CN116056078A - 天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法 - Google Patents

天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法 Download PDF

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CN116056078A CN202211711781.6A CN202211711781A CN116056078A CN 116056078 A CN116056078 A CN 116056078A CN 202211711781 A CN202211711781 A CN 202211711781A CN 116056078 A CN116056078 A CN 116056078A
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Abstract

本发明公开了一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，利用高速终端生成的临时身份信息保护高速终端的真实身份，并且在切换进新的卫星接入点时会生成新的临时身份信息，保障了高速终端每次身份认证过程的安全性；本发明结合卫星轨道与高速终端行驶轨迹可预测的特点，计算出高速终端本次行程的轨迹密钥并生成切换凭据，这样在切换至另一卫星接入点时仅通过新的卫星接入点和高速终端即可完成切换过程，这种方式大大降低了切换过程的通信开销与计算开销。另外，在认证以及切换过程中，仅需要使用切比雪夫混沌映射算法、哈希运算和轻量级加解密就可以完成高速终端与卫星接入点间的相互认证，更适用于资源受限的高速终端和卫星网络。

Description

天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法。
背景技术
随着科技的发展，高速终端被广泛应用于地面高速交通、军事行动、空中交通、灾害管理、辅助网络接入等多种应用场景，由于高速终端经常行驶在偏远地区如沙漠、海洋或是飞行在空中，地面网络难以对这些区域进行覆盖，而天地一体化网络则可以针对这些区域提供广泛覆盖和快速部署。
天地一体化网络是以卫星网络为骨干，由部署在不同轨道上的各种卫星和航天器、地面站以及具有卫星通信能力的移动终端组成，具有覆盖全球、容量大、部署灵活等特点，并且通信点之间不受任何复杂地理条件的限制，十分满足高速终端的通信需求。但是，卫星节点所处环境恶劣，信道更为暴露等问题使得高速终端与卫星接入点间极易遭受假冒、窃听、篡改等安全问题，因此需要快速有效的认证方式保护高速终端的通信安全。
现有的天地一体化终端认证方法主要依赖地面控制中心，需要多轮交互，卫星通常只起到中继节点的作用，此种方式因空间上的差异性会导致星地通信时延，如果将其部署在高速终端上会带来极大的信令开销和计算开销。此外，目前卫星已经具有更强大的计算资源，可以作为接入点或基站处理一些简单的身份认证过程，并独立完成接入认证与切换认证的任务，摆脱对地面控制中心的依赖。与地面终端不同的是，高速终端自身具有超高的移动速度，其在天地一体化网络场景下的通信需要频繁的进行卫星接入点的切换，而现有的针对地面终端的接入认证方法及切换认证方法多使用双线性对映射或公钥验签等计算开销较大的密码学算法，虽然安全性较高，但无法满足高速终端对性能的需求，这对卫星网络认证是致命的打击。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，应用于天地一体化网络，所述天地一体化网络包括：地基网络、空基网络和天基网络，所述地基网络包括地面控制中心，所述空基网络包括多个高速终端，所述天基网络包括多个卫星接入点；
所述方法包括：
初始化以及注册阶段；
基于轨迹可预测的高速终端接入认证阶段；
所述初始化以及注册阶段包括：
地面控制中心选择随机参数：P、Ku、Ks以及两个哈希函数：H1、H2，并公开P、H1、H2；
地面控制中心根据高速终端HSTi发送的第一注册请求向HSTi发送HSTi的主密钥ui、ui对应的随机数Kui、Ku和Ks，所述第一注册请求包括HSTi的真实身份信息IDHSTi；
地面控制中心根据卫星接入点LEOi发送的第二注册请求向LEOi发送LEOi的主密钥si、si对应的随机数Ksi、随机素数pi和Ks，所述第二注册请求包括LEOi的身份信息IDLEOi；
LEOi计算自身的身份公共密钥，并将自身的身份公共密钥与IDLEOi进行广播；
所述基于轨迹可预测的高速终端接入认证阶包括：
当HSTi进入LEOi的信号覆盖范围后，HSTi发送第一接入请求至LEOi；所述第一接入请求包括HSTi的临时身份信息
Figure BDA0004027699640000031
第一加密信息
Figure BDA0004027699640000032
HSTi的临时公共密钥以及随机数
Figure BDA0004027699640000033
其中，
Figure BDA0004027699640000034
根据第一MAC消息MAC1和临时密钥
Figure BDA0004027699640000035
计算得到，
Figure BDA0004027699640000036
根据LEOi的身份公共密钥和自身的临时公共密钥计算得到；
LEOi解密
Figure BDA0004027699640000037
后，保存MAC1并向地面控制中心发送
Figure BDA0004027699640000038
地面控制中心根据
Figure BDA0004027699640000039
计算
Figure BDA00040276996400000310
并根据
Figure BDA00040276996400000311
计算得到HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure BDA00040276996400000312
轨迹参数
Figure BDA00040276996400000313
以及切换凭证
Figure BDA00040276996400000314
之后，向LEOi返回HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi；
LEOi根据Ai计算HSTi的第一身份验证消息HMAC1，若HMAC1与MAC1相等，则LEOi认证HSTi；
LEOi计算自身的身份认证消息RES以及自身的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400000315
并利用
Figure BDA00040276996400000316
与HSTi的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400000317
计算会话密钥SKi后，根据RES、
Figure BDA00040276996400000318
计算得到第二加密信息
Figure BDA00040276996400000319
并向HSTi发送
Figure BDA00040276996400000320
和Bi；
HSTi解密
Figure BDA00040276996400000321
得到RES并通过解密Bi计算XRES，若XRES与RES相等，则HSTi认证LEOi后利用
Figure BDA00040276996400000322
和
Figure BDA00040276996400000323
计算会话密钥SKi。
在本发明的一个实施例中，所述地面控制中心根据高速终端HSTi发送的第一注册请求向HSTi发送HSTi的主密钥ui、ui对应的随机数
Figure BDA00040276996400000324
Ku和Ks的步骤，包括：
地面控制中心接收HSTi发送的包含
Figure BDA00040276996400000325
的第一注册请求；
