一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用技术方案

本发明专利技术属于通信网络安全技术领域，公开了一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用，所述无人机辅助的终端接入认证方法包括：终端、无人机通过安全信道与网络控制中心交互完成注册；在无人机和终端都完成注册后，无人机执行接入认证；在无人机接入认证完成后，终端在无人机辅助下执行接入认证；当无人机由于不可抗力偏离指定空域导致认证中断时，多无人机快速协作，继续辅助终端完成接入认证。本发明专利技术可以在无人机辅助情况下实时高效完成不同实体身份的认证，快速建立稳定可靠地移动通信网络，为无人机应急通讯、军事作战、消防救援等场景提供技术支撑；在实现匿名性的同时，避免公钥体制中复杂证书管理过程，实现更强的安全能力。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用
本专利技术属于通信网络安全
，尤其涉及一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用。
技术介绍
目前，随着5G通信技术的普及以及物联网设备的高速增长，人们对于移动通信业务的需求不断提升，通过卫星通信网络来覆盖山区、远洋、等地区，同时配合无人机进行协同作业能够极大的为军事、电力、救援等领域提供技术支撑，由此构建的天地一体化的信息网络，极大地促进移动设备向全场景协同、高可靠互连的方向迈进，有利于实现全球信息网络的深度互连与高效融合。由美国SpaceX公司推出的星链计划(StarLink)，计划在2019年至2024年间在太空搭建由约1.2万颗卫星组成的“星链”网络，其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道，并从2020年开始工作。值得注意的是，在备受关注的传输时延方面，StarLink等低轨卫星往返传输时延有望控制在30ms以内，能够满足用户对网络时延的基本要求。在此期间，国内正在开展的虹云工程计划发射156颗卫星，它们在距离地面1000公里的轨道上组网运行，致力于构建一个星载宽带全球移动互联网络。与此同时，受益于无线通信网络的迅猛发展，无人机也开始广泛应用于工业、军事以及群众日常生活的方方面面。其中在无人机指挥作战、无人机定点测绘、电力检修、森林防火等领域均有广泛应用。我国自主研制的翼龙中低空军民两用无人机，可以执行监视、通信侦查、对地攻击、反恐巡逻等任务，并且在灾情监视、农药喷洒、森林防火等放面也有广泛应用。因此，在天地一体化信息网络中，搭建卫星、无人机、终端设备的“三位一体”的通讯网络将为更多应用场景提供技术支撑。如应急通讯方面：搭载无线通讯基站的翼龙通用平台在海拔3-5千米的高度，以半径3000多米持续盘旋，成功实现超过50平方公里范围内，长时稳定的连续移动信号覆盖，同时标志着翼龙通用平台具备了打在基站设备和卫星通讯设备实现应急通信和通信中继的能力。值得一提的是，其单机可保持35小时的持续飞行能力，可有效解决基础设施损毁、边远山区、特殊地貌及恶劣条件下的全天候通信和数据传输问题，应对地震、洪水、火灾等大型自然灾害的发生。在无人机作战方面，在2020年发生的阿塞拜疆与亚美尼亚的军事冲突中，阿塞拜疆军队的TB-2无人机在野外飞行时追击到亚美尼亚步兵营，当敌人分散隐蔽时，无法进行精确打击的TB-2无人机立即将地方士兵位置数据传输至后方炮兵部队，通过炮兵部队的BM-21火箭炮对地方分散的步兵进行覆盖式打击，最终全歼敌军。由此可见，构建空天地融合的天地一体化信息网络具有极为重要的战略意义。然而，无论是卫星还是无人机设备，其通信链路开放、网络拓扑动态变化的特性都可能导致其在通信过程中遭受到信道窃听、消息篡改、重放等方式的攻击。此外，由于卫星、无人机设备计算资源受限，在通信过程中应当尽量避免复杂的数据处理。