[發(fā)明專利]一種無人機(jī)輔助的終端接入認(rèn)證方法、系統(tǒng)、設(shè)備及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110190970.2
• 申請日: 2021-02-20
• 公開（公告）號: CN113068187B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曹進(jìn);關(guān)鍵;李暉;馬如慧;趙興文
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: H04W12/06
• 分類號: H04W12/06;H04W12/122;H04L9/32
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

1.一種無人機(jī)輔助的終端接入認(rèn)證方法，其特征在于，所述無人機(jī)輔助的終端接入認(rèn)證方法包括：

無人機(jī)及終端通過安全信道與網(wǎng)絡(luò)控制中心交互執(zhí)行實(shí)體注冊流程，預(yù)置秘密消息后，完成實(shí)體注冊；

無人機(jī)通過與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制中心交互，完成無人機(jī)的接入認(rèn)證；

無人機(jī)完成接入認(rèn)證后，終端在無人機(jī)的輔助下完成在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的接入認(rèn)證；

當(dāng)無人機(jī)由于不可抗力偏離指定空域?qū)е抡J(rèn)證中斷時(shí)，多無人機(jī)快速協(xié)作，繼續(xù)輔助終端完成接入認(rèn)證；

所述的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)在注冊之前，衛(wèi)星已經(jīng)與網(wǎng)絡(luò)控制中心完成組網(wǎng)認(rèn)證；所述無人機(jī)及終端通過安全信道與網(wǎng)絡(luò)控制中心交互執(zhí)行實(shí)體注冊流程，預(yù)置秘密消息后，完成實(shí)體注冊，包括：

S1無人機(jī)注冊

S1.1無人機(jī)通過安全信道向網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送其身份標(biāo)識符ID_u，同時(shí)選擇隨機(jī)的PUF激勵一并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制中心；

S1.2網(wǎng)絡(luò)控制中心通過其內(nèi)存中內(nèi)置的PUF計(jì)算激勵響應(yīng)同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制中心生成一組隨機(jī)激勵及偽身份標(biāo)識符PID_N＝{pid₁,pid₂,…,pid_n}，將上述通過安全信道發(fā)送至無人機(jī)；

S1.3無人機(jī)通過自身內(nèi)存中嵌入的PUF為每一個隨機(jī)激勵生成對應(yīng)的激勵響應(yīng)然后將這組激勵響應(yīng)返回至網(wǎng)絡(luò)控制中心；

S1.4網(wǎng)絡(luò)控制中心需要存儲無人機(jī)只需要存儲{ID_u,PID_N,(C_i^y,R_i^y)}；

S2終端注冊

S2.1在注冊階段，首先由用戶終端與網(wǎng)絡(luò)控制中心進(jìn)行交互，由用戶終端通過安全信道發(fā)送自己真實(shí)身份標(biāo)識，同時(shí)生成其第i次認(rèn)證時(shí)對網(wǎng)絡(luò)控制中心內(nèi)置PUF的隨機(jī)激勵將ID_d,一并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制中心；

S2.2網(wǎng)絡(luò)控制中心收到后，通過自身內(nèi)存中的PUF生成激勵響應(yīng)同時(shí)由網(wǎng)絡(luò)控制中心生成其對終端內(nèi)置PUF的隨機(jī)激勵以及用戶終端進(jìn)行下次認(rèn)證的偽身份標(biāo)識符通過安全信道向用戶終端發(fā)送消息M：

S2.3用戶終端收到消息M后，由自身內(nèi)存內(nèi)置的PUF生成激勵響應(yīng)并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制中心進(jìn)行保存；

S2.4最終，終端需要額外保存網(wǎng)絡(luò)控制中心保存

所述無人機(jī)通過與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)控制中心交互，完成無人機(jī)的接入認(rèn)證，包括：

S3.1無人機(jī)可以從自身偽身份標(biāo)識組PID_N＝{pid₁,pid₂,…,pid_n}中任意選擇第i個偽身份標(biāo)識符pid_i準(zhǔn)備發(fā)起認(rèn)證；

