孟 夢,陳性元,徐國愚,杜學繪

(解放軍信息工程大學河南省信息安全重點實驗室,鄭州450004)

一種安全高效的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡任意點切換方案

孟 夢,陳性元,徐國愚,杜學繪

(解放軍信息工程大學河南省信息安全重點實驗室,鄭州450004)

針對低軌(LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡切換中切換點受限、切換頻繁等問題,提出一種基于平面扇形角定理的任意點切換定位算法,并設計上下文傳遞模式下基于性能優(yōu)化策略的安全切換方案。應用平面扇形角定理求解切換點經(jīng)緯度坐標,從而避免應用球面三角形內(nèi)角和定理的局限性,計算得到臨近空間中任意切換點的位置坐標。從兩方面對切換協(xié)議進行性能優(yōu)化:選擇與飛行器當前巡航速度契合度最高的衛(wèi)星作為下一跳切換衛(wèi)星,從而減少網(wǎng)絡平均切換次數(shù);通過引入歷史信息,從會話密鑰保護、指令消息完整性和新鮮性保護等方面增強協(xié)議的安全性。切換協(xié)議采用上下文傳遞模式,與其他采用預認證模式的典型切換協(xié)議相比,減少了通信和運算開銷。仿真實驗結(jié)果表明,該方案具有通信與計算開銷低、切換次數(shù)少、協(xié)議安全性高等特點,適用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡切換。

安全切換;歷史信息;上下文傳遞機制;低軌衛(wèi)星;強制中斷概率;多普勒頻移

1 概述

當前全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)中主要包括高軌衛(wèi)星(High-earth Orbit,GEO)、中軌衛(wèi)星(Medium-earth Orbit,MEO)以及低軌衛(wèi)星(Low-earth Orbit,LEO) 3類［1］。其中,LEO衛(wèi)星因低傳輸延遲、低切換延遲、低能耗和較高的帶寬利用率等優(yōu)點在通信中得到了廣泛應用。

然而,由于LEO衛(wèi)星相對地面的高速運動,使得飛行器與衛(wèi)星之間的切換相對頻繁,給系統(tǒng)設計帶來困難。當飛行器因運行到當前接入的LEO衛(wèi)星(HostLEO)覆蓋邊緣而導致接收信號的強度和信噪比均低于門限值時,就由飛行器發(fā)起切換進程［2-3］。文獻［4］提出了一種基于預認證的臨近空間安全切換方案,但其交互次數(shù)多、計算量大,并且空天鏈路的大時延及高中斷性容易造成高失敗率;文獻［5-6］提出一種基于上下文傳遞的臨近空間安全切換方案,該方案基于切換概率權(quán)值矩陣推算出可能切換的基站集合,通過預先傳遞安全信息給下一跳切換基站,避免了重復執(zhí)行接入認證流程,但該方案沒有給出獲取切換概率的具體方法;文獻［7］提出一種基于多普勒頻移的切換點定位算法,但是該算法不能應用于臨近空間的任意切換點;文獻［8］提出一種基于靜止浮空器網(wǎng)絡的安全切換方案,但不適用于高速運動的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡。

針對上述問題,本文提出一種可在任意點進行切換,并且能減小切換頻率和增強切換過程安全性的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡切換方案。該方案通過預先傳遞安全信息給NewLEO衛(wèi)星,避免重復執(zhí)行接入認證的過程,以降低切換延遲;通過改進現(xiàn)有切換點定位算法,使算法能夠?qū)εR近空間內(nèi)的任意切換點進行定位,以擴大算法適用范圍;通過引入歷史信息對發(fā)生過的切換行為和上下文的傳遞過程進行記錄,以提高安全上下文切換協(xié)議的安全性;通過引入下一跳LEO衛(wèi)星選擇策略,在存在多個滿足切換條件的下一跳切換衛(wèi)星中選擇最優(yōu)者進行切換,以減小切換頻率,提高切換質(zhì)量。

2 任意點切換定位算法

文獻［7］提出了一種基于多普勒頻移技術(shù)的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡切換基站觀測算法,它分為切換發(fā)生時間預測與切換點定位2個部分。其中,切換點定位算法中存在的主要缺陷在于適用范圍有限,僅適用于以本初子午線與赤道交點為圓心的有限圓形區(qū)域內(nèi)。為此,本文提出了一種新的切換點定位算法,該算法能在臨近空間內(nèi)的任意點(包括兩極在內(nèi))進行坐標預測,更好地滿足了LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡的應用場景需求。

