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Journal of Cybersecurity >

2024 , Vol. 2 >Issue 4: 2 - 17

DOI: https://doi.org/10.20172/j.issn.2097-3136.240401

Review

Satellite Internet security: requirement, current status and trends

  • ZHANG Yuanyu , * ,
  • ZHAO Shuangrui ,
  • HE Ji ,
  • ZHANG Zhiwei ,
  • SHEN Yulong
Expand
  • School of Computer Science and Technology, Xidian University, Xi’ an 710126, China

Online published: 2024-11-16

Copyright

Copyright ©2024 Journal of Aeronautical Materials. All rights reserved.
Fold

Abstract

Satellite Internet serves as the core of next-generation communication networks, and exhibits several distinctive features, such as blurred internal and external boundaries, globally open networks, and overlapping hostile and friendly spaces. These features inevitably make security issues a focal point in the design and construction of such networks. Firstly, the primary security threats faced by Satellite Internet were analyzed, particularly in terms of network transmission involving nodes, links, and routing, with a special emphasis on novel satellite spoofing attacks. Subsequently, the current states of security technology development were reviewed in the areas of node access authentication, link secure transmission, and network security routing. Finally, the development trends of Satellite Internet security technology were predicted, highlighting the importance of endogenous, systematic, and intelligent Satellite Internet techniques. Furthermore, several key future research directions in Satellite Internet security were suggested, including integrated security protection systems for Satellite Internet, satellite radio frequency fingerprint authentication, cross-layer secure transmission between satellite and ground, location protection for satellite-ground wireless communication, and deterministic mission security execution based on intrinsic security.

Key words： Satellite Internet; secure networking; network access authentication; secure transmission; secure routing; intrinsic security; radio frequency fingerprinting

Cite this article

ZHANG Yuanyu , ZHAO Shuangrui , HE Ji , ZHANG Zhiwei , SHEN Yulong . Satellite Internet security: requirement, current status and trends[J]. Journal of Cybersecurity, 2024 , 2(4) : 2 -17 . DOI: 10.20172/j.issn.2097-3136.240401

0 引言

卫星互联网突破地形和地域限制，为全球提供超高带宽、超低时延、无缝立体的网络覆盖，是中国“十四五”规划“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”的重要支撑[1]以及国家“新基建”的重要组成部分[2]，已经上升为国家战略。当前，全球各国和组织纷纷制定战略计划，大力推进卫星星座网络尤其是低轨卫星星座的建设，其中最具代表性的有美国的Starlink（星链）[3]、Iridium（铱星）[4] ，英国的OneWeb（一网）[5]和中国的“鸿雁”[6]“虹云”[7]“行云”[8]等。
卫星互联网具有重要战略意义：在民用方面，卫星互联网将有效扩大传统互联网的覆盖范围，实现真正意义上的全球高效互联，支撑野外探险直播、机上在线娱乐等新型应用服务；在产业方面，卫星互联网广接入、全覆盖、高速率的优势将加速农、林、牧、渔、能源、交通、医疗等传统行业信息化、智能化升级改造，为民营卫星企业发展提供契机，助力商业航天等新领域的发展；在国家政务方面，卫星互联网将提升我国在环境资源上的持续监控能力和紧急事件上的快速响应能力；在军事方面，卫星互联网将整合陆、海、空、天多域作战资源，形成多域协同、立体化、全时空的新型作战模式，构建快速部署、快速反应、快速打击、先敌一步、高敌一筹的作战体系，助力我国占领未来战场的制高点。
与地面通信网络相比，卫星互联网呈现以下新的特性：
1）通过在低、中、高轨部署大量卫星协同组网，卫星互联网突破了地域和空间限制，形成多层次立体全球无缝覆盖的接入网络，呈现显著的接入全球开放性。
2）卫星轨道资源有限，各国积极抢占稀缺轨道资源，见缝插针地部署低轨卫星星座，国家之间的政治军事对抗将导致空间卫星网络呈现显著的敌我混在性。
3）卫星突破地理位置限制绕地球周期性高速飞行，同时舰载、车载、机载等用户终端高速运动，导致卫星互联网呈现显著的星地双移动性。
4）卫星节点运动具有周期性与规律性，并且空间卫星节点数目相对稳定，因此卫星互联网具有空间网络拓扑可预测性。
接入全球开放性和空间的敌我混在性导致星地通信链路容易遭受窃听、劫持和干扰攻击，同时带来非授权接入以及类似于地面“伪基站”的“伪卫星”等新型攻击。星地的双移动性和拓扑可预测性则给卫星互联网路由带来极大的安全挑战。因此，卫星互联网实现全球真正互联互通的同时，打破了传统网络的防护边界，网络攻击面不断扩大，导致越来越多的安全攻击和越来越严重的安全威胁。
本文分析了卫星互联网组网传输（节点、链路、网络）面临的主要安全问题与挑战，探究了当前卫星互联网接入认证、保密传输和安全路由等方向的安全技术发展现状，最后对卫星互联网安全技术发展趋势给出了预测，同时对应当着重发力的关键安全技术给出了建议。
学术界目前不乏在卫星互联网安全方面的优秀综述文章。文献[9]对卫星通信的链路层安全研究现状进行了调研，着重对比了物理层安全技术与密码学安全技术在卫星通信安全领域的应用。文献[10]将卫星通信系统的安全威胁分为5种类型：主动窃听、被动窃听、干扰、单粒子翻转、空间碎片，并调研了对应安全策略的研究现状，给出了未来的研究方向。相较于上述研究，本综述的创新点如下：
1）首次提出“伪卫星”将会是卫星互联网不可忽视的安全威胁，同时建议未来大力发展基于射频指纹识别的通信认证一体化技术来应对“伪卫星”攻击。
2）介绍了铱星、星链等现有成熟低轨卫星星座网络采用的安全机制，例如，铱星采用的挑战−应答认证机制以及星链采用的基于SHA-256/348的椭圆曲线数字签名算法和基于椭圆曲线迪菲-赫尔曼（Elliptic Curve Diffie-Hellman，ECDH）密钥协商的传输层安全（Transport Layer Security，TLS）协议。
3）指出应当构建完备的卫星互联网射频认证机理，为卫星信号真实性认证奠定理论基础；创建物理层安全与密码学安全结合的安全传输理论，为星地保密传输技术创新奠定理论基础；重视“鹰眼360”等欧美国家的对地监视卫星，基于隐蔽通信技术大力发展具备地面、海上目标位置保护的星地、星海通信技术；在卫星互联网任务层面，大力发展基于内嵌安全约束的异常行为检测和未知攻击研判阻断技术，支撑确定性任务的安全执行。

1 问题与挑战

卫星互联网的架构主要由空间段、地面段和用户段三部分组成，如图1所示。
图 1 卫星互联网基础架构

Fig.1 Basic architecture of Satellite Internet

空间段是由一定数量的卫星节点组成的星座系统，是卫星互联网的核心。卫星作为“基站”向用户终端提供网络接入点。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地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星（又称高轨卫星）、中轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星和低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星。根据角色不同，卫星又分为透明转发卫星、星上处理卫星等。地面段是卫星互联网与地面通信网络之间的桥梁，主要包括地面站、控制站等设施。用户端是卫星互联网服务的最终接收者，包括各类用户终端设备及应用场景的支持设施。
卫星互联网发展初期主要通过一颗或几颗高轨卫星为气象观测、电视转播等专用领域提供数据传输服务，保证数据传输质量是其首要目标，而安全机制通常会给数据传输带来额外开销，因此在系统设计之初并不会过多考虑安全防护。在该阶段，卫星作为中继主要提供数据和信号的转发服务，由地面段控制中心进行管理和维护，卫星之间不会建立连接，更不需要组网，通常与地面网络之间的连接较少。因此，该阶段网络攻击的对象主要是节点和链路，例如，通过渗透至地面控制中心从而获取对卫星的控制和管理权，注入非法指令摧毁卫星；利用星地信道资源的开放性，非法获取抢占卫星信道资源（主要针对透明转发卫星），实现非法接入和数据传输；通过窃听、监视卫星的上下行链路非法窃取信息等。
卫星星座网络发展的第二个阶段是通过几十颗低轨卫星构建卫星星座，为全球提供数据、语音、短消息服务。卫星星座网络逐渐开始进入商业和个人消费领域，其中最具代表性的卫星星座网络是铱星系统。得益于与地面蜂窝网络的相互竞争与补充，铱星系统的设计很大一部分借鉴了当时地面蜂窝网络（2G）的架构，包括对上下行链路采用加密处理保护用户个人信息安全，引入全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）认证机制解决用户非法接入的问题，采用更加复杂的资源调度方式缓解非法信道资源侵占等。借鉴地面蜂窝网络的安全机制在一定程度上解决初期面临的安全威胁的同时，铱星同样继承了地面蜂窝网络安全机制本身存在的漏洞，其中最为典型的漏洞是GSM的挑战—应答单向认证带来的“伪基站”问题。利用该漏洞，攻击者完全可以伪造铱星作为用户的非法接入点，从而窃取用户敏感信息。链路信息传输采用安全等级较低的加密算法，对数据的保护力度不足。此外，该阶段卫星星座与地面网络的连接逐渐扩大，卫星星座网络开始面临来自地面网络的安全威胁。
如今，卫星星座网络进入卫星互联网时代，成千上万的低轨甚至超低轨卫星开始真正组网，形成覆盖全球的卫星接入网络。卫星网络开始与互联网、物联网、车联网等地面网络深度融合，催生出更加丰富多彩的应用。该阶段的卫星星座网络呈现空前的网络化，针对星座结构和路由的攻击开始凸显，旨在降低卫星网络的连通性，降低服务质量。与地面网络的深度融合使得卫星星座网络的攻击面扩大，来自互联网等传统地面网络的攻击成为卫星星座网络的主要安全威胁，最具代表性的攻击事件包括俄乌冲突期间针对ViaSat卫星网络地面调制解调器的攻击，Killnet组织发起的对Starlink的分布式拒绝服务攻击等。此外，卫星互联网时代，卫星将完成从传统通信节点向计算存储节点的转变，星上处理卫星将会得到极大发展，但同时可能会面临星载计算不可信、存储不安全等问题。
本节并不能涵盖卫星互联网所面临的所有威胁，仅聚焦节点、链路、网络等各个层面面临严峻安全威胁，包括接入攻击、链路攻击、路由攻击等。

