基于區塊鏈的星間通信網絡安全加密控制系統設計

馬 煜

(陜西中醫藥大學 信息化建設管理處，陜西 咸陽 712046)

0 引言

衛星通信網是星間通信的無線電通信方式，以衛星作為通信中轉站，在通信測控中心的管理與協調下完成長距離的通信。這種通信方式不受距離的影響，促進了軍事和科學研究領域的發展，與此同時，對星間通信網絡安全加密系統的研究顯得尤為重要[1-3]。

TRW公司曾針對寬帶衛星網絡的安全通信狀態應用地面分布式操作系統作為星間通信網絡安全的加密系統，此系統主要是通過應用地面的衛星操控中心對廣域網進行互聯控制，在地面的每一個操控中心都設有一個衛星管理中心，主要負責與衛星載荷和中心終端相關聯，對整個衛星的網絡安全進行監察，可以隨時調控星間通信網絡中的信息發布、控制與狀態監控，此系統雖然能夠較全面地監察網絡安全，但是此系統的安全加密深度不夠；美國還開發了ATM-Sat項目，該項目最初應用于互聯網網絡管理與對星座網絡系統的安全管理，使用500顆低軌衛星構造安全通信網絡，對不同的衛星管理安全信息庫并擴展，實現了星間通信網絡網絡安全加密系統的建設，此系統能夠與地面的公共網絡連接，再通過相應的適配器對通信兩端的用戶信息、位置信息、資源信息進行管理，由于適配器條件的要求過高、地面公共網絡的環境復雜等因素的干擾，導致此系統存在信道的誤碼率過高的缺陷[4-7]。

為了解決傳統系統中存在的問題，本文將基于區塊鏈技術對星間通信網絡安全加密系統進行設計，硬件模塊設計了地面用戶之間的鏈路關系及衛星網絡鏈路，實現高階層衛星通過無線電鏈路或光纖鏈路對下一階層的衛星覆蓋。軟件部分引入區塊鏈分布式數字化身份加密技術，通過非對稱密鑰實現星間通信網絡安全加密，并通過實驗驗證了系統的有效性。

1 星間通信網絡安全加密系統硬件設計

研究采用低軌衛星作為區塊鏈技術的載體，采用LEO衛星作為星間通信的主體衛星，此衛星的全球覆蓋性飛行時間大約為20分鐘，建立15個LEO衛星結構網絡對地面的實時信息進行采集，LEO衛星網絡的信息接收發送延遲可以達到15～18 ms，地面的手機用戶可以選擇性地連接LEO衛星結構網絡中的任意衛星作為通信載體。LEO單體衛星可以切換信號發射波束，考慮到多普勒效應，LEO單體衛星的波束切換頻率一般控制在2～4分鐘一次[8]。

如表1～2所示為LEO衛星結構網絡的構成部分。

表1 LEOone～three衛星結構網絡的構成部分

表2 LEO Four ～ Six衛星結構網絡的構成部分

由于LEO衛星需要大量的網絡結構才可以實現對全球的通信網絡全覆蓋，為此本文在LEO衛星的網絡結構體系中加入MDO型號衛星，可以全面覆蓋全球的通信網絡，在空間站中的運行探測角度可以達到90°，衛星的波束切換頻率相對于LEO衛星更加頻繁[9-10]。

本文還對衛星星座進行了設計，本文設計的衛星星座體系是按照圓形規則而設計的全覆蓋式衛星集合，相對于衛星單體對星間通信網絡安全的加密更加全面，如圖1所示為本文設計的衛星星座軌道圖。

圖1 本文設計的衛星星座軌道圖

星座軌道的傾角角度最高可以接近90°，在軌道兩側的衛星所運行的衛星數量相同。衛星星座的通信信息傳達主要通過衛星網絡來進行信號的接收與傳送，衛星網絡的設計結構比較簡單，功能大多具有單一性，在進行長距離的信號星間通信內容傳達的過程中所消耗的鏈路較大，因此本文在衛星網絡的基礎上引入了區塊鏈技術，在區塊鏈的基礎上實現了對衛星網絡的編程，指出區塊鏈在衛星腳本中開發更多的應用服務系統，與用戶之間構建功能修復性優化功能；區塊鏈技術還實現了衛星網絡的通信路徑可追溯性，改變衛星網絡中的鏈式區塊結構內的儲存內容，在數據層次上增加了衛星網絡的時間維度，進而減少了星間通信的鏈路損耗。

