面向BDSBAS电文认证的OTAR播发策略设计

穆盛林; 陈颖; 刘婷; 刘成; 陈潇

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0222

面向BDSBAS电文认证的OTAR播发策略设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0222

穆盛林^{1, 2},
陈颖³,
刘婷¹,
刘成³,
陈潇^{1, 2, ,}

1.
中国科学院大学光电学院, 北京 100049
2.
中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
3.
北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094

详细信息

通讯作者:
陈潇, E-mail: chenxiao@aircas.ac.cn

中图分类号: V19;X949
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出版历程
- 收稿日期: 2020-05-27
- 录用日期: 2020-07-28
- 网络出版日期: 2021-07-20

Design of message authentication and OTAR broadcast strategy for BDSBAS

MU Shenglin^{1, 2},
CHEN Ying³,
LIU Ting¹,
LIU Cheng³,
CHEN Xiao^{1, 2
, ,}

1.
School of Optoelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2.
Airspace Information Innovation Institute, Chinese Academy of Sciences(CAS), Beijing 100094, China
3.
Beijing Institute of Tracking and Communication Technology, Beijing 100094, China

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Corresponding author: CHEN Xiao, E-mail: chenxiao@aircas.ac.cn

摘要

摘要:
星基增强系统（SBAS）是向用户提供完好性信息的广域增强系统，涉及生命安全领域。为了提高SBAS系统的抗欺骗能力，基于椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）提出面向北斗星基增强系统（BDSBAS）的电文认证设计方案。根据国内商用密码标准椭圆曲线（SM2）算法进行相应参数设计和电文排布方案，并描述了空中密钥更新（OTAR）的电文播发策略。为了进一步对试验方案进行验证，采用蒙特卡罗OTAR仿真器，基于3种播发调度算法进行仿真试验，通过调整权重对不同情况下OTAR电文接收时间进行分析。仿真结果为具体情况下OTAR电文方案播发调度的选择提供了重要参考依据。
- 北斗星基增强系统(BDSBAS) /
- 电文认证 /
- 椭圆曲线数字签名算法(ECDSA) /
- 空中密钥更新(OTAR) /
- 播发策略
Abstract:
Satellite-based Augmentation System (SBAS) relates to the field of life safety through a wide-area augmentation system that provides integrity information to users. To improve SBAS's ability to resist spoofing, firstly, based on the Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA), this paper proposes a message authentication design scheme for BeiDou Satellite-based Augmentation System (BDSBAS). According to the domestic commercial cryptographic standard elliptic curve (SM2) algorithm, the corresponding parameter design and message distribution scheme are carried out, and the message distribution strategy of Over the Air Rekeying (OTAR) is described. In order to further verify the test scheme, this paper uses Monte Carlo OTAR simulator to carry out simulation tests based on three broadcast scheduling algorithms. By adjusting the weights, the receiving time of OTAR messages in different situations is analyzed. The simulation results provide an important reference for the selection of broadcast scheduling of OTAR message schemes in specific situations.
- BeiDou Satellite-based Augmentation System (BDSBAS) /
- message authentication /
- Elliptic Curve Digital Signature Algorithm (ECDSA) /
- Over the Air Rekeying (OTAR) /
- broadcast strategy

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图 1 SBAS电文认证原理

Figure 1. Principle of SBAS message authentication

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图 2 L5I认证电文播发框架

Figure 2. L5I authentication message broadcasting framework

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图 3 L5Q认证电文播发框架

Figure 3. L5Q authentication message broadcasting framework

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图 4 最大认证延迟和认证时间间隔

Figure 4. Authentication latency and time between authentication

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图 5 电文发送端运行流程

Figure 5. Operation flowchart of message sending end

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图 6 L5Q-ECDSA电文序列

Figure 6. L5Q-ECDSA message sequence

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图 7 ECDSA电文时序

Figure 7. ECDSA message sequence of time

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图 8 L5Q路电文结构

Figure 8. L5Q-channel message structure

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图 9 权重比影响分析

Figure 9. Impact analysis of weight ratio

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图 10 PFQ系统公钥接收时间直方图

Figure 10. Histogram of system public key reception time of PFQ

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图 11 PFQ-Semi-Rigid系统公钥接收时间直方图