通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)在无人机作战方面，当敌人分散隐蔽时，现有通讯网络无法进行精确打击的TB-2无人机立即将地方士兵位置数据传输至后方炮兵部队，通过炮兵部队的BM-21火箭炮对地方分散的步兵进行覆盖式打击，最终全歼敌军。(2)无论是卫星还是无人机设备，其通信链路开放、网络拓扑动态变化的特性都可能导致其在通信过程中遭到信道窃听、消息篡改、重放等方式的攻击。(3)由于卫星、无人机设备计算资源受限，在通信过程中应当尽量避免复杂的数据处理。解决以上问题及缺陷的难度为：(1)卫星、无人机均采用开放链路通信，任何网络实体都可以对通信内容进行监听、篡改和伪造，甚至伪装成合法用户进行非授权访问，进而进行信息窃取，在卫星、无人机、终端三者彼此双向认证的同时，需要有效应对上述攻击方式的发生，避免敌手对通信系统进行恶意攻击。(2)由于星载、机载资源受限，在应对海量终端大规模接入的情况下需要设计轻量级的认证协议来保证地面终端设备实时高效的完成接入认证，建立通信链路，并尽可能的减少信令开销。(3)无人机存在机动性强、续航能力受限等特点，在地面终端通过无人机进行认证过程中，若无人机脱离其指定覆盖范围会导致终端需重复执行认证过程，产生额外的信令开销和计算开销，影响认证效率。(4)地面终端设备、无人机均有可能遭受物理攻击，敌手通过物理攻击方式对其进行捕获后，可能获取其内存芯片中存储的秘密信息，从而伪造身份参与认证，非法获取隐私信息及各类权限。解决以上问题及缺陷的意义为：可以实现在无人机辅助的情况下实时高效的完成不同实体身份间的认证，快速建立起稳定可靠地移动通信网络，为无人机应急通讯、军事作战、消防救援等场景提供技术支撑。具体的：在上述通信场景中，若攻击者能够通过监听开放链路获取到待认证实体的身份信息或其他认证信息，则会对待认证实体的安全性造成威胁，并泄露通信内容。其二，若无法实现轻量级的认证流程，大量的认证请求会使得无人机、卫星的计算负载过大，出现无法响应的情况，进而影响协议的执行。其三，若能够避免由于无人机偏离指定区域而造成终端重复发起认证的情况发生，则可以大大降低网络控制中心和终端侧的计算开销，同时也能够有效降低整个通信网络的通信开销，使得网络资源得到更有效的利用。其四，若所述方案能够抵抗物理攻击，则可以大幅提高协议的鲁棒性，即便终端设备、无人机被恶意截取，也能够保证敌手无法对方案进行攻击，从而有效的保护网络的安全。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用。本专利技术是这样实现的，一种无人机辅助的终端接入认证方法，所述无人机辅助的终端接入认证方法包括以下步骤：步骤一，无人机及终端通过安全信道与网络控制中心交互执行实体注册流程，预置秘密消息后，完成实体注册。此步骤能够为后续认证流程提供安全支撑与保障，是整个方案安全执行的基础；步骤二，无人机通过与卫星网络与网络控制中心交互，完成无人机的接入认证。此步骤为后续终端的接入认证提供了技术支撑，在无人机完成认证后，其身份合法性可以由网络控制中心进行验证，在终端进行接入认证时，可以同时实现对无人机、网络控制中心的身份认证；步骤三，无人机完成接入认证后，终端在无人机的辅助下完成在天地一体化信息网络中的接入认证。此步骤完整展示了终端在无人机辅助的情况下进行接入认证的流程，是方案的核心，通过本步骤，可以安全的实现天地一体化信息网络中无人机辅助的终端接入认证。步骤四，当无人机由于不可抗力偏离指定空域导致认证中断时，多无人机快速协作，继续辅助终端完成接入认证。此步骤的补充优化，考虑了实际场景中可能发生的特殊情况，针对具体情形进行了分析说明，能够较好的对所述方法进行完善优化。