衛星的網絡通信在衛星網絡中受到衛星型號、發射時間、運行軌道等多重因素的影響，為了能夠更優質地發揮不同型號衛星的網絡機制與性能，本文設計的衛星網絡的結構布置如圖2所示。

圖2 衛星網絡的結構布置圖

對于星間鏈路的設計本文系統主要采用衛星間的無線電或光纖鏈路，每一個層次的衛星都需要一套鏈路負責通信信息的接收與傳遞，在任何時間內鏈路與鏈路之間都能夠保持關聯，同時也能夠關聯兩個衛星網絡結構層次[11-13]。

軌道之間的鏈路同樣是采用衛星間的無線電或光纖作為信息傳播介質，每一個低軌道的衛星與高軌道的衛星進行通信的過程中，高階層的衛星會通過無線電鏈路或光纖鏈路對下一階層的衛星覆蓋。地面上的用戶與用戶之間同樣存在鏈路關系，用戶與用戶之間主要傳達數據信息，因此用戶之間的鏈路關系主要為上行鏈路與下行鏈路，用戶的下行鏈路主要負責關聯地球的發送信號和衛星的發送信號，而上行線路主要負責關聯衛星的接收信號與地球的接收信號，在同一個用戶名下可以同時存在與多個鏈路發生關聯的狀態。如圖3所示為本文系統中的衛星網絡鏈路設計圖。

圖3 本文系統中的衛星網絡鏈路設計圖

為了能夠更加精準地實現區塊鏈在星間通信網絡安全加密系統中的作用，本文分別對通信內容分析、雷達分析、通信覆蓋程度分析、精準定位分析等，通過分析數據的計算結果判斷星間通信網絡安全的加密狀態。

2 基于區塊鏈技術的星間通信網絡安全加密系統軟件設計

區塊鏈作為新興的信息安全的核心技術之一，對于星間通信網絡安全加密的身份認證鑒別是非常重要的系統組成部分，依據目前的科學手段，對星間通信網絡安全加密的用戶行進身份認證可以根據用戶的生物特征以及身份證明來完成，此類認證方式為數字類區塊鏈認證方式，傳統的地面分布式操作系統對用戶的通信信息集中式分布在網絡環境中，面臨著巨大的可信度問題，黑客可以通過攻擊整個安全系統的用戶可信度便可以獲取用戶的通信信息，為用戶的身份認證帶來巨大的安全隱患，黑客甚至可以偽造虛假的身份信息完成對用戶通信網絡環境的實時監控[14-15]。本文應用區塊鏈分布式數字化身份加密技術，用戶可以隨時通過加密證書查詢加密過程以及內容，區塊鏈的數據查詢模式主要發布在公鑰掌握的數據庫中，通過非對稱加密算法，能夠實現加密證書的注冊、更新、加密狀態等一系列的操作信息，保證區塊鏈中的數據具有不可更改性。非對稱加密算法能夠對歷史數據的儲存空間進行全封閉管理，用戶的加密過程不需要對全區塊鏈內容下載即可完成加密查詢與校驗。區塊鏈中的數據查詢記錄是對所有的用戶都公開的，所以區塊鏈技術的數據查詢不能夠較好地應用在公共互聯網中。如圖4所示為用戶使用密鑰對公鑰的加密保護結構圖。

圖4 用戶使用密鑰對公鑰的加密保護結構圖

區塊鏈在衛星之間的體現主要在軌道鏈路中，衛星的軌道高度不同與覆蓋區域不同等因素都會對區塊鏈的安全加密技術產生干擾，由于星間通信網絡的鏈路并非持續暢通的，當衛星的覆蓋范圍主要位于偏遠極地區域，軌道間的區塊鏈連接線路將會選擇性關閉，為此本文將以區塊鏈作為星間通信網絡結構的鏈路主體，建立衛星網絡的拓撲結構圖如圖5所示。

圖5 衛星網絡的拓撲結構圖

(1)

(2)