2.1 文獻[7]切換點定位算法

文獻［7］切換點定位算法的計算原理如圖1所示。

圖1 基于HostLEO位置的切換點定位方法

首先,確定切換時刻tC時HostLEO的經(jīng)緯度坐標,根據(jù)HostLEO的經(jīng)緯度坐標求出∠HOF。由于HostLEO的軌道參數(shù)是確定的,因此∠FHO已知。根據(jù)三角形內(nèi)角和公式可求得:

其次,根據(jù)飛行器與HostLEO的相對運動特征可求得∠CFH。如圖1可求得:

因此,在球面三角形CFO中應用正弦定理即可求得C點的經(jīng)緯度坐標。

但由于球面三角形的內(nèi)角和是不固定的,并不總等于180°。隨著球面三角形的大小及位置不同,其內(nèi)角和在180°～270°之間變化。極端的情況如圖2所示,當衛(wèi)星在北極點而其運行軌道為西經(jīng)90°時,球面三角形HFO的內(nèi)角和為270°。此時則無法根據(jù)三角形內(nèi)角和定理確定HostLEO的經(jīng)緯度坐標。

圖2 衛(wèi)星在北極點時的切換情況

2.2 基于平面扇形角定理的任意點切換定位算法

基于平面扇形角定理的任意點切換定位算法,其核心思想在于:假定飛行器處于巡航狀態(tài),根據(jù)切換發(fā)生的時間直接求飛行器發(fā)生切換的位置。從而,由于不受球面三角形內(nèi)角和限制,適用范圍較廣,切換發(fā)生在地球表面任意一點時,都可以計算出其經(jīng)緯度坐標。

由飛行器切換時間算法的計算結(jié)果可知,飛行器在tC時刻將發(fā)生切換。又已知t0時刻飛行器相對地面的速度為VS,飛行器巡航階段速度保持不變。

t0時刻A點的經(jīng)緯度坐標為(latA,longA),與地心的距離R=RE+h。

首先,按圖3所示將VS在經(jīng)線和緯線方向上分解。其次,以地心為球心,R=RE+h為半徑作一個球面,如圖4所示。

圖3 飛行器速度分解示意圖

圖4 切換點位置計算方法示意圖

設點A為飛行器在t0時刻的位置,點C為飛行器發(fā)生切換的時刻即tC時刻的位置,弧AC是飛行器的航向線。因為飛行器在巡航狀態(tài)做勻速運動,根據(jù)扇形弧長公式可知:

同樣,利用扇形角定理得:

根據(jù)余弦定理有:

綜合式(3)～式(5)得:

據(jù)此,求得C點的經(jīng)緯度坐標(latC,longC)。

該算法的特點在于:首先,在求解切換點經(jīng)緯度坐標時,并不需要先求出HostLEO在發(fā)生切換時的位置坐標,從而可減小切換過程中的計算開銷。其次,運用同一平面內(nèi)的扇形公式求解經(jīng)度和緯度角,避免了應用球面三角形內(nèi)角和公式時的局限性,從而使該算法能用于在任意點進行切換的情況。

3 基于性能優(yōu)化策略的安全切換協(xié)議

本節(jié)提出一種基于性能優(yōu)化策略的安全切換協(xié)議并設計了協(xié)議的具體流程。性能優(yōu)化策略主要包括下一跳LEO衛(wèi)星選擇策略和安全性歷史信息兩部分。

在下一跳LEO衛(wèi)星選擇策略中,定義了5個選擇下一跳切換衛(wèi)星(NewLEO)的具體策略并生成NewLEO名單(List),從而選定最優(yōu)的NewLEO進行切換。減小了切換頻率,提高了切換質(zhì)量。

文獻［9］中利用歷史信息來保障切換過程中的安全性,但并未說明切換協(xié)議基于何種認證模式以及歷史信息包含哪些具體內(nèi)容。為此,在上下文傳遞模式下［10］,對歷史信息的具體內(nèi)容進行定義,從而保證了切換協(xié)議的安全性。

3.1 性能優(yōu)化策略

3.1.1 NewLEO選擇策略

(1)下一跳衛(wèi)星在飛行器發(fā)生切換的時刻能夠覆蓋該位置,并且在該時刻有空閑信道。

(2)下一跳衛(wèi)星的航向與飛行器的巡航航向契合度較高。由于LEO衛(wèi)星時刻處于高速運動中,為了盡量減少切換次數(shù),應優(yōu)先選擇接入與飛行器運行速度吻合度高的LEO衛(wèi)星。

