面向多类型终端的天地一体化信息网络接入与切换认证机制研究

doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2021026

天地一体化信息网络 ›› 2021, Vol. 2 ›› Issue (3): 2-14.doi: 10.11959/j.issn.2096-8930.2021026

所属专题：专题：天地一体化信息网络安全防护技术

• 专题：天地一体化信息网络安全防护技术 • 上一篇下一篇

面向多类型终端的天地一体化信息网络接入与切换认证机制研究

曹进¹, 陈李兰¹, 马如慧¹, 李晖¹, 李凤华²^,²

¹ 西安电子科技大学网络与信息安全学院，陕西西安 710071
² 中国科学院信息工程研究所，北京 100093；3.中国科学院大学网络空间安全学院，北京 100049

修回日期:2021-08-26 出版日期:2021-09-20 发布日期:2021-09-01
作者简介:曹进（1985-），男，博士，西安电子科技大学教授，主要研究方向为4G/5G网络、天地一体化信息网络安全及认证协议设计分析等
陈李兰（1997-），女，西安电子科技大学硕士生，主要研究方向为天地一体化信息网络终端接入安全等
马如慧（1991-），女，博士，西安电子科技大学讲师，主要研究方向为4G/5G网络、天地一体化信息网络安全认证机制研究等
李晖（1968-），男，博士，西安电子科技大学网络与信息安全学院教授、博士生导师，主要研究方向为密码学、无线网络安全、信息理论和网络编码等
李凤华（1966-），男，博士，中国科学院信息工程研究所教授、博士生导师，主要研究方向为网络与系统安全、隐私计算、密码应用等
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(61772404);陕西省重点产业创新链（群）-工业领域项目(2020ZDLGY08-08);国家自然科学基金重点类项目(U1836203)

Research on Access and Handover Authentication Mechanism of SpaceIntegrated-Ground Information Network for Multi-Type Terminals

Jin CAO¹, Lilan CHEN¹, Ruhui MA¹, Hui LI¹, Fenghua LI²^,²

¹ School of Cyber Engineering, Xidian University, Xi'an 710071, China
² Institute of Information Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China 3.School of Cyber Security, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Revised:2021-08-26 Online:2021-09-20 Published:2021-09-01
Supported by:
The National Natural Science Foundation of China(61772404);Shaanxi Province Key Industrial Innovation Chain (Group)-Industrial Field Project(2020ZDLGY08-08);The National Natural Science Foundation of China(U1836203)

摘要/Abstract

摘要：

随着天地一体化信息网络新频段的关键技术研究成熟，网络能容纳各种频段类型的用户。为实现资源有效利用，针对差异化终端需要设计有针对性、定制化的安全防护机制。在统一网络架构下，针对普通终端、关键终端和Ka终端3种类型终端，分别提出3种接入认证机制。同时，为确保不同类型终端接入网络后仍可获得连续的网络服务，提出一种基于预切换的切换认证机制，为3类终端提供统一安全的切换服务。形式化验证工具Scyther以及非形式化安全分析结果表明，所提方案满足相关场景下的多种安全需求，同时与同类型方案进行对比，发现所提方案能实现安全和性能的有效平衡，满足多维化天地一体化信息网络场景的终端接入与切换认证需求。

关键词: 多类型终端, 天地一体化信息网络, 接入认证, 切换认证

Abstract:

With the maturity of the key technologies of the new spectrum of the network, the network can accommodate users of various frequency bands.In order to make eff ective use of resources, diff erentiated terminals need targeted and customized security protection mechanisms.In the unifi ed network architecture, three access authentication mechanisms were proposed for common terminals, high-speed terminals and Ka terminals.At the same time, in order to ensured that diff erent types of terminals could still obtain continuous network services after accessing the network, a switching authentication mechanism based on pre-switching was proposed to provided unifi ed security switching services for the three types of terminals.Formal verifi cation tool named Scyther and informal security analysis results showed that the proposed scheme meet a variety of security requirements of the proposed scenario.At the same time, compared with the same type schemes, the proposed scheme can achieve the eff ective balance between security and performance, which can meet multidimensional integration of heaven and earth network of the scene terminal access switch and certifi cation requirements.

