一种面向天基网络的身份基认证方法

1.一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，构建面向天基网络的身份基认证系统；面向天基网络的身份基认证系统由地面终端TE、密钥生成中心KGC和低轨卫星LEO三类网络实体组成；KGC通过无线链路和多个TE及LEO相连；在TE与LEO相互认证之前，KGC计算系统主密钥x和公开参数params；KGC从TE和LEO接收身份标识、申请公开参数的请求和申请私钥的请求，KGC利用公开参数params和主密钥x计算TE和LEO的私钥，在安全的环境下向卫星分发卫星私钥和公开参数，向地面终端分发地面终端的私钥和公开参数；TE和LEO相互连接，并均与KGC相连，在通信之前均向KGC进行注册，向KGC提交TE或LEO选定的身份标识、申请公开参数的请求和申请私钥的请求，当前过顶卫星LEO A 从KGC接收到卫星的私钥后，LEO A 生成卫星认证报文L A 发送给当前地面终端TE A ，TE A 对L A 进行认证，认证通过后，生成地面终端认证报文T A 发送给LEO A ；LEO A 对T A 进行认证，完成卫星和地面终端的互认证；当前过顶卫星LEO A 即将离开时，LEO A 通过安全信道将切换认证安全参数k s 发送给当前地面终端TE A ，将k s 和TE A 的身份标识ID A 发送给下一个过顶卫星LEO B ，TE A 生成终端快速认证报文TF A 发送给LEO B ，LEO B 对TF A 进行认证，认证通过后生成卫星快速认证报文LF A 发送给TE A ，TE A 对LF A 进行认证，完成快速切换认证过程；KGC上安装有初始化计算模块和私钥计算模块，地面终端和卫星上都安装有私钥及公开参数管理模块、认证计算模块、验证模块和切换认证模块；KGC上的初始化计算模块生成公开参数params和系统主密钥x，并将params和x发送给KGC的私钥计算模块；私钥计算模块与地面终端和卫星的私钥及公开参数管理模块相连；私钥计算模块从地面终端的私钥及公开参数管理模块接收地面终端的身份标识、申请公开参数的请求和申请私钥的请求，根据地面终端的身份标识计算地面终端的私钥并将私钥和公开参数发送给地面终端的私钥及公开参数管理模块；私钥计算模块从卫星的私钥及公开参数管理模块接收卫星的身份标识、申请公开参数的请求和申请私钥的请求，根据卫星的身份标识计算卫星的私钥并将私钥和公开参数发送给卫星的私钥及公开参数管理模块；私钥及公开参数管理模块与KGC的私钥计算模块相连，且与私钥及公开参数管理模块属于同一个网络实体的认证计算模块相连，负责接收私钥计算模块发送的私钥和公开参数，并向认证计算模块发送私钥和公开参数；认证计算模块与和认证计算模块属于同一个网络实体的私钥及公开参数管理模块、验证模块和另一类网络实体的认证计算模块相连，认证计算模块从私钥及公开参数管理模块接收公开参数和私钥，利用私钥和公开参数生成认证报文，将认证报文发送给另一类网络实体的认证计算模块；且认证计算模块在接收到另一类网络实体的认证计算模块发送的认证报文后，将接收到的认证报文发送给验证模块；验证模块和与验证模块属于同一个网络实体的认证计算模块相连，验证模块从认证计算模块接收认证报文后对认证报文进行验证，验证通过后计算会话密钥，之后与另一类网络实体完成卫星和地面终端的安全通信；当前地面终端TE A 、当前过顶卫星LEO A 和下一个过顶卫星LEO B 三者的切换认证模块相互连接；在LEO A 提供服务的结尾之际，LEO A 判断即将发生切换，LEO A 的切换认证模块向TE A 的切换认证模块发送切换认证安全参数k s ，向LEO B 的切换认证模块发送TE A 的身份标识ID A 和切换认证安全参数k s ；之后TE A 的切换认证模块生成终端快速认证报文TF A 发送给LEO B 的切换认证模块，LEO B 的切换认证模块对TF A 进行认证，认证通过后，LEO B 的切换认证模块生成卫星快速认证报文LF A 发送给TE A 的切换认证模块，TE A 的切换认证模块对LF