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Journal of Cybersecurity >

2024 , Vol. 2 >Issue 4: 53 - 65

DOI: https://doi.org/10.20172/j.issn.2097-3136.240405

Academic Research

Analysis of security vulnerabilities and countermeasures of CDN in Satellite Internet

  • LIU Jun ,
  • LI Hewu , *
Expand
  • Institute for Network Sciences and Cyberspace, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received date: 2024-06-25

  Online published: 2024-11-16

Copyright

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

Abstract

With the development of Satellite Internet technology, content delivery network (CDN) with the integrated satellite- terrestrial environment plays a significant role in enhancing the experience of information access and alleviating the stress on the Internet's backbone. However, CDN in Satellite Internet also faces a series of security vulnerabilities. The vulnerabilities of CDN in Satellite Internet were analyzed and the corresponding countermeasures were discussed, delving into the security issues of content distribution in Satellite Internet. Based on this, a series of difficulties to enhance the security mechanism of CDN in Satellite Internet were proposed and the security threats of CDN in Satellite Internet were summarized, providing an outlook for future research directions.

Key words： Satellite Internet; content delivery network (CDN); security vulnerabilities and countermeasure; attack model; security mechanism

Cite this article

LIU Jun , LI Hewu . Analysis of security vulnerabilities and countermeasures of CDN in Satellite Internet[J]. Journal of Cybersecurity, 2024 , 2(4) : 53 -65 . DOI: 10.20172/j.issn.2097-3136.240405

0 引言

0.1 内容分发网络

为了提升互联网用户的访问体验，缓解全球范围内大量内容传输对主干网带来的压力，内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）在 20 世纪末被提出并迅速在全球广泛部署[1]。如今， CDN 已经承担互联网中的大部分流量[2]，成为互联网应用的基础设施之一。CDN是实现向用户高效分发内容的分布式服务器网络，典型的 CDN 架构如图1所示。通过在广域范围部署大量缓存服务器，CDN 能够根据链路负载、边缘缓存服务器到用户的距离以及响应时间等因素综合决策，将用户发往源服务器的内容请求重定向到相应的存有被请求内容的边缘缓存服务器，从而达到降低分发延迟、减轻源站压力、防御分布式拒绝服务攻击（Distributed Denial of Service，DDoS）等效果。
图 1 CDN 应用主要组成

Fig.1 Main components of CDN

最新研究表明，虽然CDN发挥了重大作用，但目前仍有大量用户，特别是位于偏远的、欠发达地区用户的内容访问服务需求无法得到满足，由于偏远区域云基础设施不足以及到云服务器的绕路问题，仍有大部分用户无法享受到高效的内容访问服务[3]。 AR、VR等新型网络应用的兴起和在线视频质量提升的需求，正在推动教育和办公向数字化转型，这对互联网性能，尤其是CDN的性能提出了更高的要求[4-5]。

0.2 卫星互联网

卫星互联网是以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基、海基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施[6]，是未来互联网演进的重要方向[7-10]。随着航天技术的发展，小型低轨卫星的发射成本越来越低，卫星星载硬件能力也不断提升，新兴低轨星座正逐渐成为卫星互联网中最主要的组成部分[8,10-11]。SpaceX、Amazon等公司正在积极部署新兴低轨卫星星座（如Starlink[12]、Kuiper[13]和 OneWeb[14]等），这些卫星星座由数千颗甚至是上万颗低轨卫星组成，可以提供广覆盖（每颗 Starlink卫星可以覆盖地球表面直径近2000 km 的区域）、低时延的服务。在通信能力方面，研究表明每颗 OneWeb 卫星的下行链路速度高达20 Gbit/s，而 Kuiper 的整个系统容量高达40 Tbit[15]。而在存储能力方面，据报道，SpaceBelt可通过其发射的10颗低轨卫星提供高达5PB的空间存储容量[16]。卫星网络与地面网络在服务范围方面存在天地互补的特点，无论是通过星间链路[17-18]直接连接卫星，或通过地面站间接连接卫星[19]，卫星互联网均有望为全球用户提供泛在接入能力。因此，结合卫星网络进行天地融合的内容分发，可以利用卫星网络延伸和扩展地面现有服务的覆盖范围和服务能力，且已有相关研究展示出利用巨型星座为全球用户提供低时延内容访问服务的潜力。