地面控制中心确定HSTi的主密钥ui以及与主密钥ui对应的随机数
Figure BDA00040276996400000326
后，存储
Figure BDA00040276996400000327
ui和
Figure BDA00040276996400000328
并将ui、
Figure BDA00040276996400000329
Ku和Ks发送至HSTi；
HSTi利用P、ui和Ks计算自身公钥；
其中，
Figure BDA00040276996400000330
Ks和Ku为随机数，Ks∈R(-∞,+∞)，Ku∈R(-∞,+∞)，
Figure BDA0004027699640000041
为正整数素数集，R为实数，P为随机素数。
在本发明的一个实施例中，所述地面控制中心根据卫星接入点LEOi发送的第二注册请求向LEOi发送LEOi的主密钥si、si对应的随机数
Figure BDA0004027699640000042
随机素数pi和Ks的步骤，包括：
地面控制中心接收LEOi发送的包含
Figure BDA0004027699640000043
的第二注册请求；
地面控制中心确定LEOi的主密钥si、与主密钥si对应的随机数
Figure BDA0004027699640000044
以及随机素数pi，其中，
Figure BDA0004027699640000045
地面控制中心存储
Figure BDA0004027699640000046
si、Ksi和pi后，将si、
Figure BDA0004027699640000047
pi和Ks发送至LEOi；
LEOi利用P、si和Ks计算自身的身份公共密钥，并广播
Figure BDA0004027699640000048
和自身的身份公共密钥。
在本发明的一个实施例中，当HSTi进入LEOi的信号覆盖范围后，所述HSTi发送第一接入请求至LEOi的步骤，包括：
HSTi接收到
Figure BDA0004027699640000049
和LEOi的身份公共密钥后，选择随机数xi并计算自身的临时公共密钥以及自身与LEOi的临时密钥
Figure BDA00040276996400000410
HSTi选择随机数
Figure BDA00040276996400000411
并利用
Figure BDA00040276996400000412
Ku和
Figure BDA00040276996400000413
计算
Figure BDA00040276996400000414
及MAC1；
HSTi利用MAC1和随机数
Figure BDA00040276996400000415
计算得到
Figure BDA00040276996400000416
并将第一接入请求
Figure BDA00040276996400000417
发送至LEOi；
其中，
Figure BDA00040276996400000418
表示使用xi与Ks计算的切比雪夫混沌映射。
在本发明的一个实施例中，所述LEOi解密
Figure BDA00040276996400000419
后，保存MAC1并向地面控制中心发送
Figure BDA00040276996400000420
的步骤，包括：
LEOi计算临时密钥
Figure BDA00040276996400000421
并利用
Figure BDA00040276996400000422
解密所述第一接入请求中的
Figure BDA00040276996400000423
得到MAC1和
Figure BDA00040276996400000424
LEOi通过比较解密得到的
Figure BDA00040276996400000425
与HSTi明文发送的
Figure BDA00040276996400000426
对所述第一接入请求的新鲜性进行判别，并向地面控制中心发送
Figure BDA0004027699640000051
在本发明的一个实施例中，所述地面控制中心根据
Figure BDA0004027699640000052
计算
Figure BDA0004027699640000053
并根据
Figure BDA0004027699640000054
计算得到HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure BDA0004027699640000055
轨迹参数
Figure BDA0004027699640000056
以及切换凭证
Figure BDA0004027699640000057
之后，向LEOi返回HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi的步骤，包括：
地面控制中心判断
Figure BDA0004027699640000058
具有新鲜性后，计算
Figure BDA0004027699640000059
并寻找
Figure BDA00040276996400000510
对应的ui，计算HSTi的身份公共密钥；
地面控制中心确定HSTi本次飞行过程中经过的n个卫星接入点，并取一小于p1,p2,…,pn的正整数作为HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure BDA00040276996400000511
p1,p2,…,pn表示所述n个卫星接入点在初始化以及注册阶段由地面控制中心生成的素数；
地面控制中心利用
Figure BDA00040276996400000512
及p1,p2,…,pn计算轨迹参数
Figure BDA00040276996400000513
地面控制中心利用
Figure BDA00040276996400000514
和HSTi的公钥计算HSTi的切换凭证
Figure BDA00040276996400000515
地面控制中心计算自身与LEOi之间的临时密钥
Figure BDA00040276996400000516
以及自身与HSTi之间的临时密钥
Figure BDA00040276996400000517
地面控制中心根据生成HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi后，将{Ai,Bi}发送至LEOi；其中，
Figure BDA00040276996400000518
Figure BDA00040276996400000519
Enc表示对称加密。
在本发明的一个实施例中，所述LEOi根据Ai计算HSTi的第一身份验证消息HMAC1，若HMAC1与MAC1相等，则LEOi认证HSTi的步骤，包括：
LEOi收到{Ai,Bi}后，计算临时密钥
Figure BDA00040276996400000520
并解密Ai，得到
Figure BDA00040276996400000521
和HSTi的身份公共密钥；
LEOi计算第一身份验证消息HMAC1并比较HMAC1与MAC1，当HMAC1与MAC1相等时，LEOi认证HSTi。
在本发明的一个实施例中，所述LEOi计算自身的身份认证消息RES以及自身的临时公共密钥
Figure BDA0004027699640000061
并利用
Figure BDA0004027699640000062
与HSTi的临时公共密钥
Figure BDA0004027699640000063
计算会话密钥SKi后，根据RES、
Figure BDA0004027699640000064
计算得到第二加密信息
Figure BDA0004027699640000065
并向HSTi发送
Figure BDA0004027699640000066
和Bi的步骤，包括：
LEOi利用
Figure BDA0004027699640000067
计算
Figure BDA0004027699640000068
并利用
Figure BDA0004027699640000069
Ks和ui计算自身的身份认证消息RES；
LEOi选择