Figure 11. Histogram of system public key reception time of PFQ-Semi-Rigid

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图 12 PFQ-Split系统公钥接收时间直方图

Figure 12. Histogram of system public key reception time of PFQ-Split

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图 13 解调错误率影响分析

Figure 13. Impact analysis of demodulation error rate

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表 1 NIST密码算法安全等级

Table 1. NIST cryptographic algorithm security level

安全等级/位	应用层级	2030年之前	2031年以后
< 112	应用	不可用	不可用
< 112	进程	存在风险	不可用
112	应用	可用	不可用
112	进程	可用	存在风险
128	应用/进程	可用	可用
192	应用/进程	可用	可用
256	应用/进程	可用	可用

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表 2 关键性能指标

Table 2. Key performance indicators

核心指标	定义	指标数值/s
TBA	表征2次认证的时间间隔	3
TTFA	表征第一次认证时间	6
MAL	表征最大认证延迟	4
ATTA	表征认证告警时间	0

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表 3 OTAR播发内容

Table 3. OTAR broadcast content

OTAR电文格式(OMT)	定义	长度/bit
OMT1	当前系统公钥	512
OMT2	OMT1的公钥证书	512
OMT3	下一个系统公钥	512
OMT4	OMT3的公钥证书	512
OMT5	当前系统公钥/公钥证书公钥到期声明	162
OMT6	OMT5的公钥证书	512
OMT7	当前公钥证书公钥	512
OMT8	OMT7的公钥证书	512
OMT9	下一个公钥证书公钥	512
OMT10	OMT9的公钥证书	512
OMT11-13	保留位置

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表 4 评估指标

Table 4. Evaluation indicators

评估指标	当前系统公钥/公钥证书	全部OTAR
平均时间	表征接收OMT1和OMT2所需平均时间	表征接收全部OTAR电文所需平均时间
最大时间	表征接收OMT1和OMT2所需最大时间	表征接收全部OTAR电文所需最大时间
最小时间	表征接收OMT1和OMT2所需最小时间	表征接收全部OTAR电文所需最小时间
时间范围	表征接收OMT1和OMT2所需时间区间	表征接收全部OTAR电文所需时间区间

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表 5 权重比对接收时间影响对比结果

Table 5. Comparison results of weight ratio on reception time

权重比 W₁/W_r	系统公钥平均时间/s	系统公钥最大时间/s	系统公钥最小时间/s	OTAR电文平均时间/s
10⁰	58	123	24	187
10¹	36	57	24	317
10²	28	48	24	725
10³	25	45	24	2 025
10⁴	24.5	45	24	5 896

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表 6 调度算法对接收时间影响对比结果

Table 6. Comparison results of scheduling algorithms on reception time

调度算法	系统公钥平均时间/s	系统公钥最大时间/s	系统公钥最小时间/s	OTAR电文平均时间/s
PFQ	28	39	24	822
PFQ-Semi-Rigid	31	90	24	745
PFQ-Split	28	36	24	863

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表 7 解调错误率对接收时间影响对比结果

Table 7. Comparison results of demodulation error rate on reception time

解调错误率PER	系统公钥平均时间/s	系统公钥最大时间/s	系统公钥最小时间/s	OTAR电文平均时间/s
10^-1	41	177	24	1 317
10^-2	30	111	24	815
10^-3	29	75	24	722
10^-4	29	66	24	714
10^-5	29	54	24	712

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表 8 国内外方案结果对比

Table 8. Comparison of results of domestic and foreign programs

调度算法	系统公钥平均时间/s		OTAR电文平均时间/s
调度算法	本文	斯坦福	本文	斯坦福
PFQ	28	63.6	822	1 386
PFQ-Semi-Rigid	31	50.3	745	2 394
PFQ-Split	28	62.6	863	1 464

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参考文献(17)