1.1 非法节点接入让卫星互联网不再可信

卫星互联网接入层面的安全威胁主要来自非法用户和卫星节点的接入。攻击者利用卫星网络身份认证漏洞接入卫星星座网络，大大削弱了卫星互联网的可信性和安全性。
卫星伪装是一种高度专业化的攻击形式，类似于移动通信领域（如GSM、4G、5G等）中的伪基站攻击。攻击者通常设置一个伪造的或未经授权的“基站”（通常是卫星），以截获、监控或篡改通过该站点的通信，极大威胁卫星星座网络的安全。铱星系统目前采用GSM的单向认证协议，允许卫星网络认证用户，但用户无法确认网络是否可信，因此类似于2G/3G蜂窝网络系统，可能会面临严峻的“伪卫星”攻击[11]。实施“伪卫星”攻击首先需要能够获取并模拟与目标卫星通信系统相兼容的信号，并通过发射与合法卫星信号相似但强度更高的信号，引导目标终端设备与伪基站建立连接。一旦终端设备连接到伪卫星基站，攻击者便可以截获或篡改传输的数据。
非法接入攻击则相对简单，但其威胁同样不容忽视。攻击者通过伪装成合法用户或系统，未经授权地接入卫星星座网络。在未授权接入攻击中，攻击者通常需要拥有一定程度的专业知识和技术能力，以模仿或欺骗卫星通信系统。攻击者可以利用这种非法接入实施中断通信、窃取数据、传播恶意软件等攻击，还可能干扰导航系统、气象监测和军事通信等重要应用，甚至有可能用作更为复杂的网络攻击的跳板，对国家安全和公共安全构成了潜在威胁。2014年，黑客入侵了美国国家海洋和大气管理局的计算机网络，包括用于管理和传播卫星气象数据和产品的系统[12]。虽然攻击本身没有破坏卫星数据，但美国国家海洋和大气管理局停止向美国国家气象局提供卫星图像，面向公众的服务在系统清理期间被关闭了两天。

1.2 窃听、劫持、干扰让通信链路不堪一击

星地链路相较于星间链路更容易访问，因此成为卫星星座网络链路层面攻击的主要目标。传统卫星上行和下行链路通常是开放的，未采用任何加密防护措施，因此攻击者可以通过卫星的射频通信链路直接攻击卫星互联网。由于卫星链路的广播特性，当通过卫星链路传输敏感数据时，窃听成为最主要的安全威胁之一。窃听是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[13]。德国研究人员曾成功监听铱星下行链路，解码出多种通话和数据信息[14]。Pavur等[15]使用简单廉价的地面信号接收设备，通过服务提供商的漏洞从数字视频广播卫星系统收集数据，并在几个小时内获得了数千兆字节的包含用户隐私的敏感流量。
除被动窃听攻击外，攻击者还可以将自己置于发送方和接收方之间，主动劫持通信链路，甚至通过中间人攻击的形式修改信息或者注入非法指令。2015年9月，卡巴斯基实验室披露了一个名为Turla的俄罗斯高级持续威胁组织利用卫星通信链路的弱点，监视了下行链路，识别活动IP地址[16]。攻击者在入侵期间选择一个源IP地址，并通过在发送到卫星和从卫星发送的数据包中隐藏恶意代码来劫持源IP地址。被Turla入侵的系统还会将数据泄露到常规卫星互联网用户。Turla使用这种特殊技术针对中东和非洲的政府、大使馆、军事实体、教育机构、研究组织和制药公司的系统发起了多起攻击。
干扰攻击是卫星互联网链路层面的另一代表性攻击。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，进而导致终端与卫星的通信中断、链路丢失和卫星失控等后果。卫星通信系统的干扰主要包括上行干扰和下行干扰，其中上行干扰主要是从地面向卫星发射强信号，可能会干扰卫星转发器的某些信道，从而使信道信号中断。上行链路干扰易于实现，但由于干扰机是移动的，难以定位，因此难以检测和处理。下行干扰主要针对从卫星到地面或移动站的通信链路。下行链路通常比上行链路更容易被阻断，各种干扰机可用于干扰下行链路通信，如低轨道卫星和飞机。这些干扰机可以将信号直接注入地面的终端接收器，并造成严重的后果，但其影响仅限于特定的地面或移动接收站。2007年10月20日，美国国家航空航天局和美国地质调查局共同管理的美国地球观测卫星Landsat 7受到了12 min的干扰[17]。美国宇航局地球观测的卫星Terra EOS AM-1在2008年6月20日经历了2 min的干扰，在2008年10月22日经历了9 min的干扰[17]。

1.3 路由攻击让消息“迷失”在浩瀚星空

前文分别从节点、链路层面介绍了卫星互联网面临的安全威胁，从网络本身的角度来说，卫星互联网同样面临安全威胁。
卫星互联网在组网层面的威胁主要来自对星座网络结构的物理破坏和对路由的攻击。星座结构破坏旨在永久破坏卫星节点，改变网络的物理拓扑结构，使网络链路在短期内断开连接，无法修复。根据威胁的产生，物理破坏可分为人为破坏和非人为破坏。人为破坏是有目的地、主动地攻击目标节点，旨在降低网络的连接性，典型的攻击如使用弹道导弹和激光武器对卫星进行物理摧毁等[18]。网络的关键节点更容易被优先作为攻击目标，从而最大限度地降低网络的可用性。非人为破坏是由环境威胁造成的，如节点被随机销毁。一方面，超密度轨道飞行器和空间碎片之间存在碰撞的风险，轨道飞行器需要依靠轨道环境态势感知技术来避免碰撞。另一方面，高能电磁辐射会导致航天器电子设备出现故障，如系统关闭或电源中断[19]。如果被破坏的节点不重要且数量较少，则网络可以重建被破坏拓扑的路由。然而，随着被摧毁节点数量的增加，一些相邻卫星之间的距离将超过通信范围，网络将在物理上被划分为孤立的多个子网络，消息也无法在子网络之间传递。
星座结构破坏的后果是物理拓扑结构的变化，因此这种威胁一旦发生就很容易观察到。与摧毁卫星不同，路由攻击是在信息空间对路由协议的破坏。路由攻击通常可以分为内部攻击和外部攻击。在内部攻击中，卫星节点可以被捕获并控制，而在外部攻击中，攻击者无权访问网络，攻击可以针对路由发现、数据传递和路由维护的过程。路由攻击可能导致不必要的路由发现请求、添加无效的路由、增加数据包丢失、更改网络拓扑以及耗尽网络资源，让消息“迷失”在浩瀚星空。
针对路由的另一典型攻击是路由信息欺骗。攻击者只通过发布虚假拓扑信息来欺骗网络节点，而不会对节点进行物理破坏。路由信息欺骗可以分为路由节点伪装和逻辑网络分割。为了实现路由节点伪装，恶意节点需要通过篡改或伪造路由信息来声明自己是最佳转发节点，以拦截或收集网络中的消息。黑洞攻击和虫洞攻击是两种常见的节点伪装攻击。以黑洞攻击为例，攻击者向目的地广播最便宜或最短的伪造路径，接收节点选择通过攻击者的路径，然后攻击者可以随意分析甚至丢弃这些数据包。

