星地融合网络身份认证技术综述

王晨宇; 刘萱; 陶小峰; 王胜烽

doi:10.20172/j.issn.2097-3136.250401

网络空间安全科学学报 >

2025 , Vol. 3 >Issue 4: 2 - 15

DOI: https://doi.org/10.20172/j.issn.2097-3136.250401

“智能身份认证”专题

星地融合网络身份认证技术综述

王晨宇 ^,¹^,²^,* ,
刘萱 ¹ ,
陶小峰 ¹ ,
王胜烽 ³

展开

1. 北京邮电大学网络空间安全学院，北京 100876
2. 数据与智能系统安全教育部重点实验室（南开大学），天津 300071
3. 上海市卫星互联网重点实验室，上海 201210

通信作者E-mail：wangchenyu@bupt.edu.cn

网络出版日期: 2026-01-04

基金资助

北京市自然科学基金面上项目（4252009)；中央高校基本科研业务费专项资金（2023RC69）

版权

收起

Satellite-terrestrial integrated network identity authentication technology：A survey

WANG Chenyu ^,¹^,²^,* ,
LIU Xuan ¹ ,
TAO Xiaofeng ¹ ,
WANG Shengfeng ³

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1. School of Cyberspace Security, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
2. Key Laboratory of Data and Intelligent System Security, Ministry of Education, Tianjin 300071, China
3. Shanghai Key Laboratory of Satellite Network, Shanghai 201210, China

Online published: 2026-01-04

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摘要

星地融合网络是融合卫星通信与地面通信的下一代信息基础设施，其开放性、动态性与异构性在显著增强通信能力的同时，也带来了更为严峻的身份认证挑战。面向固定拓扑结构的传统认证机制难以适应星地融合环境下异构节点、高速动态切换及复杂时空状态带来的认证需求。针对星地融合网络中常见的攻击威胁，首先探讨了星间组网和星地接入认证的挑战。然后，系统综述了星地融合网络身份认证的关键技术路径，重点分析了物理层认证技术、密码学认证技术、融合认证技术以及智能辅助认证技术的研究现状。最后，深入探讨了当前星地融合网络身份认证技术的不同实现方式，并进行了综合对比，提出了多元协同认证机制未来的研究方向，为推动星地融合网络的安全可信通信提供了理论支持与技术参考。

关键词： 星地融合网络; 身份认证; 多元协同认证

本文引用格式

王晨宇 , 刘萱 , 陶小峰 , 王胜烽 . 星地融合网络身份认证技术综述[J]. 网络空间安全科学学报, 2025 , 3(4) : 2 -15 . DOI: 10.20172/j.issn.2097-3136.250401

Abstract

The satellite-terrestrial integrated network is the next-generation information infrastructure that integrates satellite communications and ground communications. Its openness, dynamism and heterogeneity significantly enhance communication capabilities but also bring more severe challenges to identity authentication. Traditional authentication mechanisms for fixed topology structures are difficult to adapt to the authentication requirements brought by heterogeneous nodes, high-speed dynamic switching and complex spatiotemporal states in the satellite-ground fusion environment. Aiming at the common attack threats in the satellite-ground fusion network, the challenges of inter-satellite networking and satellite-ground access authentication were discussed firstly. Then, the key technical paths of the identity authentication in the satellite-ground fusion network were systematically reviewed, focusing on the current research status of physical layer authentication technology, cryptographic authentication technology, fusion authentication technology and intelligent assisted authentication technology. Finally, the different implementation methods of current satellite-ground integrated network identity authentication technology were summarized in depth, and future research directions, including multi-factor collaborative authentication mechanism, were proposed to provide theoretical support and technical reference for promoting secure and trusted communications in the satellite-ground fusion network.

Key words： satellite-terrestrial integrated network; identity authentication; multi-factor collaborative authentication

0 引言

星地融合网络（Satellite-Terrestrial Integrated Networks，STIN）是卫星通信网络与地面移动通信网络的融合，能够充分发挥卫星通信的覆盖优势和地面移动通信的容量优势，实现了跨越空间、地面、空中的全覆盖通信，使移动通信从传统的地面网络拓展成全域立体网络，提供更广泛、可靠、低延迟的网络服务，尤其适用于广域、偏远地区及特殊应用场景。随着信息技术的不断发展，信息服务的空间范畴不断扩大，建立了全球范围内高效可靠的信息传输网络，可以满足全时全域全空通信和互联的需求，已成为全球各国新的战略布局焦点^[1]。随着星地融合网络军用价值和商业价值的不断提升，全球各国愈发重视天地融合网络的战略地位及产业建设。我国“十三五”规划将“星地融合网络”项目作为一项重大工程列入了“科技创新2030重大项目”^[2]，“十四五”规划和“2030愿景”进一步强调，加快建设“高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施”^[3]。星地融合网络是我国战略性公共基础设施，构建高速、互联、可靠的空天一体化通信网络是未来通信网络发展的必然趋势，也是实现国家“网络强国”“航天强国”等重大发展战略的基础。

近年来，随着以美国StarLink计划为代表的低轨卫星星座技术的逐渐成熟，卫星网络的重要性逐渐凸显。卫星网络是星地融合网络的重要组成部分，可以作为地面网络的补充，来增强星地融合网络的移动性和可靠性。然而，卫星网络相比于地面网络，组网网络覆盖范围更大，拓扑结构变化更加频繁，无线信道高度暴露，传输链路更加脆弱。这使得卫星网络很容易成为天地一体化网络的薄弱点而被攻破，在通信中遭受假冒攻击、重放攻击、消息篡改攻击或窃听攻击等，给地面设施带来巨大的安全问题。要建设卫星网络、地面网络、高铁船舶等多种网络互联互通的星地融合网络，需要建立多层次、可重构的统一管理的安全防护体系，其中实现终端以及各星座节点之间的可信互联，是保障网络系统安全部署的核心要素，也是确保星地融合网络安全的关键需求之一^[4-5]。

