子密钥同步参数对种子密钥进行更新之后，可以将种子密钥同步参数抛弃或者撤销。
本发明实施例提供的一种面向空间信息网络的密钥更新方法，通过对种子密钥同步参数进行加密之后分发，然后利用种子密钥同步参数结合预设种子密钥矩阵的方式，实现在卫星通信过程中的密钥分发过程，在保证了密钥分发安全性的同时，缓解了现有技术中存在的密钥的分发方式复杂的技术问题。
在本发明实施例中，在更新种子密钥之前，还包括：生成初始会话密钥。图2是根据本发明实施例提供的一种生存初始会话密钥的方法的流程图，需要说明的是，该方法可以应用于卫星通信网络中的通信卫星，也可以应用于卫星通信网络中的地面控制中心。具体地，如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤S201，获取初始种子密钥同步参数；初始种子密钥同步参数为预先装入地面控制中心和通信卫星的参数；
步骤S202，基于初始种子密钥同步参数，生成初始种子密钥指针；
步骤S203，基于初始种子密钥指针，在预设种子密钥矩阵中确定初始矩阵元；
步骤S204，将初始矩阵元所对应的预设种子密钥确定为初始种子密钥；
步骤S205，基于初始种子密钥和祖冲之算法集，生成初始会话密钥；具体地，将初始种子密钥作为祖冲之算法集的初始化参数，生成初始会话密钥。
可选地，步骤S108还包括如下步骤：
步骤S1081，基于种子密钥同步参数，生成种子密钥指针；
步骤S1082，基于种子密钥指针，在预设种子密钥矩阵中确定目标矩阵元；
步骤S1083，将目标矩阵元所对应的预设种子密钥确定为更新之后的种子密钥。
在本发明实施例中，生成目标会话密钥后，在地面控制中心每次更新种子密钥时，先使用目标会话密钥加密新的种子密钥同步参数，然后将加密之后的种子密钥同步参数发送至通信卫星；通信卫星收到密文后，可直接用目标会话密钥解密得到新种子密钥同步参数。
可选地，本发明实施例提供的方法还包括：更新预设种子密钥矩阵。具体地，包括如下步骤：
步骤S301，获取目标加密矩阵元；目标加密矩阵元为地面控制中心，利用预设种子密钥矩阵中的待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和目标会话密钥，对新预设种子密钥进行加密之后所得到的加密矩阵元；
步骤S302，基于待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和目标会话密钥，对目标加密矩阵元进行解密，得到新预设种子密钥；
步骤S303，将新预设种子密钥作为待更新矩阵元，更新预设种子密钥矩阵。
在本发明实施例进行种子密钥矩阵更新时，首先由地面控制中心生成新的种子密钥矩阵。使用旧种子密钥矩阵中对应的旧种子密钥和目标会话密钥加密新种子密钥矩阵中对应的新预设种子密钥，得到密文后发送至通信卫星；通信卫星通过解密其密文即可更新种子密钥矩阵中的元素，当所有元素更新后即种子密钥矩阵更新完毕。
本发明实施例提供了一种面向空间信息网络的密钥更新方法和系统，能够在卫星通信网络中使用对称加密体系基础之上，在对称密钥的分发网络不依赖于传统的非对称加密体系，并且在密钥更新时由当前种子密钥矩阵参数和会话密钥进行双重加密，大大增加了会话密钥更新和分发的安全，同时缓解了现有技术中存在的密钥的分发方式复杂的技术问题。
实施例二：
本发明实施例结合具体的卫星通信网络实例对上述实施例一中的一种面向空间信息网络的密钥更新方法作出具体阐述与解释。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
图3是根据本发明实施例提供的一种卫星通信网络的示意图。如图3所示，该卫星通信网络包括控制中心(NOCC)、信关站(GW)和卫星(Satellite Network)，密钥分发和更新过程应用于在控制中心和卫星之间。
本发明实施例提供的一种面向空间信息网络的密钥更新方法，包括：会话密钥生成，种子密钥更新和种子密钥矩阵更新。对称加密算法以ZUC加密算法为例。
图4是根据本发明实施例提供的一种会话密钥生成方法的流程图，如图4所示，具体包括如下步骤：
步骤S401，生成种子密钥指针{xi,yi}。
控制中心和卫星都会预先装入同样的种子密钥矩阵和初始种子密钥同步参数，初始种子密钥同步参数IKEYini长度为256bit，首先将其分为前128位IKSP1，以及后128位IKSP2；
使用IKSP1生成指针的横坐标xi，将IKSP1分成32份长度为4bit的块IKSP1[0]、IKSP1[1]、……、IKSP1[31]。然后将这32个块全部异或获得一个4bit长的结果值，并转化为10进制，即可获得横坐标xi。
