一种基于PDCP密钥层次结构的NTN广播OTA安全方法及装置与流程

本发明涉及ota，特别涉及一种基于pdcp密钥层次结构的ntn广播ota安全方法及装置。

背景技术：

1、随着 3gpp rel-17/18 的发布，非地球静止轨道（ntn）网络已成为5g/6g通信体系的重要组成部分。ntn网络通过低轨卫星、高轨卫星或高空平台（haps）为地面终端提供服务，其覆盖范围广、服务终端数量巨大（单颗卫星可覆盖数百万终端）。ota（over-the-air）固件升级是ntn终端运维的核心环节，用于修复安全漏洞、更新功能特性和优化性能。

2、在3gpp安全体系中，pdcp（packet data convergence protocol，分组数据汇聚协议）层加密是保障数据传输安全的核心机制。根据3gpp ts 33.501规定，每个终端通过5gaka 鉴权流程与网络独立生成唯一的pdcp加密密钥k_pdcp，采用zuc-128/256或aes-128/256算法对数据包进行加密和完整性保护。该机制在单播点对点数据传输场景下能够提供充分的安全保障。

3、在ntn场景下，当卫星需要同时向大规模终端（如百万级）推送ota固件升级包时，现有技术体系主要存在以下两种方案：

4、方案a：标准pdcp单播加密

5、卫星使用每个终端的独立pdcp密钥k_pdcp，分别加密ota包并通过单播信道传输。对于n个终端，卫星需要执行n次加密运算，传输n份ota包副本。例如，100 万个终端、100mb的ota 包，总带宽消耗为100tb。

6、批量ota时，单播pdcp加密的资源消耗呈线性增长，在大规模终端场景下不可行。

7、3gpp ts 33.501明确规定每个终端的pdcp密钥是唯一的，因此单播加密的计算量和带宽消耗均为o(n)。对于低轨卫星单波束下行带宽仅有数百mbps的工程约束，这种线性增长使得大规模ota推送在工程上不可行。导致行业被迫采用“广播+全局固定密钥”的妥协方案，即下文的方案b。

8、方案b：广播+全局固定密钥

9、卫星使用一个全局固定密钥对ota包加密一次，通过广播信道向所有终端发送。所有终端使用同一个密钥解密。全局固定密钥方案存在“一破全破”的系统性安全风险。

10、当前行业在大规模ota场景下普遍采用全局固定密钥加密，所有终端共用同一密钥，密钥预先存储在终端里。该方案的安全性完全依赖于该全局密钥的保密性，一旦任何一个终端被攻击者破解（通过物理攻击、固件逆向等方式）获得自身存储的ota密钥，不但本次ota固件明文暴露，后续的ota固件明文也有暴露风险。

11、3gpp ts 33.246虽然定义了mbms（多媒体广播多播服务）的密钥体系，采用muk→msk→mtk的分层密钥结构。但该体系专为实时流媒体广播设计，其密钥分发依赖gba/gmbms流程（参考3gpp ts 33.220），通常要求终端通过单播交互完成业务密钥（msk）的初始获取与周期性更新。这使得该方案难以适配大规模ntn固件升级（ota）场景——该场景要求尽可能减少终端的星上交互，甚至支持终端在纯接收的离线状态下安全地接收并解密升级包。此外，该体系作为独立的业务层安全框架，未能利用ntn终端在接入层已建立的pdcp安全上下文（k_pdcp），这意味着仍需一套独立的鉴权与密钥管理系统，无法通过复用现有安全材料来降低星上实现的复杂度。

12、在现有3gpp安全架构中，pdcp层密钥体系服务于单播数据保护，广播/多播服务的安全则由独立的mbms密钥体系承担，二者属于不相交叠的安全域，遵循不同的密钥生成、分发和更新流程。

13、因此在ntn场景下，当卫星需要同时向大规模终端（如百万级）推送ota固件升级包时，如何能够在不修改现有 3gpp pdcp 安全体系的前提下，设计一种广播 ota 密钥的管理方法，使得：（1）卫星端仅需加密 1次 ota 固件包，计算量与终端数量无关；（2）每个终端的解密密钥依然唯一，安全性等同于单播 pdcp 加密；正成为行业亟需解决的痛点。

技术实现思路

1、针对现有技术进行ota时要么计算资源要求高、要么安全性差的问题，本发明的目的在于提供一种基于pdcp密钥层次结构的ntn广播ota安全方法及装置，以便于至少部分地解决上述问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种基于pdcp密钥层次结构的ntn广播ota安全方法，所述方法应用于卫星或关联信关站中的网络侧设备，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4、响应于ota 升级指令，网络侧设备生成一次性的全局ota密钥k_ota；

5、网络侧设备使用所述全局ota密钥k_ota对ota固件包进行加密，生成ota密文c_ota；

6、网络侧设备获取目标升级组中各终端在接入层已生成且唯一的pdcp加密密钥 k_pdcp_i；

7、对于目标升级组中的每个终端，网络侧设备使用该终端的pdcp加密密钥k_pdcp_i或其派生密钥对所述全局ota密钥k_ota进行加密，生成与该终端唯一对应的加密密钥材料s_ue_i；