然而，现有的接入认证方案仅考虑了单一场景下终端或节点的接入认证，难以适用于结构复杂、网络异构动态、间歇连通、节点高度暴露的星地融合网络^[6]。尽管现有接入认证机制在地面网络中已趋于完善，但其设计局限性使其难以适应星地融合网络中的高动态异构环境。传统方案基于静态拓扑结构的设计假设，这与低轨（Low Earth Orbit，LEO）卫星高速运动引发的频繁切换形成了显著冲突。冗长的多步认证流程导致切换时延经常超过卫星可见窗口，显著提升了接入失败率。更为关键的是，现有的接入认证机制依赖连续双向交互认证，无法与星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）的间歇连通性兼容。在协同组网中，地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星（又称高轨卫星）的长传播时延与LEO卫星的短连接窗口叠加，常常使得认证流程因链路中断而失效，严重破坏了业务的连续性。此外，复杂的非对称加密运算和高频信令交互产生的巨额开销，已经远远超出了星载平台的承载限制。这种由静态架构假设、连续交互依赖与高开销设计所引发的矛盾，最终与拓扑的高动态性、链路的间歇性以及资源的严密限制形成结构性冲突，导致现有认证方案无法满足星地融合场景下海量终端安全接入、异构节点安全互联以及无缝快速切换的核心需求。因此，迫切需要构建一种轻量化、低时延的认证新范式。

本文的主要贡献包括：

（1）面向星地融合网络架构中存在的安全威胁，讨论了高动态、异构环境下星间组网与星地认证机制的挑战，深入分析了当前星地融合网络中身份认证技术的瓶颈。

（2）系统地综述了星地融合网络身份认证技术的关键技术路径，重点分析了物理层辅助认证、基于密码学的轻量级认证以及基于智能模型辅助认证的研究现状。

（3）深入探讨了当前星地融合网络身份认证技术的不同实现方式，并进行了综合对比，融合人工智能（Artificial Intelligence，AI）的智能信任建模等多元协同认证机制，并结合未来的技术发展趋势，展望了多元协同认证机制的前景，为未来的研究和技术实践提供了指导和建议。

本文组织结构如下：第1节聚焦星地融合网络的问题与挑战；第2节分析了星地融合网络的研究现状；第3节总结了星地融合网络的安全现状与未来研究方向；第4节为结束语。

1 星地融合网络的问题与挑战

1.1 星地融合网络架构

星地融合网络架构通常包括空间段、地面段和用户段3个主要部分，如图1所示。空间段是星地融合网络的核心部分，主要由卫星星座组成，承担着从太空到地面的数据传输任务。空间段的设计要满足全覆盖的要求，即能够覆盖全球任何地方。根据卫星运行轨道距离地球表面的高度，通常可以将卫星分为GEO卫星、中轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星和LEO卫星。根据角色的不同，卫星又分为透明转发卫星、星上处理卫星等。地面段是由地面站、控制站等设施构成，负责与卫星进行通信，提供网络接入和管理服务，在星地融合网络中起着桥梁作用，连接空间段和用户段，确保数据的流畅传输和通信的稳定性。用户段是卫星互联网服务的最终接收者，包括各种用户终端和支持设施。这些设施通过卫星与地面网络的连接，扩展了卫星互联网服务的覆盖范围，满足不同应用场景的需求。

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图 1 星地融合网络架构

Fig.1 Satellite-terrestrial integrated network architecture

1.2 星地融合网络的安全威胁

星地融合网络架构中的星间链路（卫星与卫星之间）、星地链路（Satellite-to-Earth Link，SEL，卫星与地面终端之间）都是无线传输。星地链路通过星载天线以超高频电磁波建联，星间链路通常依赖激光或微波通信方式实现，并根据任务类型、轨道位置和系统设计进行选择。星地融合网络安全威胁主要分为两种：主动威胁与被动威胁。主动威胁包括重放攻击、分布式拒绝服务（Distributed Denial of Service，DDoS）攻击、伪造攻击、未知密钥共享攻击、中间人攻击、设备物理捕获攻击以及干扰攻击等，被动威胁包括窃听攻击、欺骗攻击以及量子攻击等。这两种威胁均可以出现在卫星通信的空间段、地面段以及空间传输链路等处，如图2所示。星地融合网络的安全威胁主要体现在星间链路与星地链路两个方面。

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图 2 星地融合网络安全威胁

Fig.2 Security threats for satellite-terrestrial integrated networks

1.2.1 星间链路的安全挑战

星地融合网络中卫星间安全组网是保障用户安全接入卫星网络、获得可靠网络服务的第一步，然而，现有卫星组网认证机制大多是地面网络认证机制的迁移，且严重依赖地面站，存在通信开销大、与地面交互频繁等缺陷，无法适应动态变化的空天地一体化融合网络环境。星间链路的安全挑战主要体现在以下几个方面：

（1）轨道可预测性带来的攻击可行性

卫星的运行轨道固定且参数公开，导致卫星的相对位置、通信时隙、多普勒频移和路径损耗具有高度的可预测性^[7]。攻击者可以提前规划攻击行为，具有较强的攻击时效性与针对性。星间链路由于受轨道周期影响，存在建立与断开周期，攻击者可以借助轨迹信息识别通信的强弱，选择在链路最弱或刚建立时实施干扰，提高攻击成功率。利用轨道和信号特征的可预测性，恶意终端可以伪装成合法的LEO卫星，通过仿真信号欺骗接收端，实现身份伪装、数据注入等欺骗攻击^[8]。

（2）链路资源易被干扰与窃听

星间链路通信发生在空旷、无遮挡的自由空间中，缺乏类似地面网络中建筑物形成的物理保护区域，更容易受到恶意设备干扰、监听或注入攻击，攻击者可以轻易进入通信范围^[9]。由于星间信道中缺乏足够的多路径散射和快速时变性，物理层认证机制（如密钥生成、干扰对齐、信道扰动）难以有效应用，相比地面网络，星间链路更难利用信道的不确定性来增强保密性。

（3）机载资源受限制约加密能力

LEO卫星的机载计算资源和电池容量有限，并且受尺寸、重量与功耗约束，直接限制了在卫星端部署计算复杂度高的传统加密算法的可行性，导致星间通信必须在算法强度与执行效率之间权衡^[10]。星间链路网络由大量卫星节点组成，密钥分发、更新与撤销须在星座内跨链路实时协同，会带来显著的通信与计算负载。密钥生命周期管理的可靠性、低延迟与高可扩展性在大型星座组网的条件下也难以保障。并且LEO卫星高速运动、链路动态变化频繁，使得密钥协商与重协商过程易受链路中断、时延漂移等因素影响，增加了密钥失步和会话中断的风险，威胁链路的完整性与保密性。