(3)飛行器和LEO衛(wèi)星切換門限的臨界值TrMN,TrNewLEO,TrHostLEO符合程度。切換門限的選取對于衛(wèi)星網(wǎng)絡的性能至關(guān)重要,門限值過大,使得NewLEO過早為飛行器預留信道,造成通信資源浪費;門限值過小,則會導致平均阻塞概率和平均中斷概率的增加。

(4)LEO衛(wèi)星的接入安全等級SNewLEO。為了保證切換的安全性,NewLEO的安全等級必須高于或等于HostLEO的安全等級。

(5)LEO衛(wèi)星的QoS標準QNewLEO。為了保證切換的可靠性,制定List時應盡量選取高于HostLEO的服務質(zhì)量或與HostLEO水平相當?shù)腘ewLEO。

3.1.2 安全性歷史信息描述

前k-1次切換過程中的歷史信息sshk-1表示如下:

其中,ss0表示初次入網(wǎng)認證時生成會話密鑰的主密鑰,通過對ss0的傳遞可以驗證請求發(fā)生切換的飛行器的初始登錄身份是否可信;cs1,cs2,…,csk-1表示前K-1次切換時的認證密鑰組。如果檢測到csj(0＜j＜k)不符

合安全性要求,則NewLEO可以拒絕切換,從而保證了上下文的機密性和完整性;Tk-1表示安全上下文的壽命信息,用以保證安全上下文的新鮮性。

在HostLEO控制的切換情景中,MN,HostLEOk-1和HostLEOk三方共同協(xié)商出密鑰生成函數(shù)kdk-1,用來識別哈希函數(shù)的變換,該變換的輸入為kk-1, NewLEOk的身份信息和一個新生成的隨機數(shù),得到的輸出為第k次的會話密鑰kk。之前若干次切換中使用過的會話密鑰kj和曾經(jīng)接入的NewLEOj的身份信息都會影響kk的生成,因此歷史信息的正確性能夠準確地反映出當前傳遞的安全上下文的安全性。

3.2 安全切換協(xié)議的具體流程

文獻［9,11］分別提出了2種安全切換方案,其中均提到了如何在可選的LEO衛(wèi)星集合List中選擇最優(yōu)的衛(wèi)星作為飛行器即將接入的衛(wèi)星,但2個方案均未給出候選衛(wèi)星集合的生成方法。為此,在安全切換協(xié)議中引入衛(wèi)星狀態(tài)信息管理中心(Satellite Information Manager,SIM)對所有LEO衛(wèi)星的狀態(tài)信息包括運行周期、軌道參數(shù)等進行集中管理,從而可以實現(xiàn)以下目標:

(1)與文獻［12］的SeaHO-LEO方案和文獻［13］的PatHO-LEO方案相比,SIM只存儲衛(wèi)星的位置信息并更新信號強度數(shù)據(jù)和信道容量,而不需要關(guān)注用戶的移動模式和移動路徑。因此,能有效地克服類似方案中切換延遲大和丟包率高的不足。

(2)由于SIM設在地面上,從而在SIM上設計飛行器發(fā)生切換的時間和定位算法,可以減輕衛(wèi)星和飛行器的處理負擔。

(3)SIM掌握的衛(wèi)星狀態(tài)信息更加全面,可以綜合飛行器和衛(wèi)星兩方面的信息,更加合理地制定候選衛(wèi)星集合。

安全切換方案應用場景示意圖如圖5所示。

圖5 安全切換模型示意圖

其中,MN表示處于巡航狀態(tài)的高速飛行器; SIM表示衛(wèi)星狀態(tài)信息管理中心。

SIM平臺收集并管理轄區(qū)內(nèi)所有LEO衛(wèi)星的狀態(tài)信息,主要包括衛(wèi)星軌道信息(如飛行軌道高度H、飛行周期TS、飛行速度VS)和通信資源信息(如衛(wèi)星IP地址、覆蓋區(qū)域半徑R、通信信道數(shù)及當前占用情況、QoS參數(shù)［14］等)。

LEO衛(wèi)星定期向SIM發(fā)送運行狀態(tài)更新信息,包括當前信道容量和衛(wèi)星接收信號的強度。信道容量表示衛(wèi)星當前的空閑信道容量;另外,受到地理位置、時間及天氣的影響,衛(wèi)星接收信號的強度也需要實時更新。