2 研究现状分析

本节聚焦卫星互联网的网络接入、链路通信和网络路由层面相关的安全技术研究现状，主要包括接入认证、保密传输和安全路由。

2.1 接入认证

接入认证的主要目的是防止未经授权的终端、卫星等接入网络。目前接入认证技术大体上可分为基于密码学的认证技术，包括基于私钥认证（挑战—应答）、公钥认证，以及基于射频指纹的认证技术。

2.1.1 挑战—应答认证技术

挑战—应答认证是一种广泛采用的私钥认证方法。“挑战”是在认证开始时随机产生的参数，“响应”则是基于挑战和双方预共享的秘密信息计算出的结果。认证流程包括：（1）认证方向被认证方发送挑战；（2）被认证方接受挑战后，基于双方预共享的私钥生成响应并发送给认证方；（3）认证方同样基于挑战和预共享密钥生成本地响应，通过比较本地响应与接收响应完成对被认证方身份的验证。
采用挑战—应答接入认证方式最典型的卫星网络是铱星，其接入认证方式直接继承了GSM的挑战—应答认证机制，没有进行任何修改[11]。在铱星系统中，每个用户终端都配备了一个用户识别模块（Subscriber Identity Module，SIM），SIM卡使用国际移动用户身份（International Mobile Subscriber Identity，IMSI）为移动用户提供唯一的身份标识。此外，SIM卡中还存储着如A3认证算法、A8加密密钥生成算法、认证密钥和IMSI等安全相关信息。其中，A3和A8算法都是基于密钥的单向散列函数。

2.1.2 公钥认证技术

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。认证流程如图2所示，其中公钥证书采用X.509格式，签名基于SHA-256或者SHA-384的椭圆曲线数字签名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）[20-22]。
图 2 星链公钥认证流程

Fig.2 Public-key based authentication of Starlink

学术界同样重视卫星互联网的公钥认证技术。Cruickshank等[23]早期提出了一种基于PKI的安全认证协议，其认证过程涉及复杂的流程交互和计算开销，并存在证书管理难题。为了避免PKI高复杂、高开销的弊端，Chen等[24]结合私钥密码系统和公钥密码系统的优点，提出了一种自验证的认证方案，即参与者自行生成签名，并在后续过程中自行验证签名。具体来说，地面控制中心（Network Control Center，NCC）验证最初发送给用户的自生成签名，验证成功后，NCC会推导出秘密参数，与用户共享并隐藏在其签名中。由于与合法用户相关的秘密参数不是直接以明文存储的，因此系统不需要NCC存储敏感的验证表。此外，该系统只使用一个公钥，且该公钥由NCC自身使用，因此并不需要复杂的PKI维护。然而，此方案容易受到拒绝服务（Denial of Service，DoS）攻击，攻击者会通过干扰单个消息来终止认证阶段。
为了进一步提高安全性，Altaf等[25]和Xu等[26]分别提出了基于单向散列函数和椭圆曲线密码（Elliptic Curve Cryptosystems，ECC）系统的匿名认证方案。与其他密码技术相比，ECC使用更短的密钥来提供相同级别的安全性。然而上述两种方案均无法防御离线密码猜测攻击。此外，文献[24-26]在认证过程中均需要NCC的参与，卫星仅在认证过程中起到转发作用而不参与计算，导致NCC负载过大，易受单点故障的影响。同时，认证过程中卫星和地面之间至少需要经历4次信号传输（分别在用户—卫星和NCC—卫星之间的双向通信），从而导致较长的接入认证时延。随着星上计算与存储能力的不断提高，Meng等[27]提出了一种基于代理签名的低延迟认证方案，使卫星能够直接对用户进行认证，无须依赖地面节点的实时参与。
基于身份的公钥密码（Identity-based Public-Key Cryptosystem，ID-PKC）系统同样可以用于公钥认证，其思想是使用用户的身份来生成用户的公钥，实现了用户公钥和身份的绑定，从而可以降低基于证书方式带来的开销。Xue等[28]和赵国锋等[29]分别基于身份密码体制，提出了用户终端和卫星间端到端的认证方案，仅在注册阶段需要密钥生成中心（Key Generation Center，KGC）生成公私钥对，在认证过程中不需要第三方的参与，从而降低了认证时延。然而，Meng等[27]和Xue等[28]提出的方案无法满足一些关键的安全属性，例如不可链接性和完美的前向/后向保密性。另外，文献[29]的认证方案采用了复杂的双线性映射，导致了较大的计算开销。同时，基于身份的公钥密码系统由于KGC保存着所有用户的公钥和私钥，因此存在密钥托管问题。为了解决该问题，Guan等提出了一种轻量级认证方案，借助区块链技术实现，其中用户的私钥由不同的私钥生成器（Private Key Generators，PKG）组合生成，从而避免了单个PKG可能带来的私钥泄露风险[30]。
随着量子计算机的快速发展，传统基于数论的密码方案面临被破解的风险。因此，Ma等[31]与Guo等[32]分别基于格密码提出两种接入认证方案，旨在有效抵御量子攻击，确保通信安全。虽然基于身份加密的认证协议不需要任何证书，但是需要集中服务器，增大了泄露的安全风险，并且通信双方和KGC之间需要安全通道来传送私钥。

2.1.3 射频指纹认证技术

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，但发射机器件基材的制备和制造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之间的器件参数有着细微差别。事实上，IEEE802.11、IEEE802.15.4等大多数标准明确要求无线设备能够容忍接收信号一定范围内的波动。因此，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来构建设备指纹作为发射机的身份。
Oligeri等[33]首次将射频指纹认证技术引入通信卫星星座，使用通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripheral，USRP）收集来自铱星卫星的信号，并从信号中提取I/Q样本。通过将这些I/Q样本转换为灰度图像，并利用卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）来提取空间特征，成功实现铱星卫星的识别。
Zhu等[34]改进了Oligeri等提出的方法，利用铱星信号IQ星座图的时间和空间特性，提出了基于3D卷积神经网络的铱星射频指纹识别方法，在同等毫秒级的识别时间约束下，所提出方法将Oligeri[33]方法的识别精度从小于80%提升至大于92%；在识别精度大于90%的约束下，所提出方法将现有认证时间从秒级降低至毫秒级。
Oligeri等[33]和Zhu等[34]设计的方法旨在利用卫星的射频特征实现对卫星身份的识别，属于开集识别问题或者分类问题。因此，当接收到铱星的伪造信号之后，仍然将其强行分类到已有类别中，无法有效识别是否存在欺骗攻击。为解决该问题，Smailes等[35]提出了一种将自动编码器与孪生神经网络相结合的射频指纹提取与识别方法，基于开集识别的思想解决铱星信号伪造攻击检测问题，但仍存在检测性能较低的问题。

2.2 保密传输

卫星互联网保密传输研究主要聚焦在星地通信链路，可以分为基于密码学的技术和基于物理层安全的技术。

2.2.1 基于密码学的保密传输

基于密码学方法的保密传输机制的基本思想是利用非对称加密实现密钥协商，基于协商的密钥利用对称加密实现信息保密传输。星链是利用加密算法进行保密信息传输最具代表性的卫星星座系统。星链采用了TLS协议确保其通信链路的安全，其中TLS中的会话密钥由数据交换双方基于ECDH密钥协商机制产生。图3展示了星链TLS协议密钥协商和会话密钥产生的流程[20-22]。
图 3 星链TLS协议流程