0.3 卫星CDN及安全

考虑到卫星的广覆盖和广播特性，陆续有研究提出将卫星应用到内容分发中以优化性能。Kalantari等[20]和Vu等[21]提出了单波束和多波束混合的星地架构以及卫星辅助离线缓存算法，提升了 5G 网络的边缘缓存性能，在其提出的架构中，全球流行的内容通过卫星频道发送，而本地流行的内容可以通过地面互联网或多波束卫星发送。Luglio等[22]在欧洲航天局（European Space Agency，ESA）安全混合网络缓存环境（Secure Hybrid In Network caching Environment，SHINE）项目[23]框架内设计了一种星地混合架构，对卫星组播传输应用网络编码技术，利用卫星的广播特性配合多个地面缓存节点进行多媒体内容的高性能分发。在上述方案中，卫星仅被作为分发系统中的中继节点，并不在本地缓存内容副本。
最新的一些工作尝试在卫星缓存内容副本，如Wu等[24]将卫星缓存引入分发系统中进一步提高网络性能，提出了地面站与卫星的两层缓存模型并进行联合缓存优化。Zhu等[25]提出了基站缓存、卫星缓存和网关缓存三层协同模型，为地面用户提供内容访问服务。Jiang等[26]考虑了具有高动态特性的近地轨道卫星（Low Earth Orbit，LEO），提出基于密度的内容分发方案实现连续时变拓扑下的稳定用户体验。Yang等[27]构建了符合实际动态性的星云拓扑，提出了协同利用 LEO 卫星和地面云服务的CDN架构 StarFront，用户请求被动态分配到适当的 LEO 卫星或云上以提高全球分发效率。
然而，随着航天技术的发展，卫星不再仅仅是数据传输的中继站，它们也成为了内容的提供商，在太空直接生成面向众多用户的内容数据。例如，中国空间站已经成功进行太空直播授课[28]，将太空实验和教学活动直接从太空向地面直播。低轨搜索和救援（LEO Search And Rescue， LEOSAR）系统[29]根据多普勒效应，探测和确定来自船舶、飞机等携带的紧急信标位置，提供与全球遇险事件相关的位置信息。2022 年 12 月 SpaceX 公司发布了最新的“星盾”（StarShield）计划[30]，其卫星将搭载地球观测载荷，将处理后的数据直接分发到用户，并且得益于其模块化设计，能够为用户定制其他种类的载荷执行更丰富的太空任务。
在卫星互联网内容分发的场景中，低轨卫星由于长期处于非受控区域，可能会遭受攻击者伪造源地址或对内容分发路径上的卫星进行路由劫持等攻击，从而截获用户数据和隐私信息。当前CDN运营商的分发调度机制主要基于效率因素，如距离、负载和响应时间，而未充分考虑安全性。因此，确保内容分发的安全性对于卫星互联网来说至关重要。随着卫星互联网在内容分发领域的潜力日益显现，现有的架构需要加强安全设计，以保护用户隐私和数据安全，避免通过风险区域进行分发，确保信息传输的安全性。

0.4 本文主要贡献

（1）本文根据卫星节点在CDN中的功能分类，归纳了卫星可分别作为中继、缓存、缓存+源服务器三种CDN形态下的安全威胁模型，分析各种安全威胁在卫星CDN场景发生的可能性以及严重程度。
（2）本文参考文献[31]的分类归纳了卫星CDN的主要组成部分：边缘服务器、请求路由和源服务器中面临的安全威胁，对现有安全机制在卫星CDN安全场景中的适用程度及存在问题进行分析。
（3）本文总结了卫星CDN安全威胁发生的根源以及可能的解决路径，对未来卫星互联网分发安全研究方向进行了展望。

1 卫星CDN架构及工作流程

1.1 卫星CDN架构

如图2所示，根据卫星节点在CDN中的功能分类，可将卫星CDN分为以下三种形态：第一种，卫星仅作为中继，只执行数据分组转发功能，本身并不存储内容副本，如图2（a）所示；第二种，卫星作为边缘缓存服务器，具备为就近用户提供内容的能力，如图2（b）所示；第三种，卫星作为边缘缓存服务器和源服务器，卫星本身搭载对地观测等传感或计算设备，能够作为在轨源服务器生成内容提供给地面用户，如图2（c）所示。现有的应用中，第一种形态和第二种形态是主流方式，但卫星作为缓存+源的形态是未来发展的必然趋势。
图 2 卫星 CDN 的三种架构

Fig.2 Three architectures of satellite content delivery networks

1.2 卫星CDN服务流程

在实际部署的 CDN 中，关键组件负载均衡通常有以下三种实现方式：基于域名系统（Domain Name System，DNS）解析、基于 HTTP 302 跳转以及基于任播，本文以应用最广泛的基于DNS解析的方案说明典型 CDN 工作流程，如图3所示。
图 3 典型的 CDN 工作流程