因此，星地融合网络中的星间组网认证机制须适用于星载环境的轻量级加密算法、强身份验证机制、分布式密钥管理机制、容错性强的安全协议栈，以增强整体安全防护能力。

1.2.2 星地链路的安全挑战

星地融合网络融合了卫星网络、地面网络等多制式异构网络，各个网络的联通性能、协议、节点资源差异大，且星地链路通信时延长，星地融合网络通信链路容易不稳定。一方面，现有单一认证方案存在交互信令过多、通信开销大等问题，可能会因接入或切换认证过程耗时较长导致会话失效，难以满足高动态环境下的认证需求。另一方面，卫星网络组网为地面终端提供多样化服务的同时，也成为攻击者重点攻击的目标。为了防止未经授权的服务访问，可靠的身份验证对于星地融合网络至关重要。因为敏感的个人信息和服务数据是通过卫星地面链路传输的，所以在星地融合网络中需要匿名认证来解决对个人数据的潜在滥用的担忧。星地链路的安全挑战主要体现在以下几个方面：

（1）延迟环境下的认证时效性

由于LEO卫星在500~2 000 km的高度范围内围绕地球运行，所以其星地传播延迟通常在10~40 ms之间。尽管相比GEO卫星其延迟较低，但在认证过程中仍可能导致认证流程响应时长过大。部分解决方案尝试赋予LEO卫星自主认证能力，以减少对地面中心的依赖，但这通常要求卫星执行复杂的密码学操作，加重了星载设备的计算负担。

（2）认证服务的星间切换复杂性

每颗LEO卫星在高达7.5 km/s的速度下运行，仅能为用户提供5~15 min的通信服务窗口^[11]。为保障会话的连续性，认证过程必须支持多颗LEO卫星之间的高效、安全认证迁移。同时，需要解决认证状态的无缝同步、用户身份匿名性的保持以及不增加延迟和攻击面的问题。

（3）匿名性被利用发起DDoS攻击

匿名认证机制固有的不可追溯性使得攻击者可以隐藏身份，从而发起难以定位的分DDos攻击^[12]。恶意用户可能将匿名凭证转发给未授权个体，从而绕过访问控制，造成资源滥用与服务泄露。一个显著的例子是2022年2月针对美国著名卫星宽带服务提供商Viasat的大规模DDoS攻击。这次攻击导致卫星宽带服务中断，欧洲成千上万的用户受到影响^[13]。在星地融合网络中执行匿名认证的用户可以利用他们的匿名性来执行DDoS攻击。

因此，星地融合网络中的星地身份认证机制必须在隐私保护、认证时效性、资源效率与攻击防御能力之间实现动态平衡。

2 研究现状分析

本节针对星地融合网络的问题与挑战，聚焦星地融合网络身份认证技术的研究现状，分别从基础认证技术、融合认证技术以及智能辅助认证技术三个维度展开分析。

2.1 基础认证技术

基础认证技术是卫星身份认证体系的起点，主要包括基于物理层的认证技术与基于密码学的认证技术两大方向。基于物理层的认证技术通过利用射频指纹、信道响应等难以仿制的物理特征实现设备识别，而基于密码学的认证技术则依赖密钥管理和加密协议实现安全控制。

2.1.1 基于物理层的认证技术

物理层认证是通过利用无线信道的物理特性进行认证的一种方法。在星地融合网络中，卫星与地面站之间、卫星与卫星之间的信道存在高度时变性，利用信道的特性（如信道频率、时延、信号强度等）进行身份验证，能够有效防止传统认证方法中可能出现的伪造和重放攻击。近年来，基于射频指纹识别等物理层安全技术的身份认证方法逐渐受到关注。这些技术通过捕捉设备在传输过程中的独特物理特性，可以有效提高网络的安全性。

射频指纹源自发射机硬件电路的容差或缺陷。尽管电路设计和制造技术不断进步，但在发射机硬件材料制备与工艺制造的过程中仍会引入误差，导致不同生产批次甚至同一生产批次的器件参数有着细微差别。这些细微的硬件电路缺陷能够满足正常通信标准的规范，可以利用这些特定的发射机缺陷对设备进行独特的表征，以构建设备指纹作为发射机的身份。

Oligeri等^[14]首次将射频指纹认证技术应用于通信卫星星座，采用通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）采集来自铱星（Iridium）的信号，并从中提取IQ样本（In-phase and Quadrature samples），实现了对铱星个体的有效识别。随后，Zhu等^[15]在此基础上进行了改进，利用铱星信号IQ星座图的时间与空间特性，在识别精度保持在90%以上的条件下，将认证时间从秒级大幅降低至毫秒级，显著提升了认证效率。

Oligeri等^[14]与Zhu等^[15]提出的技术均基于卫星的射频特征进行身份识别，属于开集识别或分类问题。然而，当接收到伪造的铱星信号时，由于系统会将其错误地强制归类至已有类别，因而难以有效检测和识别欺骗攻击的存在。为此，Smailes等^[16]提出了一种结合自动编码器（Autoencoder）与孪生神经网络（Siamese Network）的射频指纹提取与识别方法，基于开集识别思想对铱星信号的伪造攻击问题进行检测。尽管该方法在一定程度上弥补了原有技术的不足，但在检测性能方面仍存在一定提升空间。

除了射频指纹识别，物理层认证还包括多种方法，如极化指纹认证，这是一种新兴的技术，它从射频信号的极化域中提取特征，来表征设备身份的物理层特征。与射频指纹识别相比，极化指纹具有提高指纹识别率的潜力，以及持续时间长、提取难度低、不依赖调制等优点。此外，频谱特征中的多普勒频移和时延也是物理层认证的重要方面。多普勒频移是由信号源和接收器之间的相对运动导致的频率变化，而时延则涉及信号传播的时间特性。这些特征可以为设备身份认证提供额外的信息，增强系统的安全性。