Figure BDA00040276996400000610
计算自身与HSTi的会话密钥SKi以及第二加密信息
Figure BDA00040276996400000611
并向HSTi发送
Figure BDA00040276996400000612
在本发明的一个实施例中，所述HSTi解密
Figure BDA00040276996400000613
得到RES并通过解密Bi计算XRES，若XRES与RES相等，则HSTi认证LEOi后利用
Figure BDA00040276996400000614
和
Figure BDA00040276996400000615
计算会话密钥SKi的步骤，包括：
HSTi利用
Figure BDA00040276996400000616
解密
Figure BDA00040276996400000617
获得
Figure BDA00040276996400000618
RES和
Figure BDA00040276996400000619
HSTi在计算临时密钥
Figure BDA00040276996400000620
后利用
Figure BDA00040276996400000621
解密Bi，获得
Figure BDA00040276996400000622
和
Figure BDA00040276996400000623
HSTi计算LEOi的身份验证消息XRES，当XRES与RES相等时，HSTi认证LEOi；
HSTi计算自身与LEOi的会话密钥SKi，并保存
Figure BDA00040276996400000624
和
Figure BDA00040276996400000625
在本发明的一个实施例中，还包括基于轨迹可预测的高速终端切换认证阶段；
所述基于轨迹可预测的高速终端切换认证阶段包括：
当HSTi进入卫星接入点LEOj的信号覆盖范围后，HSTi接收卫星接入点LEOj广播的身份信息
Figure BDA00040276996400000626
以及LEOj的身份公共密钥，选择随机数
Figure BDA00040276996400000627
并计算HSTi的临时公共密钥以及自身与LEOj之间的临时密钥
Figure BDA0004027699640000071
HSTi选择随机数
Figure BDA0004027699640000072
并利用
Figure BDA0004027699640000073
计算
Figure BDA0004027699640000074
和第二MAC消息MAC2；
HSTi利用
Figure BDA0004027699640000075
以及
Figure BDA0004027699640000076
计算第三加密信息
Figure BDA0004027699640000077
并在选择随机数
Figure BDA0004027699640000078
后，将第二接入请求
Figure BDA0004027699640000079
发送至LEOj；
LEOj计算自身与HSTi之间的临时密钥
Figure BDA00040276996400000710
并利用
Figure BDA00040276996400000711
解密所述第二接入请求中的
Figure BDA00040276996400000712
获得
Figure BDA00040276996400000713
和
Figure BDA00040276996400000714
LEOj利用
Figure BDA00040276996400000715
计算得到HSTi的轨迹密钥
Figure BDA00040276996400000716
并通过解密
Figure BDA00040276996400000717
获得HSTi的身份公共密钥；
LEOj计算第二身份验证消息HMAC2，若HMAC2与MAC2相等，则LEOj对HSTi进行认证；
LEOj计算
Figure BDA00040276996400000718
和TSum(Ks)modP，并在选择随机数
Figure BDA00040276996400000719
后，利用yj及HSTi的临时公共密钥计算自身与LEOj之间的会话密钥SKj；
LEOj计算第四加密信息
Figure BDA00040276996400000720
并向HSTi发送
Figure BDA00040276996400000721
HSTi利用
Figure BDA00040276996400000722
解密
Figure BDA00040276996400000723
得到
Figure BDA00040276996400000724
和TSum(Ks)modP，若
Figure BDA00040276996400000725
与
Figure BDA00040276996400000726
相等，则HSTi认证LEOj，并计算自身与LEOj之间的会话密钥SKj。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明实施例提供了一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，在身份认证的过程中通过利用高速终端生成的临时身份信息，保护了高速终端的真实身份，使高速终端具有匿名性，并且在切换进新的卫星接入点时，会进一步生成新的临时身份信息，进而保障高速终端每次身份认证过程的安全性；此外，本发明结合卫星轨道与高速终端行驶轨迹可预测的特点，计算出该高速终端本次行程的轨迹密钥并生成切换凭据，在高速终端切换至另一卫星接入点时，仅通过新的卫星接入点和高速终端即可完成切换过程，这种方式大大降低了切换过程的通信开销与计算开销。
另外，本发明利用基于切比雪夫的混沌映射算法生成会话密钥，在认证以及切换过程中，仅需要使用切比雪夫混沌映射算法、哈希运算和轻量级加解密就可以完成终端与卫星接入点间的相互认证，有效降低了接入认证期间实体双方的计算开销，因此本轻量级方法更适用于资源受限的高速终端和卫星网络。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法的一种流程图；
图2是本发明实施例提供的天地一体化网络的一种示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
图1是本发明实施例提供的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，图2是本发明实施例提供的天地一体化网络的一种示意图。如图1-2所示，本发明实施例提供一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，应用于天地一体化网络，所述天地一体化网络包括：地基网络、空基网络和天基网络，所述地基网络包括地面控制中心，所述空基网络包括多个高速终端，所述天基网络包括多个卫星接入点；
所述方法包括：
初始化以及注册阶段；
基于轨迹可预测的高速终端接入认证阶段；
基于轨迹可预测的高速终端切换认证阶段；
所述初始化以及注册阶段包括：
S1、地面控制中心进行初始化工作，选择认证过程中的涉及的随机参数：P、Ku、Ks以及两个哈希函数：H1、H2，并公开P、H1、H2。
S2、地面控制中心根据高速终端HSTi发送的第一注册请求向HSTi发送HSTi的主密钥ui、ui对应的随机数
Figure BDA0004027699640000091
Ku和Ks，第一注册请求包括HSTi的真实身份信息
Figure BDA0004027699640000092
S3、地面控制中心根据卫星接入点LEOi发送的第二注册请求向LEOi发送LEOi的主密钥si、si对应的随机数
Figure BDA0004027699640000093
随机素数pi和Ks，第二注册请求包括LEOi的身份信息
Figure BDA0004027699640000094
S4、LEOi在收到信息之后计算自身的身份公共密钥
Figure BDA0004027699640000095
并将其与