Key words: multi-type terminal, space-integrated-ground information network, access authentication, handover authentication

中图分类号:

TP393

曹进, 陈李兰, 马如慧, 李晖, 李凤华. 面向多类型终端的天地一体化信息网络接入与切换认证机制研究[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(3): 2-14.

Jin CAO, Lilan CHEN, Ruhui MA, Hui LI, Fenghua LI. Research on Access and Handover Authentication Mechanism of SpaceIntegrated-Ground Information Network for Multi-Type Terminals[J]. Space-Integrated-Ground Information Networks, 2021, 2(3): 2-14.

图/表 20

图1

表1

面向多类型终端的天地一体化信息网络接入与切换认证机制使用的符号及其含义"

符号	含义
K	终端预置共享密钥
AMF	认证管理域标识
ID	终端身份标识
E	椭圆曲线
G	循环群
q	循环群的阶
sk	服务器私钥， $sk \in Z_{q}^{*}$
pk	服务器公钥，pk=sk*P
CRET	Ka终端证书，包含(ID‖pk_i‖pk)
R_*,a,b,c	随机数
h	单向哈希函数
K_Sat	基础密钥

表1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

表2

表3

表4

表5

表6

常用密码操作计算开销"

类型	终端/卫星/μs	地面控制中心/μs
椭圆曲线点乘运算（T_pm）	$T_{{pm}_{1}} : 1.00 \times 10^{3}$	$T_{{pm}_{2}} : 0.52 \times 10^{3}$
签名运算（T_sign）	$T_{{sign}_{1}} : 1.20 \times 10^{3}$	$T_{{sign}_{2}} : 0.73 \times 10^{3}$
验签运算（T_ver）	$T_{{ver}_{1}} : 1.20 \times 10^{3}$	$T_{{ver}_{2}} : 0.44 \times 10^{3}$
密钥生成函数运算（T_KDF）	$T_{{KDF}_{1}} : 2.42$	$T_{{KDF}_{2}} : 0.23$
散列运算（T_H）	$T_{H_{1}} : 2.39$	$T_{H_{2}} : 1.21$
对称加解密运算（T_S）	$T_{S_{1}} : 2.26$	$T_{S_{2}} : 1.05$

表6

表7

星地协同接入认证机制计算开销比较"

方案	终端设备	卫星	地面控制中心
参考文献[7]	$4 T_{H_{1}}$	$T_{S_{1}}$	$6 T_{H_{2}} + T_{S_{2}}$
参考文献[12]	$2 T_{{pm}_{1}} + 6 T_{H_{1}}$	0	$T_{{pm}_{2}} + 4 T_{H_{2}}$
参考文献[13]	$3 T_{{pm}_{1}} + 6 T_{H_{1}}$	0	$3 T_{{pm}_{2}} + 5 T_{H_{2}}$
参考文献[16]	$2 T_{{pm}_{1}} + 7 T_{H_{1}}$	0	$3 T_{{pm}_{2}} + 4 T_{H_{2}}$
本文普通终端接入方案	$2 T_{{pm}_{1}} + 5 T_{H_{1}} + T_{S_{1}} + 4 T_{{KDF}_{1}}$	$T_{{KDF}_{1}}$	$3 T_{{pm}_{2}} + 5 T_{H_{2}} + T_{S_{2}} + 4 T_{{KDF}_{2}}$
本文Ka终端接入方案	$3 T_{{pm}_{1}} + 4 T_{H_{1}} + T_{S_{1}} + 4 T_{{KDF}_{1}} + T_{{sign}_{1}}$	$T_{{KDF}_{1}}$	$3 T_{{pm}_{2}} + 4 T_{H_{2}} + T_{S_{2}} + 4 T_{{ver}_{2}}$

表7

表8

星间协同接入认证机制计算开销比较"