切換協(xié)議中包括HostLEO和NewLEO交換證書的過程,進而才能為HostLEO和NewLEO建立可靠的加密信道。在明確了切換發(fā)生的原因后,由SIM向HostLEO發(fā)送一個適合飛行器節(jié)點進行下一跳切換的候選衛(wèi)星集合ListNewLEO。此時HostLEO準備完畢開始執(zhí)行安全切換協(xié)議。協(xié)議具體流程如圖6所示。

圖6 安全切換協(xié)議流程

(1)MN分別向SIM和HostLEO發(fā)送切換請求。

(2)SIM制定出ListNewLEO后發(fā)送給HostLEO。HostLEO摘取ListNewLEO中的第一個接入點并檢查是否滿足,之后檢查是否為空。如果上述2個條件有一項不滿足,則舍棄,并從ListNewLEO摘取重新判斷。直到找到使其滿足兩項檢查,并發(fā)送切換請求消息給,該請求需要驗證真實可靠并加密發(fā)送。切換請求包括MN,HostLEO和的ID,安全上下文:

(5)接到切換指令后,MN檢查是否滿足Tk-1≤TrMN,如果滿足則MN與NewLEOik用已經(jīng)協(xié)商出的kek來傳輸密鑰EKk和IKk,從而確保通信內(nèi)容的機密性和完整性。

4 性能與安全性分析

4.1 性能分析

與文獻［7］和文獻［4］中的方案相比,本文方案的性能特點在于:

(1)對文獻［7］中提出的切換點位置算法進行改進,使其能夠計算地球兩極和距離本初子午線較遠的區(qū)域切換點的具體位置。而文獻［4］并未給出具體的切換位置確定算法。

(2)本文方案中提出了一種新的基于安全上下文的切換協(xié)議,與文獻［4］中給出的協(xié)議執(zhí)行過程相比減少了通信和運算開銷。文獻［4］中至少需要8次消息傳遞和8次雙線性對運算;而本文協(xié)議的執(zhí)行過程中只需要6次消息傳遞,4次雙線性對運算。

(3)本文方案充分結(jié)合LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡中衛(wèi)星運行特點,考慮到飛行器與切換衛(wèi)星速度契合度對切換發(fā)生頻率fC的影響,選擇與飛行器當前巡航速度契合度最高的衛(wèi)星作為下一跳切換衛(wèi)星,從而減少切換發(fā)生次數(shù)。

4.2 安全性分析

文獻［8］提出了一種基于安全上下文的安全切換協(xié)議。與該協(xié)議相比,本文通過在安全上下文中加入歷史信息增強了協(xié)議在以下4個方面的安全性:

(1)確保MN與NewLEOk新生成的會話密鑰kk不會泄漏任何以前使用過的會話密鑰ki的信息。

(2)使得安全上下文中包含最初主會話密鑰k0的使用壽命。

(3)確保第k次切換中在HostLEO和NewLEO之間傳遞的安全上下文的完整性和新鮮性,并向NewLEO提供其來源(從哪個HostLEO發(fā)出)。

(4)對切換過程中的指令消息進行完整性和新鮮性保護并提供原地址(HostLEO)證明。

5 仿真驗證

使用Matlab仿真工具對銥星系統(tǒng)中橫跨6個軌道、每條軌道上連續(xù)3顆共18顆LEO衛(wèi)星組成的覆蓋區(qū)域進行仿真。飛行器數(shù)目設定為250個,主要目的是通過對衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星與飛行器的通信及切換情況進行仿真,確定合適的切換門限tTH。各仿真參數(shù)的取值如表1所示。

表1 仿真參數(shù)取值

仿真結(jié)果將與文獻［4］中提出的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡切換方案在強制通信中斷率及平均切換次數(shù)方面進行比較。文獻［4］首先較全面地總結(jié)了空間網(wǎng)絡安全切換技術(shù)的特點及設計準則并提出了基于預認證的切換方案;其次總結(jié)了空間網(wǎng)絡所采用的密碼體制并提出了具體的公鑰和對稱密鑰管理方案。由于文獻［4］所參考的文獻較多、總結(jié)性較強、提出的切換方案基本滿足LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡需求,已在文獻［8］中作為基準方案與新提出的臨近空間安全切換方案進行比較,因此具有一定代表性。

