具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明涉及卫星互联网领域，特别涉及卫星互联网接入认证领域。本发明基于隐式身份开展了卫星互联网中不同安全域节点的接入认证设计，提出一种面向低轨卫星通信的隐身份接入认证协议。该协议包括初始化阶段、接入认证阶段，通过隐式身份信息预分配、主密钥协商、临时密钥协商，完成节点首次接入认证以及切换接入认证。

本发明涉及一种面向低轨卫星通信的隐身份接入认证协议，包括初始化阶段和接入认证阶段。初始化阶段，在接入认证开始前，为各通信节点预先分配隐身份标识以及预制密钥。接入认证阶段，首先执行首次接入认证，利用预先分配的隐身份标识以及预制密钥，及相互交互的参数信息，结合隐身份自认证特性，完成节点间的接入认证，以及主会话密钥和临时会话密钥的协商，确保接入节点的可信，同时可利用协商的密钥，构建安全通信通道，确保会话的机密性；当通信节点移动，需要切换通信节点时，通过卫星位置预判，利用安全信道，为切换卫星发送预制信息，减少因反复执行首次接入认证而引起的资源过度消耗，通过较少信息交互，完成切换时的接入认证以及临时会话密钥协商。

本发明设计一种面向低轨卫星通信的隐身份接入认证协议，采用基于共享秘密的跨域认证协议，隐身份和对称密钥机制，面向空间信息设计支持首次接入、安全接入认证的接入认证协议，实现了低轨卫星切换的安全高效接入。协议包括初始化阶段和接入认证阶段。初始化阶段，在接入认证开始前，为各通信节点预先分配隐身份标识以及预制密钥。接入认证阶段，首先执行首次接入认证，利用预先分配的隐身份标识以及预制密钥，及相互交互的参数信息，结合隐身份自认证特性，完成节点间的接入认证，以及主会话密钥和临时会话密钥的协商，确保接入节点的可信，将认证与密钥协商结合提高通信效率，同时可利用协商的密钥，构建安全通信通道，确保会话的机密性；当通信节点移动，需要切换通信节点时，通过卫星位置预判，利用安全信道，为切换卫星发送预制信息，减少因反复执行首次接入认证而引起的资源过度消耗，通过较少信息交互，完成切换时的接入认证以及临时会话密钥协商。

本认证协议不仅能够为空间信息网中通信节点进行身份确认，生成共享秘密，建立一条安全信道，并在安全模型下证明该协议的安全型，并采用基于逻辑的可组合安全模型PCL证明了认证协议的安全性，满足网络动态拓扑、节点资源受限、通信延迟大的通信环境安全需求。

本认证协议涉及的主体为地面管理中心、移动用户、卫星，分别用M，G_u(首先与卫星通信的移动用户为其隐身份信息为uid_i)，S_A，S_B表示。参与的卫星数量为2，分别用S_A和S_B表示，其隐身份信息分别为SID_A、SID_B，移动用户群GU原与低轨卫星S_A连接，后因低轨卫星S_A运动，用户群GU不再在低轨卫星S_A波束的覆盖范围，而是切换到低轨卫星S_B的波束范围。

通信中每一个实体都预先分配唯一的隐身份标识与密钥信息，对于用户群，其隐身份信息由GID和UID两部分组成，GID为组身份信息，同一个群组的成员拥有相同的组身份信息，UID为群用户成员的信息，每个成员的用户信息是唯一的。

该协议包括两个阶段，第一阶段是初始化阶段，完成各通信节点间秘密信息交互共享，为后续接入认证提供认证基础；第二阶段是接入认证阶段，它包括首次接入认证以及切换认证两个过程，各个认证过程，明确了信息交互、密钥协商的公式，所涉及公式是基于已有安全模型，通过组合证明是安全的。

1.初始化阶段

地面管理中心M通过安全信道收集每个成员身份标识及密钥等信息，并进行存储。M与群组成员共享长期密钥(GK,uk_i)，其中GK为群组密钥，uk_i为群成员的密钥。群组由若干个成员构成，每个成员的身份由GID和UID确定，每个成员都拥有一对密钥(GK,UK)，GK为组密钥，UK为成员密钥。地面管理中心M身份为MID，它与卫星共享的长期密钥为：MSA,MSB。M收集的相关信息用GP表示，GP＝{MID,GID,UID}。

初始化阶段完成后，地面管理中心M有群组中每个组成员的身份标识UID、组标识GID和每个成员的对密钥(GK,UK)。

2.接入认证阶段

1.1.首次接入认证

移动用户首次接入认证，在认证的同时生成主会话密钥和临时会话密钥，以支撑后续会话的安全保密。主会话密钥生成阶段负责生成GMK，umk_i，临时会话密钥生成阶段负责生成GSK，usk_i。密钥生成主要使用伪随机函数，计算公式如下所示。其中，r_g，r'_g为移动用户生成的随机数；r_m为管理中心生成的随机数；为卫星SA生成的随机数；为卫星SB生成的随机数。