方案	终端设备	卫星	地面控制中心
参考文献[11]	$T_{{pm}_{1}} + T_{H_{1}} + T_{S_{1}}$	$4 T_{{pm}_{1}} + T_{H_{1}} + T_{S_{1}}$	$T_{{pm}_{2}}$
参考文献[14]	$6 T_{{pm}_{1}} + 4 T_{H_{1}} + T_{{sign}_{1}}$	$6 T_{{pm}_{1}} + 4 T_{H_{1}} + T_{{ver}_{1}}$	0
本文关键终端接入方案	$2 T_{{pm}_{1}} + T_{H_{1}} + T_{S_{1}} + 2 T_{{KDF}_{1}}$	$2 T_{{pm}_{1}} + T_{H_{1}} + T_{S_{1}} + 2 T_{{KDF}_{1}}$	0

表8

表9

切换认证机制计算开销比较"

方案	终端设备	卫星	地面控制中心
参考文献[7]	$2 T_{H_{1}}$	$T_{H_{1}} + T_{S_{1}}$	$T_{H_{2}}$
参考文献[14]	$2 T_{{pm}_{1}} + T_{{sign}_{1}}$	$T_{{pm}_{1}} + 3 T_{H_{1}} + T_{{ver}_{1}}$	0
参考文献[25]	$3 T_{H_{1}}$	$3 T_{H_{1}} + T_{S_{1}}$	0
本文切换认证方案	$T_{{pm}_{1}} + T_{H_{1}}$	$T_{H_{1}}$	0