衛星節點內的身份驗證安全協議的初始化工作主要是最初的給定參數作為安全數值，區塊鏈內的安全數據與衛星節點的安全數據分別定義為G1、G2，數據之間的鏈路呈現雙線性映射關系，映射公式定義為：

G1×G1→G2

(3)

衛星節點的安全參數初始化完成后，所有的網絡公鑰均可以重新輸入程序改變成私鑰，分別對應不同客戶的星間通信網絡安全加密任務。

完成星間通信網絡安全加密系統的最后步驟為發送路由請求，經過衛星間的路由向通信節點發送安全協議，減少區塊鏈在路由中的數據資源浪費，按照相關協議對衛星網絡節點中的鏈路進行安全識別，使區塊鏈中的數據相互約束，更深層次地完成加密系統，實現基于區塊鏈的星間通信網絡安全加密控制系統設計。

3 實驗研究

3.1 實驗環境與方法

為了驗證本文系統的有效性，引用傳統的地面分布式操作系統及ATM-Sat項目作為實驗對比方法，制定了3種系統的對比實驗。傳統的地面分布式操作系統主要對地面用戶的通信網絡進行連接加密工作，通過互聯網模式完成對通信網絡安全的加密工作，雖然具有覆蓋面積廣的優點，但是此系統的星間通信網絡安全加密技術實現的安全性能深度不夠；ATM-Sat項目為了實現星間通信網絡安全加密技術，對互聯網中的通信網絡安全管理數據庫進行擴充，過度地依賴設備，面對星間通信鏈路的關聯，存在著信道誤碼率高的問題。

如圖6所示為本實驗的環境圖。

圖6 本實驗的環境圖

3.2 實驗結果與討論

實驗主要是通過拓撲衛星間的網絡監管中心與衛星鏈路的關聯實現的。衛星首先向衛星監管中心發送安全報文，通信鏈路根據報文中的相關安全內容進行密鑰拓撲，鏈路中的數據周期性地向用戶的連接網絡發送最新拓撲信息，方便用戶對自身的星間網絡安全加密操作數據查詢，根據網絡空間站的特點，通信鏈路中的眾多因素會干擾通信鏈路的數據通斷與傳送，引用區塊鏈對鏈路實現數據的公共管理，不斷拓撲新型結構的密鑰。在衛星節點處，由于鏈路的復雜性導致通信通道的誤碼率較高，甚至丟失安全通信包，因此對3種方法的加密深度程度進行對比，對比結果如圖7所示。

圖7 3種方法的加密深度對比結果

根據圖中的結果可知，本文所研究的系統對星間通信網絡安全加密技術有著更深層次的加密技術。利用區塊鏈技術對通信網絡中的鏈路通道數據完成全方位覆蓋，能夠基于區塊鏈技術利用路由對通信安全數據發送相關協議，區塊鏈技術與通信鏈路之間呈映射關系，能夠與鏈路中的數據結構互相結合，避免因誤碼率因素導致的加密誤差；而地面分布式操作系統與ATM-Sat項目只單項地對地面的通信網絡實現了安全加密，導致加密程度較弱。本實驗還對3種系統的信道誤碼率進行對比，結果如圖8所示。

圖8 3種系統的信道誤碼率對比結果

由圖可知本文系統的信道誤碼率較小，這是由于本文采用區塊鏈技術與通信鏈路之間形成映射關系，在衛星節點的安全參數內容上做出了程序性的可更改操作，為信道的環境做出了改善，本文系統還利用路由實現了安全數據與區塊鏈數據的相互約束，滿足了安全加密的數據協調性；而地面分布式操作系統與ATM-Sat項目的信道誤碼率基本采用硬件設備的自主去除，效果不明顯且容易造成數據包的丟失。

4 結束語

通信技術的進一步發展與人們對通信的依賴程度提升有很大關系，在互聯網的大背景下人們的通信安全性能得到了重視，通信之間的信息泄露、通信信息的被監聽都成為了威脅通信安全的手段，為了改善人們的通信安全環境，本文研究基于區塊鏈技術的星間通信網絡安全加密系統，引用區塊鏈技術加強通信網絡環境的安全性，改善了傳統方法中星間通信網絡安全加密系統加密深度低的問題，實驗結果表明，所設計系統的信道誤碼率低，加密深度較強，為通信網絡安全環境奠定了發展基礎。