Fig.3 TLS protocol of Starlink

非对称加密算法在提升卫星通信链路保密性方面扮演重要角色。由于卫星的高移动性以及星地链路的高延迟等特性，非对称加密算法在卫星互联网应用仍面临加解密开销大的问题。
Qi等[36]和Murtaza等[37]提出了针对ECC的改进方案，使用更少的密钥长度来提供相同级别的安全性，实现安全的密钥协商的同时支持完美的前向保密性。Ostad-Sharif等[38]提出基于ECC的卫星通信网络密钥协商方案，该方案可以提供安全功能的有效认证和会话密钥协商协议。为了表明协议的实际效率，该方案对LG G6 Plus 智能手机进行了实验分析，结果表明，该方案在卫星通信网络环境下优于其他算法。Lee等[39]提出一种基于混沌映射的简单密钥协商方案，用于甚小孔径终端（Very Small Aperture Terminal，VSAT）卫星通信。该方案保留了所有基于混沌映射的公钥密码系统的优点，采用基于混沌映射的公钥密码体制，提供安全的会话密钥协商功能，同时可以抵御所有众所周知的密码攻击，并提供完美的前向保密性。
对称加密算法的核心优势在于其高效性和速度，能够快速加密和解密大量数据，在提升卫星通信链路保密性方面具有重要意义。然而，由于卫星星座网络的分布广泛、高移动性、多样性等特性，对称加密算法在卫星星座网络的应用仍面临带宽利用、抗攻击、抗故障等一系列挑战。针对这些问题，研究人员从性能优化、提升安全性等方面着手，改进和优化对称加密算法。
在性能优化方面，Pirzada等[40]提出应对空间环境挑战对数据加密算法高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）的优化方案，在FPGA上实现了AES算法的高吞吐量优化，针对最新的攻击进行了安全分析，以验证高吞吐量优化算法的有效性。Jeon等[41]通过结合AES加密和turbo编码，提出了一种联合加密和信道编码的新方法，称为CFB-AES-TURBO。在AES的密码反馈模式中引入Turbo编码，该方案可以保护比特并纠正比特错误，同时可根据信道状态信息控制加密块大小和码率等系统参数。因此，该方案可以在提高安全性同时改善误码率性能。Adekunle等[42]采用关联数据验证加密（Authenticated-Encryption with Associated-Data，AEAD）的对称加密技术，为数据链路提供机密性和完整性安全服务来保护无线通信的安全。该方案基于AEAD构造的资源丰富的分组密码，名为CypherSat，用于在恶劣环境（如电离辐射）中运行。软件仿真基准测试结果表明，CypherSat对于实际通信的数据帧长度，在数据处理延迟、数据处理吞吐量和处理效率方面表现出更好的性能。
在抗攻击性方面，Usama等[43]提出一种基于混沌的卫星图像对称密钥加密技术，该方案利用多个混沌映射，如Logistic、Henon、Tent、Cubic、Sine和Chebyshev用于增强卫星图像的关键空间、稳健性和安全性。关键的灵敏度、统计和性能分析实验表明，卫星图像算法的安全性、可靠性和速度都有显著提升，与Simple-DES、Triple-DES、AES相比，基于混沌的卫星图像算法在安全性明显优于上述算法。Bentoutou等[44]提出了一种基于混沌地图和AES的高效图像加密方法，通过增加密钥空间、混沌分布加密块和密钥的位置来提高计数模式性能，从而提高安全级别。Nai等[45]基于混沌图像加密，通过使用AES算法来改进安全技术，以保护卫星和地面站之间传输过程中的敏感数据和图像。该方案利用超混沌系统的变量，对卫星图像进行排列置换，最终得到密码图像用于保密传输。实验结果表明，所提出的卫星图像加密技术对现有攻击具有较强的抵抗力。

2.2.2 基于物理层安全的保密传输

在保密传输研究领域，Wyner[46]的开创性工作为现代物理层安全奠定了基础。当窃听者信道的质量低于主信道的质量时，可以实现安全传输。目前，研究人员从保密性能分析、安全传输设计、保密容量优化等方面着手，提出了基于预编码技术、基于协作干扰技术、基于中继选择技术的3种经典保密传输技术，以适应卫星互联网的不同场景。
基于预编码技术的核心思想是对发射端的预编码器进行优化，使发射端信号的均匀散射转向期望的方向，从而使特定接收机处的接收信号强度大大提高，而在窃听者处减少信号强度。Yan等[47]在卫星中继目的地系统中的中继站设计了一种最优的安全预编码策略，其中中继站向目的地转发秘密消息，同时向窃听者发送人工噪声，该方案受中继站功率约束。在多波束卫星通信系统中，Lin等[48]通过综合考虑波束增益、信道损耗和降雨衰减的影响，提出了一种多波束卫星的鲁棒预编码方案，以提高系统的总保密率。除了上述在单个通信节点实现的预编码方案之外，多节点的预编码方案也是研究路线之一。多节点协作预编码的性能比单节点预编码更好，因为它可以提供更高的频谱效率、鲁棒性和波束增益。然而，由于多个预编码器难以优化，多节点协作预编码设计问题比单节点预编码设计更具挑战性。一些研究工作致力于卫星互联网安全通信的多节点预编码设计。Lin等[49]假设完美的信道状态信息（Channel State Information，CSI），提出2种在GEO卫星和地面基站上联合设计预编码器的方案，以保证软件定义架构认知卫星地面网络（Cognitive Space Terrestrial Network，CSTN）中的安全通信，其中宽带卫星网络作为主要网络，地面网络为蜂窝网络作为第二个网络。Li等[50]考虑不完美的CSI情况，提出一种卫星和地面基站的组合预编码方案，用于CSTN的安全下行链路传输，并在发射功率限制下最大化卫星用户的保密率。
基于协作干扰技术的核心概念是向窃听者发送人工噪声/干扰信号，同时发射机向合法接收机发送秘密消息，这种技术极大地扩大了合法信道与窃听信道的差异，从而提高了通信安全性。通过与卫星互联网上不同类型的干扰器配合，可以达到不同的性能。在保密中断概率约束下，Cui等[51]提出一种协作干扰方案，该方案中多波束卫星和多个地面地球站作为协同干扰器来抑制窃听者，以最大限度地减少当前星地传输的功耗。在CSTN中，Lin[52]等研究了一种改进的干扰策略，利用基站干扰机的速率分割多址技术来改善目的接收机的保密效能，具体效果取决于目的接收机的保密率和基站的传输功率。
基于中继选择技术的核心原理是从多个中继中选择一个最优的中继，使合法信道与非法信道之间的信道差异最大化，从而在保持传输链路连通性的同时增强通信安全性。目前，中继选择技术已广泛应用于卫星互联网的安全通信中。为了提高传输安全性，Cao等[53]提出一种基于循环调度的最佳中继选择方案，在具有多个地面中继和单一目的地的星地中继网络中，中继在所有完美CSI的链路下轮流转发保密消息。Guo等[54]研究了具有多个解码转发中继、多个目的地和窃听者的星地中继网络中的中继选择问题，并提出了一种基于阈值的最优中继选择方案，从受信噪比约束的所有链路中选择平均保密能力最大的两跳（two-hop）链路来增强保密性能。Li等[55]研究了已知瞬时CSI和统计CSI条件下星地中继网络中的保密中断概率性能，并提出一种基于保密中断概率性能最小化的协作干扰中继的中继选择方案。

2.3 安全路由

安全路由主要目标为保障星座网络中数据的安全传输。现有的安全路由可主要分为基于随机多路径的安全路由、基于密码的安全路由、基于信任管理的安全路由三类。

2.3.1 随机多路径安全路由

随机多路径路由在不同的路径上随机传播数据，在进行多次随机路径的路由后，选择最优策略避免故障路径。相较于流量分配多路径路由，随机多路径路由先进行随机路由获取网络实际运行的性能，在稳定的传输阶段性能要优于流量分配路由。相较于备用路径多路径路由，随机多路径路由可以根据实际性能而非固定的某一算法进行路径选择，具有更强的稳定性和抵御攻击的能力。
Fratty等[56]提出了一种随机路由算法来防止LEO卫星星座网络中的分布式拒绝服务（Distributed Denial of Service，DDoS）攻击。作者利用经典的k-DG、k-DS、k-SP、k-LO算法，并在路由算法的选择过程中引入随机性，选择具有加权概率分布的算法来增加算法的不确定性，并通过建立贝叶斯优化问题对算法进行优化。所提出的随机路由算法在保持网络功能的同时，提高了攻击者抵御DDoS攻击的平均和中值代价。在典型场景中，平均成本提高了1.71%，中值成本提高了2.05%。该算法使网络对低轨道卫星网络的网络攻击具有鲁棒性，但与其他防御措施一样，降低了网络的有效性。
除了最优路径收敛过程和路由算法选择过程，Geng等[57]研究了基于图形评价和评审技术（Graphical Evaluation and Review Technique，GERT）的动态拓扑和随机服务需求下的路由规划问题。该算法将系统建模为有向图，提出新的分析卫星网络通信时延及其变化的框架DQ-GERT，以卫星载荷流和天线为重点，设计了搜索最小路径集的多路径最优延迟算法。