表9

图9

图10

图11

参考文献 25

[8]	GUO Y B , WANG C , WANG L M . Universally composable authentication and key exchange protocol for access control in spatial information networks[J]. Acta Electronica Sinica, 2010,38(10): 2358-2364.
[9]	任方, 马建峰, 郝选文 . 空间信息网基于证书的混合式公钥基础设施[J]. 吉林大学学报(工学版), 2012,42(2): 440-445.
	REN F , MA J F , HAO X W . Certificate-based hybrid public key infrastructure for space information networks[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2012,42(2): 440-445.
[10]	IBRAHIM M H , KUMARI S , DAS A K ,et al. Jamming resistant non-interactive anonymous and unlinkable authentication scheme for mobile satellite networks[J]. Security and Communication Networks, 2016,9(18): 5563-5580.
[11]	MENG W , XUE K P , XU J ,et al. Low-latency authentication against satellite compromising for space information network[C]// Proceedings of 2018 IEEE 15th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems (MASS). Piscataway:IEEE Press, 2018: 237-244.
[12]	QI M P , CHEN J H , CHEN Y T . A secure authentication with key agreement scheme using ECC for satellite communication systems[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2019,37(3): 234-244.
[13]	OSTAD-SHARIF A , ABBASINEZHAD-MOOD D , NIKOOGHADAM M . Efficient utilization of elliptic curve cryptography in design of a threefactor authentication protocol for satellite communications[J]. Computer Communications, 2019,147: 85-97.
[14]	XUE K P , MENG W , LI S H ,et al. A secure and efficient access and handover authentication protocol for Internet of Things in space information networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2019,6(3): 5485-5499.
[1]	陈鲸 . 天地一体化空间信息安全面临的挑战和思考[J]. 高科技与产业化, 2020,26(12): 24-27.
	CHEN J . Challenges to and reflection on space information security under integration of space and earth[J]. High-Technology＆ Commercialization, 2020,26(12): 24-27.
[15]	MA R H , CAO J , FENG D G ,et al. LAA:lattice-based access authentication scheme for IoT in space information networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2020,7(4): 2791-2805.
[16]	XU S S , LIU X D , MA M M ,et al. An improved mutual authentication protocol based on perfect forward secrecy for satellite communications[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2020,38(1): 62-73.
[2]	徐常志, 靳一, 李立 ,等. 面向6G的星地融合无线传输技术[J]. 电子与信息学报, 2021,43(1): 28-36.
	XU C Z , JIN Y , LI L ,et al. Wireless transmission technology of satellite-terrestrial integration for 6G mobile communication[J]. Journal of Electronics ＆ Information Technology, 2021,43(1): 28-36.
[17]	CHANG C C , CHENG T F , WU H L . An authentication and key agreement protocol for satellite communications[J]. International Journal of Communication Systems, 2014,27(10): 1994-2006.
[18]	ZHANG Y Y , CHEN J H , HUANG B J . Security analysis of an authentication and key agreement protocol for satellite communications[J]. International Journal of Communication Systems, 2014,27(12): 4300-4306.
[3]	曾勇, 王驭, 徐文斌 ,等. 天地一体化信息网络无线链路安全防护技术探讨[J]. 信息安全与通信保密, 2020,18(10): 100-106.
	ZENG Y , WANG Y , XU W B ,et al. Discussion on the wireless link security protection technology of the space-ground integrated information network[J]. Information Security and Communications Privacy, 2020,18(10): 100-106.
[19]	LEE C C , LI C T , CHANG R X . A simple and efficient authentication scheme for mobile satellite communication systems[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2012,30(1): 29-38.
[20]	ZHANG Y Y , CHEN J H , HUANG B J . An improved authentication scheme for mobile satellite communication systems[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2015,33(2): 135-146.
[4]	HWANG M S , YANG C C , SHIU C Y . An authentication scheme for mobile satellite communication systems[J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review, 2003,37(4): 42-47.
[5]	LASC I , DOJEN R , COFFEY T . Countering jamming attacks against an authentication and key agreement protocol for mobile satellite communications[J]. Computers ＆ Electrical Engineering, 2011,37(2): 160-168.
[21]	QI M P , CHEN J H . An enhanced authentication with key agreement scheme for satellite communication systems[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2018,36(3): 296-304.
[22]	洪佳楠, 李少华, 薛开平 ,等. 天地一体化网络中基于预认证与群组管理的安全切换方案[J]. 网络与信息安全学报, 2016,2(7): 33-41.
	HONG J N , LI S H , XUE K P ,et al. Pre-authentication and group management based secure handover for space-earth integration network[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2016,2(7): 33-41.
[23]	YI Z , DU X H , LIAO Y ,et al. A trust holding based secure seamless handover in space information network[M]// Communications in Computer and Information Science. Singapore: Springer Singapore, 2017: 137-150.
[24]	黎海燕, 王利明, 徐震 ,等. LEO卫星网络中星间切换的安全机制研究[J]. 智能计算机与应用, 2018,8(2): 7-13.
	LI H Y , WANG L M , XU Z ,et al. Research on security mechanism of inter-satellite handover in LEO satellite scenario[J]. Intelligent Computer and Applications, 2018,8(2): 7-13.
[6]	张子剑, 周琪, 张川 ,等. 新的低轨星座组网认证与群组密钥协商协议[J]. 通信学报, 2018,39(6): 146-154.
	ZHANG Z J , ZHOU Q , ZHANG C ,et al. New low-earth orbit satellites authentication and group key agreement protocol[J]. Journal on Communications, 2018,39(6): 146-154.
[7]	朱辉, 陈思宇, 李凤华 ,等. 面向低轨卫星网络的用户随遇接入认证协议[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2019,59(1): 1-8.
	ZHU H , CHEN S Y , LI F H ,et al. User random access authentication protocol for low earth orbit satellite networks[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2019,59(1): 1-8.
[8]	郭渊博, 王超, 王良民 . UC安全的空间网络双向认证与密钥协商协议[J]. 电子学报, 2010,38(10): 2358-2364.
[25]	XUE K P , MENG W , ZHOU H C ,et al. A lightweight and secure group key based handover authentication protocol for the softwaredefined space information network[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2020,19(6): 3673-3684.