采用同样的方式可以生成指针的纵坐标yi。至此，获得指示用于当前会话加密的种子密钥指针{xi,yi}。
步骤S402，选择种子密钥。
根据生成的种子密钥指针{xi,yi}，在16×16的种子密钥矩阵Matrix[xi,yi]中选择相应的种子密钥IKi并输出该结果，可作于ZUC序列密码加密的种子密钥。其中，
Figure BDA0002581568720000091
Figure BDA0002581568720000092
为种子密钥。
步骤S403，生成会话密钥Ks。
种子密钥IK长度为256bit，将其作为ZUC序列加密算法的初始化参数，输入即可得到会话密钥Ks。
图5是根据本发明实施例提供的一种种子密钥更新方法的流程图，如图5所示，具体包括：
控制中心选择新的种子密钥IKi，并将IKi在种子密钥矩阵中的位置由十进制的种子密钥指针{xi,yi}，转换到二进制的种子密钥同步参数IKEYi；使用会话密钥Ks直接加密种子密钥同步参数IKEYi得到密文C；将密文C通过信关站发送至卫星；
卫星利用会话密钥Ks解密密文C，得到种子密钥同步参数IKEYi，利用IKEYi生成种子密钥指针{xi,yi}，即可在种子密钥矩阵Matrix[xi,yi]中选择新的种子密钥IKi。
种子密钥同步参数IKEYi加密过程描述如下：
Figure BDA0002581568720000093
图6是根据本发明实施例提供的一种种子密钥矩阵更新方法的流程图，如图6所示，具体包括：
控制中心生成新的种子密钥矩阵Matrix[IKi]，并将其中的种子密钥IKi依次加密后发送至卫星，卫星解密得到新的种子密钥IKi依次更新其种子密钥矩阵中的元素；重复上述过程，直至卫星种子密钥矩阵更新完成。
具体地，控制中心利用旧种子密钥矩阵中的种子密钥
Figure BDA0002581568720000094
加密新种子密钥矩阵中对应位置的种子密钥IKi；再使用会话密钥Ks进行第二次加密即可得到种子密钥IKi的密文Ci；种子密钥IKi加密过程描述如下：
Figure BDA0002581568720000095
将密文Ci发送至卫星，卫星利用会话密钥Ks和种子密钥矩阵中对应的旧种子密钥
Figure BDA0002581568720000101
即可解密得到新种子密钥IKi；卫星将其IKi作为新种子密钥替换种子密钥矩阵中对应的旧种子密钥
Figure BDA0002581568720000102
以上所述的本发明实施方式所用加密算法为已公开加密标准，并不在本发明保护范围内。
实施例三：
图7是根据本发明实施例提供的一种面向空间信息网络的密钥更新系统的示意图，该系统应用于通信卫星。如图7所示，该系统包括：生成模块10，获取模块20，解密模块30和更新模块40。
具体地，生成模块10，用于基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥。
获取模块20，用于获取目标加密参数；目标加密参数为通信卫星对应的地面控制中心利用目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数。
解密模块30，用于利用目标会话密钥对目标加密参数进行解密，得到种子密钥同步参数。
更新模块40，用于基于种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥。
本发明实施例提供的一种面向空间信息网络的密钥更新系统，通过对种子密钥同步参数进行加密之后分发，然后利用种子密钥同步参数结合预设种子密钥矩阵的方式，实现在卫星通信过程中的密钥分发过程，在保证了密钥分发安全性的同时，缓解了现有技术中存在的密钥的分发方式复杂的技术问题。
可选地，图8是根据本发明实施例提供的另一种面向空间信息网络的密钥更新系统的示意图，如图8所示，该系统还包括：密钥矩阵更新模块50，用于更新预设种子密钥矩阵。
具体地，密钥矩阵更新模块50还用于：