2.3.2 基于密码的安全路由

基于密码学的安全路由利用经典的密码学算法，根据具体的安全需求，在路由发现、路由算法、数据转发和路由维护过程中提供安全保障，进而保护卫星星座网络的数据安全。
HAP (High Altitude Platform)/LEO结构的层次式安全路由协议是一种基于密码学的安全路由协议[58]，结合了信任机制、认证路由与ECC加密构成一个完整的安全路由协议。该协议具有安全性强、防御的攻击类型多等优点，但是存在路由过程计算资源需求高、需要借助可信节点实现等问题。为了减少证书机制带来的大量的计算，Yu等[59]利用卫星网络拓扑的可预测性，将信任机制与认证机制结合，提出了一种无证书签名的卫星网络安全路由协议。此协议引入基于身份的签名算法，避免了基于密码学的安全路由对证书的依赖，在提升路由的安全性的同时减少了通信开销的增加。在上述研究的基础上，Yu等[60]将HAP/LEO结构扩展到多层卫星网络，提出了一种多层卫星网络的基于信任的安全认证路由协议，实现了多层卫星网络无证书的安全路由协议。

2.3.3 基于信任管理的安全路由

一般的路由协议通常将路径的跳数或时延等指标作为路由选择的依据，以提升路由的性能。但对于卫星星座网络而言，网络中单一节点或单一链路容易受到干扰或攻击，导致其信任度降低。基于信任机制为路由选择算法提供了信任作为额外的参考数据，其核心在于根据卫星节点的行为、路由转发率、被攻击概率、资源占用等信息对节点的信任度进行估计，利用节点信任度辅助进行路由选择，提升路由的安全性和可靠性。
针对微纳卫星网络中节点能量和计算能力有限的特点，Buchegger[61]等基于CONFIDANT协议，将AODV协议与节点信任度评估管理结合，提出一种基于节点信任度的安全路由算法MNS-AODV。
将信任管理与低开销OPSPF路由协议、D-S证据理论结合，Li等[62]提出了一种基于节点信任的LEO卫星网络安全路由算法SLT。通过及时检测和隔离卫星网络中的恶意节点，SLT算法可以减少内部攻击造成的恶意丢包的影响。仿真结果表明，与OPSPF相比，SLT算法的分组投递率平均提高27%，丢包率平均降低70%。
上述安全路由协议的主要思想是基于对节点或者链路可信度的评估，Zhao等[63]基于区域可信度评估的思想，设计了一种轻量级的风险规避路由算法。该算法的核心思想是对地球区域进行划分并评估其遭受攻击的风险。例如，当卫星运行到所属国以外的区域时，对卫星的安全控制更加有限，面临窃听、劫持、物理损坏等安全威胁的可能性越大，随后让卫星路由过程避开高风险区域内容易被攻击的虚拟节点，实现安全路由。

3 未来研究方向

本节对卫星互联网安全技术发展趋势进行了预测，并对未来应当着重发力的关键安全技术给出了建议。

3.1 卫星互联网安全技术发展趋势

得益于人工智能、内生安全等技术的发展，未来的卫星互联网安全技术应当向内生化、智能化、体系化发展。

3.1.1 卫星互联网安全技术向内生化发展

传统互联网安全技术基于攻击者先验知识，通常滞后于攻击的演进和发展，难以对未知攻击做出及时准确的研判和防御。卫星互联网安全技术发展的首要趋势是从“外挂式”的被动防护手段转变为“内生式”的主动防御策略，利用系统固有确定性对抗内外不确定性，从系统自身属性出发构造实现安全的自主可控、可靠可信、安全确保，扩展和完善传统安全理论与技术，有效研判和阻断未知攻击。卫星互联网具有丰富的内生安全确定性来源，主要包括系统实体的有限性、系统功能的固定性、系统运行的规律性和系统生态的可控性4个方面，为安全技术的内生化发展奠定坚实基础。

3.1.2 卫星互联网安全技术向智能化发展

传统的安全防护手段已经难以满足复杂多变的卫星互联网网络环境需求，智能化将为卫星互联网安全提供更为高效、精准和自动化的解决方案，因此卫星互联网安全技术向智能化发展是必然趋势。卫星互联网利用人工智能等技术，对网络流量、用户行为等数据进行深度分析和挖掘，实现对潜在威胁的智能感知和识别，可大幅提高攻击检测的准确性和效率，减少漏报和误报。卫星互联网利用机器学习等技术，对地面和空间网络安全态势进行智能评估和预测，帮助卫星互联网运营和管理组织者更好地了解网络安全状况，制定针对性的安全防护策略。通过引入智能化技术，实现对卫星互联网安全设备和系统的智能配置、智能监控、智能故障排查等，提高网络安全管理的效率和水平。借助大数据、大模型技术对卫星互联网内生安全确定性因素进行归纳总结整理更新，形成网络内生安全知识图谱，支撑智能化、自主化卫星互联网安全防护技术体系。

3.1.3 卫星互联网安全技术向体系化发展

卫星互联网天地融合持续加深，地面网络安全防护能力强，卫星网络安全防护能力弱，卫星与地面网络交互时安全策略不对等、切换时安全管控不连续等问题日益突出，天地一体化成为卫星互联网安全技术体系化发展的首要趋势。卫星互联网终端、星基节点安全能力弱，成为网络入侵的首要突破口，网络开放不可信，成为攻击关键终端、星基节点的天然跳板，终端与网络风险的双向传播决定卫星互联网安全技术必须向终端—网络一体化方向发展。卫星互联网的安全威胁来自物理、电磁和信息三个空间，攻击呈现跨空间联合的特点，同时破坏网络的网络安全（security）和物理安全（safety），物理—电磁—信息跨层一体化的安全防护是卫星互联网安全技术发展的重要方向。卫星互联网任务驱动网络的柔性构建，任务层面的攻击目标决定网络层面的攻击手段，网络层面的攻击手段影响任务的安全状态，网络与任务层面攻击的连锁反应要求卫星互联网安全技术应当向任务—网络一体化方向发展。

3.2 卫星互联网安全技术未来研究方向

3.2.1 卫星互联网一体化安全防护体系

2022年2月，俄乌冲突爆发当天，俄罗斯控制了Viasat公司KA-SAT网络特殊的管理网络，向用户调制解调器下发了目的性极强的指令，完成缓存擦除软件安装并执行擦除数据任务，导致数千名乌克兰用户、数万名欧洲其他地区用户断网。2022年8月，比利时鲁汶大学研究人员在2022Black Hat黑客大会上宣布破解Starlink地面终端，通过电压故障注入攻击破坏存储固件及其证书（embedded multi media card）与执行固件签名验证过程（system on chip）之间的固件签名验证过程，跳过终端的安全启动机制，进而可以终端跳板攻击Starlink网络。从上述攻击事件可以看出，卫星互联网天地融合加深，地面、星基节点安全能力弱，成为卫星、地面网络入侵的首要突破口，卫星/地面网络开放不可信，成为攻击关键地面/星基节点的天然跳板，天地终端网络的安全威胁阻碍任务的安全执行，因此亟须构建卫星—地面联动的天地一体化安全防护机制。
铱星采用挑战—应答机制最大的缺陷是“单向认证”，即只有网络认证用户的真实性，而用户不认证网络。因此，攻击者可以利用价格低廉的软件定义无线电设备并发起“伪卫星”攻击，类似于2 G网络中的“伪基站”攻击，从而伪装成合法的卫星并与用户终端建立非法连接，进一步捕获用户终端。清华大学Liu等[64]研究表明，攻击者可以利用5G非地面网络（Non-Terrestrial Network，NTN）信令协议漏洞，发动“伪卫星”攻击，在信号层面诱骗终端接入，进而实施劫持终端，阻止终端接入等攻击。上述攻击事件表明，卫星互联网空间敌我交叠，敌方卫星作为空间移动“基站”，可以通过伪造我方卫星公开的导频信号等，伪装成我方卫星诱骗我方终端接入，进而实施拒绝服务、机密信息窃取、非法指令注入等网络攻击，传统挑战—应答机制、5G NTN等基于密码学认证机制可以在信息空间有效抵御身份伪装攻击，但难以抵御信号层面的欺骗攻击，因此可以考虑构建密码学认证与物理层射频认证结合的跨层一体化认证机制。
2022年，空间数据系统咨询委员会发布《空间任务安全威胁》安全报告，列举了当前空间任务面临的主要安全威胁，刻画了任务与网络攻击之间的关联关系[65]。卫星互联网任务驱动网络的柔性构建，任务层面的攻击目标决定网络层面的攻击手段，网络层面的攻击手段影响任务的安全执行，因此亟须构建任务—网络协同的务网一体化安全防护机制。
综上所述，未来卫星互联网安全体系研究应当注重一体化的构建思路，着重研究卫星互联网天地一体、务网一体、跨层一体化安全防护机理，构建卫星互联网一体化安全防护体系；研究卫星互联网组合增量式安全验证理论，研制卫星互联网一体化安全防护仿真验证系统，支撑卫星互联网一体化防护体系的安全验证。