进一步，步骤一中，所述的天地一体化信息网络在注册之前，卫星已经与网络控制中心完成组网认证；所述无人机及终端通过安全信道与网络控制中心交互执行实体注册流程，预置秘密消息后，完成实体注册，包括：(1)无人机注册1)无人机通过安全信道向网络控制中心发送其身份标识符IDu，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机辅助的终端接入认证方法，其特征在于，所述无人机辅助的终端接入认证方法包括：/n无人机及终端通过安全信道与网络控制中心交互执行实体注册流程，预置秘密消息后，完成实体注册；/n无人机通过与卫星网络与网络控制中心交互，完成无人机的接入认证；/n无人机完成接入认证后，终端在无人机的辅助下完成在天地一体化信息网络中的接入认证；/n当无人机由于不可抗力偏离指定空域导致认证中断时，多无人机快速协作，继续辅助终端完成接入认证。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机辅助的终端接入认证方法，其特征在于，所述无人机辅助的终端接入认证方法包括：
无人机及终端通过安全信道与网络控制中心交互执行实体注册流程，预置秘密消息后，完成实体注册；
无人机通过与卫星网络与网络控制中心交互，完成无人机的接入认证；
无人机完成接入认证后，终端在无人机的辅助下完成在天地一体化信息网络中的接入认证；
当无人机由于不可抗力偏离指定空域导致认证中断时，多无人机快速协作，继续辅助终端完成接入认证。


2.如权利要求1所述的无人机辅助的终端接入认证方法，其特征在于，所述的天地一体化信息网络在注册之前，卫星已经与网络控制中心完成组网认证；所述无人机及终端通过安全信道与网络控制中心交互执行实体注册流程，预置秘密消息后，完成实体注册，包括：
(1)无人机注册
1)无人机通过安全信道向网络控制中心发送其身份标识符IDu，同时选择随机的PUF激励一并发送至网络控制中心；
2)网络控制中心通过其内存中内置的PUF计算激励响应同时，网络控制中心生成一组随机激励及伪身份标识符PIDN＝{pid1,pid2,…,pidn}，将上述通过安全信道发送至无人机；
3)无人机通过自身内存中嵌入的PUF为每一个随机激励生成对应的激励响应然后将这组激励响应返回至网络控制中心；
4)网络控制中心需要存储无人机只需要存储
(2)终端注册
1)在注册阶段，首先由用户终端与网络控制中心进行交互，由用户终端通过安全信道发送自己真实身份标识，同时生成其第i次认证时对网络控制中心内置PUF的随机激励将IDd,一并发送至网络控制中心；
2)网络控制中心收到后，通过自身内存中的PUF生成激励响应同时由网络控制中心生成其对终端内置PUF的随机激励以及用户终端进行下次认证的伪身份标识符通过安全信道向用户终端发送消息M：
3)用户终端收到消息M后，由自身内存内置的PUF生成激励响应并发送至网络控制中心进行保存；
4)最终，终端需要额外保存网络控制中心保存


3.如权利要求1所述的无人机辅助的终端接入认证方法，其特征在于，所述无人机通过与卫星网络与网络控制中心交互，完成无人机的接入认证，包括：
(1)无人机可以从自身伪身份标识组PIDN＝{pid1,pid2,…,pidn}中任意选择第i个伪身份标识符pidi准备发起认证；
(2)无人机随机选择任一伪身份标识符pidi作为自己本轮认证的身份标识信息以实现对其真实身份的保护；同时利用自身的随机数生成器生成随机数Nu，同时读取内部存储的预置秘密消息将认证请求一并发送至其所在空域的卫星；如由于环境因素导致认证请求无响应或遇到DDos攻击，则重新选择新的第i+1个伪身份标识符进行认证；
(3)无人机所在空域的卫星在接收到认证请求后，将添加自身星座身份标识并将认证请求转发至网络控制中心，网络控制中心可以根据其身份标识符确定其所属空域；
(4)网络控制中心伪身份标识符pidi是否在其合法范围内，并随机选取任意一对(ci,ri)用于本轮认证；利用认证请求中的激励计算对应响应根据响应及无人机的激励响ri计算消息认证码：生成本轮认证的随机数Ns，并无人机补充新的伪身份标识符pidn+1，此外网络控制中心还需要计算其下一次用于与该无人机认证的激励响应对：并对敏感信息进行保密处理：将认证响应通过原卫星发送至发起认证请求的无人机；