S3.2無人機(jī)隨機(jī)選擇任一偽身份標(biāo)識符pid_i作為自己本輪認(rèn)證的身份標(biāo)識信息以實(shí)現(xiàn)對其真實(shí)身份的保護(hù)；同時(shí)利用自身的隨機(jī)數(shù)生成器生成隨機(jī)數(shù)N_u，同時(shí)讀取內(nèi)部存儲的預(yù)置秘密消息將認(rèn)證請求一并發(fā)送至其所在空域的衛(wèi)星；如由于環(huán)境因素導(dǎo)致認(rèn)證請求無響應(yīng)或遇到DDos攻擊，則重新選擇新的第i+1個偽身份標(biāo)識符進(jìn)行認(rèn)證；

S3.3無人機(jī)所在空域的衛(wèi)星在接收到認(rèn)證請求后，將添加自身星座身份標(biāo)識并將認(rèn)證請求轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)控制中心，網(wǎng)絡(luò)控制中心可以根據(jù)其身份標(biāo)識符確定其所屬空域；

S3.4網(wǎng)絡(luò)控制中心偽身份標(biāo)識符pid_i是否在其合法范圍內(nèi)，并隨機(jī)選取任意一對(c_i,r_i)用于本輪認(rèn)證；利用認(rèn)證請求中的激勵計(jì)算對應(yīng)響應(yīng)根據(jù)響應(yīng)及無人機(jī)的激勵響r_i計(jì)算消息認(rèn)證碼：生成本輪認(rèn)證的隨機(jī)數(shù)N_s，并無人機(jī)補(bǔ)充新的偽身份標(biāo)識符pid_n+1，此外網(wǎng)絡(luò)控制中心還需要計(jì)算其下一次用于與該無人機(jī)認(rèn)證的激勵響應(yīng)對：并對敏感信息進(jìn)行保密處理：將認(rèn)證響應(yīng)通過原衛(wèi)星發(fā)送至發(fā)起認(rèn)證請求的無人機(jī)；

S3.4無人機(jī)在收到認(rèn)證響應(yīng)后，首先利用自身內(nèi)存中內(nèi)置的PUF計(jì)算并利用本地內(nèi)存中的激勵響應(yīng)以及接收到的數(shù)據(jù)驗(yàn)證XRES是否等于認(rèn)證完成后計(jì)算并獲取后續(xù)認(rèn)證的偽身份標(biāo)識符及網(wǎng)絡(luò)控制中心的激勵響應(yīng)對：同時(shí)，無人機(jī)需要生成自己下一輪認(rèn)證的激勵及響應(yīng)對并進(jìn)行保密處理：c_n+1＝h(c_i||r_i||ID_u)，此外，無人機(jī)還需要生成后續(xù)通信所需的會話密鑰S_k以及認(rèn)證消息確認(rèn)碼RES：RES＝h(r_i||S_k)，無人機(jī)將認(rèn)證響應(yīng)消息通過衛(wèi)星發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)控制中心等待驗(yàn)證；

S3.5網(wǎng)絡(luò)控制中心接收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，從中計(jì)算出：c_n+1＝h(c_i||r_i||ID_u)，利用上述計(jì)算結(jié)果對RES進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過，則完成對無人機(jī)的認(rèn)證；此時(shí)，雙方刪除使用過的偽身份標(biāo)識符以及對應(yīng)的激勵響應(yīng)對而在認(rèn)證過程中補(bǔ)充的新的偽身份標(biāo)識符及激勵響應(yīng)對需要分別進(jìn)行存儲，以供后續(xù)認(rèn)證，雙方在認(rèn)證過程中安全協(xié)商的會話密鑰S_k也將分別被雙方存儲，用于保障后續(xù)無線通信過程的安全；

所述無人機(jī)完成接入認(rèn)證后，終端在無人機(jī)的輔助下完成在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的接入認(rèn)證，包括：

S4.1由用戶終端向提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的無人機(jī)發(fā)起認(rèn)證請求，并通過衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)控制中心交互完成雙向認(rèn)證與密鑰協(xié)商；由于在無人機(jī)接入認(rèn)證階段無人機(jī)已經(jīng)完成與網(wǎng)絡(luò)控制和中心的認(rèn)證，因此，在后續(xù)認(rèn)證流程中，無人機(jī)可以輔助其通信覆蓋范圍內(nèi)的終端設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證首先由終端設(shè)備為本輪認(rèn)證過程生成隨機(jī)數(shù)N_d，同時(shí)將自身偽身份標(biāo)識符以及注冊階段預(yù)置的對網(wǎng)絡(luò)控制中心側(cè)PUF的激勵作為認(rèn)證請求，一同發(fā)送至其所在空域的無人機(jī)；