参数类型	长度/bit
原始/匿名身份信息	128
对称密钥	128
随机数	128
标识符、SNID	16
时间戳、序列号、挑战值	48

方案	终端设备带宽开销/bit	卫星带宽开销/bit	地面控制中心带宽开销/bit	总开销/bit
参考文献[7]	1 072	1 968	640	3 936
参考文献[12]	1 072	560	688	3 520
参考文献[13]	816	1 456	768	3 040
参考文献[16]	1 200	560	688	3 776
本文普通终端接入方案	512	1 040	1 552	3 104
本文Ka终端接入方案	1 152	1 920	1 664	4 736

方案	终端设备带宽开销/bit	卫星带宽开销/bit	总开销/bit	信令开销/bit
参考文献[11]	1 840	1 888	3 728	3
参考文献[14]	1 880	1 648	3 572	3
本文关键终端接入方案	512	784	1 296	3

方案	终端设备带宽开销/bit	卫星带宽开销/bit	总开销/bit	信令开销/bit
参考文献[7]	128	1 024	1 152	3
参考文献[14]	1 504	128	1 632	3
参考文献[25]	841	458	1 299	3
本文切换认证方案	384	640	1 024	3

面向多类型终端的天地一体化信息网络接入与切换认证机制研究

Research on Access and Handover Authentication Mechanism of SpaceIntegrated-Ground Information Network for Multi-Type Terminals

在线阅读

pdf下载

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 20

参考文献 25

相关文章 15

Metrics

推荐阅读 0

[1]	季新生, 黄开枝, 邬江兴, 陈亚军, 游伟. 6G天地一体化信息网络内生安全技术[J]. 天地一体化信息网络, 2023, 4(2): 2-12.
[2]	卜秋雨, 曹进, 程利甫, 马如慧, 李晖. 卫星互联网地面缺省场景下用户设备的接入认证及重认证机制研究[J]. 天地一体化信息网络, 2023, 4(2): 31-46.
[3]	徐晖, 孙韶辉. 面向6G的天地一体化信息网络架构研究[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(4): 2-9.
[4]	班亚明, 郑浩, 刘喆, 董思洋. 天地一体化信息网络高速传输协议设计与若干关键技术研究[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(4): 84-92.
[5]	石小平, 马如慧, 曹进, 李晖, 陈李兰, 李凤华. 面向卫星网络断续连通场景的接入和切换认证机制[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(3): 24-34.
[6]	刘梦如, 付玉龙, 曹进, 李晖. 基于区块链的天地一体化信息网络非交互式密钥交换方法[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(3): 48-56.
[7]	亓玉璐, 江荣, 荣星, 李爱平. 基于网络安全知识图谱的天地一体化信息网络攻击研判框架[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(3): 57-65.
[8]	薛青松, 王晓锋. 基于模板解析的天地一体化信息网络用户行为流量回放技术[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(3): 66-75.
[9]	陈雅正, 李贺武. 天地一体化信息网络中无状态地址自动配置与重复地址检测机制研究[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(2): 28-34.
[10]	赵尚弘, 彭聪, 李勇军, 李海. 天地一体化信息网络光电混合交换技术研究[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(2): 46-52.
[11]	李密, 陈强, 曾丞, 汪学, 王祎思, 陈向飞. 天地一体化信息网络中信号光束偏移对卫星混沌激光安全通信系统性能影响[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(2): 53-61.
[12]	王开锋, 开祥宝, 李明, 高媛, 刘运, 柴金川. 天地一体化信息网络在铁路领域的应用展望[J]. 天地一体化信息网络, 2021, 2(1): 93-98.
[13]	章小宁, 朱立东. 通信与安全一体化的天地异构融合网络体系架构[J]. 天地一体化信息网络, 2020, 1(2): 11-16.
[14]	张更新, 丁晓进, 曲至诚. 天地一体化物联网体系架构及干扰分析研究[J]. 天地一体化信息网络, 2020, 1(2): 22-33.
[15]	刁文澜, 安建平, 张宇, 胡晗. 天地一体化信息网络中多寻址协同与切换技术[J]. 天地一体化信息网络, 2020, 1(2): 42-47.