8、网络侧设备通过广播信道发送广播消息，所述广播消息包含所述ota密文c_ota以及目标升级组中各终端的标识与对应加密密钥材料s_ue_i的映射关系表；

9、使得本次ota升级的目标终端在接收到所述广播消息后，能够根据自身的终端标识以及所述映射关系表确定对应的加密密钥材料s_ue_i，并使用终端本地安全存储的pdcp加密密钥 k_pdcp_i对所述加密密钥材料s_ue_i进行解密从而获得所述全局ota密钥k_ota，进而对所述ota密文c_ota进行解密，获得升级所需的ota固件包。

10、在一些优选实施例中，对于目标升级组中的每个终端，网络侧设备使用该终端的pdcp加密密钥k_pdcp_i或其派生密钥对所述全局ota密钥k_ota进行加密，生成对应的密文和与该终端唯一对应的第一gcm认证标签，并将所述密文和所述第一gcm认证标签拼接形成所述加密密钥材料s_ue_i；

11、所述第一gcm认证标签用于在终端接收到所述加密密钥材料s_ue_i后，在解密过程中验证所述密文的完整性，若验证通过则对所述密文进行解密并得到所述全局ota密钥k_ota，否则停止并丢弃所述广播信息。

12、在一些优选实施例中，网络侧设备使用所述全局ota密钥k_ota对ota固件包进行加密时，还生成第二gcm认证标签；

13、所述第二gcm认证标签用于在终端对所述ota密文c_ota进行解密时，使终端能够通过验证所述第二gcm认证标签来确保所述ota密文c_ota的完整性。

14、第二方面，本发明还提供一种基于pdcp密钥层次结构的ntn广播ota安全装置，包括：

15、全局 ota 密钥生成模块，用于生成一次性的全局ota密钥k_ota；

16、ota 包加密模块，用于使用所述全局ota密钥k_ota对ota固件包进行加密，生成ota密文c_ota；

17、终端加密密钥材料生成模块，用于从本地密钥存储中分别读取目标升级组中的每个终端唯一的 pdcp 加密密钥 k_pdcp_i，以及用于分别使用每个终端的pdcp加密密钥k_pdcp_i或其派生密钥对所述全局ota密钥k_ota进行加密，生成与每个终端唯一对应的加密密钥材料s_ue_i；

18、广播发送模块，用于将所述ota密文c_ota以及目标升级组中各终端的标识与对应加密密钥材料s_ue_i的映射关系表组装为广播消息，并通过广播信道发送。

19、第三方面，本发明还提供一种基于pdcp密钥层次结构的ntn广播ota安全方法，所述方法应用于终端侧，所述方法包括以下步骤：

20、终端接收卫星广播的广播消息，所述广播消息包含ota密文c_ota以及目标升级组中各终端的标识与对应加密密钥材料s_ue_i的映射关系表；

21、终端根据自身的终端标识和所述映射关系表确定对应的加密密钥材料s_ue_i；

22、终端使用本地安全存储的pdcp加密密钥k_pdcp_i对所述加密密钥材料s_ue_i进行解密，获得一次性的全局ota密钥k_ota；

23、终端使用所述全局ota密钥k_ota对所述ota密文c_ota进行解密，获得ota固件包并执行升级。

24、在一些优选实施例中，若终端未在所述映射关系表中发现自己的终端标识，则终端不是此次ota升级的目标终端。

25、在一些优选实施例中，终端对所述ota密文c_ota进行解密时，还会获得第二gcm认证标签，终端先验证所述第二gcm认证标签来确保所述ota密文c_ota的完整性，验证通过后获得ota固件包。

26、第四方面，本发明还提供一种基于pdcp密钥层次结构的ntn广播ota安全装置，包括：

27、广播接收模块，用于监听广播信道并接收卫星广播的广播消息，所述广播消息包含ota密文c_ota以及目标升级组中各终端的标识与对应加密密钥材料s_ue_i的映射关系表，所述广播接收模块还用于根据终端的标识确定对应的加密密钥材料s_ue_i；

28、种子解密模块，用于使用终端本地安全存储的pdcp加密密钥k_pdcp_i对所述加密密钥材料s_ue_i进行解密，获得一次性的全局ota密钥k_ota；

29、ota解密与升级模块，用于使用所述全局ota密钥k_ota对ota密文c_ota进行解密，获得ota固件包并执行升级。

30、采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：

31、1. ota 固件包仅加密 1 次，彻底解决资源瓶颈

32、与现有单播 pdcp 加密方案需要加密 n 次不同，本发明中卫星仅需对 ota 固件包执行 1 次 aes-256-gcm 加密，计算量与终端数量无关。对于 100 万个终端、100mb 的ota 包，广播总数据量约为 ota 密文大小加 s_ue_i 列表大小，带宽消耗从单播方案的约100tb 降至百兆级别，降低超过 99.9%。

33、2. 每个终端解密密钥唯一，安全性等同于单播 pdcp

34、虽然所有终端最终恢复的是同一个全局解密密钥 k_ota，但每个终端获取 k_ota的路径完全不同：卫星使用终端独有的 pdcp 加密密钥 k_pdcp 对 k_ota 进行加密保护，生成与该终端一一对应的 s_ue_i。只有持有正确 k_pdcp 的终端才能解密对应的 s_ue_i并恢复 k_ota。安全等级与保护强度与单播 pdcp 加密相同。

35、3. 完全复用现有 3gpp 安全体系，工程实现成本极低

36、本发明不修改任何现有协议，仅新增一层基于已有 pdcp 密钥的密钥保护逻辑。所有密码学原语（aes-256-gcm）均为 3gpp 已定义的标准算法，终端侧仅需新增轻量级的aes 加解密模块，不涉及新的密码学原语。