S4.2無人機(jī)接收到認(rèn)證請求后，在認(rèn)證請求上附加其身份標(biāo)識符ID_UAV通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)絡(luò)控制中心以協(xié)助完成認(rèn)證；所述身份標(biāo)識符在該無人機(jī)的接入認(rèn)證階段完成后，安全的儲存于網(wǎng)絡(luò)控制中心內(nèi)；

S4.3在收到認(rèn)證請求后，網(wǎng)絡(luò)控制中心首先校驗(yàn)偽身份標(biāo)識符的合法性，為本輪認(rèn)證生成隨機(jī)數(shù)N_s，同時(shí)利用其內(nèi)存中預(yù)置的PUF計(jì)算請求中激勵的響應(yīng)讀取網(wǎng)絡(luò)控制中心中該終端在注冊階段預(yù)置的激勵響應(yīng)對并分別計(jì)算消息認(rèn)證碼：同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)控制中心需要計(jì)算下輪認(rèn)證所需要用到偽身份標(biāo)識符及激勵響應(yīng)對，并進(jìn)行保密處理：計(jì)算完成后，網(wǎng)絡(luò)控制中心向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)作為認(rèn)證響應(yīng)；

S4.4在收到網(wǎng)絡(luò)控制中心的認(rèn)證響應(yīng)后，衛(wèi)星提取其中的消息認(rèn)證碼XRES以及終端和網(wǎng)絡(luò)控制中心生成的隨機(jī)數(shù)N_s,N_d，計(jì)算HXRES＝h(N_d||N_s||XRES)用于后續(xù)對終端設(shè)備的認(rèn)證；計(jì)算完成后，衛(wèi)星存儲XRES并發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)至無人機(jī)進(jìn)行后續(xù)認(rèn)證流程；

S4.5無人機(jī)收到衛(wèi)星的認(rèn)證響應(yīng)后，讀取并存儲HXRES，同時(shí)將其身份標(biāo)識符ID_UAV合并成新認(rèn)證響應(yīng)后一同發(fā)送至終端；

S4.6終端在收到認(rèn)證響應(yīng)后，首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送的激勵輸入到其內(nèi)存中的PUF中，計(jì)算出激勵響應(yīng)然后結(jié)合其內(nèi)存中存儲的認(rèn)證系統(tǒng)側(cè)的激勵響應(yīng)對及認(rèn)證響應(yīng)內(nèi)容，計(jì)算消息認(rèn)證碼并對MAC值進(jìn)行校驗(yàn)；此外，終端需要計(jì)算下一輪認(rèn)證所需的網(wǎng)絡(luò)控制中心側(cè)PUF的輸入激勵：同時(shí)，終端需要讀取其所收到的認(rèn)證響應(yīng)的內(nèi)容，解析出對應(yīng)的激勵響應(yīng)及網(wǎng)絡(luò)控制中心為終端生成的新的偽身份標(biāo)識符終端計(jì)算以及下一輪認(rèn)證計(jì)算所需的PUF激勵響應(yīng)對并對其進(jìn)行保密處理：此時(shí)，終端可以向無人機(jī)發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息并計(jì)算本輪認(rèn)證完成后與網(wǎng)絡(luò)控制中心協(xié)商的會話密鑰：

S4.7無人機(jī)在收到終端發(fā)送的認(rèn)證響應(yīng)消息后，提取其中的RES的值，并計(jì)算：HRES＝h(N_d||N_s||RES)，計(jì)算完成后，無人機(jī)可以通過校驗(yàn)HRES與其在步驟5中存儲的HXRES的一致性來完成對終端的認(rèn)證；若認(rèn)證通過，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)認(rèn)證響應(yīng)消息至衛(wèi)星；

S4.8衛(wèi)星收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，讀取其在步驟(2)中存儲的XRES的值并校驗(yàn)RES的正確性，若校驗(yàn)一致，則向網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送認(rèn)證確認(rèn)消息由網(wǎng)絡(luò)控制中心對秘密消息進(jìn)行提取；

