《電子技術(shù)應(yīng)用》
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面向空间应用的UBP-LKH树组播密钥管理方案研究
电子技术应用
杜一鸣，周文辉，魏骁，赵聃，段冉阳
华北计算机系统工程研究所
摘要： 随着空间信息技术的快速发展，组播通信需求逐步向卫星网络延伸，然而传统基于地面设备的组播密钥管理方案在星载环境中面临性能瓶颈与安全隐患。针对卫星节点计算资源受限的特性，提出基于逻辑密钥（Logical Key Hierarchy，LKH）树结构调整的无索引的B+LKH（Unsearchable Balance Plus Logical Key Hierarchy，UBP-LKH）树方案：通过设计双阈值触发机制，利用组播密钥管理系统（Multicast Key Management System， MKMS）的计算资源空闲时段实施下限重构（树压缩）与上限重构（树扩展），动态优化密钥树层级结构以降低加密次数。实验表明，在中小型组播规模（5~127个节点）下，该方案较经典LKH树有最多20%的加密效率提升，且优化幅度随树高与成员个数呈负相关。该研究为星载环境提供了可扩展的组播密钥管理模式，兼具资源适配性与实际应用价值。
中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256414
中文引用格式： 杜一鳴，周文輝，魏驍，等. 面向空間應(yīng)用的UBP-LKH樹組播密鑰管理方案研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(11)：83-89.
英文引用格式： Du Yiming，Zhou Wenhui，Wei Xiao，et al. Research on UBP-LKH tree multicast key management scheme for space applications[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：83-89.
Research on UBP-LKH tree multicast key management scheme for space applications
Du Yiming，Zhou Wenhui，Wei Xiao，Zhao Dan，Duan Ranyang
National Computer System Engineering Research Institute of China
Abstract： With the rapid development of space information technology, the demand for multicast communication has gradually extended to satellite networks. However, the traditional multicast key management scheme based on ground devices faces performance bottlenecks and security risks in the on-board environment. In view of the limited computing resources of satellite nodes, this research proposes a scheme of unsearchable balance plus logical key hierarchy (UBP-LKH) tree based on logical key hierarchy (LKH) tree structure adjustment. By designing a double threshold trigger mechanism, the lower limit reconstruction (tree compression) and upper limit reconstruction (tree expansion) are implemented by using the idle time of computing resources of the multicast key management system (MKMS), and the key tree hierarchy is dynamically optimized to reduce the encryption delay. Experiments show that the encryption efficiency of this scheme is improved by up to 20% compared with the classical LKH tree in the small and medium-sized multicast scale (5~127 nodes), and the optimization range is negatively correlated with the number of members with the tree height. This research provides a scalable multicast key management mode for the on-board environment, which has both resource adaptability and practical application value.
Key words : logical key hierarchy；multicast；key management；expansion optimization

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，組播通信作為一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式，被廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議、在線直播、IPTV、在線游戲[1]等場(chǎng)景。組播通信的核心優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)?shù)據(jù)同時(shí)傳輸給多個(gè)接收者，從而顯著減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗和服務(wù)器負(fù)載。然而，組播通信的開放性和高效性也帶來了顯著的安全挑戰(zhàn)，尤其是在數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄院驮L問控制方面。

在組播通信中，數(shù)據(jù)是通過共享的網(wǎng)絡(luò)通道傳輸?shù)?，這意味著任何能夠訪問該通道的用戶都可能接收到數(shù)據(jù)。因此，如何確保只有授權(quán)用戶能夠解密和訪問組播數(shù)據(jù)，成為了組播通信安全的關(guān)鍵問題。組播密鑰管理系統(tǒng)（Multicast Key Management System, MKMS）應(yīng)運(yùn)而生，旨在通過有效的密鑰管理機(jī)制，保障組播通信的安全性。

MKMS中常見的幾種集中式方案有組密鑰管理協(xié)議[2]（Group Key Management Protocol,GKMP）、邏輯密鑰（Logical Key Hierarchy，LKH）樹[3]和單向函數(shù)樹[4]（One-Way Function Tree Protocol,OFTP）等。這些方案通過不同的技術(shù)手段，在安全性、可擴(kuò)展性和效率之間尋求平衡，為組播通信提供了可靠的安全保障。

在通信衛(wèi)星這類資源受限的環(huán)境中，集中式密鑰管理方案憑借其輕量化以及便于部署的特性，展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)，其中 LKH 樹為最典型的代表。該方案的優(yōu)化主要聚焦于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密鑰生成機(jī)制以及動(dòng)態(tài)管理策略這幾個(gè)關(guān)鍵方向。汪偉等人提出了路徑優(yōu)化[5]方案，通過建立動(dòng)態(tài)子樹，有效提升了密鑰更新路徑的重疊概率，進(jìn)而減少了單次加密操作的次數(shù)。不過，此方案的實(shí)施依賴于對(duì)各個(gè)組成員行為特征的深入了解。張輝等人給出了LKH-Iolus復(fù)合嵌套方案[6]，它通過設(shè)置子組來分擔(dān)密鑰更新所產(chǎn)生的負(fù)載，不僅增強(qiáng)了通信安全性，還降低了通信開銷，尤其適用于大規(guī)模組播密鑰的管理。除此之外， Shen等人通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)流量來確定批密鑰更新的時(shí)間[7]，批密鑰處理是在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)加入或退出的組成員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，之后批量地更新LKH樹，該處理方案需要以一定的安全性為代價(jià)用來優(yōu)化計(jì)算與通信開銷。

然而，由于資源受限，通信衛(wèi)星難以承載大規(guī)模組播。上述方案同時(shí)存在特定業(yè)務(wù)需求的限制，在實(shí)際部署過程中也面臨諸多困難。因此，在這樣的場(chǎng)景下，需要一種集中式密鑰管理方案，它既能滿足優(yōu)化中小型組播業(yè)務(wù)的需求，又具備適配多種應(yīng)用場(chǎng)景的能力。

本文將以通信衛(wèi)星為背景，以LKH樹作為組播密鑰管理方案，對(duì)該方案進(jìn)行通用的擴(kuò)展性優(yōu)化，將LKH樹與B+樹相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種無索引的B+邏輯密鑰樹。該方案合理利用計(jì)算資源，采用樹壓縮與樹擴(kuò)展方案——上限重構(gòu)和下限重構(gòu)，通過優(yōu)化樹的層級(jí)結(jié)構(gòu)，以降低密鑰更新過程中的加密開銷，該方案對(duì)中小型規(guī)模組播有著顯著的優(yōu)化。


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作者信息：

杜一鳴，周文輝，魏驍，趙聃，段冉陽

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所， 北京 100083）


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