3.2.2 卫星射频指纹认证技术

射频指纹认证技术的基本思想是从无线信号中提取内嵌的信号发射源的射频指纹，基于射频指纹实现对信号发射源的认证。该技术具有以下优点：1）可以作为旁路辅助手段，无需对现有卫星软硬件做更改，在通信过程中实现对信号发射源的身份认证，支持通信与认证一体化；2）无需内嵌消息验证码等认证凭证，节省通信带宽资源；3）不依赖加解密算法，认证开销低，支持快速持续检测；4）可以与上层密码学认证联合形成多维空间的防护手段，提升认证的准确性，同时满足差异化认证需求。
卫星射频指纹认证技术可以在信号空间有效识别信号发射源的真伪，从而有效抵御“伪卫星”攻击或者卫星信号伪造攻击，因此建议从以下方面深入研究卫星射频指纹认证技术。
（1）开发完备的卫星射频指纹认证机理
现有的射频指纹认证研究聚焦在如何采集射频指纹，以及如何设计有效的射频指纹认证模型，忽略了最基础、最核心的问题：所利用的射频指纹真正具有认证所需的唯一性、稳定性和不可伪造性吗？因此，未来卫星射频指纹认证技术研究必须首要研究射频指纹认证机理，证明射频指纹具备唯一性、稳定性和不可伪造性，为射频认证提供理论基础。
射频指纹认证机理的研究应包括以下方面。
1）射频特征内在成因分析：研究发射机射频链路硬件缺陷如何导致射频特征的形成，建立射频特征与发射机射频链路硬件缺陷之间的确定性映射关系。
2）射频特征关联性分析：提取射频特征的共同成因（硬件缺陷），建立射频特征的关联性分析理论，度量多特征的关联强度，支撑基底射频特征组合选取与射频指纹构造。
3）射频特征组合唯一性分析：选取任意基底射频特征组合，构造射频特征组合空间，研究空间中两点间的“距离”（区分度）度量方法，刻画射频特征组合的唯一性。
4）射频特征组合稳定性分析：射频特征受环境等影响导致射频特征组合空间中的点发生抖动。研究射频特征组合空间中点的抖动规律以及抖动强度（范围），刻画射频特征组合的稳定性。
5）射频特征组合不可伪造性分析：基于射频特征的内在成因分析，将射频特征组合的不可伪造性转换为伪造困难性证明问题，研究伪造困难性证明方法，刻画射频特征组合不可伪造性。
6）射频指纹构造方法：将射频指纹构造转换为射频特征组合的唯一性、稳定性和不可伪造性最大化的多目标优化问题，研究多目标优化方法，确定最优射频特征组合形成射频指纹。
（2）构建全面的卫星射频指纹库
卫星射频指纹库支撑认证模型的构建，因此建议构建面向国内外中轨、低轨、高轨通信和导航卫星的全面的射频指纹库，支撑卫星射频指纹认证大模型的构建，提升射频指纹认证的精准度。同时建议卫星制造完成时，在地面第一时间完成对卫星射频指纹的采集和指纹库的构建备案。
（3）研制通信/导航认证一体化模块/模组/芯片
除技术研究外，应当加快相关技术的应用落地，尤其加快基于射频指纹认证的通信/导航认证一体化国产化模块/模组/芯片的研制。所研制的模块/模组/芯片部署于卫星通信终端或者导航信号接收机，从现有通信/导航信号处理流中分离出旁路信号，用于提取卫星的射频指纹，支撑后续射频指纹库的建立以及卫星射频指纹认证。

3.2.3 星地跨层保密传输技术

作为卫星互联网的关键基础设施之一，星地链路支撑了军事国防、气候观测、全球定位导航等众多关键应用。星地链路的开放性使其容易受到多重安全威胁，仅依赖单一的物理层安全或上层密码学方法来保护星地链路会带来显著的安全风险。为了对抗这些风险，迫切需要从物理层到应用层整合多种防御技术，以对抗复杂的攻击模式，从根本上增强星地链路的防护能力和信息传输的可靠性。
星地跨层保密传输技术的核心目标是确保在开放和多变的星地通信环境下，通过底层物理特性与上层网络协议的融合，实现信息的安全传输。这种保密通信模式的优势在于可以系统地防御从物理信号干扰到网络数据劫持等各种攻击，通过在不同层级上优化资源使用和调整协议更高效地利用星地链路资源。建议研究以下内容：
（1）星地链路跨层保密传输性能分析
不同于地面互联网通信链路，星地链路具有高动态、高时延的特点和极强的环境敏感性。研究星地链路信号传播路径及其物理环境，如路径损耗、多径衰落和多普勒效应等底层特征，结合这些特征与信道特性（如衰落和擦除）对星地信道转移概率的影响，建立跨层协同的星地链路保密传输模型。通过动态调整信道编码和信号调制策略，优化信号的传输稳定性和可靠性，分析星地链路跨层保密传输性能。
（2）星地链路信息传输不确定性分析
基于经典的香农信息理论，构建合法接收方的信息不确定性分析模型，分析单一物理层安全技术或多物理层安全技术联合对合法接收方信息不确定性的影响。设计信源编码和信道编码方法，配合灵活的功率适配策略，最小化合法接收端的信息不确定性，同时最大化非法方的信息不确定性。
（3）星地链路跨层保密传输协议设计
研究密码学中密钥与物理层安全技术的等价映射关系，建立密码学的混淆、扩散及雪崩效应与物理层安全方法之间的等价映射。研究密钥驱动的物理层安全方法，通过密钥控制噪声加噪方式及加噪强度调节，优化链路安全传输过程。设计星地链路物理层与上层的联合安全传输协议，简化现有安全协议的复杂度并提升安全传输性能，确保星地链路传输的高安全性和可靠性。

3.2.4 位置保护的星地隐蔽通信技术

太空军备竞赛日趋激烈，欧美军事强国现已部署“鹰眼360”等星载无线电监测系统[66]，基于无线信号分析实现对地面目标的精准定位，严重暴露我国关键卫星基础设施和通信节点和终端的位置。隐蔽传输利用信号隐匿技术对抗无线电监测，为目标位置保护提供了可能，然而国内外对基于隐蔽传输的位置保护星地通信尚未提出完备有效的解决方案。
针对该问题，可以研究位置保护的星地隐蔽通信技术，在满足正常星地通信需求的基础上，实现对无线信号的“隐藏”，确保地面通信节点的位置安全。建议研究以下内容：
（1）位置隐私性和通信隐蔽性的关联关系建模
隐蔽通信是利用安全技术实现信号隐藏，保证窃听者无法判断是否有通信过程。源端位置保护是指通过各种技术防止非法用户通过分析通信信号来确定源端的位置。探索位置保护与隐蔽通信的关联关系，利用隐蔽通信机理实现通信源端的位置保护。分析全信号隐藏和部分信号隐藏对位置隐私性的影响，研究部分信号隐藏的源端位置保护的通信机理，建立位置隐私性和通信隐蔽性量化表征模型，给出位置隐私性和通信隐蔽性的定义以及数学建模模型。
（2）面向位置保护的隐蔽通信协议设计
探索位置定位与隐蔽信号检测的关联机制，建立兼具隐蔽信号检测和源端位置定位的攻击模型，构建通信性能评估模型。在此基础上，面向不同的位置保护需求，基于物理层安全技术（协同干扰、波束成形、人工噪声、智能反射面等）设计部分信号隐藏的隐蔽传输协议，既保证可靠的无线通信又满足源端位置保护的需求。进一步融合多种物理层安全技术设计位置保护隐蔽通信协议，灵活适应多样差异化位置保护需求。

3.2.5 基于内生安全的确定性任务安全执行

卫星互联网支撑实体确定、功能确定、行为确定的任务（尤其是军事任务）执行，多任务在空间上呈现大尺度分布式协同的特点。大尺度多任务协同联动，带来攻击检测与安全确保困难的问题。
内生安全的新思路是利用系统固有确定性对抗内外不确定性，从系统自身属性出发构造实现安全的自主可控、可靠可信、安全确保，扩展和完善传统安全理论与技术。内生安全确定性的基础和来源主要包括系统实体的有限性、系统功能的固定性、系统运行的规律性和系统生态的可控性4个方面。因此，基于内生安全确保确定性任务执行安全是未来值得探索的方向。主要研究方向包括确定性任务执行过程中的异常行为识别与未知攻击研判与阻断。
（1）异常行为识别
构建卫星互联网卫星/终端等任务执行节点的物性特征与行为特征知识库。基于形式化规约、模型检查与验证机制等形式化方法，设计节点任务执行的安全约束模型，形成任务执行行为合规的形式化描述方法，确保节点在任务执行过程中满足特定安全需求。基于内嵌安全约束模型和行为特征知识库，研究卫星互联网异常行为分布式感知与实时检测，提出“协同训练、分布执行”的分布式协同异常识别框架，形成支持分布式部署和协同优化的无监督轻量级异常识别方法，实现卫星互联网在线实时任务执行异常行为识别。
（2）未知攻击研判与阻断
研究基于分布式共享的威胁推演机制，提出持续增量式攻击推理研判方法，构建“数据收集—增量学习—攻击推理—反馈调整”研判链，突破模型检测分析和攻击行为研判等关键技术，实时更新节点安全约束模型，实现迅速识别新型攻击，精准推理出攻击者的行为模型和策略。研究攻击路径分析与关键节点识别方法，设计多层面攻击阻断策略，突破多状态空间下网络行为路径标记、传输行为路径标记和攻击溯源关系刻画等技术，形成面向攻击路径和关键节点的多层面协同实时攻击阻断技术，实现系统内外部攻击行为的有效监测和阻断。

