面向Internet互联的卫星网络安全关键技术分析与设计

论文摘要

多年来,卫星网络作为一个独立的个体,一般不与外部的世界特别是Internet互联,所以其安全防护也相对的容易,但是目前卫星网络与Internet互联的形式让这一状况不再存在,而安全问题也成为制约卫星网络发展的最大障碍。本文研究了面向Internet互联的卫星网络面临的安全威胁,总结其安全需求,并针对卫星网络的结构特点提出了分层的安全方案。该安全方案是基于公钥基础设施的,包括了网络操作控制中心和卫星之间安全通信、卫星和卫星之间的安全通信、地面网关和卫星之间的安全通信以及网络用户和地面网关的安全通信等相关的方案。对应不同的层次特点设计了不同的安全方案。针对卫星网络的高延时和高误码率,本文对传统的认证和密钥协商方式进行了改进,减少了通讯周期,本文的实验证明该方法可以有效地提高卫星网络认证和密钥协商的时间性能。针对卫星网络拓扑结构时刻改变导致的地面网关不是一直在某个卫星域内的特点,打破了地面网关属于某个卫星节点域的概念,所有的卫星节点都可以对地面网关的证书进行验证,而且地面网关只持有一份证书,同时采用了分布式更新证书方案,该方案不仅可以方便地面网关证书的更新,也可以提高卫星网络对地面网关更新证书功能的稳定性和可用性。最后,为了验证方案的可用性,本文对方案进行了实现,并对一些性能数据进行了测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 卫星网络研究背景与现状
• 1.1.1 卫星网络的概念和应用现状
• 1.1.2 卫星网络所面临的安全威胁
• 1.1.3 卫星网络的安全需求
• 1.2 本文的研究目的
• 1.3 论文所做的工作
• 1.4 论文的内容和结构
• 2 方案技术基础分析
• 2.1 面向Internet互联的卫星网络的结构
• 2.2 公钥基础设施介绍
• 2.3 非对称密码学的一种实现——RSA
• 2.3.1 非对称密码学及RSA算法
• 2.3.2 RSA算法的实现和主要特点
• 2.4 基于（t,n）门限理论的分布式RSA签名算法
• 2.4.1 （t,n）门限理论
• 2.4.2 利用多项式的实现（t,n）门限理论
• 2.4.3 基于（t,n）门限理论的分布式RSA签名算法
• 2.4.4 改进后的分布式RSA签名算法
• 2.5 Compressed Bloom Filters技术
• 2.5.1 Bloom Filter基本原理
• 2.5.2 Compressed Bloom Filters
• 2.6 本章小结
• 3 卫星网络安全方案初始化设计
• 3.1 卫星网络安全方案初始化设计
• 3.1.1 网络操作控制中心的主密钥生成和公钥的生成和证书获取
• 3.1.2 卫星公私钥的生成和证书的获取
• 3.1.3 地面网关的公私钥的生成和证书的获取
• 3.1.4 网络用户（NU）的初始化
• 3.2 卫星网络安全方案结构
• 3.3 本章小结
• 4 卫星网络安全方案安全通信设计
• 4.1 网络操作控制中心和卫星之间的安全通信设计
• 4.1.1 网络操作控制中心和卫星之间的安全认证
• 4.1.2 网络操作控制中心和卫星之间的数据安全传输
• 4.1.3 卫星节点证书的更新
• 4.2 卫星节点与卫星节点之间的安全通信设计
• 4.2.1 卫星节点之间的安全认证和安全通信
• 4.2.2 相邻卫星节点之间的通告存在方案设计
• 4.2.3 处理失效卫星节点方案设计
• 4.3 卫星节点和地面网关之间的安全通信设计
• 4.3.1 卫星节点和地面网关之间的安全认证和安全通信
• 4.3.2 地面网关的证书更新
• 4.4 地面网关与网络用户的安全通信设计
• 4.5 本章小结
• 5 方案安全性和性能的理论分析
• 5.1 方案安全分析
• 5.2 方案性能分析
• 5.3 本章小结
• 6 方案实现和试验结果分析
• 6.1 方案的实现
• 6.2 方案性能试验数据比较
• 6.2.1 与传统方案认证和密钥协商所用时间比较
• 6.2.2 快速判断降低拒绝服务攻击带来的伤害
• 6.3 本章小结
• 7 总结
• 7.1 主要工作
• 7.2 进一步可研究方向建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录