Fig.3 Typical CDN workflow

1. 用户通过统一资源定位（Uniform Resource Locator，URL）系统发起内容请求，经过本地的 DNS 服务器解析，将域名的最终解析权交给别名记录指向的CDN专用DNS服务器。
2. CDN 专用 DNS 服务器将CDN全局负载均衡设备的IP地址返回给用户。
3. 用户向全局负载均衡器发起URL内容请求。
4. 全局负载均衡器选择一台用户所属区域的区域负载均衡设备，向其发起请求。
5. 区域负载均衡设备根据各缓存节点与用户的距离、节点当前负载等因素为用户选择最合适的CDN边缘缓存节点，返回给全局负载均衡设备。
6. 全局负载均衡设备将根据策略所选中的CDN边缘缓存节点的IP地址返回给用户。
7. 用户根据IP地址向具体的CDN边缘缓存节点发起内容请求，缓存节点响应用户请求并将内容发送给用户。如果该缓存节点没有该内容, 则向上一级缓存节点发出请求，最坏情况下需要追溯到源服务器拉取相应内容。
上述1-6步骤被统称为CDN请求路由，即把客户端发出的内容请求路由到合适的边缘缓存节点来为该请求提供服务，其本质上是一种流量调度机制，而不同于传统意义上网络层的路由寻址。
下面按照CDN工作流程中涉及的三个重要模块：边缘服务器、请求路由和源服务器来分别说明卫星内容分发网络中的安全威胁，如图4所示。
图 4 卫星 CDN 安全威胁总览

Fig.4 Overview of security threats for satellite CDN

2 卫星CDN边缘服务器安全威胁

本节将介绍与边缘服务器相关的卫星CDN安全挑战和对策。一般来说，CDN 服务中接收和处理的Web 请求，使边缘服务器容易受到应用层攻击，同时其缓存也可能遭受安全威胁。此外，攻击者还可以发送恶意请求，利用边缘服务器的漏洞发起拒绝服务攻击。边缘服务器也被用作隐蔽传输。

2.1 缓存攻击安全威胁与安全机制

2.1.1 缓存攻击安全威胁

缓存攻击安全威胁主要包括缓存污染[32]、缓存中毒[33]和Web缓存欺骗[34]。缓存污染中攻击者使用两种方法影响缓存位置。首先，攻击者使用虚假局部性策略，不断生成对同一组不受欢迎的内容的请求，从而降低热门内容的缓存命中率。这些攻击可以快速用不受欢迎的内容重新填充缓存。其次，攻击者经常请求一组新的不受欢迎的内容，从而降低缓存效率并影响合法的最终用户。缓存中毒是指滥用“无键输入”和“ 缓存键”概念的攻击，以毒害边缘服务器上的 Web 缓存[35]。Web缓存欺骗指攻击者诱使最终用户请求包含敏感信息的动态内容，这些信息从源服务器提供并缓存在边缘服务器中。攻击者稍后直接从边缘服务器的缓存访问此信息。

2.1.2 缓存攻击安全机制

针对缓存污染，主要采用攻击检测方法。在基于攻击者的检测中，如果重复请求的数量和百分比超过预定义的阈值，则最终用户将被归类为恶意用户。在基于对象的检测中，如果对内容的请求数与请求内容的最终用户数相比相对较大，则该内容将被视为虚假的热门内容并从缓存中逐出[36]。针对缓存中毒，多采用两种方式：第一，源服务器可以通过排除响应中HTTP标头的值来阻止；第二，边缘服务器可以通过在缓存键中包含更多 HTTP 标头来减轻此攻击的影响[37]。Web缓存欺骗则可以通过将源服务器配置为适当地响应意外的URL，或强制边缘服务器从缓存中排除敏感内容[38]和通过将响应类型与请求的URL匹配来避免缓存敏感内容[39]。

2.2 拒绝服务安全威胁与安全机制

2.2.1 拒绝服务安全威胁

拒绝服务安全威胁主要包括随机字符串[40]、缓存中毒[41]和缓存污染[42]。随机字符串是通过制作随机字符串 URL 以淹没源服务器并消耗 CDN 的资源。将随机字符串附加到用户请求URL会在边缘服务器上强制缓存未命中，即使追加的字符串可能与实际动态内容不对应也是如此。缓存污染是使用 Web 缓存中毒攻击，可导致边缘服务器缓存并提供错误页面，这使得内容无法用于合法请求。

2.2.2 拒绝服务安全机制

对于随机字符串攻击，可以用两种方式解决：第一，边缘服务器或源服务器可以丢弃对动态内容的请求（即由边缘服务器转发的动态内容请求）；第二，边缘服务器将某些信息（如最终用户的 IP 地址）附加到转发至源服务器的请求中，源服务器可以利用此信息进行威胁检测和缓解[43]。针对缓存污染，一般是从缓存中排除错误页面[44]。

2.3 隐蔽传输安全威胁与安全机制

2.3.1 隐蔽传输安全威胁

CDN隐蔽传输主要利用 CDN 边缘服务器和源服务器在恶意用户和恶意内容所有者之间创建隐蔽的通信通道[45]。

2.3.2 隐蔽传输安全机制

针对CDN隐蔽传输攻击，可采用三种主要安全机制：第一，边缘服务器仅接受经过认证的请求；第二，禁用 HTTP 请求中的查询字符串；第三，随机化第一个跃点和最后一个跃点边缘服务器之间的映射[46]。