相比传统密钥机制，物理层认证具有计算开销小、无须预分配密钥、适应动态环境变化等突出优势，特别适合星地融合网络中节点频繁切换、小型卫星资源受限等应用场景。但在面对高安全性要求和大规模组网应用时，单纯依赖物理特征难以抵御复杂攻击，因此，基于密码学的认证技术在卫星通信中发挥了至关重要的补充作用。

2.1.2 基于密码学的认证技术

密码学认证技术已广泛应用于通信网络中，它通过使用密钥和加密算法来验证通信双方的身份。在星地融合网络中，基于密码学的认证技术可以分为基于公钥密码的认证技术、基于对称密码的认证技术和基于量子密钥分配的认证技术。

公钥认证技术利用公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）和数字证书来验证用户终端的身份。在公钥认证机制中，每个合法用户设备拥有一对密钥，分别称为公钥和私钥，其中私钥用于生成数字签名，由用户保管，而公钥则用于验证数字签名，对外公开。在认证过程中，被认证方首先利用私钥生成签名，然后将签名发送给认证方，认证方如果成功验证签名，则证明被认证方持有合法私钥，因此被认证方的身份是合法的。采用公钥认证技术最典型的代表是美国的星链系统。

徐志博等^[17]基于身份的公钥密码体制提出了一种实体身份认证与密钥交换协议，旨在降低由第三方参与所带来的时延，实现离线认证机制。针对卫星资源盗用问题，高婧等^[18]基于ElGamal数字签名机制提出了一种适用于卫星网络节点的安全认证方法，该方法通过密钥分配中心的辅助，认证过程简单、开销较小，有效减轻了无线通信环境对认证过程的干扰。Zhong等^[19]提出了一种基于身份密码学的星地节点间密钥协商协议，结合哈希运算与可计算Diffie-Hellman（Computational Diffie-Hellman，CDH）机制，实现了密钥协商与简化的身份认证。随后，Zhang等^[20]综合考虑了卫星网络环境下的安全需求、信令交互与计算开销等因素，提出了一种基于椭圆曲线密码体制（Elliptic Curve Cryptography，ECC）的卫星节点间端到端身份认证与密钥协商协议，进一步增强了协议的安全性并降低了计算开销。但由于认证过程涉及证书传递，增加了系统复杂度，同时证书的同步与维护也带来了较高的资源消耗。Liu等^[21]提出了一种分组密钥分发与身份验证协议，实现了基于群组的接入点间跨域切换认证，有效降低了再次认证带来的通信与计算开销。尽管上述基于公钥密码体制的方案在安全性方面具有优势，但由于星载资源受限，所以这类方案在卫星网络中仍面临较大的计算和带宽开销压力，增加了整体网络的认证负担。Ren等^[22]提出了一种基于ECC的低轨-地面网络安全认证与密钥管理协议，显著减轻了用户端和服务器端的计算负担，所提出的方案满足完美前向安全性，能够抵御所有已知攻击，并且降低了执行时间和通信成本，在多种工业场景中都具有重要的应用价值。

对称密码体制由于计算复杂度较低，已经受到越来越多国内外学者的关注。Roy等^[23]基于TESLA（Timed Efficient Stream Loss-Tolerant Authentication）机制提出了一种轻量级组网认证协议，将卫星节点作为证书颁发机构，与传统数字签名方案相比，显著降低了节点通信开销。针对LEO卫星网络，张子剑等^[24]提出了一种基于对称加密与单向哈希算法的星间/星地组网认证协议，在计算开销方面表现优异。然而，协议在星间密钥协商过程中完全依赖地面站，导致星地间需要多次信令交互，带来较大的通信和带宽负担。徐畅等^[25]针对GEO卫星网络提出了一种组网认证协议，支持在卫星失效的情况下实现密钥更新。随后，徐畅等^[26]又提出了一种适用于LEO卫星间的轻量级组网认证协议，具备抵抗拒绝服务（Denial of Service，DoS）攻击及大时延环境下重放攻击的能力。针对LEO卫星网络中邻近轨道卫星的组网需求，Xue等^[27]提出了一种基于秘密共享的轻量级群组密钥协议，在群组密钥协商部分，GEO卫星只进行信令转发，不涉及层间卫星会话密钥的协商。曹进等^[28]提出LEO星间认证与密钥协商协议（LEO and LEO Authenticated and Key Agreement，L2L-AKA），通过减少第三方参与提升了卫星组网的灵活性。同时，还提出了适用于双层卫星层间组网的认证协议G2L-AKA（GEO and LEO Authenticated and Key Agreement），通过预计算认证材料，无须依赖可信第三方，从而有效提升了认证效率。Yang等^[29]提出了一种安全的空间信息网络通信协议，允许卫星用户在每个时间段内最多向地面站匿名认证k次。考虑到空间信息网络的动态拓扑结构，设计了一种有效的切换机制，以确保卫星用户与不同卫星和地面站进行无缝通信。

量子密钥分发方法的出现消除了基于密钥加密的最大缺点，提供了无条件安全的密钥，可以确保信息理论的安全性^[30]。在卫星通信的背景下，量子密钥分发方法由于两者之间独特的共生关系而变得更有吸引力。也就是说，不仅量子密钥分发能够实现卫星通信的信息理论安全，而且卫星通信系统在实现全球范围的量子密钥分发中也具有重要作用^[31]。

Pirandola^[32]提出了可配置的有限大小密钥速率，具有连续可变量子密钥分发的协议可以实现下行链路和上行链路。量子密钥分发系统对环境因素非常敏感，如由内部和外部因素引起的相位漂移、信道噪声和光子损失。由于天气、卫星移动性和不完善的内部设备，卫星信道在这些因素中具有高度可变性。准确预测和跟踪这些因素对于保持量子密钥分发系统的正确运行至关重要。跟踪相关参数的传统方法在传输前执行扫描，这相当于量子密钥分发设备校准的显著“停机时间”^[33]。Dharminder等^[34]提出了一种用于卫星通信的后量子安全密钥交换和认证协议，旨在抵御基于量子计算的攻击。

2.2 融合认证技术

融合认证技术通过结合物理层难以仿制的特性与密码学严密的逻辑特性，实现对设备身份的双重验证，弥补了单一物理层或密码学认证在星地融合网络中的局限性。融合认证技术不仅能够有效抵御传统攻击，还能够在动态环境下保证认证流程的可靠性。