GMK＝PRF(GK||r_m||MID||r_g||GID||SID_A)……(1-1)

umk_i＝PRF(GMK||uid_i||uk_i||r_g||r_m||SID_A||MID||GID)……(1-2)

为确保消息本身的完整性，在在消息传输过程中使用MAC来验证消息的完整性，计算公式如表2所示。

MAC₁＝HASH(umk_i,r_m||MID||r_g||GID||SID_A||uid_i)……(1-5)

MAC₂＝HASH(umk_i,r_m||MID||r_g||GID||uid_i||SID_A)……(1-6)

1.1.1.首次认证及主密钥生成

步骤如下：

S11、移动用户产生随机数r_g后，将Message1发送给卫星S_A，其中Message1＝(r_g,GID,uid_i)。

S12、卫星S_A收到Message1后，将Message2发送给地面管理中心M，其中Message2＝(r_g,GID,uid_i,SID_A)。

S13、地面管理中心M收到Message2后，产生随机数r_m，依次生成GMK,umk_i。地面管理中心M计算MAC₁并将Message3发送给卫星S_A，其中Message3＝(r_m,MID,GID,uid_i,SID_A,MAC₁)。

S14、卫星S_A接收Message3，将其转发给移动用户

S15、移动用户接收Message3后，依次生成GMK，umk_i，计算MAC₁，判断从卫星S_A接收的MAC₁值是否相等，以验证地面管理中心M生成的umk_i的正确性。计算MAC₂并将Message4发送给卫星S_A，其中Message4＝(r_g,MID,GID,uid_i,SID_A,MAC₂)。

S16、卫星S_A接收Message4，将其转发给地面管理中心M。

S17、地面管理中心M收到Message4后，计算MAC₂将其与接收的MAC₂比对，以验证移动用户生成umk_i的正确性，将Message5发送给卫星S_A，其中Message5＝EMS_A(GMK,umk_i,GP)。

S18、卫星S_A接收Message5，解密消息并存储。

1.1.2.临时密钥生成

步骤如下：

S21、卫星S_A产生随机数计算MAC₃并将Message6发送至移动用户其中

S22、移动用户接收Message6，首先验证MAC₃正确性，然后产生随机数r'_g并生成usk_i，GSK，计算MAC₄，MAC₅，将Message7发送至卫星SA，其中Message7＝(r'_g,GID,uid_i,SID_A,MAC₄，MAC₅)。

S23、卫星SA接收Message7，生成usk_i，GSK后，计算MAC₄，MAC₅将其与接收到的MAC₄，MAC₅比对，验证生成usk_i，GSK的正确性。在计算MAC₆，MAC₇后，将Message8发送给移动用户其中

S24、移动用户接收Message8，计算MAC₆，MAC₇后将其与刚收到的MAC₆，MAC₇比对，以验证卫星SA生成usk_i，GSK的正确性。主密钥生成阶段和临时密钥生成阶段结束后，移动用户和卫星SA完成接入认证。

1.2.切换认证

当移动用户不在S_A的覆盖围时，为了保证持续通信，这时向卫星S_B发出接入请求，它包括主密钥预置阶段和临时密钥生成阶段，usk'_i，GSK'及MAC₉-MAC₁₃计算公式如下。

MAC₉＝HASH(umk_i,r″_g||GID||SID_A||uid_i)……(1-17)

主密钥预置：因为空间信息网中卫星的位置可以预判，所以当卫星S_A解密消息EMS_A(GMK,umk_i,GP)后，通过安全信道发送给卫星S_B，这样卫星S_B就拥有和移动用户通信会话主密钥GMK，umk_i。

临时密钥生成阶段具体包括以下步骤。

S31、移动用户生成随机数r″_g，计算MAC₉，将Message10＝(r″_g,GID,uid_i,SID_A,MAC₉)，发送至卫星S_B。

S32、卫星SB接收到Message10，首先验证MAC₉正确性，然后产生随机数生成GSK',usk'_i,计算MAC₁₀，MAC₁₁将Message11发送至移动用户其中

S33、移动用户接收Message11，计算MAC₁₀，MAC₁₁，将其与接收到的MAC₁₀，MAC₁₁比对，利用卫星SB发送的信息，计算并验证GSK',usk'_i的正确性。再计算MAC₁₂，MAC₁₃后，将Message12发送给卫星SB，其中Message12＝(r″_g,GID,SID_A,MAC₁₂，MAC₁₃)。

S34、卫星SB接收Message12，计算MAC₁₂，MAC₁₃，将其与接收到的MAC₁₂，MAC₁₃比对，利用移动用户发送的信息，计算并验证GSK',usk'_i的正确性。

移动用户与卫星S_B完成认证，并生成临时会话密钥。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。