5.1 強制通信中斷率比較

在不同飛行器飛行速度VS下,本文方案與文獻［4］的方案強制通信中斷率Pf進行仿真并比較,其結(jié)果如圖7所示。

圖7 飛行器航速對強制中斷概率的影響

可以看出,本文方案的Pf受飛行器巡航速度VS的影響較小,其主要原因是該方案的通信與計算開銷較小,協(xié)議執(zhí)行時間短。而文獻［4］協(xié)議執(zhí)行過程中通信次數(shù)較多、計算開銷較大,易受到鏈路時延和誤碼率的影響。因此Pf會隨著VS增大而顯著增大。

5.2 切換頻率比較

在相同的時間間隔下,對2種方案中飛行器的切換頻率(即發(fā)生次數(shù)N的取值情況)進行仿真。設定時間間隔為飛行器的最大駐留時間,這樣能夠保證在一個既定時間間隔內(nèi)每一架飛行器至少發(fā)生了一次切換。最大駐留時間產(chǎn)生示例如圖8所示。

圖8 最大駐留時間產(chǎn)生示例

可以看出,飛行器在巡航狀態(tài)時,當且僅當飛行器航向與衛(wèi)星運行軌道重合,并與衛(wèi)星同向飛過其覆蓋區(qū)域的直徑時,飛行器在同一衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的駐留時間最長。因此,最大駐留時間TS滿足:

每隔一個TS時間檢測到本文方案與文獻［4］的方案中發(fā)生的總切換次數(shù)對比如圖9所示。

圖9 相同時間間隔內(nèi)切換次數(shù)對比

可以看出,相同時間間隔內(nèi)本文方案中飛行器發(fā)生切換的次數(shù)明顯少于文獻［4］方案。這是由于該方案在選擇下一跳切換衛(wèi)星時總是選擇與飛行器當前飛行速度最為一致的下一跳衛(wèi)星進行切換,從而延長了飛行器的平均駐留時間,減少了切換發(fā)生次數(shù)。

6 結(jié)束語

本文提出了一種面向LEO衛(wèi)星的安全切換方案。對現(xiàn)有切換點定位算法進行改進,使算法能夠?qū)εR近空間內(nèi)的任意切換點進行定位,擴大了算法適用范圍;在安全上下文傳遞的基礎(chǔ)上,在切換協(xié)議中引入歷史信息與性能選擇策略,增強了切換協(xié)議的安全性,延長了平均切換時間。性能分析與仿真結(jié)果證明了該方案的可行性。

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編輯 金胡考

A Secure and Efficient LEO Satellite Network Switching Scheme at Any Point

MENG Meng,CHEN Xingyuan,XU Guoyu,DU Xuehui
(Henan Provincial Key Laboratory of Information Security,PLA Information Engineering University,Zhengzhou 450004,China)

To solve the problems just like limited cut point and handoff frequently when switching in low earth orbit,an algorithm that is used to orientate the handoff point based on the theorem called flat fan angle and the security cutting protocol related which is based on optimization strategy is proposed.Firstly,the flat sectorial angle theorem is applied to fix the latitude and longitude coordinates of the switch point,using this method avoided the limitations of the application of spherical triangle theorem;Therefore the new algorithm can calculate any cutting point in space.Secondly,it optimizes the performance of switching protocol from two aspects:Choosing the satellite which is most fit for the aircraft in speed to be next-hop satellite when switching,doing like that can shrunk the cut frequency;The new protocol is enhanced security by drawing into historical record which can reflect the past secret key and the integrity of orders.Finally,the new protocol is designed under the context transmission mode,which can decrease the communication and computing costs when compared with protocols under other authentication mode.Simulation experimental results show that the low communication and computing costs,less switching frequency and high security features makes the protocol be more suitable for LEO satellite network.

security handoff;historical information;context transfer mechanism;Low-earth Orbit(LEO)satellite; forced outage probability;Doppler shift

孟 夢,陳性元,徐國愚,等.一種安全高效的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡任意點切換方案［J］.計算機工程, 2015,41(3):1-6.

英文引用格式:Meng Meng,Chen Xingyuan,Xu Guoyu,et al.A Secure and Efficient LEO Satellite Network Switching Scheme at Any Point［J］.Computer Engineering,2015,41(3):1-6.

1000-3428(2015)03-0001-06

:A

:TP309

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.03.001

國家“973”計劃基金資助項目(2011CB311901);國家“863”計劃基金資助項目(2012AA012704)。

孟 夢(1989-),女,碩士研究生,主研方向:無線網(wǎng)絡安全;陳性元,教授;徐國愚,博士;杜學繪,教授。

:2014-07-17修回日期:2014-08-21 E-mail:365955896@qq.com