2020年，Bagheri等^[35]提出了一种基于准循环低密度奇偶校验（Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check，QC-LDPC）格码的联合密码系统。该方法将加密、信道编码和调制有机结合，在保持线性系统复杂度的同时有效降低了误码率，从而在加性高斯白噪声信道中实现安全可靠的通信。2021年，Jeon等^[36]提出了一种使用加密密码和信道编码技术的跨层安全解决方案CFB-AES-TURBO，该方案将密码反馈（Cipher Feedback，CFB）模式与高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）和TURBO码相结合，密码反馈模式在极端空间环境下具备固有的自我恢复特性，可以克服雪崩效应显著的输出变化。结果表明，所提出的CFB-AES-TURBO方案在提升安全性的同时，也改善了误码率性能。2025年，Jeon等^[37]又提出了一个集成物理层和密码学的卫星网络安全框架，解决了功率受限的卫星系统中功耗和安全性能之间的权衡问题。对于窃听风险，Jeon等利用了物理层和密码技术的互补特性。在少量事件存在的情况下，卫星更多地使用基于信息论的无线信道特性的物理层信号；当存在大量事件时，加密信号具有内在的信息保密性和对抗敌对环境的鲁棒性。Jeon等还建立了星上功率分配、波束调度和安全算法选择的联合优化问题，最后证明了即使在窃听风险增加的情况下，安全传输性能也会提高，并通过分析和模拟结果实现了物理层和密码学之间的权衡性能。

2.3 智能辅助认证技术

随着星地融合网络结构的日益复杂化和通信环境的高度动态化，传统静态认证方法逐渐暴露出响应滞后、缺乏灵活调整等问题。智能辅助认证技术的引入为星地融合网络的身份认证带来了新的突破，赋予身份认证过程以自适应优化与主动防御能力。下面将重点分析机器学习辅助认证与量子密钥分发认证两大方向，探讨智能算法在动态环境下提升认证效率与安全性的应用潜力与挑战。

2.3.1 机器学习辅助的物理层认证技术

机器学习技术能够在动态信道变化和复杂噪声环境下，自动提取关键物理层特征并优化认证决策。相较于传统规则驱动的特征工程，机器学习方法具备更强的环境适应性与模式识别能力。基于机器学习的方法的另一个主要优点是，可以实现从会话的身份验证到通信期间的持续保护。

在数据采集与模型训练方面，机器学习方法需要对信道特征进行高频次采集。传统的物理层认证依赖硬编码规则进行攻击检测，而基于机器学习的方法则能自动适应环境变化，优化认证决策过程。在文献[38]和[39]中，Semanjski等提出的基于监督式机器学习的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）欺骗信号检测方法，采用1 Hz采样率对不同频段的代码、相位、多普勒及信号强度进行特征提取，采用支持向量机（Support Vector Machine，SVM）算法实现高达98.5%的检测准确率。这一方法强调了数据采集的准确性与持续性，且机器学习模型的训练能够自适应地应对新的欺骗攻击形式。

在模型训练过程中，面临的主要挑战包括特征选择及模型选择的适配性。在实际应用中，由于不同攻击模式的多样性，模型需要在多个数据集上进行训练。此外，机器学习模型需要加入对抗训练模块，保证模型在面对恶意攻击时的鲁棒性和安全性。Gallardo等^[40]对GNSS中的类似欺骗攻击进行了研究，系统比较了多种机器学习方法的性能，包括基于径向基函数的支持向量机、k-近邻、自适应增强、决策树以及随机森林等。在所设定的攻击场景中，基于决策树的简单分类器优于其他方法，能够在极低虚警率的前提下实现较高的检测准确率。

机器学习辅助的射频指纹是用于认证无线通信设备的另一种有吸引力的方法，该方法利用了每个天线特有的天线制造缺陷，并导致可识别的波形缺陷^[41]。射频指纹识别的一个主要挑战是天线的退化，因为不同的环境因素可能会改变天线指纹^[42]。Qiu等^[43]利用递归神经网络进行LEO卫星天线指纹识别，即使在天线严重退化和损坏的情况下，仍能保持高达99.34%的准确率，并且在长达198天的时间跨度内表现出色。Smailes团队^[16]提出了一种名为SatIQ的卫星指纹识别方案，通过使用高采样率信号训练一个结合自动编码器与孪生网络的指纹识别模型，使模型能够捕捉不同发射机对单个消息信号引入的高频损伤特征，从而实现对卫星个体的识别，并检测是否遭受高采样率攻击者发起的欺骗或重放攻击。SatIQ方案显著提高了攻击者的攻击成本，同时能够构建一个随时间稳定、具备快速适应新发射器能力并能有效抵御欺骗与重放攻击的卫星指纹识别系统。

这些机器学习辅助的物理层认证方法有效防止了欺骗和假冒攻击，大大减少了在更高层次可能发生的攻击数量，使卫星系统更加可靠，并且难以被恶意侵入。

2.3.2 机器学习辅助的量子密钥分发技术

在量子密钥分发日益成为高安全通信的关键支撑的背景下，将机器学习应用于量子认证流程的优化，能够提高密钥生成速率、降低误差率并增强抗攻击能力。机器学习在量子信道建模、异常检测与参数优化中展现出重要价值。本节将探讨当前机器学习在量子认证中的应用案例，评估其对提升卫星量子通信系统安全性的实际效果与面对的挑战。

卫星信号的广泛覆盖和广播性质使其容易被窃听以及将信息泄露给恶意方^[44]。数据安全协议旨在消除将信息泄露给窃听者的可能性。确保数据安全的两种主要方法是物理层安全和更高层的数据加密。物理层安全方法的前提是窃听者的窃听信道比目标接收者的信道差。为此，利用了无线信道的随机性和时变性^[45]。正在开发的新技术利用多用户、多输入、多输出信道来确保窃听者由于受干扰而获得比预期用户更差的信道^[46]。另一方面，更高层的数据加密依赖发送方和接收方共享的密钥来加密数据。较高层数据加密由于具有模块化特性、操作和信道条件的独立性，所以通常优于物理层安全。然而，数据加密技术的最大缺点是，如果窃听者拥有强大的计算能力或相当大的量子计算机^[47]，它们就可能被破坏。