2.4 卫星CDN边缘服务器安全威胁以及安全机制适用性分析

2.4.1 卫星CDN边缘服务器安全威胁发展趋势

（1）卫星作为中继：这时卫星仅作为通道，拒绝服务、在卫星分发网络降低缓存命中和隐蔽传输都会保持跟地面网络一样的威胁。
（2）卫星作为缓存：因为边缘服务器到源服务器的路径时变，难以长期占用特定链路，所以在卫星分发网络，拒绝服务威胁将会减轻。边缘服务器相对用户的动态性将会加剧缓存命中降低。由于恶意用户可用的边缘缓存卫星集合时变，编码传输效率低，隐蔽传输威胁将会减轻。
（3）卫星作为缓存+源：需要有足够多攻击者持续跟随卫星移动，否则难以长期占用特定链路，所以拒绝服务威胁将会减轻，与卫星作为缓存的情况相同，将会加剧缓存命中降低。由于卫星作为运营商控制的网络侧基础设施，不易被长期控制作为恶意源，隐蔽传输威胁将会减轻。

2.4.2 卫星CDN边缘服务器安全方案适用性

（1）缓存攻击：如前所述，现有解决缓存攻击的安全机制主要是基于攻击者的检测（如果重复请求的百分比超过阈值，则为恶意用户）和基于对象的检测（对内容的请求数与请求的用户数相比相对较大，则为虚假热门内容），在卫星分发网络中，安全机制主要面临的问题是恶意用户通过不断伪造新的IP，伪装成不同的用户，使统计检测失效。
（2）拒绝服务（边缘服务器场景）：如前所述，现有解决边缘服务器拒绝服务的安全机制主要是基于协作的检测，即边缘服务器将用户IP附加到转发至源服务器的请求中，源服务器利用此信息进行威胁检测，卫星分发网络中安全机制主要面临的问题是恶意用户使用虚假IP混淆检测。
（3）隐蔽传输：如前所述，现有解决隐蔽传输的安全机制主要是基于令牌认证和随机化第一跳缓存服务器与最后一跳缓存服务器的映射。在卫星分发网络中，安全机制主要面临的问题是恶意用户通过伪造IP，利用路由服务器规则接入特定边缘服务器；路径随机化可能导致绕路降低性能，并掩盖路由劫持攻击。

3 卫星CDN请求路由安全威胁与安全机制

本节将讨论与请求路由组件相关的安全威胁和安全机制，包括攻击者如何利用请求路由组件来侦查有关 CDN 的敏感信息，并使用此信息对其他 CDN 组件发起复杂的攻击，以及攻击者对请求路由组件进行重定向，将最终用户请求重定向到他们自己所需的地址。还有可能对请求路由进行拒绝服务，以阻止最终用户访问 CDN 和内容所有者提供的服务。

3.1 侦查攻击安全威胁与安全机制

3.1.1 侦查攻击

侦查攻击一般分为入口侦查攻击[47]和出口侦查攻击[48]。入口侦查攻击通过利用将用户请求随机分配给边缘服务器，来搜集更多的入口IP地址。在出口侦查攻击中，攻击者通过手工发送带有随机字符串的HTTP请求，造成边缘服务器缓存未命中。这样，请求就会被转发至恶意的源服务器，从而让恶意源服务器得以收集到出口IP地址。

3.1.2 侦查安全机制

针对入口侦查，主要采用的安全机制有：第一，绑定拆分策略，维护最终用户到边缘服务器的映射。第二，主动代理迁移策略会定期洗牌最终用户—边缘服务器绑定[47]。针对出口侦查，则使用查询字符串限制请求来缓解攻击严重性[49]。

3.2 重定向安全威胁与安全机制

3.2.1 重定向攻击

重定向攻击主要包括HTTP走私[50]和多主机歧义[51]。HTTP走私攻击者发送多个 HTTP 实体的 HTTP 请求。这些请求经过精心设计，以便 HTTP 实体由于不一致而观察到不同的请求集。通过这种方式，攻击者将 HTTP 请求“走私”到实体，而其他实体不知道此请求。多主机歧义攻击者利用解释 HTTP 请求的 Host 标头字段时的不一致来执行多个主机歧义攻击，从而允许攻击者绕过安全机制并发起其他攻击，例如缓存中毒。

3.2.2 重定向安全机制

针对重定向采取的主要安全机制有：第一，使用正确应用严格解析规则的Web应用防护（Web Application Firewall， WAF）系统拦截请求；第二，HTTPS 通信和要求在每个请求后终止客户端会话[51]。

3.3 拒绝服务安全威胁与安全机制

3.3.1 拒绝服务攻击

请求路由的拒绝服务攻击主要分为转发循环[52]、HTTP/2放大、出口阻塞和重定向劫持[48]。转发循环攻击者租用边缘服务器并使用基于 HOST 标头的转发规则配置边缘服务器。然后，攻击者使用恶意 HOST 标头手工处理 HTTP 请求，这些标头触发边缘服务器上的转发规则，导致边缘服务器之间的无限期转发循环。HTTP/2放大攻击者滥用 HTTP/2-HTTP/1.1转换，从而对源服务器进行带宽放大拒绝服务攻击。出口阻塞攻击者可以使用交叉火力攻击（crossFire attack），以淹没连接到所发现的出口IP地址的网络连接，或利用中间设备来阻止CDN的出口流量。重定向劫持使用 DNS缓存中毒把最终用户请求重定向到边缘服务器，这些大量请求使受害边缘服务器不堪重负。