(5)无人机在收到认证响应后，首先利用自身内存中内置的PUF计算并利用本地内存中的激励响应以及接收到的数据验证XRES是否等于认证完成后计算并获取后续认证的伪身份标识符及网络控制中心的激励响应对：同时，无人机需要生成自己下一轮认证的激励及响应对并进行保密处理：cn+1＝h(ci||ri||IDu)，此外，无人机还需要生成后续通信所需的会话密钥Sk以及认证消息确认码RES：RES＝h(ri||Sk)，无人机将认证响应消息通过卫星发送至网络控制中心等待验证；
(6)网络控制中心接收到认证响应消息后，从中计算出：cn+1＝h(ci||ri||IDu)，利用上述计算结果对RES进行验证，若验证通过，则完成对无人机的认证；此时，双方删除使用过的伪身份标识符以及对应的激励响应对而在认证过程中补充的新的伪身份标识符及激励响应对需要分别进行存储，以供后续认证，双方在认证过程中安全协商的会话密钥Sk也将分别被双方存储，用于保障后续无线通信过程的安全。


4.如权利要求1所述的无人机辅助的终端接入认证方法，其特征在于，所述无人机完成接入认证后，终端在无人机的辅助下完成在天地一体化信息网络中的接入认证，包括：
(1)由用户终端向提供网络服务的无人机发起认证请求，并通过卫星与网络控制中心交互完成双向认证与密钥协商；由于在无人机接入认证阶段无人机已经完成与网络控制控制和中心的认证，因此，在后续认证流程中，无人机可以辅助其通信覆盖范围内的终端设备进行认证首先由终端设备为本轮认证过程生成随机数Nd，同时将自身伪身份标识符以及注册阶段预置的对网络控制中心侧PUF的激励作为认证请求，一同发送至其所在空域的无人机；
(2)无人机接收到认证请求后，在认证请求上附加其身份标识符IDUAV通过卫星转发至网络控制中心以协助完成认证；所述身份标识符在该无人机的接入认证阶段完成后，安全的储存于网络控制中心内；
(3)在收到认证请求后，网络控制中心首先校验伪身份标识符的合法性，为本轮认证生成随机数Ns，同时利用其内存中预置的PUF计算请求中激励的响应读取网络控制中心中该终端在注册阶段预置的激励响应对并分别计算消息认证码：同时，网络控制中心需要计算下轮认证所需要用到伪身份标识符及激励响应对，并进行保密处理：计算完成后，网络控制中心向卫星转发作为认证响应；
(4)在收到网络控制中心的认证响应后，卫星提取其中的消息认证码XRES以及终端和网络控制中心生成的随机数Ns,Nd，计算HXRES＝h(Nd||Ns||XRES)用于后续对终端设备的认证；计算完成后，卫星存储XRES并发送认证响应至无人机进行后续认证流程；
(5)无人机收到卫星的认证响应后，读取并存储HXRES，同时将其身份标识符IDUAV合并成新认证响应后一同发送至终端；
(6)终端在收到认证响应后，首先根据网络控制中心发送的激励输入到其内存中的PUF中，计算出激励响应然后结合其内存中存储的认证系统侧的激励响应对及认证响应内容，计算消息认证码并对MAC值进行校验；此外，终端需要计算下一轮认证所需的网络控制中心侧PUF的输入激励：同时，终端需要读取其所收到的认证响应的内容，解析出对应的激励响应及网络控制中心为终端生成的新的伪身份标识符终端计算以及下一轮认证计算所需的PUF激励响应对并对其进行保密处理：此时，终端可以向无人机发送认证响应消息并计算本轮认证完成后与网络控制中心协商的会话密钥：
(7)无人机在收到终端发送的认证响应消息后，提取其中的RES的值，并计算：HRES＝h(Nd||Ns||RES)，计算完成后，无人机可以通过校验...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹进，关键，李晖，马如慧，赵兴文，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61