A 进行验证，完成快速切换认证；第二步，KGC上的初始化计算模块使用带有消息恢复功能的身份基签名方案里的初始化参数生成算法来计算系统主密钥和公开参数，具体流程是：2.1初始化计算模块选择有限域F q 上的椭圆曲线E，在确定E后，初始化计算模块随机选择素数p和点P，点P的阶数为p，p要求能够整除E上的点的个数；2.2从去除p的素整数空间 中选择一个数x， 作为面向天基网络的身份基认证系统的主密钥，计算全局公钥P pub ＝xP；2.3选择四个哈希函数H 1 ，H 2 ，F 1 ，F 2 ，其中H 1 ,H 2 :{0,1} * →Z P ， H 1 ,H 2 的作用是将任意长度的01二进制序列码映射为长度为a的01二进制序列码，且a∈Z p ，Z p 是包含p的素整数空间，F 1 的作用是将任意长度的01二进制序列码映射为长度为k 2 的01二进制序列码，F 2 的作用是将长度为k 1 的01二进制序列码映射为长度为k 2 的01二进制序列码，k 1 和k 2 是两个正整数且满足p＝k 1 +k 2 ；2.4将F q ,E,p,P,P pub ,H 1 ,H 2 ,F 1 ,F 2 ,k 1 ,k 2 组合成面向天基网络的身份基认证系统公开参数params，params＝<F q ,E,p,P,P pub ,H 1 ,H 2 ,F 1 ,F 2 ,k 1 ,k 2 >，将params公开；第三步，KGC上的私钥计算模块根据地面终端和卫星提交的身份标识计算对应的私钥，并将私钥和公开参数params分发给地面终端和卫星的私钥及公开参数管理模块；方法是：3.1地面终端TE A 的私钥及公开参数管理模块向KGC的私钥计算模块提交身份标识ID A 、申请公开参数params的请求和申请私钥的请求；3.2私钥计算模块从地面终端TE A 的私钥及公开参数管理模块接收ID A 和申请公开参数params的请求和申请私钥的请求，计算与ID A 对应的私钥sk A ；3.3私钥计算模块将sk A 及params发送给TE A 的私钥及公开参数管理模块；3.4 TE A 的私钥及公开参数管理模块将sk A 和params存储在本地；3.5卫星LEO A 的私钥及公开参数管理模块向KGC的私钥计算模块提交它选择的身份标识 申请公开参数params的请求和申请私钥的请求；3.6私钥计算模块从卫星LEO A 的私钥及公开参数管理模块接收 和申请公开参数params的请求以及申请私钥的请求，计算与 对应的私钥 3.7私钥计算模块将 以及params发送给LEO A 的私钥及公开参数管理模块；3.8 LEO A 的私钥及公开参数管理模块将 和params存储在本地；第四步，地面终端TE A 初次接入面向天基网络的身份基认证系统时进行当前过顶卫星LEO A 和TE A 的双向认证和会话密钥协商：TE A 先完成对LEO A 的认证；之后LEO A 对TE A 进行认证；最后根据在认证过程中LEO A 和TE A 所接收到的消息，LEO A 和TE A 计算出相应的会话密钥，具体流程是:4.1 LEO A 的认证计算模块生成卫星认证报文L A ，并向地面广播L A ，具体步骤是：4.1.1 LEO A 的认证计算模块从 随机选择一个整数作为卫星验证消息随机数 并计算卫星验证消息的明文 是由0和1组成的二进制序列码；4.1.2 LEO A 的认证计算模块使用私钥 用签名算法对 进行签名,生成LEO A 的卫星认证报文L A ,方法为：4.1.2.1 LEO A 的认证计算模块从 中随机选择一个整数作为卫星签名随机数 4.1.2.2 LEO A 的认证计算模块将 划分成两个部分 和 其中 的序列码长度为k 2 ，即 的位数为k 2 ；4.1.2.3 LEO A 的认证计算模块计算卫星验证消息签名中间量 ||是二元运算符，将参与运算的两个元素的01二进制序列码按顺序拼接起来； 是二元运算符，将参与运算的两个元素的01二进制序列码进行异或运算； 的优先级高于||；计算卫星签名消息椭圆曲线分量 表示椭圆曲线E上的点 