3.3.2 拒绝服务安全机制

转发循环可用以下安全机制进行防范：第一，使用 HOST 标头限制或过滤请求，以缓解转发环路攻击；第二，通过跟踪已经处理HTTP请求的服务器来检测循环；第三，Akamai、Fastly和 Cloudflare 合作标准化了 HTTP CDN-Loop 标头，以解决使用 Via 标头进行循环检测的性能问题[53]。HTTP/2放大通过为通信双方运行相同版本的 HTTP 来消除此威胁。出口阻塞使用更不可预测的出口 IP 地址分配策略来缓解这种攻击，例如，通过将更多出口 IP 地址分配给源服务器并更频繁地搅动它们[54]。
重定向劫持的安全机制主要有：第一，DNS 安全扩展（Domain Name System Security Extensions，DNSSEC）在域名服务器之间建立信任链，允许它们对 DNS 响应进行身份验证。响应必须经过数字签名（即使用公钥加密），确保 DNS 响应来自合法的域名服务器；第二，边缘服务器还可以执行请求重新映射，以减轻请求重定向劫持威胁。收到请求后，边缘服务器会测量往返时间。如果测量的往返时间很长，边缘服务器会通过特定回复，将请求重新映射到另一台边缘服务器[55]；第三，限制 DNS 响应的速率大小是另一种缓解方法[56]。

3.4 卫星CDN请求路由安全威胁以及安全机制适用性分析：

3.4.1 卫星CDN中请求路由安全威胁发展趋势

（1）卫星作为中继：缓存服务器地址泄露、拒绝服务和窃取数据等威胁在卫星分发网络都会保持跟地面网络持平的程度。
（2）卫星作为缓存：星地拓扑高动态性使恶意用户天然遍历大量甚至全部卫星节点，侦查安全威胁将加剧发生。对于拒绝服务来说，转发环路威胁并不会有太大变化，但由于出口缓存卫星—源服务器连接时变，难以持续阻塞同一链路，出口阻塞威胁将会缓解。而重定向攻击也会因为动态性，使得某颗具体缓存卫星并不能持续被阻塞，DDoS的威胁因此减轻。最后，由于节点暴露、信道开放，由路由劫持而引发的数据窃取将会加剧。
（3）卫星作为缓存+源：动态性使恶意用户天然遍历大量甚至全部卫星节点，所以缓存服务器地址泄露会严重加剧，侦查威胁更容易发生。在卫星分发网络中，拒绝服务和数据窃取威胁与卫星作为缓存情况类似，将会减轻。

3.4.2 卫星CDN请求路由安全方案适用性

（1）IP侦查：不管入口IP侦查还是出口IP侦查，现有安全机制主要是绑定拆分 （维护用户−边缘服务器稳定映射）和主动代理迁移 （定期洗牌用户−边缘服务器绑定关系），卫星分发网络场景中，星地动态性下难以建立稳定的用户−边缘服务器绑定关系，恶意用户天然遍历大量卫星节点，会导致安全方案失效。
（2）拒绝服务（请求路由）：如果转发循环威胁，即使用恶意HOST标头触发边缘服务器上的转发规则，导致边缘服务器之间成环，现有的安全机制主要采用标头监视和过滤 （监视 HTTP 标头，根据每个源 IP 地址进行限制），或者环路检测（每个边缘服务器在转发请求之前附加其 CDN 标识符）两种方式。如果恶意用户使用虚假IP规避过滤，且需要所有CDN节点都使用CDN-Loop 标头才有效，否则无法感知转发路径异常，这将给转发循环创造新的契机。而对于出口阻塞，如利用GFW等中间审查设备拉黑地址的情况，常见的防范措施是分配更多的出口IP与源服务器连接，这将请求转发分布在更多出口边缘服务器上会降低聚合性，浪费缓存。最后一种重定向攻击（利用DNS缓存中毒，将用户请求重定向到边缘服务器实现DoS），主要通过以下几种方式来进行缓解：第一，DNS安全扩展（DNSSEC）协议；第二，请求重映射（边缘服务器根据往返时延（Round-Trip Time，RTT） ；第三，清洗中心；第四，限制同一源IP的相同查询的 DNS 响应速率。而大大限制卫星分发网络中安全机制的有效使用的主要原因在于：第一，动态记录签名的高计算成本使DNSSEC难以部署；第二，测量增加额外时延；第三，分流过程占用大量星间带宽；第四，恶意用户可以使用大量虚假IP发起查询规避DNS响应限制。
（3）数据窃取：通常使用路径验证来避免路由劫持导致的数据窃取，但在卫星分发动态网络下路径时变导致高验证开销，使得路径验证的效率大打折扣，甚至失效。