4 结束语

全球卫星互联网建设处于初期阶段，为支撑其关键安全技术的同步研究，首先分析了卫星互联网独特的安全需求，其次探究了国内外当前在卫星互联网节点接入认证、链路保密传输、网络安全路由方面相关的安全技术发展现状，最后对卫星互联网安全技术发展趋势做出预测并给出了关键安全技术的研究建议。本文对我国后期开展卫星互联网安全有关方案论证、技术攻关和试验验证具有一定的指导意义，预期将支撑我国卫星互联网安全技术体系建设，助力我国在卫星互联网全球竞赛中占据有利位置。值得注意的是，由于卫星互联网发展尚处于初期阶段，其攻击示例相对较少，但随着卫星互联网的不断成熟，其攻击示例会不断被揭露，届时作者可以再做详细调研，撰写相应综述文章。

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
1
中华人民共和国中央人民政府. 中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[R/OL]. (2021-3-11) [2024-05-27]. https://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm?webid=1.

People’ s Government of the People’ s Republic of China, Outline of the 14th five-year plan for national economic and social development of the People's Republic of China and the long-term objectives for 2035 [R/OL]. (2021-3-11) [2024-05-27]. https://www.gov.cn/xinwen/2021-03/13/content_5592681.htm?webid=1.

2
中华人民共和国商务部. 国家发改委首次明确“新基建”范围[R/OL]. (2020-4-21)[2024-05-27]. http://www.mofcom.gov.cn/article/i/jyjl/e/202004/20200402957398.shtml.

Ministry of Commerce of the People’s Republic of China. National Development and Reform Commission first clarified the scope of “new infrastructure” [R/OL].(2020-4-21)[2024-05-27]. http://www.mofcom.gov.cn/article/i/jyjl/e/202004/20200402957398.shtml.

3
Starlink Homepage. World’ s most advanced broadband Satellite Internet [EB/OL]. (2024-05-10 )[2024-05-27]. https://www.starlink.com/technology.

4
Iridium Homepage. Iridium satellite communications | Your world. our network[EB/OL]. (2023-12-10 )[2024-05-27]. https://www.iridium.com/network/.

5
OneWeb Homepage. Eutelsat OneWeb[EB/OL]. (2024-05-01)[2024-05-27]. https://oneweb.net/our-network.

6
百度百科. 鸿雁全球卫星星座通信系统[EB/OL]. (2023-12-27)[2024-05-27]. https://baike.baidu.com/item/%E9%B8%BF%E9%9B%81%E5%85%A8%E7%90%83%E5%8D%AB%E6%98%9F%E6%98%9F%E5%BA%A7%E9%80%9A%E4%BF%A1%E7%B3%BB%E7%BB%9F/22727017?fr=ge_ala.

Baidu Encyclopedia. Hongyan global satellite constellation communication system[EB/OL]. (2023-12-27)[2024-05-27]. https://baike.baidu.com/item/%E9%B8%BF%E9%9B%81%E5%85%A8%E7%90%83%E5%8D%AB%E6%98%9F%E6%98%9F%E5%BA%A7%E9%80%9A%E4%BF%A1%E7%B3%BB%E7%BB%9F/22727017?fr=ge_ala.

7
百度百科. 虹云工程[EB/OL]. (2023-04-05) [2024-05-27]. https://baike.baidu.com/item/%E8%99%B9%E4%BA%91%E5%B7%A5%E7%A8%8B/22102791?fr=ge_ala.

Baidu Encyclopedia. Hongyun project[EB/OL]. (2023-04-05) [2024-05-27]. https://baike.baidu.com/item/%E8%99%B9%E4%BA%91%E5%B7%A5%E7%A8%8B/22102791?fr=ge_ala.

8
百度百科. 行云工程[EB/OL]. (2023-04-09)[2024-05-27]. https://baike.baidu.com/item/%E8%A1%8C%E4%BA%91%E5%B7%A5%E7%A8%8B/22435772?fr=ge_ala.

Baidu Encyclopedia. Xingyun project[EB/OL]. (2023-04-09)[2024-05-27]. https://baike.baidu.com/item/%E8%A1%8C%E4%BA%91%E5%B7%A5%E7%A8%8B/22435772?fr=ge_ala.

9
TEDESCHI P, SCIANCALEPORE S, DI PIETRO R. Satellite-based communications security: A survey of threats, solutions, and research challenges[J]. Computer Networks, 2022, 216, 109246.

DOI

10
YUE P Y,AN J P,ZHANG J K,et al. On the security of LEO satellite communication systems:Vulnerabilities,countermeasures,and future trends[J]. arXiv e-prints,2022. DOI:10.48550/arXiv.2201.03063.

11
Iridium Security[EB/OL]. (2007-02-07)[2024-05-27]. https://wikileaks.cash/iridium-security.pdf.

12
Chinese hack U. S. weather systems,satellite network[EB/OL]. (2015-03-04)[2024-05-27]. https://www.washingtonpost.com/local/chinese-hack-us-weather-systems-satellite-network/2014/11/12/bef1206a-68e9-11e4-b053-65cea7903f2e_story.html.

13
ROY-CHOWDHURY A, BARAS J S, HADJITHEODOSIOU M, et al. Security issues in hybrid networks with a satellite component[J]. IEEE Wireless Communications, 2005, 12 (6): 50- 61.

DOI

14
Chaos Computer Club München. Iridium Hacking-please don’ t sue us. [EB/OL]. (2015-08-15) [2024-05-27]. https://media.ccc.de/v/camp2015-6883-iridium_hacking.

15
PAVUR J,MOSER D,LENDERS V,et al. Secrets in the sky:on privacy and infrastructure security in dvb-s satellite broadband[C]//Proceedings of the 12th Conference on Security and Privacy in Wireless and Mobile Networks. 2019:277-284.

16
Satellite Turla:still alive and hiding in the sky[EB/OL]. (2015-09-09)[2024-05-27]. https://media.kaspersky.com/pdf/SatTurla_Solution_Paper.pdf.

17
Suspected US satellite hacking attacks:Reaction [EB/OL]. (2011-10-28)[2024-05-27]. https://www.bbc.com/news/business-15490687.

18
NIE Y Y, FANG Z G, GAO S. Q-GERT survivability assessment of LEO satellite constellation[J]. Wireless Networks, 2021, 27, 249- 268.

DOI

19
ZHUO M, LIU L Y, ZHOU S J, et al. Survey on security issues of routing and anomaly detection for space information networks[J]. Scientific Reports, 2021, 11 (1): 22261.

DOI

20
Glitched on Earth by Humans:A Black-Box security evaluation of the SpaceX starlink user terminal[EB/OL]. (2022-08-31)[2024-05-27]. https://i.blackhat.com/USA-22/Wednesday/US-22-Wouters-Glitched-On-Earth.pdf.

21
Starlink welcomes security researchers (Bring On The Bugs) [EB/OL]. (2022-08-10)[2024-05-27]. https://api.starlink.com/public-files/StarlinkWelcomesSecurityResearchersBringOnTheBugs.pdf.

22
STSAFE-A110-Authentication,state-of-the-art security for peripherals and IoT devices. [EB/OL]. (2019-12-19)[2024-05-27]. https://www.st.com/resource/en/datasheet/stsafe-a110.pdf.

23
CRUICKSHANK H S. A security system for satellite networks: [C]//Fifth International Conference on Satellite Systems for Mobile Communications and Navigation,1996.

24
CHEN T H, LEE W B, CHEN H B. A self-verification authentication mechanism for mobile satellite communication systems[J]. Computers & Electrical Engineering, 2009, 35 (1): 41- 48.

25
ALTAF I, SALEEM M A, MAHMOOD K, et al. A lightweight key agreement and authentication scheme for satellite-communication systems[J]. IEEE Access, 2020, 8, 46278- 46287.