获取目标加密矩阵元；目标加密矩阵元为地面控制中心，利用预设种子密钥矩阵中的待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和目标会话密钥，对新预设种子密钥进行加密之后所得到的加密矩阵元；基于待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和目标会话密钥，对目标加密矩阵元进行解密，得到新预设种子密钥；将新预设种子密钥作为待更新矩阵元，更新预设种子密钥矩阵。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例一中的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行上述实施例一中的方法。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种面向空间信息网络的密钥更新方法，应用于通信卫星，其特征在于，包括：
基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥；
获取目标加密参数；所述目标加密参数为所述通信卫星对应的地面控制中心利用所述目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数；
利用所述目标会话密钥对所述目标加密参数进行解密，得到所述种子密钥同步参数；
基于所述种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；所述预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥；
基于所述种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥，包括：
基于所述种子密钥同步参数，生成种子密钥指针；
基于所述种子密钥指针，在所述预设种子密钥矩阵中确定目标矩阵元；
将所述目标矩阵元所对应的预设种子密钥确定为更新之后的种子密钥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥，包括：
基于更新之前的种子密钥，对祖冲之算法集进行初始化，得到初始化之后的祖冲之算法集；
利用所述初始化之后的祖冲之算法集，生成目标会话密钥。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：生成初始会话密钥，包括：
获取初始种子密钥同步参数；
基于所述初始种子密钥同步参数，生成初始种子密钥指针；
基于所述初始种子密钥指针，在所述预设种子密钥矩阵中确定初始矩阵元；
将所述初始矩阵元所对应的预设种子密钥确定为初始种子密钥；
基于所述初始种子密钥和祖冲之算法集，生成初始会话密钥。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：更新所述预设种子密钥矩阵。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，更新所述预设种子密钥矩阵，包括：
获取目标加密矩阵元；所述目标加密矩阵元为所述地面控制中心，利用预设种子密钥矩阵中的待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和所述目标会话密钥，对新预设种子密钥进行加密之后所得到的加密矩阵元；
基于所述待更新矩阵元所对应的预设种子密钥和所述目标会话密钥，对所述目标加密矩阵元进行解密，得到所述新预设种子密钥；
将所述新预设种子密钥作为所述待更新矩阵元，更新所述预设种子密钥矩阵。
6.一种面向空间信息网络的密钥更新系统，应用于通信卫星，其特征在于，包括：生成模块，获取模块，解密模块和更新模块，其中，
所述生成模块，用于基于更新之前的种子密钥，生成目标会话密钥；
所述获取模块，用于获取目标加密参数；所述目标加密参数为所述通信卫星对应的地面控制中心利用所述目标会话密钥，对种子密钥同步参数进行加密之后所得到加密参数；
所述解密模块，用于利用所述目标会话密钥对所述目标加密参数进行解密，得到所述种子密钥同步参数；
所述更新模块，用于基于所述种子密钥同步参数，在预设种子密钥矩阵中确定更新之后的种子密钥；所述预设种子密钥矩阵为以预设种子密钥为矩阵元所构成的矩阵，其中，一个矩阵元对应一个预设种子密钥。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：密钥矩阵更新模块，用于更新所述预设种子密钥矩阵。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一项所述的方法的步骤。
9.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求1-5任一项所述方法。
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