S4.9在收到衛(wèi)星發(fā)送的認(rèn)證確認(rèn)消息后，網(wǎng)絡(luò)控制中心計(jì)算得到該終端下一輪認(rèn)證所需的PUF激勵響應(yīng)對及后續(xù)通信的會話密鑰：

步驟S4.1-步驟S4.9的流程完成后，終端側(cè)需要存儲用于下一輪認(rèn)證以及后續(xù)的無線網(wǎng)絡(luò)通信過程；網(wǎng)絡(luò)控制中心側(cè)需要存儲用于后續(xù)認(rèn)證及通信；

所述當(dāng)無人機(jī)由于不可抗力偏離指定空域?qū)е抡J(rèn)證中斷時(shí)，多無人機(jī)快速協(xié)作，繼續(xù)輔助終端完成接入認(rèn)證，包括：

當(dāng)無人機(jī)A由于電量不足、環(huán)境等因素偏離原定空域，導(dǎo)致與其原有的覆蓋范圍內(nèi)的終端設(shè)備失去連接時(shí)，根據(jù)無人機(jī)A偏離時(shí)認(rèn)證流程執(zhí)行階段的不同，分以下情況討論：

(1)原無人機(jī)在完成步驟S4.2之前偏離

當(dāng)無人機(jī)A偏離指定空域時(shí)，若待認(rèn)證的地面終端設(shè)備已經(jīng)向原無人機(jī)完成步驟S4.1認(rèn)證請求的發(fā)送，而無人機(jī)A未收到步驟S4.1的認(rèn)證請求或收到后未成功發(fā)送步驟S4.2的消息內(nèi)容，那么當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制中心重新派遣狀況良好無人機(jī)進(jìn)入指定空域協(xié)助進(jìn)行作業(yè)時(shí)，終端設(shè)備需要重新執(zhí)行步驟S4.1向無人機(jī)B再次發(fā)起認(rèn)證流程；

(2)原無人機(jī)在步驟S4.2完成后至步驟S4.4完成前偏離

1)當(dāng)原無人機(jī)A在步驟S4.2完成后至步驟S4.4完成前偏離其覆蓋范圍，則由系統(tǒng)指派狀況良好的無人機(jī)B進(jìn)入指定空域協(xié)助繼續(xù)完成認(rèn)證；網(wǎng)絡(luò)控制中心需要根據(jù)參與協(xié)助的無人機(jī)B的身份標(biāo)識符ID_UAVb為參與協(xié)助的無人機(jī)B計(jì)算切換識別認(rèn)證碼TMAC＝h(MAC||ID_UAVa||ID_UAVb)；

2)如此時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制中心尚未執(zhí)行步驟S4.3向衛(wèi)星發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)，則其需將切換識別認(rèn)證碼TMAC，無人機(jī)B的身份標(biāo)識符ID_UAVb與步驟S4.3中的認(rèn)證響應(yīng){AUTN,C_i^x,XRES}通過衛(wèi)星、無人機(jī)B同步發(fā)送至終端設(shè)備；

3)如此時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制中心已經(jīng)執(zhí)行步驟S4.3，則無人機(jī)B在收到認(rèn)證響應(yīng){AUTN,C_i^x,XRES}后繼續(xù)等待；網(wǎng)絡(luò)控制中心在計(jì)算好切換識別認(rèn)證碼TMAC后，單獨(dú)發(fā)送協(xié)助認(rèn)證消息{TMAC,ID_UAVa,ID_UAVb}至無人機(jī)B；在收到協(xié)助認(rèn)證消息后，無人機(jī)B將認(rèn)證響應(yīng)、協(xié)助認(rèn)證消息同步發(fā)送至終端，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)認(rèn)證流程；

4)在終端收到認(rèn)證響應(yīng)及協(xié)助認(rèn)證消息后，首先通過自身預(yù)置PUF計(jì)算：并利用注冊階段預(yù)置的秘密消息計(jì)算：THMAC＝h(HMAC||ID_UAVa||ID_UAVb)；利用計(jì)算得到的HMAC、THMAC分別對收到的消息中的MAC,TMAC進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)失敗，則結(jié)束認(rèn)證流程；反之則認(rèn)為無人機(jī)B為合法無人機(jī)，可以通過其繼續(xù)完成認(rèn)證；終端計(jì)算下一輪認(rèn)證所需的PUF的輸入激勵并解密出認(rèn)證響應(yīng)中包含的激勵響應(yīng)以及新的終端偽身份標(biāo)識符上述流程完成后，終端計(jì)算生成其自身的消息認(rèn)證碼：此外，終端需要為下一輪認(rèn)證計(jì)算所需的PUF激勵響應(yīng)對并對其進(jìn)行保密處理：此時(shí)，終端可以向無人機(jī)發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息并計(jì)算本輪認(rèn)證完成后與網(wǎng)絡(luò)控制中心協(xié)商的會話密鑰：