DOI

26
XU S S, LIU X D, MA M M, et al. An improved mutual authentication protocol based on perfect for-ward secrecy for satellite communications[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2020, 38 (1): 62- 73.

DOI

27
MENG W,XUE K P,XU J,et al. Low-latency authentication against satellite compromising for space information network[C]//2018 IEEE 15th International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems (MASS). IEEE,2018:237-244.

28
XUE K P, MENG W, LI S H, et al. A secure and efficient access and handover authentication protocol for internet of things in space information networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2019, 6 (3): 5485- 5499.

DOI

29
赵国锋, 周文涛, 徐川, 等. 一种基于双线性配对的天地一体化网络安全身份认证方案[J]. 信息网络安全, 2020, 20 (12): 33- 39.

DOI

ZHAO G F, ZHOU W T, XU C, et al. A space-ground integrated network security identity authentication scheme based on bilinear pairing[J]. Information Network Security, 2020, 20 (12): 33- 39.

DOI

30
GUAN J F, WU Y N, YAO S, et al. BSLA: Blockchain-assisted secure and lightweight authentication for SGIN[J]. Computer Communications, 2021, 176, 46- 55.

DOI

31
MA R H, CAO J, FENG D G, et al. LAA: Lattice-based access authentication scheme for IoT in space information networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2020, 7 (4): 2791- 2805.

DOI

32
GUO J Y, DU Y, WU X S, et al. An anti-quantum authentication protocol for space information networks based on ring learning with errors[J]. Journal of Communications and Information Networks, 2021, 6 (3): 301- 311.

DOI

33
OLIGERI G, SCIANCALEPORE S, RAPONI S, et al. PAST-AI: Physical-layer authentication of satellite transmitters via deep learning[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2023, 18, 274- 289.

DOI

34
ZHU S Y,ZHANG Y Y,ZHU J X,et al. 3D convolution-based radio frequency fingerprinting for satellite authentication[C]//GLOBECOM 2023-2023 IEEE Global Communications Conference. IEEE,2023:7586-7591.

35
SMAILES J,KÖHLER S,BIRNBACH S,et al. Watch this space:Securing satellite communication through resilient transmitter fingerprinting[C]//Proceedings of the 2023 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security. 2023:608-621.

36
QI M P, CHEN J H, CHEN Y T. A secure authentication with key agreement scheme using ECC for satellite communication systems[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking, 2019, 37 (3): 234- 244.

DOI

37
MURTAZA A, XU T G, PIRZADA S J H, et al. A lightweight authentication and key sharing protocol for satellite communication[J]. International Journal of Computer and Communication Engineering, 2020, 9 (1): 46- 53.

DOI

38
OSTAD-SHARIF A, ABBASINEZHAD-MOOD D, NIKOOGHADAM M. Efficient utilization of elliptic curve cryptography in design of a three-factor authentication protocol for satellite communications[J]. Computer Communications, 2019, 147, 85- 97.

DOI

39
LEE C C. A simple key agreement scheme based on chaotic maps for VSAT satellite communications[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking,2013:177-186.

40
PIRZADA S J H,HASAN M N,MEMON Z W,et al. High-throughput optimizations of AES algorithm for satellites[C]//2020 International Symposium on Recent Advances in Electrical Engineering & Computer Sciences (RAEE & CS). IEEE,2020,5:1-6.

41
JEON S H,CHOI J P. CFB-AES-TURBO:joint encryption and channel coding for secure satellite data transmission[C]//ICC 2019-2019 IEEE International Conference on Communications (ICC). IEEE,2019:1-7.

42
ADEKUNLE A A. A resourceful symmetric cryptographic construct for securing miniature satellite communications[C]//IEEE International Conference on Wireless for Space and Extreme Environments. IEEE,2013:1-6.

43
USAMA M, KHAN M K, ALGHATHBAR K, et al. Chaos-based secure satellite imagery cryptosystem[J]. Computers & Mathematics with Applications, 2010, 60 (2): 326- 337.

44
BENTOUTOU Y, BENSIKADDOUR E, TALEB N, et al. An improved image encryption algorithm for satellite applications[J]. Advances in Space Research, 2020, 66 (1): 176- 192.

DOI

45
NAIM M, PACHA A A. New chaotic satellite image encryption by using some or all the rounds of the AES algorithm[J]. Information Security Journal: A Global Perspective, 2023, 32 (3): 187- 211.

DOI

46
WYNER A D. The wire-tap channel[J]. Bell System Technical Journal, 1975, 54 (8): 1355- 1387.

DOI

47
YAN Y,ZHANG B N,GUO D X,et al. Joint beamforming and jamming design for secure cooperative hybrid satellite-terrestrial relay network[C]//2016 25th Wireless and Optical Communication Conference (WOCC). IEEE,2016:1-5.

48
LIN Z, LIN M, OUYANG J, et al. Robust secure beamforming for multibeam satellite communication Systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019, 68 (6): 6202- 6206.

DOI

49
LIN M, LIN Z, ZHU W P, et al. Joint beamforming for secure communication in cognitive satellite terrestrial networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2018, 36 (5): 1017- 1029.

DOI

50
LI H, ZHAO S H, LI Y J, et al. Sum secrecy rate maximization in NOMA-based cognitive satellite-terrestrial network[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2021, 10 (10): 2230- 2234.

DOI

51
CUI G F, ZHU Q P, XU L X, et al. Secure beamforming and jamming for multibeam satellite systems with correlated wiretap channels[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69 (10): 12348- 12353.

DOI

52
LIN Z, LIN M, CHAMPAGNE B, et al. Secure and energy efficient transmission for RSMA-based cognitive satellite-terrestrial networks[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2021, 10 (2): 251- 255.

DOI

53
GAO W F,ZOU Y L,YANG Z,et al. Secrecy outage probability of hybrid satellite-terrestrial relay networks[C]//GLOBECOM 2017-2017 IEEE Global Communications Conference. IEEE,2017:1-5.

54
GUO K F, AN K, ZHANG B N, et al. Physical layer security for hybrid satellite terrestrial relay networks with joint relay selection and user scheduling[J]. IEEE Access, 2018, 6, 55815- 55827.

DOI

55
LI J T, HAN S, TAI X X, et al. Physical layer security enhancement for satellite communication among similar channels: Relay selection and power allocation[J]. IEEE Systems Journal, 2020, 14 (1): 433- 444.

DOI

56
FRATTY R, SAAR Y, KUMAR R, et al. Random routing algorithm for enhancing the cybersecurity of LEO satellite networks[J]. Electronics （Basel）, 2023, 12 (3): 518.

57
GENG S, LIU S F, FANG Z, et al. An optimal delay routing algorithm considering delay variation in the LEO satellite communication network[J]. Computer Networks, 2020, 173, 107166.

DOI

58
潘艳辉,王韬,吴杨,等. 卫星网络基于信任的认证路由协议[J]. 计算机应用,2011,31(3):781-783.

PAN Y H,WANG T,WU Y,et al. Trust-based routing protocol for satellite networks[J],Computer Applications,2011,31(3):781-783.

59
YU Z F, ZHOU H G, WU Z F. A secure routing protocol based on certificateless signcryption for satellite networks[J]. Advanced Materials Research, 2012, 546-547, 1065- 1070.

DOI

60
YU Z F,ZHOU H G,WU Z F. A trust-based secure routing protocol for multi-layered satellite networks[C]//2012 IEEE International Conference on Information Science and Technology. IEEE,2012:313-317.

61
BUCHEGGE S,LE BOUDEC J Y. Performance analysis of the CONFIDANT protocol:Proceedings of the 3rd ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking & Computing[C]. 2002.

62
LI H, SHI D C, WANG W Z, et al. Secure routing for LEO satellite network survivability[J]. Computer Networks, 2022, 211, 109011.

DOI

63
ZHAO Z P,WU Q,LI H W,et al. LRAR:A lightweight risk-avoidance routing algorithm for LEO satellite networks[C]//2021 International Wireless Communications and Mobile Computing (IWCMC). IEEE,2021:223-228.

64
LIU W,LI Y J,LI H W,et al. The dark side of scale:Insecurity of direct-to-cell satellite mega-constellations[C]//2024 IEEE Symposium on Security and Privacy (SP). IEEE Computer Society,2024:149-149.

65
BOOK G. Security threats against space missions[J]. CCSDS Secretariat:Washington,DC,USA,2022. [EB/OL](2022-02-01)[2024-05-27]. https://public.ccsds.org/Pubs/350x1g3.pdf.

66
HawkEye 360| The leader of spectrum-based RF geoanalytics[EB/OL](2024-05-12)[2024-05-27]. https://www.he360.com.

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