4 卫星CDN源服务器安全威胁及安全机制

本节将讨论源服务器的安全威胁和安全机制。隐藏或隔离源服务器的 IP 地址至关重要，因为攻击者可以直接针对具有暴露地址的源服务器。本节讨论如何利用源服务器的配置选项来规避内容所有者对内容交付强制实施的限制。

4.1 源暴露安全威胁与安全机制

4.1.1 源暴露安全威胁

源暴露主要安全威胁包括静态源地址、源站服务、内容泄露和残余名称解析[57]。源服务器使用静态 IP 地址会使它们容易受到暴露。服务源直接提供的IP地址可以暴露源站地址，例如邮件，文件传输协议（File Transfer Protocol，FTP）和安全外壳（Secure Shell，SSH）协议，攻击者可以从这些服务的 DNS 记录中收集源地址。Web内容和Pingback服务可能会泄露源地址，易受攻击的 Web 内容包括配置文件、详细页面和日志文件，开发人员也可能无意中将内容所有者的 IP 地址留在 HTML 文件中。残余名称解析是指在动态更改期间，当内容所有者在使用CDN暂停或终止其服务之间切换时，源地址可能会泄露。

4.1.2 源暴露安全机制

静态源地址风险可通过更改源站和 DNS 记录的 IP 地址来规避[58]。对于由源服务器直接提供服务的服务，内容所有者可以使用边缘服务器作为接收和转发请求的代理，或者内容所有者部署防火墙来检查源服务器的传入流量并将其列入白名单[59]。当内容泄露使用Web应用防火墙，源服务器可以禁用Pingback服务[60]。而对于残余名称解析，一些CDN允许内容所有者配置源域名，在终止服务之前，内容所有者将旧 CDN 配置为将请求重定向到属于新 CDN 的域名。这样，请求被重定向到新的 CDN，旧 CDN 的域名服务器就没有源 IP 地址[52]。

4.2 源滥用安全威胁与安全机制

4.2.1 源滥用安全威胁

源滥用安全威胁包括源地址滥用和端口滥用。源地址滥用是指充当恶意内容所有者的攻击者通过利用源服务器的域名和 IP 地址的配置选项来绕过地区限制。攻击者可以将边缘服务器配置为查询内容受限的源服务器。尽管实施了限制，边缘服务器仍可以向最终用户提供受限内容，因为他们可以访问源服务器上的这些内容。源端口滥用源站的端口号配置是指允许攻击者对合法的源服务器发起隐蔽的端口扫描和拒绝服务攻击。攻击者可以配置 CDN 来扫描源站的端口。如果出现错误，CDN 会生成错误响应，以显示扫描端口的状态[61]。

4.2.2 源滥用安全机制

一般可以通过验证源站的所有权来消除源滥用漏洞，例如要求内容所有者提供源服务器的IP和域名，并向其上传特殊文件，CDN 持续监控此 IP 域对以及上传文件[52]。

4.3 卫星CDN源服务器安全威胁以及安全机制适用性分析

4.3.1 卫星CDN源服务器安全威胁发展趋势

（1）卫星作为中继：源站暴露和源滥用都会保持跟地面网络一样的威胁。
（2）卫星作为缓存或者缓存+源：在这两种情况下，源站暴露的安全威胁也基本持平，源滥用由于巨型星座节点具有比地面CDN更大范围的地理分布，可实施地理欺骗的范围更广而加剧威胁。利用CDN不验证源配置的特性，使得本来对源服务器的请求指向攻击者恶意配置的受限服务网站，这将导致服务区内的缓存节点被服务区外的攻击者用作代理，对受限网站进行访问。

4.3.2 卫星CDN中源服务器安全方案适用性

（1）源站暴露：源站暴露的主要攻击方式是DNS历史记录，对邮件、FTP和SSH等非Web服务对应的子域执行字典攻击，维护或迁移服务的暂时暴露和诱使源服务器建立与攻击者直连的出站连接，如Pingback。常见的安全机制包括：第一，基于代理（内容所有者使用边缘服务器作为接收和转发请求的代理）的机制；第二，基于白名单（仅处理来自受信任用户IP的请求）的机制。这些方法在卫星分发网络的脆弱性主要是由于代理增加了边缘缓存服务器的负载，占用带宽，引入新的DDoS风险；恶意用户也可通过伪造白名单中的IP地址进行攻击。
（2）源滥用：源滥用是利用CDN不验证源配置的特性，使本来对源服务器的请求指向攻击者恶意配置的受限服务网站，服务区内的缓存节点被服务区外的攻击者用作代理对受限网站进行访问。通过源站锁定（要求客户将特殊文件上传到配置的源服务器以证明所有权，持续监控用户所配置的域名-IP对的变化，不断探测此特殊文件的存在）来减缓安全威胁。此安全机制在卫星分发网络的脆弱性在于源站与CDN的连接动态性使得持续探测源站凭证文件增加了状态转移的相关开销；上传文件步骤或引入新的DDoS攻击面。