Figure BDA0004027699640000096
进行广播；
所述基于轨迹可预测的高速终端接入认证阶段包括：
S5、当HSTi进入LEOi的信号覆盖范围后，HSTi发送第一接入请求至LEOi；第一接入请求包括HSTi的临时身份信息
Figure BDA0004027699640000097
第一加密信息
Figure BDA0004027699640000098
HSTi的临时公共密钥以及随机数
Figure BDA0004027699640000099
其中，
Figure BDA00040276996400000910
由HSTi根据第一MAC消息MAC1和临时密钥
Figure BDA00040276996400000911
计算得到，
Figure BDA00040276996400000912
由HSTi根据LEOi的身份公共密钥和自身的临时公共密钥计算得到；
S6、LEOi对收到的
Figure BDA00040276996400000913
进行解密，保存MAC1和HSTi的临时公共密钥并向地面控制中心发送
Figure BDA00040276996400000914
S7、地面控制中心根据
Figure BDA00040276996400000915
计算HSTi的真实身份信息
Figure BDA00040276996400000916
并根据
Figure BDA00040276996400000917
计算得到HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure BDA00040276996400000918
轨迹参数
Figure BDA00040276996400000919
以及切换凭证
Figure BDA00040276996400000920
之后，向LEOi返回HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi；
S8、LEOi根据Ai计算HSTi的第一身份验证消息HMAC1，若HMAC1与MAC1相等，则LEOi认证HSTi；
S9、LEOi计算自身的身份认证消息RES以及自身的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400000921
并利用
Figure BDA00040276996400000922
与HSTi的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400000923
计算会话密钥SKi后，根据RES、
Figure BDA0004027699640000101
计算得到第二加密信息
Figure BDA0004027699640000102
并向HSTi发送
Figure BDA0004027699640000103
和Bi；
S10、HSTi解密
Figure BDA0004027699640000104
得到RES并通过解密Bi计算XRES，若XRES与RES相等，则HSTi认证LEOi后利用
Figure BDA0004027699640000105
和
Figure BDA0004027699640000106
计算会话密钥SKi。
可选地，上述步骤S1具体包括：
地面控制中心选择大素数P、两个哈希函数
Figure BDA0004027699640000107
以及变量Ku∈R(-∞,+∞)、Ks∈R(-∞,+∞)，并公开P、H1、H2。
可选地，上述步骤S2具体包括：
S201、地面控制中心接收HSTi发送的包含
Figure BDA0004027699640000108
的第一注册请求；
S202、地面控制中心确定HSTi的主密钥ui以及与主密钥ui对应的随机数
Figure BDA0004027699640000109
后，存储
Figure BDA00040276996400001010
ui和
Figure BDA00040276996400001011
并将ui、
Figure BDA00040276996400001012
Ku和Ks发送至HSTi；
S203、HSTi根据P、ui和Ks计算自身的身份公共密钥
Figure BDA00040276996400001013
其中，
Figure BDA00040276996400001014
Ks和Ku为随机数，
Figure BDA00040276996400001015
为正整数素数集，R为实数，P为随机大素数，
Figure BDA00040276996400001016
表示使用ui与Ks计算的切比雪夫混沌映射。
可选地，上述步骤S3具体包括：
S301、地面控制中心接收LEOi发送的包含
Figure BDA00040276996400001017
的第二注册请求；
S302、地面控制中心确定LEOi的主密钥si、与主密钥si对应的随机数
Figure BDA00040276996400001018
以及随机大素数pi，其中，
Figure BDA00040276996400001019
S303、地面控制中心存储
Figure BDA00040276996400001020
si、
Figure BDA00040276996400001021
和pi后，将si、
Figure BDA00040276996400001022
pi和Ks发送至LEOi；
S304、LEOi利用P、si和Ks计算自身的身份公共密钥
Figure BDA00040276996400001023
并广播
Figure BDA00040276996400001024
和
Figure BDA00040276996400001025
其中，pi为一随机大素数，
Figure BDA00040276996400001026
表示使用si与Ks计算的切比雪夫混沌映射。
可选地，步骤S5中具体包括：
S501、HSTi接收到
Figure BDA0004027699640000111
和
Figure BDA0004027699640000112
后，选择随机数xi并计算自身的临时公共密钥
Figure BDA0004027699640000113
以及自身与LEOi的临时密钥
Figure BDA0004027699640000114
S502、HSTi选择随机数
Figure BDA0004027699640000115
并利用
Figure BDA0004027699640000116
Ku和
Figure BDA0004027699640000117
计算
Figure BDA0004027699640000118
及MAC1；
S503、HSTi利用MAC1和随机数
Figure BDA0004027699640000119
计算得到
Figure BDA00040276996400001110
并将第一接入请求
Figure BDA00040276996400001111
发送至LEOi；
其中，
Figure BDA00040276996400001112
表示使用xi与Ks计算的切比雪夫混沌映射。
本实施例中，HSTi接收到LEOi广播的信息后，首先选择随机数
Figure BDA00040276996400001113
计算自身在本次认证中使用的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400001114
以及自身与LEOi在本次认证中使用的临时密钥
Figure BDA00040276996400001115
然后选择随机数
Figure BDA00040276996400001116
以计算自身的临时身份信息
Figure BDA00040276996400001117
和第一MAC消息
Figure BDA00040276996400001118
进而根据MAC1和随机数
Figure BDA00040276996400001119
计算加密信息
Figure BDA00040276996400001120
Enc表示对称加密，之后向LEOi发送第一接入请求