量子信道建模是量子密钥分发技术中的一个核心问题。传统的量子信道模型主要依赖物理层理论，但由于信道的时变性和随机性，这些模型在实际应用中的准确性往往受到限制。通过机器学习能够实时预测量子信道的动态变化，提高信道利用效率，优化密钥传输速率，并保证系统稳定运行。Liu等^[48]采用长短期记忆网络来实时预测相关物理参数，并主动控制量子密钥分发设备，以确保其10天内的稳定运行。在量子误码率和密钥传输速率方面，最终系统的性能与传统的“扫描-传输”方案相当。

在量子密钥分发过程中，异常检测是确保系统安全性和可靠性的关键。量子信道中的噪声和干扰可能会导致密钥传输发生错误，影响通信的保密性。机器学习方法能够通过学习历史数据，检测到异常变化并实时修正。Wang等^[49]针对包括卫星在内的移动平台上的自由空间量子密钥分发问题，提出了一种基于神经网络的方法，用于在可变环境条件下预测量子密钥分发操作的最优参数。该系统在运行过程中计算开销较低，并在硬件平台上进行了验证，包括 Raspberry Pi 3和功耗低于5 W的移动设备。与传统的穷举搜索方法相比，所提出的方法实现了高达2~4个数量级的加速，同时在不同协议下能够提供95%~99%的最优安全密钥生成速率。

参数优化是量子密钥分发中的另一个挑战。量子密钥分发需要调节多个参数，以保证系统的最优运行。传统的手动调节方法效率低下，且容易受到环境变化的影响。机器学习技术尤其是分类算法，如随机森林，能够根据实时环境条件自动优化参数选择，提高系统的整体效率。Ren等^[50]指出，机器学习可用于在特定环境条件下实时选择最优的量子密钥分发协议。该环境特征包括暗计数率、单光子探测器效率、未对准误差率以及传输距离等参数。采用随机森林作为分类器，并与支持向量机、k-近邻以及卷积神经网络等方法进行了性能对比。在所设定的场景中，随机森林在选择最优量子密钥分发协议方面的准确率高达98%。

载波恢复是现代连续变量量子密钥分发系统中的另一个关键任务。Chin等^[51]采用无迹卡尔曼滤波器在20 km光纤链路的噪声中进行载波恢复。实验结果表明，即使在低导频功率下，方案也可以确保非常低的过量噪声。

这些基于机器学习的量子密钥分发系统，不仅提升了量子通信的效率，而且为实现全球范围的安全通信提供了可靠的技术支持。特别是在卫星通信中，由于信道高度可变，机器学习为系统参数跟踪和预测提供了有效的解决方案，提升了量子密钥分发的性能和安全性。最终，成为实现无条件安全卫星通信系统的重要组成部分。

3 总结与展望

随着星地融合网络规模的不断扩大、节点拓扑的高度动态化以及安全威胁手段的持续演变，身份认证作为保障网络信任体系与通信安全的基础性环节，正经历从基础认证到融合认证，再到智能辅助认证的深刻变革。本节主要对现有星地融合网络身份认证技术进行系统的总结，并探索未来的研究方向。

3.1 身份认证技术总结

在星地融合网络中，身份认证是确保网络安全的关键。随着技术的发展，不同的身份认证方法不断涌现。本节基于物理层的认证技术、密码学的认证技术和融合认证技术三个方向，深入探讨了当前星地融合网络身份认证技术的不同实现方式。针对现有认证协议的认证场景、采用的认证技术、解决的技术挑战以及采用的安全分析手段进行了综合对比，如表1所示，其中“—”表示文章中没有提及对应的内容。目前的智能辅助认证技术更关注数据采集、模型训练、在线推断等过程，因此不与上述三个方向的认证技术进行对比。

表 1 星地融合网络身份认证技术对比总结

Table 1 Comparison summary of identity authentication technologies in satellite-terrestrial integrated networks

文献	认证场景	认证技术	技术挑战	安全分析手段
[14]	物理层认证	射频指纹识别	区分发射机电子组件的固有特性和影响通信链路的环境效应	—
[15]	物理层认证	射频指纹识别	—	—
[16]	物理层认证	射频指纹识别	—	在线执行重放攻击评估
[17]	端到端的认证协议	基于IKE协议	协商机制复杂，时间空间开销大	—
[18]	双向认证协议	基于ELGamal数字签名	认证效率低，认证过程复杂	形式化安全证明
[19]	认证和密钥交换协议	基于身份的加密技术	密钥生成和管理困难	形式化安全证明
[20]	端到端的认证协议	基于椭圆曲线密码	认证效率低，认证时间长	非形式化安全分析
[21]	接入和切换认证协议	基于组密钥共享机制	星地传输延迟大	形式化安全证明
[22]	认证和密钥交换协议	基于椭圆曲线密码	认证延迟高，计算开销大	形式化安全证明非形式化安全分析
[23]	群组通信的源认证协议	基于对称密钥证书	接收者可以认证消息的同时，不会大量消耗系统资源	非形式化安全分析
[24]	低轨星座组网认证与群组密钥协商协议	基于群组的密钥协商技术	低轨星座组网，现有的认证协议不够安全	非形式化安全分析
[25]	GEO卫星组网认证协议	基于对称密钥体制	GEO卫星对LEO卫星的可信保持，降低卫星计算压力	—
[26]	低轨星座组网认证与群组密钥协商协议	基于群组的密钥协商技术	单颗卫星被攻击的情况下，其他卫星密钥泄露	—
[27]	轻量级组密钥协商协议与切换认证方案	基于$ ({t},{n}) $秘密共享技术	卫星节点频繁切换，计算开销大	非形式化安全分析 BAN逻辑
[28]	星间和星地组网的实体身份认证协议	基于对称密码体制	星地传输时延较大，链路高度暴露，星上处理能力有限以及星间拓扑结构动态时变	非形式化安全分析 Scyther工具
[29]	周期性k次匿名认证的空间信息网络安全通信协议	基于密钥验证匿名凭证基于知识签名技术	多个LEO之间高效且隐私保护的认证移交	非形式化安全分析
[35]	联合物理层与高层的对称加密协议	基于量子LPDC格技术	在不增加计算成本或硬件复杂性的情况下增强安全性	可证明安全分析
[36]	卫星数据传输安全跨层加密协议	基于CFB-AES-TURBO体制	雪崩效应使得加密技术容易受到无线信道中比特错误的影响	穷举攻击和中间相遇攻击分析
[37-38]	GNSS信号欺骗检测	基于监督的机器学习方法	GNSS开放服务信号容易受到欺骗和欺骗	—

