CN113132980B

CN113132980B - 应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置

Info

Publication number: CN113132980B
Application number: CN202110360211.6A
Authority: CN
Inventors: 冯暄; 王斯梁; 黄骥; 姬鹏; 陈翼
Original assignee: SICHUAN INSTITUTE OF COMPUTER SCIENCES
Current assignee: SICHUAN INSTITUTE OF COMPUTER SCIENCES
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2041-04-02
Also published as: CN113132980A

Abstract

本发明提供一种应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置，该系统包括密钥管理系统、北斗终端及地面中心站管理计算机；该应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置具有的优点如下：设计了一套适应于北斗通信环境中基于三层密码体系架构的密钥管理方案，层层向下加密，攻击者无法获取会话密钥，能有效保障北斗链路的通信安全。全部采用国产密码算法实现，从算法层面保证了系统的安全可靠。计算量较大的加解密运算部分都在地面中心的管理计算机侧实现；其次，采用对称加密体制，加密算法ZUC祖冲之序列算法所需计算资源少性能高；最后，星地交互轮次少，属于轻量级密码管理方案，能广泛应用于北斗卫星导航系统中；兼容北斗通信协议。

Description

应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置

技术领域

本发明具体涉及一种应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置。

背景技术

2020年北斗三代建设初步完成，北斗导航系统的组成由空间系统、地面系统和用户系统三部分组成。北斗导航系统针对军事应用安全防护性很强，但是针对民口应用的安全防护性设计还很薄弱。民用领域北斗卫星链路采用开放的无线信道，易受到攻击，如信息窃取、实体假冒等。因此，北斗终端与北斗卫星网络之间的身份认证和通信加密手段是必不可少。现阶段民口的北斗通信系统密码应用产品和方案均较少，密钥管理系统在业界尚无相关产品出现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置，该应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置可以很好地解决上述问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置，该应用于北斗导航系统的密钥管理系统包括：密钥管理系统，部署在地面中心站中，通过TCP/IP有线网络与地面中心站管理计算机通信；北斗终端，北斗通信发起方和接收方，内含密码模块，所述密码模块具有生成随机数、加解密的功能；地面中心站管理计算机：包括配置密码模块，所述配置安全通信模块，通过调用HTTPS接口实现与密钥管理系统安全通信。

该应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置具有的优点如下：

(1)本发明设计了一套适应于北斗通信环境中基于三层密码体系架构的密钥管理方案，层层向下加密，攻击者无法获取会话密钥，能有效保障北斗链路的通信安全。

(2)本发明全部采用国产密码算法(SM3杂凑算法、ZUC祖冲之序列算法)实现，从算法层面保证了系统的安全可靠。

(3)首先，本发明中计算量较大的加解密运算部分都在地面中心的管理计算机侧实现，北斗终端侧代价小；其次，本发明采用对称加密体制，加密算法ZUC祖冲之序列算法所需计算资源少，性能高；最后，星地交互轮次少，仅3次，因此本发明属于轻量级密码管理方案，能广泛应用于北斗卫星导航系统中。

(4)兼容北斗通信协议：首先，北斗协议无需改动；其次，选用加密算法的通信字节要求不高，适用于北斗通信环境。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置系统框架示意图。

图2示意性地示出了根据本申请一个实施例的应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

根据本申请的一个实施例，提供一种应用于北斗导航系统的密钥管理系统方法和装置，具体说明如下：

记号、缩写与符号：

||：连接符号，A||B表示将数据A和B顺序依次连接。如“Beidou”||“satellite”为“Beidousatellite”。

SM3(M)：使用国产SM3杂凑密码算法对消息M计算杂凑，得到256比特杂凑值。

TRUNC(MSG，Len)：将消息MSG截断为仅Len字节长。截取方向可选择为从最高字节开始截取Len字节，也可选择从最低字节开始截取Len字节；具体由系统选择。

ZUC_Enr(Key，Randomnum)：利用祖冲之序列密码(ZUC)算法实现的加密操作，使用密钥Key对明文Randomnum进行加密，加密密钥长度128比特。

ZUC_Dec(Xcipertext，Key)：利用祖冲之序列密码(ZUC)算法实现的解密操作，使用密钥Key对密文Xcipertext进行解密，解密密钥长度128比特。