的X轴坐标；计算卫星签名消息哈希中间值 计算卫星签名消息尾元 是卫星私钥后部； 是卫星LEO A 私钥前部；4.1.2.4将 生成对明文 的签名加密消息 是 组成的四元组，即 其中 均为01二进制序列码， 是按照 顺序排列的01二进制序列码；4.1.2.5将 拼接成卫星认证报文L A ， 是LEO A 的时间戳，记录LEO A 当前的时间， 其中 均为01二进制序列码，L A 是按照 顺序排列的01二进制序列码；4.1.3 LEO A 将认证报文L A 向地面广播，同时记录卫星广播L A 的时刻t 1 ；4.1.4 LEO A 获取LEO A 当前的时间t 2 ，令时间间隔T＝t 2 -t 1 ，若T<T 1 ，T 1 为第一时间阈值，转4.2步，若T≥T 1 ，转4.1.3步；4.2地面终端TE A 对卫星LEO A 进行认证，具体步骤为：4.2.1 TE A 的认证计算模块接收LEO A 广播的报文L A ，将L A 发送给TE A 的验证模块；4.2.2 TE A 验证模块接收L A ，查看L A 上的时间戳 与TE A 的时间的差值t是否在第二时间阈值T 2 内，如果t≤T 2 ，转步骤4.2.3；如果t>T 2 ，则TE A 认定发出L A 的LEO A 是非法的，TE A 拒绝接入天基网络，转步骤4.1；4.2.3 TE A 的验证模块对报文L A 中的 进行验证，如果验证通过,TE A 就确定卫星LEO A 是合法的并且可以获得卫星验证消息明文 转步骤4.2.4；如果验证失败，则TE A 认定发出L A 的LEO A 是非法的，TE A 拒绝接入天基网络，转步骤4.1；TE A 的验证模块采用带有消息恢复功能的身份基签名方案里的验证算法对报文L A 中的 进行验证，方法是：4.2.3.1 TE A 的验证模块依次计算卫星签名消息哈希中间值 卫星私钥哈希中间值 卫星验证消息签名中间量 和卫星验证消息明文后部 表示 的最右边k 2 位01二进制序列码， 表示 最左边的k 1 位01二进制序列码；4.2.3.2若 则验证通过，TE A 确定卫星LEO A 是合法的并且可以获得卫星验证消息明文 转步骤4.2.4，否则验证失败，TE A 认定发出L A 的LEO A 是非法的，TE A 拒绝接入天基网络，转步骤4.1；4.2.4 TE A 的验证模块从L A 提取出 将 和4.2.3.1步中计算得到的 拼接，得到卫星验证消息 并向TE A 的认证计算模块发送表明卫星是合法的确认指令；4.2.5 TE A 的认证计算模块生成地面终端认证报文T A ，并且在生成T A 的同时采用ECDH密钥交换算法计算会话密钥，具体步骤为：4.2.5.1 TE A 的认证计算模块从 中随机选择一个整数作为地面终端验证消息随机数k A ， 并计算地面终端验证消息的明文m A ，m A ＝k A P，m A 是由0和1组成的二进制序列码；4.2.5.2 TE A 的认证计算模块使用私钥sk A ，用签名算法对m A 进行签名，生成对明文m A 的签名加密消息σ(m A )，σ(m A )是m A1 ,R A ,y A ,z A 组成的四元组，σ(m A )＝(m A1 ,R A ,y A ,z A )；m A1 是m A 的一部分，R A 是地面终端私钥sk A 前部，y A 为地面终端签名消息椭圆曲线分量，z A 为地面终端签名消息尾元，m A1 ,R A ,y A ,z A 均为01二进制序列码，σ(m A )是按照m A1 ,R A ,y A ,z A 顺序排列的01二进制序列码；4.2.5.3 TE A 的认证计算模块选择TE A 的时间戳tt A ，将ID A 、tt A 、σ(m A )拼接成地面终端认证报文T A ，T A ＝ID A ||tt A ||σ(m A )；其中ID A 、tt A 、σ(m A )均为01二进制序列码，T A 是按照ID A 、tt A 、σ(m A )顺序排列的01二进制序列码；TE A 的认证计算模块将T A 发送给LEO A 的认证计算模块；4.2.5.4 TE A 