5 卫星CDN攻击面分析总结

从上述对卫星分发网络的三种组件进行安全威胁分析可以看出，在卫星分发网络中网络攻击面主要是地址欺骗导致的攻击和路径劫持所导致的攻击，如表1所示，常见安全威胁在卫星CDN中发生的严重程度如表2所示。
表 1 卫星CDN主要安全威胁总结

Table 1 Major security threats to satellite CDN

安全威胁 原因 实施手段 常见目的 严重程度
中继 缓存 缓存+源
地址欺骗攻击 IP协议不检查地址真实性 伪造报文源地址欺骗网络设备 拒绝服务攻击（DoS）或窃取敏感信息 升高 升高 升高
路由攻击 中间节点和目的端不检查转发路径 伪造路由器的信息或者劫持路由器篡改路由表 数据包丢失或者流向错误的目的地，造成拒绝服务攻击或者数据泄露 升高 降低 降低
表 2 卫星CDN安全威胁严重程度

Table 2 Severity of cybersecurity threats for satellite CDN

安全威胁 威胁模型 严重程度
中继 缓存 缓存+源
①拒绝服务（边缘） 随机字符串或动态请求 持平 降低 降低
②降低缓存命中 缓存污染 持平 升高 升高
③隐蔽传输 CDN隐蔽通道攻击 持平 降低 降低
④源站暴露 DNS历史记录；对邮件、FTP和SSH等非Web服务对应的子域执行字典攻击；维护或迁移服务的暂时暴露；诱使源服务器建立与攻击者直连的出站连接 持平 持平 持平
⑤破解地理限制 CDN源滥用 持平 升高 升高
⑥边缘缓存服务器地址泄露 入口IP侦查
出口IP侦查		 持平 升高 升高
⑦拒绝服务（路由） 转发环路 持平 持平 持平
出口阻塞 持平 降低 持平
重定向 持平 降低 降低
⑧窃取数据 路由劫持 持平 升高 升高

5.1 地址欺骗攻击

地址欺骗攻击的原因是IP协议不检查地址真实性，通过伪造报文源地址欺骗其他网络设备，达到拒绝服务攻击（DoS）或窃取敏感信息的目的。对卫星分发网络而言，由于不断切换所服务的用户端而产生的报文源地址的合法变化，会一定程度掩盖恶意伪造源地址的行为。

5.2 路由路径攻击

路由路径攻击的原因是中间节点和目的端不检查转发路径，通过伪造路由器的信息或者劫持路由器篡改路由表，达到数据包丢失或者流向错误的目的地，造成拒绝服务攻击或者数据泄露的目的。对卫星分发网络而言，如果卫星作为中继或者缓存，节点和信道全时暴露，潜在攻击者规模上升，攻击机会增加。但如果卫星作为缓存 + 源，存在以下两种劫持。
（1）对某一颗卫星劫持：单攻击者难以持续跟随，合谋攻击者受成本和地理制约；
（2）对某一固定区域劫持：需要不断劫持新的过顶卫星，并且不一定能劫持到特定目的流量。

5.3 卫星互联网对地址真实与路径可信机制的影响

卫星CDN中的网络层所面临的地址欺骗攻击和路由攻击所面临的挑战来源于互联网协议本身的脆弱性。当前互联网以TCP/IP 协议为核心的“窄腰”架构能够简洁方便地保证网络传输效率，“尽力而为”的转发原则能够在最大程度上保证通信性能，但是该架构也天然具有两个方面的脆弱性：一是无法确认报文来源的真实性，二是无法保证数据包在传输过程中的实际路径符合预期。攻击者可利用该脆弱性实施各种高级攻击，如 DDoS攻击中通过伪造源地址实现反射放大等目的，而篡改转发路径则可被用于路由劫持攻击，将流量重定向到窃听节点，从而获取用户隐私数据。
低轨卫星时刻处于对地高速移动状态，导致星地连接的频繁切换。以Starlink 为例，地面终端平均 135.21 s就需要切换接入卫星。卫星作为网络基础设施在全球范围移动，一方面使卫星上维护的用户状态不断远离用户，使得状态转移产生大量开销，另一方面拓扑时变使路由频繁重收敛，端到端路径不再稳定。这些因素导致了地面互联网中基于稳定拓扑的安全方法在卫星互联网中失效，难以直接应用于卫星CDN中，详见表3。
表 3 卫星CDN安全机制及脆弱性总结

Table 3 Security mechanisms and vulnerabilities of satellite content delivery network

