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一种基于多无人机中继的安全匿名核心网访问方案

一种基于多无人机中继的安全匿名核心网访问方案

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作者：王利西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息技术的不断发展,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在各个领域都发挥着重要的作用,因为其机动性强且容易部署,所以在火灾救援、航空拍摄、高空设备检修、精准农业、以及货物运输等多个场景中,无人机都承载着很大的作用。由... 详细信息

随着信息技术的不断发展,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)在各个领域都发挥着重要的作用,因为其机动性强且容易部署,所以在火灾救援、航空拍摄、高空设备检修、精准农业、以及货物运输等多个场景中,无人机都承载着很大的作用。由于集群控制算法在不断优化,多无人机的应用也开始被重视,相较于单无人机,多无人机在执行任务时可靠性更高。近年来,将无人机和基站结合,帮助地面用户接入核心网(Core Network,CN)成为了一个新兴的课题,由于无人机飞行在高空,因此可以提供更大范围的信号覆盖。在自然灾害、战场网络或是地面基站过载的情况下,用户可以通过多无人机中继的协助连接到核心网。然而,基于多无人机中继的核心网访问方案目前仍存在很多的安全问题。首先,因为用户设备(User Equipment,UE)不能与核心网直接通信,而是通过无人机中继来完成与核心网之间的双向认证,并建立安全的会话信道,所以这一过程非常容易遭到攻击者的破坏。其次,核心网的通信资源是有限的,攻击者可能会非法使用核心网,而让合法的用户设备无法正常使用网络。再其次,当场景中存在多架无人机中继时,攻击者可能会伪装成合法的中继对无人机网络进行破坏。另外,在中继通信的场景下,用户的真实身份信息很有可能被攻击者获得,造成用户身份信息的泄露。最后,当无人机中继网络中的某个节点被劫持,攻击者很有可能利用该节点破坏整个中继网络。针对以上问题,本论文结合国内外的研究,总结基于多无人机中继访问场景下的安全需求。结合密码学技术,进行了如下的研究:针对无人机中继接入核心网的安全问题,本方案采用基于身份的加密思想,利用双线性配对,完成无人机中继与核心网之间的双向认证。只有通过认证的无人机才能接入核心网,核心网也只接收已认证的无人机中继的消息,从而避免了核心网资源的浪费;针对用户设备接入核心网的安全问题,本方案采用Diffie-Hellman密钥协商的思想,利用随机数和安全单向哈希函数实现了用户与核心网之间的认证与密钥协商,用户通过协商出的密钥与核心网进行通信,保护消息的机密性。最后利用签名算法向无人机中继说明用户的合法性;针对用户身份隐私的问题,用户使用匿名的方式向核心网发起认证,同时为了防止匿名被攻击者分析,本方案还支持匿名更换;针对多无人机之间相互认证的问题,本方案采用双线性配对的方法,能够实现无人机之间的相互认证,保证只有在核心网注册的无人机才可以加入中继网络;针对无人机身份管理的问题,本方案利用BLS签名的思想,核心网对合法和非法的无人机列表进行签名,将列表和签名广播到无人机网络,在验证签名后存储列表,最后通过该列表识别不合法的无人机中继。为了验证方案的安全性,本论文使用了BAN逻辑方法对方案进行形式化分析,并利用形式化证明工具Tamarin-prover对方案的安全性进行证明。最后对方案进行了实现,本方案在计算开销、通信开销、存储开销以及安全性能上与现有方案相比具有显著优势。

关键词：无人机中继中继网络安全双向认证隐私保护基于身份的加密

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