的认证计算模块计算会话密钥 在TE A 和LEO A 的相互认证结束之后，双方使用对称加密算法加密会话信息，K 1 即为对称加密算法中使用的密钥；4.3 LEO A 的认证计算模块接收报文T A ，将T A 发送给LEO A 的验证模块；4.4 LEO A 的验证模块接收到T A ，对地面终端TE A 进行认证，方法是：4.4.1 LEO A 的验证模块检查T A 上的时间戳tt A 与LEO A 的时间的差值t′是否在第三时间阈值T 3 内，如果t′≤T 3 ，转步骤4.4.2；如果t′>T 3 ，则LEO A 认定发出T A 的TE A 是非法的，LEO A 拒绝TE A 接入天基网络，停止与TE A 的通信，转步骤4.2.5；4.4.2 LEO A 的验证模块对T A 中的σ(m A )进行验证，如果验证通过，LEO A 就可以确定TE A 是合法的并得到对应的明文m A ，转步骤4.4.3；如果验证失败，则LEO A 认定发出T A 的TE A 是非法的，LEO A 拒绝TE A 接入天基网络，停止与TE A 的通信，转步骤4.2.5；4.4.3 LEO A 的验证模块从T A 提取出m A1 ，将m A1 和m A2 两者拼接得到地面终端验证消息m A ，然后LEO A 的验证模块向LEO A 的认证计算模块发送确认指令；4.4.4 LEO A 的认证计算模块采用ECDH密钥交换算法计算会话密钥 第五步，LEO A 和TE A 正常通信，LEO A 在服务的结尾若预判LEO A 即将离开当前区域，则转第六步；LEO A 在服务的结尾若预判LEO A 不离开当前区域，转第五步；第六步，当前即将离开的卫星LEO A 、地面终端TE A 、下一个过顶卫星LEO B 进行星间切换认证，方法是首先由LEO A 的切换认证模块生成认证安全参数k s ，将k s 发送给TE A 的切换认证模块，将TE A 的身份标识ID A 和k s 发送给LEO B 的切换认证模块，要求此时LEO A 与TE A 、LEO B 都已完成双向认证；之后TE A 的切换认证模块生成终端快速认证报文TF A 发送给LEO B 的切换认证模块，LEO B 的切换认证模块接收TF A 后，验证TE A 的合法性，验证通过后，LEO B 的切换认证模块生成卫星快速认证报文LF B ，并将LF B 发送给TE A 的切换认证模块验证，验证通过后，切换认证阶段结束，TE A 与LEO B 正常通信；具体步骤是：6.1 LEO A 的切换认证模块从正整数集N * 中随机选择一个整数作为认证安全参数k s ，k s ∈N * ，将k s 发送给TE A 的切换认证模块，将TE A 的身份标识ID A 和认证安全参数k s 发送给LEO B 的切换认证模块；TE A 和LEO B 的切换认证模块接收到消息后将相关参数保存在本地；6.2 TE A 的切换认证模块生成终端快速认证报文TF A ，方法为：6.2.1 TE A 的切换认证模块从 中随机选择一整数作为终端切换认证参数k t2 ， 计算终端切换认证消息明文m t2 ，m t2 ＝k t2 P；6.2.2 TE A 的切换认证模块生成终端快速认证报文TF A ，TF A ＝ID A ||m t2 ||tt A ′||H 1 (k s ||m t2 )，TF A 由ID A 、m t2 、tt A ′、H 1 (k s ||m t2 )四个01二进制序列码按顺序拼接而成的01二进制序列码，tt A ′是TF A 的时间戳，表示TE A 当前的时间；H 1 (k s ||m t2 )是指将k s ,m t2 拼接而成的01二进制序列码作为哈希函数H 1 的输入，经运算得到的01二进制序列，并将TF A 发送给LEO B 的切换认证模块；6.3 LEO B 的切换认证模块对TE A 进行认证并计算会话密钥，方法为：6.3.1 LEO B 的切换认证模块从TE A 的切换认证模块接收TF A 后，检查TF A 上的时间戳tt A ′与LEO B 的时间的差值tt是否在第四时间阈值T 