Figure BDA00040276996400001121
可选地，步骤S6具体包括：
S601、LEOi计算临时密钥
Figure BDA00040276996400001122
并利用
Figure BDA00040276996400001123
解密所述第一接入请求中的
Figure BDA00040276996400001124
得到MAC1和
Figure BDA00040276996400001125
S602、LEOi通过比较解密得到的
Figure BDA00040276996400001126
与HSTi明文发送的
Figure BDA00040276996400001127
对第一接入请求的新鲜性进行判别，并向地面控制中心发送
Figure BDA00040276996400001128
具体地，LEOi收到第一接入请求
Figure BDA00040276996400001129
之后，计算临时密钥
Figure BDA00040276996400001130
以解密
Figure BDA00040276996400001131
得到MAC1和
Figure BDA00040276996400001132
接着，LEOi判断解密得到的
Figure BDA00040276996400001133
和明文发送的
Figure BDA00040276996400001134
是否相等；若不相等，则说明第一接入请求的发送方(HSTi)身份不合法，认证结束；若相等，LEOi保存MAC1和
Figure BDA0004027699640000121
并向地面控制中心发送
Figure BDA0004027699640000122
进一步地，步骤S7具体包括：
S701、地面控制中心判断
Figure BDA0004027699640000123
具有新鲜性后，计算
Figure BDA0004027699640000124
并寻找
Figure BDA0004027699640000125
对应的ui，计算HSTi的身份公共密钥
Figure BDA0004027699640000126
S702、地面控制中心确定HSTi本次飞行过程中经过的n个卫星接入点，并取一小于p1,p2,…,pn的正整数作为HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure BDA0004027699640000127
p1,p2,…,pn表示n个卫星接入点在注册时由地面控制中心为其生成的大素数；
S703、地面控制中心利用
Figure BDA0004027699640000128
及p1,p2,…,pn计算轨迹参数
Figure BDA0004027699640000129
S704、地面控制中心利用
Figure BDA00040276996400001210
和HSTi的身份公共密钥计算HSTi的切换凭证
Figure BDA00040276996400001211
S705、地面控制中心计算自身与LEOi在此次认证过程中的临时密钥
Figure BDA00040276996400001212
以及自身与HSTi在此次认证过程中的临时密钥
Figure BDA00040276996400001213
S706、地面控制中心生成HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi后，将{Ai,Bi}发送至LEOi；其中，
Figure BDA00040276996400001214
Figure BDA00040276996400001215
Enc表示对称加密。
步骤S701～S703中，
Figure BDA00040276996400001216
其中，H1为地面控制中心预先确定的两个哈希函数
Figure BDA00040276996400001217
接着，地面控制中心基于HSTi的飞行信息确定HSTi在本次行程中经过的n个卫星接入点，取每一个卫星接入点的大素数p1,p2,…,pn计算轨迹密钥的基数a＝(p1·p2…pn)+1，并取随机数
Figure BDA00040276996400001218
为轨迹密钥，且
Figure BDA00040276996400001219
N表示自然数，N*表示正整数，本实施例中，轨迹参数
Figure BDA00040276996400001220
进一步地，地面控制中心计算HSTi的切换凭证
Figure BDA0004027699640000131
自身与LEOi的临时密钥
Figure BDA0004027699640000132
此次行程的轨迹公共密钥
Figure BDA0004027699640000133
以及自身与HSTi的临时密钥
Figure BDA0004027699640000134
最后，地面控制中心利用加密计算发送给LEOi的身份认证消息
Figure BDA0004027699640000135
需要说明的是，地面控制中心先将Ai、Bi发送给LEOi、再由LEOi将
Figure BDA0004027699640000136
发送至HSTi。
步骤S8具体包括：
S801、LEOi收到{Ai,Bi}后，计算临时密钥
Figure BDA0004027699640000137
并解密Ai，得到
Figure BDA0004027699640000138
和HSTi的身份公共密钥；
S802、LEOi计算第一身份验证消息HMAC1并比较HMAC1与MAC1，当HMAC1与MAC1相等时，LEOi认证HSTi。
本实施例中，LEOi在收到{Ai,Bi}后，计算
Figure BDA0004027699640000139
利用其解密Ai，得到
Figure BDA00040276996400001310
和
Figure BDA00040276996400001311
步骤S802中，第一身份验证消息
Figure BDA00040276996400001312
LEOi将HMAC1与MAC1进行比较，二者相等则认证HSTi，否则结束认证。
步骤S9具体包括：
S901、LEOi利用
Figure BDA00040276996400001313
计算
Figure BDA00040276996400001314
并利用
Figure BDA00040276996400001315
Ks和ui计算自身的身份认证消息RES；
S902、LEOi选择
Figure BDA00040276996400001316
计算自身与HSTi本次的会话密钥SKi以及第二加密信息
Figure BDA00040276996400001317
并向HSTi发送
Figure BDA00040276996400001318
本实施例中，
Figure BDA00040276996400001319
Figure BDA00040276996400001320
步骤S902中，LEOi选择
Figure BDA00040276996400001321
并使用yi计算自身在本次认证中使用的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400001322
以及LEOi与HSTi本次的会话密钥
Figure BDA0004027699640000141
第二加密信息
Figure BDA0004027699640000142
上述步骤S10具体包括：
S1001、HSTi利用
Figure BDA0004027699640000143
解密
Figure BDA0004027699640000144
获得
Figure BDA0004027699640000145
RES和
Figure BDA0004027699640000146
S1002、HSTi在计算临时密钥
Figure BDA0004027699640000147
后利用
Figure BDA0004027699640000148
解密Bi，获得
Figure BDA0004027699640000149
和