星地融合网络身份认证技术在保障网络安全时，必须满足多种安全性质。这些安全性质包括身份真实性、抗欺骗、抗重放、抗伪造、双向认证性等，能够有效地防止各种潜在的攻击。此外，随着量子计算和新型攻击手段的出现，未来的认证技术需要具备抗量子攻击等前瞻性安全防护能力，以确保这些安全性质的实现，有助于提升星地融合网络在复杂、动态环境下的安全性和可信度。本文总结了部分身份认证技术满足的安全性质，如表2所示，并给出了安全性质的定义。

表 2 星地融合网络身份认证技术满足的安全性质

Table 2 Security properties fulfilled by identity authentication technologies in satellite-terrestrial integrated networks

攻击类型	抗欺骗攻击	抗消息重放攻击	防止抵赖	抗伪造攻击	抗仿冒攻击	抗未知密钥共享攻击	前向安全性/后向安全	双向认证性	用户匿名性和不可链接性	抗DDos攻击	抗窃听攻击	抗中间人攻击	抗设备物理捕获攻击	抗量子攻击	抗差分攻击等线性攻击	抗干扰攻击
[14-16,43]	√	√
[18]			√	√
[19]				√
[20]		√		√	√	√	√
[21]		√			√		√	√	√
[22]		√			√		√	√	√	√
[24]		√			√
[27]		√						√			√	√
[28]		√						√		√
[29]		√			√		√		√	√	√	√	√
[32,34]							√				√			√
[35,48-50]															√
[36]															√	√
[37-40]	√															√
[51]	√															√

抗欺骗攻击：欺骗攻击是指攻击者通过发送伪造的卫星信号，引导用户设备接入。抗欺骗攻击可以通过增强身份验证协议的安全性，使非法的身份伪造无法成功。

抗消息重放攻击：重放攻击是指攻击者截获并重新发送先前合法的通信数据包以模拟用户行为。抗消息重放攻击可以通过引入时间戳、序列号或一次性令牌保证消息不会被重复使用。

防止抵赖：抵赖攻击发生时，通信的一方否认曾经进行过某个操作或传输某条消息。防止抵赖可以通过日志记录和数字签名等方式保证操作的可追溯性，使当事方不能否认其行为。

抗伪造攻击：伪造攻击是指攻击者篡改消息或数据，使其看起来像是合法的。抗伪造攻击可以通过数据加密、消息认证码等技术手段保证数据的完整性和可信性，防止数据被篡改。

抗仿冒攻击：仿冒攻击是指攻击者冒充合法设备或用户进行身份欺诈。抗仿冒攻击可以使用强认证方法，如多因素认证、加密技术，保证设备或用户的真实身份。

抗未知密钥共享攻击：未知密钥共享攻击是指攻击者在密钥交换过程中获取了未授权的共享密钥，导致通信不安全。此类攻击可以通过使用强加密算法、密钥衍生函数以及认证密钥交换协议来防止。

前向安全性/后向安全性：前向安全性确保即便当前密钥被泄露，历史会话仍然是安全的；后向安全性确保即便历史密钥被泄露，未来的会话仍然是安全的。

双向认证性：双向认证性是指在通信过程中，通信的双方都进行身份验证，确保双方都是真实可信的，它通常依赖公钥基础设施或其他加密方法。

用户匿名性和不可链接性：匿名性确保用户在通信过程中不会被追踪或识别，而不可链接性确保无法将两个或多个不同的通信事件与同一用户关联。

抗DDoS攻击：DDoS攻击是指攻击者通过大量分布式的设备向目标发送大量流量，造成目标服务不可用。抗DDoS攻击的技术包括流量过滤、负载均衡、流量清洗等。

抗窃听攻击：窃听攻击是指在不中断网络的情况下使用信道监控设备捕获信号，窃取通信节点之间交换的信息。抗窃听攻击可以通过加密通信内容，保证数据即使被截获也无法被解读。

抗中间人攻击：中间人攻击是指攻击者将自己插入通信双方之间，并篡改或窃取数据。抗中间人攻击可以采用加密和认证协议，确保通信的完整性和保密性。

抗设备物理捕获攻击：设备物理捕获攻击是指攻击者获取物理设备，并试图从中提取敏感信息。通过硬件安全模块或安全加密芯片，可以防止物理攻击。

抗量子攻击：随着量子计算的崛起，传统加密算法可能遭受破解威胁。抗量子攻击的方法包括量子安全加密算法，如基于格的加密算法，保证即使在量子计算时代，数据安全仍能得到保障。

抗差分攻击和线性攻击：差分攻击和线性攻击是对加密算法进行分析的常见方法。抗差分攻击和线性攻击通常依赖复杂的加密算法设计，来增强加密系统的抗攻击能力。

抗干扰攻击：干扰攻击是一种主动攻击，通过在通信链路中注入噪声、高功率微波等方式压制原始信号，从而导致终端与卫星的通信中断等后果。抗干扰攻击的方法包括频谱跳跃、错误纠正编码等技术，确保通信能够在干扰环境下持续进行。

3.2 未来研究方向

得益于AI、内生安全等技术的发展，未来的星地融合网络安全技术应当向内生化、智能化、体系化发展。AI技术的引入为星地融合网络的身份认证带来了新的突破。通过机器学习和深度学习算法，AI可以自动学习网络节点之间的行为模式，发现潜在的异常行为。基于AI的身份认证方法不仅能够提高身份验证的准确性，还能实时动态地识别和阻止各种攻击。AI可以结合用户行为分析、设备指纹识别等技术，构建更加智能化的认证体系。