4 内，如果tt≤T 4 ，转步骤6.3.2；如果tt>T 4 ，则LEO B 认定TE A 是非法的，拒绝为TE A 提供服务，转步骤6.2；6.3.2 LEO B 的切换认证模块根据TF A 上的身份标识ID A 检索与其对应的认证安全参数k s ，并使用k s 和m t2 计算卫星切换哈希认证值 如果 与从报文TF A 上提取出的H 1 (k s ||m t2 )值相等，则通过认证，转步骤6.3.3；否则LEO B 认定TE A 是非法的，拒绝为TE A 提供服务,转步骤6.2；6.3.3 LEO B 的切换认证模块生成卫星快速认证报文LF B 并计算会话密钥 方法是：6.3.3.1 LEO B 的切换认证模块从 中随机选择一个整数作为卫星切换认证参数k l2 ， 并计算卫星切换认证消息明文m l2 ，m l2 ＝k l2 P；6.3.3.2 LEO B 的切换认证模块生成卫星快速认证报文LF B ,LF B ＝m l2 ||tt LEO ′||H 1 (k s ||m l2 )，LF B 是由m l2 、tt LEO ′、H 1 (k s ||m l2 )三个01二进制序列码按顺序拼接而成的01二进制序列码，tt LEO ′是LF B 的时间戳，表示LEO B 当前的时间；H 1 (k s ||m l2 )是指将k s ,m l2 拼接而成的01二进制序列码作为哈希函数H 1 的输入，经运算得到的01二进制序列，并将LF B 发送给TE A 的切换认证模块；6.3.3.3 LEO B 的切换认证模块计算会话密钥 该式的意思是指将tt A ,tt LEO ′,k l2 ×m t2 ,k s 四个01二进制序列码按顺序拼接起来组成一个01二进制序列码，并将这个01二进制序列码作为哈希函数H 1 的输入；在LEO B 与TE A 的切换认证结束后，LEO B 与TE A 使用对称加密算法进行安全通信，对称加密算法中使用的会话密钥是 6.4 TE A 的切换认证模块对LEO B 进行认证并计算会话密钥，方法为：6.4.1 TE A 的切换认证模块从LEO B 的切换认证模块接收LF B ，检查LF B 上的时间戳tt LEO ′与TE A 的时间的差值ttt是否在第五时间阈值T 5 内，如果ttt≤T 5 ，转步骤6.4.2；如果ttt>T 5 ，则TE A 认定LEO B 是非法的，TE A 拒绝接入天基网络，转步骤6.3.3；6.4.2 TE A 的切换认证模块根据本地存储的认证安全参数k s 和报文LF B 上的m l2 计算地面终端哈希认证值h A ′＝H 1 (k s ||m l2 )，如果计算得到的h A ′与从报文LF B 提取出来的H 1 (k s ||m l2 )值相等则通过认证，转步骤6.4.3；否则TE A 认定LEO B 是非法的，TE A 拒绝接入天基网络，停止与LEO B 的通信，转步骤6.3.3；6.4.3 TE A 计算会话密钥K A ＝H 1 (tt A ||tt LEO ′||k t2 ×m l2 ||k s )；在LEO B 与TE A 的切换认证结束后，LEO B 与TE A 使用对称加密算法进行安全通信，K A 就是对称加密算法中使用的会话密钥；第七步，结束。 2.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于第一步所述安全的环境下指通信双方采用安全套接字协议建立安全会话连接。 3.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于3.2步所述私钥计算模块计算与ID A 对应的私钥sk A 的计算方法采用带有消息恢复功能的身份基签名方案里的私钥生成算法，具体步骤为：3.2.1私钥计算模块从 中随机选择任意一个数随机选择任意一个数作为地面终端注册随机数，记为r A ， 3.2.2私钥计算模块计算私钥sk A ，sk A ＝(R A ,v A )，R A ＝r A P,v A ＝r A +c A x mod p，其中c A ＝H 1 (ID A ,R A )，R A 是地面终端私钥前部，c A 是地面终端私钥哈希中间值，v A 是地面终端私钥后部，x是主密钥。 