5)無人機(jī)收到后，提取其中的RES的值，并計(jì)算：HRES＝h(N_d||N_s||RES)，計(jì)算完成后，無人機(jī)可以通過校驗(yàn)HRES與其在步驟S4.5中存儲的HXRES的一致性來完成對終端的認(rèn)證；若認(rèn)證通過，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)認(rèn)證響應(yīng)消息至衛(wèi)星；

6)衛(wèi)星收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，XRES的值并校驗(yàn)RES的正確性，若校驗(yàn)一致，則向網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送認(rèn)證確認(rèn)消息由網(wǎng)絡(luò)控制中心對秘密消息進(jìn)行提取；

7)在收到衛(wèi)星發(fā)送的認(rèn)證確認(rèn)消息后，網(wǎng)絡(luò)控制中心需要計(jì)算得到該終端下一輪認(rèn)證所需的PUF激勵響應(yīng)對及后續(xù)通信會話密鑰：

8)認(rèn)證完成后，終端側(cè)需要存儲網(wǎng)絡(luò)控制中心側(cè)需要存儲用于后續(xù)認(rèn)證及通信；

(3)原無人機(jī)在步驟S4.5完成后偏離

1)如此時(shí)終端設(shè)備已經(jīng)完成對網(wǎng)絡(luò)控制中心的認(rèn)證，并已經(jīng)計(jì)算好認(rèn)證響應(yīng)消息，即將執(zhí)行步驟S4.6，若其發(fā)現(xiàn)原無人機(jī)A脫離其通信范圍，則其進(jìn)行靜默等待；

2)在網(wǎng)絡(luò)控制中心計(jì)算切換識別認(rèn)證碼TMAC＝h(MAC||ID_UAVa||ID_UAVb)后，發(fā)送協(xié)助認(rèn)證消息{TMAC,ID_UAVb,N_d,N_s}至衛(wèi)星；

3)衛(wèi)星添加消息認(rèn)證碼HXRES后，轉(zhuǎn)發(fā)至無人機(jī)B；負(fù)責(zé)協(xié)助認(rèn)證的無人機(jī)B轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)助認(rèn)證消息{TMAC,ID_UAVb}至終端設(shè)備，并將其余信息進(jìn)行保存；

4)終端在收到協(xié)助認(rèn)證消息后，首先計(jì)算：THMAC＝h(HMAC||ID_UAVa||ID_UAVb)，然后對TMAC的值進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)不一致，則結(jié)束認(rèn)證；反之，則繼續(xù)執(zhí)行步驟S4.6，向無人機(jī)B發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)消息

5)負(fù)責(zé)協(xié)助認(rèn)證的無人機(jī)B收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，提取其中的RES的值，并計(jì)算：HRES＝h(N_d||N_s||RES)，計(jì)算完成后，無人機(jī)B可以通過校驗(yàn)HRES與其本地儲存的HXRES的一致性來完成對終端的認(rèn)證；若認(rèn)證通過，則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)認(rèn)證響應(yīng)消息至衛(wèi)星執(zhí)行后續(xù)認(rèn)證流程；

6)衛(wèi)星在收到認(rèn)證響應(yīng)消息后，XRES的值并校驗(yàn)RES的正確性，若校驗(yàn)一致，則向網(wǎng)絡(luò)控制中心發(fā)送認(rèn)證確認(rèn)消息由網(wǎng)絡(luò)控制中心對秘密消息進(jìn)行提取；此外，網(wǎng)絡(luò)控制中心需要計(jì)算得到該終端下一輪認(rèn)證所需的PUF激勵響應(yīng)對及后續(xù)通信的會話密鑰：

7)認(rèn)證完成后，終端側(cè)需要存儲網(wǎng)絡(luò)控制中心側(cè)需要存儲用于后續(xù)認(rèn)證及通信。