根据本申请的一个实施例，该应用于北斗导航系统的密钥管理系统包括如下模块：密钥管理系统：部署在地面中心站中，通过TCP/IP有线网络与地面中心站管理计算机通信，密钥管理系统包括安全通信模块、配置管理模块、密钥管理模块、密钥存储模块、密钥数据库和加密机。密钥存储模块负责密钥的安全存储与查询、检索，所有存储至数据库中的密钥都调用加密机加密并以密文的形式存储，保证密钥安全。同时对外部提供密钥查询及检索功能；密钥管理模块负责密钥生成、密钥更新、密钥存储、密钥撤销等功能，与安全存储模块和配置管理模块一起完成密钥全生命周期管理功能；配置管理模块负责密钥管理操作、数据管理操作、加密机管理操作以及人员管理操作；安全通信模块通过调用HTTPS接口，实现与地面中心站管理计算机加密通信，确保密钥安全。

北斗终端：北斗通信发起方和接收方，内含密码模块，该密码模块具有生成随机数、加解密的功能。

地面中心站管理计算机：通过配置密码模块，该密码模块具有产生随机数、加密功能；配置安全通信模块，通过调用HTTPS接口实现与密钥管理系统安全通信。

根据本申请的一个实施例，该应用于北斗导航系统的密钥管理系统的操作方式如下：

一、系统初始化

产生主密钥：密钥管理系统利用噪声发生器产生主密钥Keyroot。

安全通道建立：密钥管理系统调用安全通信模块与地面中心管理计算机通过HTTPS模式建立安全通信通道，用来查询和发送密钥信息。

二、密钥产生与分发

步骤1：密钥管理系统产生及分发二层密钥。密钥分散算法为：Keycontrol＝TRUNC(SM3(IDcontrol||RandomCon||T),Len)，其中IDcontrol为地面中心管理计算机硬件序列号，RandomCon为密钥管理系统产生的随机数，T为系统的当前时间。

密钥管理系统执行加密操作Xkeycontrol＝ZUC_Encr(Keyroot，Keycontrol)，加密存储地面中心站管理计算机的设备密钥Keycontrol，并建立地面中心站管理计算机硬件序列号IDcontrol与密钥密文之间的索引关系。

步骤2：密钥管理系统产生及分发三层密钥。采用密钥分散算法：Keyterminal＝TRUNC(SM3(IDterminal||RandomTer||T),Len)，其中IDterminal为北斗终端硬件序列号，RandomTer为密钥管理系统产生的随机数，T为系统的当前时间。

密钥Keyterminal通过离线方式安全分发给北斗终端。密钥管理系统执行加密操作Xkeyterminal＝ZUC_Encr(Keycontrol，Keyterminal)，加密存储北斗终端的设备密钥Keyterminal，并建立北斗终端硬件序列号IDterminal与密钥密文之间的索引关系。

三、会话密钥产生

步骤1：发送请求

北斗终端密码模块生成随机数RandomTerm，执行加密操作XTrans＝ZUC_Encr(Keyterminal，RandomTerm)，通过北斗链路将北斗终端序列号IDterminal及密文XTrans发送给地面中心站。

步骤2：获取北斗终端设备密钥

首先，地面中心站解析北斗终端发送的北斗消息数据，并发送给管理计算机，管理计算机获取该北斗终端序列号IDterminal和密文XTrans。管理计算机在密钥管理系统中查询IDcontrol获得密钥密文Xkeycontrol，执行解密操作Keycontrol＝ZUC_Dec(Xkeycontrol,Keyroot)，获取地面中心站管理计算机设备密钥Keycontrol。

其次，管理计算机在密钥管理系统中查询IDterminal，获取密钥密文Xkeyterminal，执行解密操作Keyterminal＝ZUC_Dec(Xkeyterminal,Keycontrol)，获取北斗终端设备密钥Keyterminal。

最后，管理计算机执行解密操作RandomTerm＝ZUC_Dec(XTrans,Keyterminal)，获得随机数RandomTerm。

步骤3：合成会话密钥

管理计算机密码模块产生随机数RandomConn，合成会话密钥Keysession，Keysession＝TRUNC(SM3(RandomConn||RandomTerm||T)，Len)，T为系统的当前时间，然后执行加密操作XReturn＝ZUC_Encr(Keyterminal，Keysession)，将密文XReturn通过地面中心站的北斗链路发送给北斗终端。

步骤4：开始加密通信

北斗终端收到消息，解析北斗数据，然后执行解密操作Keysession＝＝ZUC_Dec(XReturn,Keyterminal)，获取会话密钥Keysession，与地面中心站开始加密通信。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims

1.一种应用于北斗导航系统的密钥管理系统，其特征在于，包括：

密钥管理系统，部署在地面中心站中，通过TCP/IP有线网络与地面中心站管理计算机通信；

北斗终端，北斗通信发起方和接收方，内含密码模块，所述密码模块具有生成随机数、加解密的功能；

地面中心站管理计算机：包括密码模块，安全通信模块，通过调用HTTPS接口实现与密钥管理系统安全通信；

该系统的使用方法包括如下步骤：

产生主密钥的步骤：密钥管理系统利用噪声发生器产生主密钥Keyroot；

安全通道建立的步骤：密钥管理系统调用安全通信模块与地面中心管理计算机通过HTTPS模式建立安全通信通道，用来查询和发送密钥信息；

密钥产生与分发的步骤：

步骤1：密钥管理系统产生及分发二层密钥，密钥分散算法为：Keycontrol=TRUNC（SM3（IDcontrol|| RandomCon||T）, Len)，其中IDcontrol 为地面中心管理计算机硬件序列号，RandomCon为密钥管理系统产生的随机数，T为系统的当前时间；密钥管理系统执行加密操作Xkeycontrol=ZUC_Encr（Keyroot，Keycontrol），加密存储地面中心站管理计算机的设备密钥Keycontrol，并建立地面中心站管理计算机硬件序列号IDcontrol与密钥密文之间的索引关系；步骤2：密钥管理系统产生及分发三层密钥，采用密钥分散算法：Keyterminal=TRUNC（SM3（IDterminal|| RandomTer ||T）, Len)，其中IDterminal 为北斗终端硬件序列号，RandomTer为密钥管理系统产生的随机数，T为系统的当前时间；密钥Keyterminal通过离线方式安全分发给北斗终端，密钥管理系统执行加密操作Xkeyterminal=ZUC_Encr（Keycontrol，Keyterminal），加密存储北斗终端的设备密钥Keyterminal，并建立北斗终端硬件序列号IDterminal与密钥密文之间的索引关系，

会话密钥产生的步骤：

步骤1：发送请求，北斗终端密码模块生成随机数RandomTerm，执行加密操作XTrans=ZUC_Encr（Keyterminal，RandomTerm），通过北斗链路将北斗终端序列号IDterminal及密文XTrans发送给地面中心站；步骤2：获取北斗终端设备密钥，首先，地面中心站解析北斗终端发送的北斗消息数据，并发送给管理计算机，管理计算机获取该北斗终端序列号IDterminal和密文XTrans，管理计算机在密钥管理系统中查询IDcontrol获得密钥密文Xkeycontrol，执行解密操作Keycontrol=ZUC_Dec（Xkeycontrol, Keyroot），获取地面中心站管理计算机设备密钥Keycontrol；其次管理计算机在密钥管理系统中查询IDterminal，获取密钥密文Xkeyterminal，执行解密操作Keyterminal=ZUC_Dec（Xkeyterminal,Keycontrol），获取北斗终端设备密钥Keyterminal；最后管理计算机执行解密操作RandomTerm= ZUC_Dec（XTrans, Keyterminal），获得随机数RandomTerm；步骤3：合成会话密钥，管理计算机密码模块产生随机数RandomConn，合成会话密钥Keysession，Keysession= TRUNC（SM3（RandomConn||RandomTerm||T），Len），T为系统的当前时间，然后执行加密操作XReturn=ZUC_Encr（Keyterminal，Keysession），将密文XReturn通过地面中心站的北斗链路发送给北斗终端；步骤4：开始加密通信，北斗终端收到消息，解析北斗数据，然后执行解密操作Keysession==ZUC_Dec（XReturn, Keyterminal），获取会话密钥Keysession，与地面中心站开始加密通信。

2.根据权利要求1所述的应用于北斗导航系统的密钥管理系统，其特征在于：所述密钥管理系统包括安全通信模块、配置管理模块、密钥管理模块、密钥存储模块、密钥数据库及加密机；

所述密钥存储模块负责密钥的安全存储与查询、检索，所有存储至数据库中的密钥都调用加密机加密并以密文的形式存储，保证密钥安全，并对外部提供密钥查询及检索功能；

所述密钥管理模块负责密钥生成、密钥更新、密钥存储、密钥撤销功能，与密钥存储模块和配置管理模块一起完成密钥全生命周期管理功能；

所述配置管理模块负责密钥管理操作、数据管理操作、加密机管理操作以及人员管理操作；

所述安全通信模块通过调用HTTPS接口，实现与地面中心站管理计算机加密通信，确保密钥安全。