4.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于3.6步所述私钥计算模块计算与 对应的私钥 采用带有消息恢复功能的身份基签名方案里的私钥生成算法，具体步骤为：3.6.1私钥计算模块从 中随机选择任意一个数作为卫星注册随机数，记为 3.6.2私钥计算模块计算 对应的私钥 其中 是卫星私钥前部， 是卫星私钥哈希中间值， 是卫星私钥后部。 5.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于所述第一时间阈值T 1 根据系统需求设置，当要求系统消耗通信资源少且广播周期长时T 1 设置为200秒；当要求系统高效运行且广播周期短时将T 1 设置为50秒。 6.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于所述第二时间阈值T 2 、第三时间阈值T 3 、第四时间阈值T 4 和第五时间阈值T 5 均根据系统实际情况去设置，要求T 2 不大于消息从卫星传输到地面终端的时间，T 3 不大于消息从地面终端传输到卫星的时间，T 4 和T 5 不大于消息从地面终端传输到卫星的时间。 7.如权利要求6所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于所述第二时间阈值T 2 、第三时间阈值T 3 、第四时间阈值T 4 和第五时间阈值T 5 设置为1秒-10秒。 8.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于4.2.5.2步所述TE A 的认证计算模块生成对明文m A 的签名加密消息σ(m A )的方法为：4.2.5.2.1 TE A 的认证计算模块从 中随机选择一个整数作为地面终端签名随机数t A ， 4.2.5.2.2 TE A 的认证计算模块将m A 划分成两个部分m A1 和m A2 ，其中m A2 的序列码长度为k 2 ，即m A2 的位数为k 2 ；4.2.5.2.3 TE A 的认证计算模块计算地面终端验证消息签名中间量m′ A ， 计算地面终端签名消息椭圆曲线分量y A , (t A P) X 表示椭圆曲线E上的点t A P的X轴上的坐标；计算地面终端签名消息哈希中间值h A ,h A ＝H 2 (ID A ,R A ,y A )，h A ＝H 2 (ID A ,R A ,y A )表示将ID A ,R A ,y A 拼接成一个二进制序列，然后将此二进制序列作为函数H 2 的输入，计算此二进制序列的哈希值，R A 是地面终端私钥前部；计算地面终端签名消息尾元z A ，z A ＝t A +h A v A mod p，v A 是地面终端私钥后部；4.2.5.2.4将m A1 ,R A ,y A ,z A 生成对明文m A 的签名加密消息σ(m A )，σ(m A )是m A1 ,R A ,y A ,z A 组成的四元组，σ(m A )＝(m A1 ,R A ,y A ,z A )；其中m A1 ,R A ,y A ,z A 均为01二进制序列码，σ(m A )是按照m A1 ,R A ,y A ,z A 顺序排列的01二进制序列码。 9.如权利要求1所述的一种面向天基网络的身份基认证方法，其特征在于4.4.2步所述LEO A 的验证模块对T A 中的σ(m A )进行验证的方法是：4.4.2.1 LEO A 的验证模块依次计算地面终端签名消息哈希中间值h A ＝H 2 (ID A ||R A ||y A )，地面终端私钥哈希中间值c A ＝H 1 (ID A ||R A )，地面终端验证消息签名中间量 和地面终端验证消息明文后部 表示m′ A 的最右边k 2 位01二进制序列码， 表示m′ A 最左边的k 1 位01二进制序列码；4.4.2.2若 则验证通过，否则验证失败。