Figure BDA00040276996400001410
S1003、HSTi计算LEOi的身份验证消息
Figure BDA00040276996400001411
当XRES与RES相等时，HSTi认证LEOi；
S1004、HSTi计算自身与LEOi的会话密钥
Figure BDA00040276996400001412
并保存
Figure BDA00040276996400001413
和
Figure BDA00040276996400001414
进一步地，当HSTi驶离LEOi的信号覆盖范围、驶入卫星接入点LEOj的信号覆盖范围时，进入基于轨迹可预测的高速终端切换认证阶段，具体包括：
S1101、HSTi接收卫星接入点LEOj广播的身份信息
Figure BDA00040276996400001415
以及LEOj的身份公共密钥
Figure BDA00040276996400001416
选择随机数
Figure BDA00040276996400001417
并计算HSTi在此次切换认证阶段使用的临时公共密钥
Figure BDA00040276996400001418
以及自身与LEOj之间的临时密钥
Figure BDA00040276996400001419
S1102、HSTi选择随机数
Figure BDA00040276996400001420
并利用
Figure BDA00040276996400001421
计算HSTi的临时身份信息
Figure BDA00040276996400001422
和第二MAC消息
Figure BDA00040276996400001423
S1103、HSTi利用
Figure BDA00040276996400001424
以及
Figure BDA00040276996400001425
计算第三加密信息
Figure BDA00040276996400001426
并在选择随机数
Figure BDA00040276996400001427
后，将第二接入请求
Figure BDA00040276996400001428
发送至LEOj；
S1104、LEOj计算自身与HSTi之间的临时密钥
Figure BDA0004027699640000151
并利用
Figure BDA0004027699640000152
解密第二接入请求中的
Figure BDA0004027699640000153
获得HSTi的切换凭据
Figure BDA0004027699640000154
和轨迹参数
Figure BDA0004027699640000155
S1105、LEOj利用
Figure BDA0004027699640000156
计算得到HSTi的轨迹密钥
Figure BDA0004027699640000157
并通过解密
Figure BDA0004027699640000158
获得HSTi的身份公共密钥
Figure BDA0004027699640000159
S1106、LEOj计算第二身份验证消息
Figure BDA00040276996400001510
若HMAC2与MAC2相等，则LEOj对HSTi进行认证；
S1107、LEOj利用收到的
Figure BDA00040276996400001511
计算
Figure BDA00040276996400001512
之后选择随机数
Figure BDA00040276996400001513
后，利用yj与HSTi的临时公共密钥计算自身与LEOj之间的会话密钥
Figure BDA00040276996400001514
S1108、LEOj计算第四加密信息
Figure BDA00040276996400001515
并向HSTi发送
Figure BDA00040276996400001516
S1109、HSTi利用
Figure BDA00040276996400001517
解密
Figure BDA00040276996400001518
得到
Figure BDA00040276996400001519
和TSum(Ks)modP，对LEOj的进行认证，若
Figure BDA00040276996400001520
与
Figure BDA00040276996400001521
相等，则HSTi认证LEOj，并计算自身与LEOj之间的会话密钥
Figure BDA00040276996400001522
通过上述各实施例可知，本发明的有益效果在于：
本发明实施例提供了一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，在身份认证的过程中通过利用高速终端生成的临时身份信息，保护了高速终端的真实身份，使高速终端具有匿名性，并且在切换进新的卫星接入点时，会进一步生成新的临时身份信息，进而保障高速终端每次身份认证过程的安全性；此外，本发明结合卫星轨道与高速终端行驶轨迹可预测的特点，计算出该高速终端本次行程的轨迹密钥并生成切换凭据，在高速终端切换至另一卫星接入点时，仅通过新的卫星接入点和高速终端即可完成切换过程，这种方式大大降低了切换过程的通信开销与计算开销。
另外，本发明利用基于切比雪夫的混沌映射算法生成会话密钥，在认证以及切换过程中，仅需要使用切比雪夫混沌映射算法、哈希运算和轻量级加解密就可以完成终端与卫星接入点间的相互认证，有效降低了接入认证期间实体双方的计算开销，因此本轻量级方法更适用于资源受限的高速终端和卫星网络。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，应用于天地一体化网络，所述天地一体化网络包括：地基网络、空基网络和天基网络，所述地基网络包括地面控制中心，所述空基网络包括多个高速终端，所述天基网络包括多个卫星接入点；
所述方法包括：
初始化以及注册阶段；
基于轨迹可预测的高速终端接入认证阶段；
所述初始化以及注册阶段包括：
地面控制中心选择随机参数：P、Ku、Ks以及两个哈希函数：H1、H2，并公开P、H1、H2；
地面控制中心根据高速终端HSTi发送的第一注册请求向HSTi发送HSTi的主密钥ui、ui对应的随机数
Figure FDA0004027699630000011
Ku和Ks，所述第一注册请求包括HSTi的真实身份信息
Figure FDA0004027699630000012
地面控制中心根据卫星接入点LEOi发送的第二注册请求向LEOi发送LEOi的主密钥si、si对应的随机数
Figure FDA0004027699630000013
随机素数pi和Ks，所述第二注册请求包括LEOi的身份信息
Figure FDA0004027699630000014
LEOi计算自身的身份公共密钥，并将自身的身份公共密钥与
Figure FDA0004027699630000015
进行广播；
所述基于轨迹可预测的高速终端接入认证阶包括：
当HSTi进入LEOi的信号覆盖范围后，HSTi发送第一接入请求至LEOi；所述第一接入请求包括HSTi的临时身份信息
Figure FDA0004027699630000016
第一加密信息
Figure FDA0004027699630000017
HSTi的临时公共密钥以及随机数
Figure FDA0004027699630000018
其中，
Figure FDA0004027699630000019
根据第一MAC消息MAC1和临时密钥
Figure FDA00040276996300000110
计算得到，
Figure FDA00040276996300000111
根据LEOi的身份公共密钥和自身的临时公共密钥计算得到；
LEOi解密
Figure FDA0004027699630000021
后，保存MAC1并向地面控制中心发送
Figure FDA0004027699630000022
地面控制中心根据
Figure FDA0004027699630000023
计算
Figure FDA0004027699630000024
并根据