安全威胁 安全机制 机制脆弱性
①拒绝服务（边缘） ①基于协作的检测 恶意用户使用虚假IP混淆检测
②降低缓存命中 ①基于攻击者的检测
②基于对象的检测		 恶意用户通过不断伪造新的IP，伪装成不同的用户，使统计检测失效
③隐蔽传输 ①基于令牌
②随机化第一跳与最后一跳缓存服务器的映射		 恶意用户通过伪造IP，利用路由服务器规则接入特定边缘服务器；路径随机化可能导致绕路降低性能，并掩盖路由劫持攻击
④源站暴露 ①基于代理
②基于白名单		 代理增加了边缘缓存服务器的负载，占用带宽，引入新的DDos风险；恶意用户可伪造白名单中的IP
⑤破解地理限制 源站锁定 源站与CDN的连接动态性使得持续探测源站凭证文件，增加了状态转移的相关开销；上传文件步骤或引入新的DoS攻击面
⑥边缘缓存服务器地址泄露 ①绑定拆分
②主动代理迁移		 星地动态性下难以建立稳定的用户-边缘服务器绑定关系，恶意用户天然遍历大量卫星节点
⑦拒绝服务（路由） ①标头监视
②环路检测		 恶意用户使用虚假IP规避过滤；需要所有CDN节点都使用CDN-Loop 标头才有效，否则无法感知转发路径异常
分配更多的出口IP与源服务器连接 将请求转发分布在更多出口边缘服务器上会降低聚合性，浪费缓存
①DNS安全扩展(DNSSEC)协议
②请求重映射
③清洗中心
④限制同一源IP的相同查询的 DNS 响应速率		 ①动态记录签名的高计算成本使DNSSEC难以部署
②测量增加额外时延
③分流过程占用大量星间带宽
④恶意用户使用大量虚假IP发起查询规避DNS响应限制
⑧窃取数据 路径验证 动态网络路径时变导致高验证开销

5.3.1 卫星CDN可能的安全技术途径

对于卫星CDN，可行的安全技术途径和对应的安全威胁总结如下：
（1）保证用户和源服务器的地址真实（①②③④⑤⑦ ）；
（2）保证CDN内部转发过程的路径可信（③⑦⑧ ）；
（3）验证CDN的配置选项真实性（ ⑤ ）；
（4）移动目标防御，如定期更换卫星IP地址（ ⑥ ）。
可见，保证地址可信和路径可信对于卫星CDN尤为重要，但同时也面临着卫星动态性的挑战。

5.3.2 卫星网络动态性对地址真实的影响

对于地址欺骗攻击，地面互联网中的典型安全机制是在网络侧接入设备上进行源地址验证，该设备存有用户的合法地址与锚点的绑定关系，并检查每一个报文的源地址是否与绑定关系匹配，不匹配则丢弃，从而实现对恶意报文的拒止。然而，卫星的高速移动导致锚点也随之远离用户，原始绑定信息失效，新接入卫星上不存在该用户的锚点绑定信息。为了保证源地址验证机制的运行，用户需要在新接入卫星上进行重新认证和绑定，全球海量用户频繁执行该操作将产生信令风暴，造成源地址验证机制的开销急剧增加以及网络性能的下降。因此，在卫星高速移动的卫星分发网络中，如何降低锚点移动性导致的锚点频繁重绑定开销，保证源地址验证机制的可用性，具有重要的研究意义。

5.3.3 卫星网络动态性对路径可信的影响

对于路由路径攻击，地面互联网中的典型安全技术是基于路径稳定假设的逐跳路径验证，路由节点和认证实体之间共享密钥，利用该密钥对数据包生成加密标记，然后下游的验证实体通过该加密标记对实际转发路径与预期转发路径进行一致性校验。然而，卫星的高速移动使星地连接频繁切换，网络拓扑随之频繁时变，引发路由重收敛和路径时变，导致加密标记过期失效。为了保证路径验证机制的稳定运行，需要根据新路径重新共享密钥和计算加密标记，频繁执行该操作将产生大量的信令交互和加解密计算，导致路径验证的开销急剧增加，并且在加密标记更新期间发出的包将会被误判丢包。因此，在节点高速移动的卫星CDN中，如何保证路径可信并降低其检测开销，具有重要的研究意义。

6 结束语

内容分发将成为卫星互联网最有潜力的应用场景之一，但是现有的内容分发架构尚未考虑安全因素，导致分发路径可能经过具有潜在威胁的风险区域，危及用户隐私数据。天地融合的内容分发场景中，低轨巨型卫星星座的飞速发展为CDN带来了新的机遇，但低轨卫星由于全球绕行长期处于非受控区域，源地址伪造与路由劫持更容易发生，也更难以感知和防御。然而，低轨卫星的高动态性使得地面互联网中依赖于拓扑和基础设施稳定的现有安全技术失效，无法直接应用于卫星CDN中。本文通过对不同攻击模型在卫星CDN中发生的可能性以及严重程度进行梳理，分析现有安全机制在卫星CDN安全场景适用程度及存在问题，找到卫星CDN安全机制面临的主要挑战。最后，总结了卫星CDN安全威胁发生的根源以及可能的解决路径，为未来卫星CDN安全研究方向进行了展望。

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