未来星地融合网络还须建立多元协同认证机制，即在认证过程中结合多种认证手段和技术，协同提高认证的安全性和效率。星地融合网络具有复杂多变的通信环境，单一认证方式难以应对不同终端类型和网络条件的变化，往往需要结合物理层、密码学以及人工智能的认证机制，来应对不同的攻击威胁。多元协同认证机制能够充分利用网络环境、设备特性和用户行为等多方面的信息，实现灵活、自适应的认证策略调整，提高整体认证体系的安全性和适应性。

多元协同认证机制框架的核心实体包括用户设备、LEO卫星网络和网络控制中心。（1）用户设备是地面和卫星进行通信的终端，在其归属域网络控制中心上注册，通过星地链路接入卫星网络获取通信服务。（2）卫星网络由若干颗在地球低轨道运行的卫星构成，具有有限的计算能力和存储能力。卫星是用户设备和网络控制中心的中继节点，可进行用户设备与网络控制中心之间的数据通信和传输，相邻的卫星可以通过星间链路进行信息传递。（3）网络控制中心是卫星网络的地面控制中心，负责执行计算、验证用户设备身份等需要较多计算和存储能力的功能。

面向星地融合网络的高动态环境，可变阈值计算与多元特征融合，可以实现灵活、高效的终端认证机制，如图3所示。首先，在终端特征采集输入层，收集节点信任度、设备算力、信道状态及多因子身份信息，为动态认证决策提供全面的数据支持。动态认证决策层根据多元数据信息，动态计算认证阈值，基于智能认证策略自适应地调整认证强度。根据星地融合网络中不同场景的认证强度需求，采取差异化、场景化的认证策略。对于资源受限以及安全等级要求不高的节点，可以采用轻量级安全认证方案。面向跨域互联多方信任的场景，可以采用区块链认证方案，实现身份自主管控、不可篡改及有限匿名。针对接入认证安全要求高且信道特征明显的场景，可以考虑采用物理层认证技术，增强接入认证安全性。面向网络拓扑周期性高度动态变化的场景，可以考虑采用“零信任”接入方案，最大限度地保障通信节点的可靠性。另外，对于多运营方融合组网运营的场景，可以采用跨域身份统一管理，实现多认证机制下海量天地一体化网络设备和用户设备的跨域随机接入。最后，认证决策执行层根据认证结果执行相应动作，包括允许终端接入、触发增强认证或启动安全策略，以应对不同终端的计算能力和安全需求。

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图 3 星地融合网络多元协同认证机制框架

Fig.3 Multi-factor collaborative authentication mechanism framework for satellite-terrestrial integrated networks

星间节点与传统节点相比，具有高度暴露、动态移动的特点，往往涉及国家安全层面，面临的攻击威胁更加严峻、安全目标更加多样、网络模型更加复杂，星间可信互联不是简单的安全性的不断增强，更需要平衡效能和可用性。因此，本文在总结归纳传统认证协议评价指标的基础上，针对星地融合场景的独特需求，从安全目标、功能属性、效率属性这三个关键维度，对适用于星地融合网络场景的认证协议的评价指标进行细化与具体化，如图4所示。

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图 4 星地融合网络认证机制评价指标体系

Fig.4 Evaluation index system of authentication mechanisms for satellite-terrestrial integrated networks

星地融合网络的时空状态复杂多变，且节点间的连接关系和数据流通状态受链路高度开放、节点高度暴露、间歇连通等因素影响，导致网络中存在大量潜在的脆弱性节点。这些脆弱性节点可能因安全协议不统一、信任度差异或外部攻击而成为网络中的薄弱环节，从而影响整体网络的安全性和稳定性。因此，如何建立适应时空复杂网络的节点脆弱性发现机理，量化分析节点在动态拓扑中的安全状态演化规律，识别并定位网络中的高脆弱性节点，是多元协同认证机制的关键技术难题。具体而言，需要突破以下难点：一是构建能够表征时空复杂网络节点状态的多维度、多尺度模型，刻画节点在动态环境下的连通关系和安全状态变化；二是设计高效的脆弱性评估算法，结合节点信任度、交互行为和历史状态，动态识别脆弱性节点；三是研究脆弱性节点对整体安全性的影响机理，为可信互联策略的制定提供理论依据。

综合来看，未来星地融合网络的安全认证技术应依据通信节点的安全等级、业务安全需求及系统处理能力，灵活制定认证策略。在传统的基于密码学的身份认证基础上，结合物理层安全技术、系统动力学和轨道动力学原理，充分挖掘星地融合网络的上下文信息，构建星地融合网络节点轻量级多元协同认证机制，实现大规模异构节点安全、灵活、高效的可信互联。

4 结束语

随着星地融合网络的快速发展，身份认证技术在保障网络安全、确保数据可信性方面扮演着至关重要的角色。本文深入分析了当前的技术瓶颈与挑战，综述了星地融合网络身份认证的关键技术，并展望了未来的研究方向。尽管已有的认证机制在一定程度上满足了星地融合网络的基本需求，但在面对高动态、多异构节点和复杂时空环境时，仍存在诸多不足。因此，未来的研究应聚焦提高认证效率、增强认证安全性并探索新兴技术，如人工智能与可信计算的深度融合，以实现更加智能化、灵活且高效的多元协同身份认证方案。通过进一步完善认证机制的理论基础和技术架构，星地融合网络有望在安全性上达到新的高度，为全球信息通信网络的稳定性和可持续发展奠定了坚实基础。

参考文献

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Abstract

0 引言

1 星地融合网络的问题与挑战

1.1 星地融合网络架构

图 1 星地融合网络架构

1.2 星地融合网络的安全威胁

图 2 星地融合网络安全威胁

1.2.1 星间链路的安全挑战

1.2.2 星地链路的安全挑战

2 研究现状分析

2.1 基础认证技术

2.1.1 基于物理层的认证技术

2.1.2 基于密码学的认证技术

2.2 融合认证技术

2.3 智能辅助认证技术

2.3.1 机器学习辅助的物理层认证技术

2.3.2 机器学习辅助的量子密钥分发技术

3 总结与展望

3.1 身份认证技术总结

表 1 星地融合网络身份认证技术对比总结

表 2 星地融合网络身份认证技术满足的安全性质

3.2 未来研究方向

图 3 星地融合网络多元协同认证机制框架

图 4 星地融合网络认证机制评价指标体系

4 结束语

参考文献