Figure FDA0004027699630000025
计算得到HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure FDA0004027699630000026
轨迹参数
Figure FDA0004027699630000027
以及切换凭证
Figure FDA0004027699630000028
之后，向LEOi返回HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi；
LEOi根据Ai计算HSTi的第一身份验证消息HMAC1，若HMAC1与MAC1相等，则LEOi认证HSTi；
LEOi计算自身的身份认证消息RES以及自身的临时公共密钥
Figure FDA0004027699630000029
并利用
Figure FDA00040276996300000210
与HSTi的临时公共密钥
Figure FDA00040276996300000211
计算会话密钥SKi后，根据RES、
Figure FDA00040276996300000212
计算得到第二加密信息
Figure FDA00040276996300000213
并向HSTi发送
Figure FDA00040276996300000214
和Bi；
HSTi解密
Figure FDA00040276996300000215
得到RES并通过解密Bi计算XRES，若XRES与RES相等，则HSTi认证LEOi后利用
Figure FDA00040276996300000216
和
Figure FDA00040276996300000217
计算会话密钥SKi。
2.根据权利要求1所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述地面控制中心根据高速终端HSTi发送的第一注册请求向HSTi发送HSTi的主密钥ui、ui对应的随机数
Figure FDA00040276996300000218
Ku和Ks的步骤，包括：
地面控制中心接收HSTi发送的包含
Figure FDA00040276996300000219
的第一注册请求；
地面控制中心确定HSTi的主密钥ui以及与主密钥ui对应的随机数
Figure FDA00040276996300000220
后，存储
Figure FDA00040276996300000221
ui和
Figure FDA00040276996300000222
并将ui、
Figure FDA00040276996300000223
Ku和Ks发送至HSTi；
HSTi利用P、ui和Ks计算自身公钥；
其中，
Figure FDA00040276996300000224
Ks和Ku为随机数，Ks∈R(-∞,+∞)，Ku∈R(-∞,+∞)，
Figure FDA00040276996300000225
为正整数素数集，R为实数，P为随机素数。
3.根据权利要求2所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述地面控制中心根据卫星接入点LEOi发送的第二注册请求向LEOi发送LEOi的主密钥si、si对应的随机数
Figure FDA00040276996300000226
随机素数pi和Ks的步骤，包括：
地面控制中心接收LEOi发送的包含
Figure FDA0004027699630000031
的第二注册请求；
地面控制中心确定LEOi的主密钥si、与主密钥si对应的随机数
Figure FDA0004027699630000032
以及随机素数pi，其中，
Figure FDA0004027699630000033
地面控制中心存储
Figure FDA0004027699630000034
si、Ksi和pi后，将si、
Figure FDA0004027699630000035
pi和Ks发送至LEOi；
LEOi利用P、si和Ks计算自身的身份公共密钥，并广播
Figure FDA0004027699630000036
和自身的身份公共密钥。
4.根据权利要求3所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，当HSTi进入LEOi的信号覆盖范围后，所述HSTi发送第一接入请求至LEOi的步骤，包括：
HSTi接收到
Figure FDA0004027699630000037
和LEOi的身份公共密钥后，选择随机数xi并计算自身的临时公共密钥以及自身与LEOi的临时密钥
Figure FDA0004027699630000038
HSTi选择随机数
Figure FDA0004027699630000039
并利用
Figure FDA00040276996300000310
Ku和
Figure FDA00040276996300000311
计算
Figure FDA00040276996300000312
及MAC1；
HSTi利用MAC1和随机数
Figure FDA00040276996300000313
计算得到
Figure FDA00040276996300000314
并将第一接入请求
Figure FDA00040276996300000315
发送至LEOi；
其中，
Figure FDA00040276996300000316
表示使用xi与Ks计算的切比雪夫混沌映射。
5.根据权利要求4所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述LEOi解密
Figure FDA00040276996300000317
后，保存MAC1并向地面控制中心发送
Figure FDA00040276996300000318
的步骤，包括：
LEOi计算临时密钥
Figure FDA00040276996300000319
并利用
Figure FDA00040276996300000320
解密所述第一接入请求中的
Figure FDA00040276996300000321
得到MAC1和
Figure FDA00040276996300000322
LEOi通过比较解密得到的
Figure FDA00040276996300000323
与HSTi明文发送的
Figure FDA00040276996300000324
对所述第一接入请求的新鲜性进行判别，并向地面控制中心发送
Figure FDA00040276996300000325
6.根据权利要求5所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述地面控制中心根据
Figure FDA0004027699630000041
计算
Figure FDA0004027699630000042
并根据
Figure FDA0004027699630000043
计算得到HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure FDA0004027699630000044
轨迹参数
Figure FDA0004027699630000045
以及切换凭证
Figure FDA0004027699630000046
之后，向LEOi返回HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi的步骤，包括：
地面控制中心判断
Figure FDA0004027699630000047
具有新鲜性后，计算
Figure FDA0004027699630000048
并寻找
Figure FDA0004027699630000049
对应的ui，计算HSTi的身份公共密钥；
地面控制中心确定HSTi本次飞行过程中经过的n个卫星接入点，并取一小于p1,p2,…,pn的正整数作为HSTi此次飞行的轨迹密钥
Figure FDA00040276996300000410