[1]	CHIARA A D, BROI G D, POZZOBON O, et al. Authentication concepts for satellite-based augmentation systems[C]//Proceedings of the 29th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+2016), 2016: 3208-3221.
[2]	CHIARA A D, BROI G D, POZZOBON O, et al. SBAS authentication proposals and performance assessment[C]//Proceedings of the 30th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+2017), 2017: 2106-2116.
[3]	NEISH A, WALTER T, ENGE P. Parameter selection for the TESLA keychain[C]//Proceedings of the 31st International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation(ION GNSS+2018), 2018: 2155-2171.
[4]	NEISH A, WALTER T, ENGE P. Quantum-resistant authentication algorithms for satellite-based augmentation systems[J]. Navigation, 2019, 66(1): 199-209. doi: 10.1002/navi.287
[5]	WU Z J, LIU R S, CAO H J. ECDSA-based message authentication scheme for BeiDou-II navigation satellite system[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2019, 55(4): 1666-1682. doi: 10.1109/TAES.2018.2874151
[6]	NEISH A, WALTER T, POWELL J D. Design and analysis of a public key infrastructure for SBAS data authentication[J]. Navigation, 2019, 66(4): 831-844. doi: 10.1002/navi.338
[7]	WU Z J, ZHANG Y, LIU R S. BD-II NMA & SSI: An scheme of anti-spoofing and open BeiDou II D2 navigation message authentication[J]. IEEE Access, 2020, 8: 23759-23775. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2970203
[8]	NEISH A, WALTER T, POWELL D, et al. SBAS data authentication: A concept of operations[C]//Proceedings of the 32nd International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+2019), 2019: 1812-1823.
[9]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 信息安全技术SM2椭圆曲线公钥密码算法第1部分: 总则: GB/T 32918.1-2016[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China. Information security technology-Public key cryptographic algorithm SM2 based on elliptic curves-Part 1: General: GB/T 32918.1-2016[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017(in Chinese).
[10]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 信息安全技术SM2椭圆曲线公钥密码算法第2部分: 数字签名算法: GB/T 32918.2-2016[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China. Information security technology-Public key cryptographic algorithm SM2 based on elliptic curves-Part 2: Digital signature algorithm: GB/T 32918.2-2016[S]. Beijing: Standards Press of China, 2017(in Chinese).
[11]	孙荣燕, 蔡昌曙, 周洲, 等. 国密SM2数字签名算法与ECDSA算法对比分析研究[J]. 网络安全技术与应用, 2013(2): 60-62. doi: 10.3969/j.issn.1009-6833.2013.02.021 SUN R Y, CAI C S, ZHOU Z, et al. The comparision between digital signature based on SM2 and ECDSA[J]. Network Security Technology & Application, 2013(2): 60-62(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-6833.2013.02.021
[12]	黄双临, 辛洁, 王冬霞, 等. 星基增强系统电文及播发特性研究[J]. 数字通信世界, 2019(2): 4-6. doi: 10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.002 HUANG S L, XIN J, WANG D X, et al. Research on propagating message and strategy of satellite-based augmentation system[J]. Digital Communication World, 2019(2): 4-6(in Chinese). doi: 10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.002
[13]	申成良, 郭承军. 卫星导航信号电文加密技术研究与评估[J]. 全球定位系统, 2018, 43(3): 7-12. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QUDW201803003.htm SHEN C L, GUO C J. Study and evaluation of GNSS signal cryptographic authentication defenses[J]. GNSS World of China, 2018, 43(3): 7-12(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-QUDW201803003.htm
[14]	梁曦, 陶晓霞, 周昀, 等. 星基增强系统导航电文及完好性信息研究[J]. 空间电子技术, 2016, 13(5): 39-42. doi: 10.3969/j.issn.1674-7135.2016.05.008 LIANG X, TAO X X, ZHOU Y, et al. Research of SBAS navigation message and integrity message[J]. Space Electronic Technology, 2016, 13(5): 39-42(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1674-7135.2016.05.008
[15]	汪朝晖, 张振峰. SM2椭圆曲线公钥密码算法综述[J]. 信息安全研究, 2016, 2(11): 972-982. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAQY201611003.htm WANG Z H, ZHANG Z F. Overview on public key cryptographic algorithm SM2 based on elliptic curves[J]. Journal of Information Security Research, 2016, 2(11): 972-982(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAQY201611003.htm
[16]	FERNÁNDEZ-HERN'NDEZ I, CHÂTRE E, DALLA CHIARA A, et al. Impact analysis of SBAS authentication[J]. Navigation, 2018, 65(4): 517-532. doi: 10.1002/navi.267
[17]	BONELLI N, GIORDANO S, PROCISSI G. Network traffic processing with PFQ[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(6): 1819-1833. http://ieeexplore.ieee.org/document/7460204