p1,p2,…,pn表示所述n个卫星接入点在初始化以及注册阶段由地面控制中心生成的素数；
地面控制中心利用
Figure FDA00040276996300000411
及p1,p2,…,pn计算轨迹参数
Figure FDA00040276996300000412
地面控制中心利用
Figure FDA00040276996300000413
和HSTi的公钥计算HSTi的切换凭证
Figure FDA00040276996300000414
地面控制中心计算自身与LEOi之间的临时密钥
Figure FDA00040276996300000415
以及自身与HSTi之间的临时密钥
Figure FDA00040276996300000416
地面控制中心根据生成HSTi的身份认证消息Ai以及轨迹切换消息Bi后，将{Ai,Bi}发送至LEOi；其中，
Figure FDA00040276996300000417
Figure FDA00040276996300000418
Enc表示对称加密。
7.根据权利要求6所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述LEOi根据Ai计算HSTi的第一身份验证消息HMAC1，若HMAC1与MAC1相等，则LEOi认证HSTi的步骤，包括：
LEOi收到{Ai,Bi}后，计算临时密钥
Figure FDA00040276996300000419
并解密Ai，得到
Figure FDA00040276996300000420
和HSTi的身份公共密钥；
LEOi计算第一身份验证消息HMAC1并比较HMAC1与MAC1，当HMAC1与MAC1相等时，LEOi认证HSTi。
8.根据权利要求7所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述LEOi计算自身的身份认证消息RES以及自身的临时公共密钥
Figure FDA0004027699630000051
并利用
Figure FDA0004027699630000052
与HSTi的临时公共密钥
Figure FDA0004027699630000053
计算会话密钥SKi后，根据RES、
Figure FDA0004027699630000054
计算得到第二加密信息
Figure FDA0004027699630000055
并向HSTi发送
Figure FDA0004027699630000056
和Bi的步骤，包括：
LEOi利用
Figure FDA0004027699630000057
计算
Figure FDA0004027699630000058
并利用
Figure FDA0004027699630000059
Ks和ui计算自身的身份认证消息RES；
LEOi选择
Figure FDA00040276996300000510
计算自身与HSTi的会话密钥SKi以及第二加密信息
Figure FDA00040276996300000511
并向HSTi发送
Figure FDA00040276996300000512
9.根据权利要求8所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，所述HSTi解密
Figure FDA00040276996300000513
得到RES并通过解密Bi计算XRES，若XRES与RES相等，则HSTi认证LEOi后利用
Figure FDA00040276996300000514
和
Figure FDA00040276996300000515
计算会话密钥SKi的步骤，包括：
HSTi利用
Figure FDA00040276996300000516
解密
Figure FDA00040276996300000517
获得
Figure FDA00040276996300000518
RES和
Figure FDA00040276996300000519
HSTi在计算临时密钥
Figure FDA00040276996300000520
后利用
Figure FDA00040276996300000521
解密Bi，获得
Figure FDA00040276996300000522
和
Figure FDA00040276996300000523
HSTi计算LEOi的身份验证消息XRES，当XRES与RES相等时，HSTi认证LEOi；
HSTi计算自身与LEOi的会话密钥SKi，并保存
Figure FDA00040276996300000524
和
Figure FDA00040276996300000525
10.根据权利要求9所述的天地一体化场景下基于轨迹预测的高速终端安全认证方法，其特征在于，还包括基于轨迹可预测的高速终端切换认证阶段；
所述基于轨迹可预测的高速终端切换认证阶段包括：
当HSTi进入卫星接入点LEOj的信号覆盖范围后，HSTi接收卫星接入点LEOj广播的身份信息
Figure FDA00040276996300000526
以及LEOj的身份公共密钥，选择随机数
Figure FDA00040276996300000527
并计算HSTi的临时公共密钥以及自身与LEOj之间的临时密钥
Figure FDA0004027699630000061
HSTi选择随机数
Figure FDA0004027699630000062
并利用
Figure FDA0004027699630000063
计算
Figure FDA0004027699630000064
和第二MAC消息MAC2；
HSTi利用
Figure FDA0004027699630000065
以及
Figure FDA0004027699630000066
计算第三加密信息
Figure FDA0004027699630000067
并在选择随机数
Figure FDA0004027699630000068
后，将第二接入请求
Figure FDA0004027699630000069
发送至LEOj；
LEOj计算自身与HSTi之间的临时密钥
Figure FDA00040276996300000610
并利用
Figure FDA00040276996300000611
解密所述第二接入请求中的
Figure FDA00040276996300000612
获得
Figure FDA00040276996300000613
和
Figure FDA00040276996300000614
LEOj利用
Figure FDA00040276996300000615
计算得到HSTi的轨迹密钥
Figure FDA00040276996300000616
并通过解密
Figure FDA00040276996300000617
获得HSTi的身份公共密钥；
LEOj计算第二身份验证消息HMAC2，若HMAC2与MAC2相等，则LEOj对HSTi进行认证；
LEOj计算
Figure FDA00040276996300000618
和TSum(Ks)modP，并在选择随机数
Figure FDA00040276996300000619
后，利用yj及HSTi的临时公共密钥计算自身与LEOj之间的会话密钥SKj；
LEOj计算第四加密信息
Figure FDA00040276996300000620
并向HSTi发送
Figure FDA00040276996300000621
HSTi利用
Figure FDA00040276996300000622
解密
Figure FDA00040276996300000623
得到
Figure FDA00040276996300000624
和TSum(Ks)modP，若
Figure FDA00040276996300000625
与
Figure FDA00040276996300000626
相等，则HSTi认证LEOj，并计算自身与LEOj之间的会话密钥SKj。
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