一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法

本发明属于无人机网络安全领域，具体涉及一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法。

背景技术：

1、近年来，无人机（unmanned aerial vehicle，uav）凭借其低成本、高机动性、操作便捷等优点在军用和民用领域得到了广泛应用。在许多应用场景中，多架无人机在地面站（ground control station，gcs）的控制下组建起无人机网络（uanet），通过群组通信实时共享数据，以集群协作方式高效完成任务已成为主流趋势。然而，由于无线信道的开放性，无人机网络中群组通信易遭受窃听、欺骗等被动和主动攻击。为此，地面站通常会为其分发群组密钥，各个节点利用该密钥对发送的数据进行加密传输，以达到在群组内安全信息共享的目的。同时，考虑到群组成员的动态加入和离开，群组密钥还需动态更新，以确保群组通信的前向和后向安全性。即新加入的无人机不能获取此前通信的内容，以及离开的无人机不能够解密此后的消息。

2、与传统无线网络相比，首先uanet中节点部署在开放环境，容易被捕获，这使得攻击者可以提取无人机内部存储的私钥进行设备克隆，导致群组密钥泄漏。其次，uanet中节点高速移动、网络拓扑高动态变化，这导致无人机之间的通信链路间歇性中断，群组密钥广播消息频繁丢失。如果无人机不能恢复丢失的群组密钥，将无法正常参与任务协作。这些都给无人机网络中群组密钥更新带来了新的问题和挑战。

3、为了应对这些挑战，研究者们提出了基于物理不可克隆函数（physicalunclonable function，puf）的群组密钥分发方法，其核心思想是利用puf的不可克隆性、不可预测性和防篡改特性，将其作为设备指纹按需生成解密群组密钥广播消息的私钥，从而避免本地存储私钥并并防范克隆攻击。除此之外，研究者们还提出了具备可愈合能力的群组密钥管理方法，其核心思想是利用在广播信息中嵌入冗余信息，使得合法群成员在丢失部分广播报文后，能够利用过去和未来接收到的广播消息恢复丢失的群组密钥（被称为自愈合）。亦或者，成员通过主动向周围邻接节点请求获取丢失的群组密钥（被称为互愈合）。然而，鲜有研究将上述两种思路有效结合。近期othman等人基于中国剩余定理和puf提出了可愈合的群组密钥分发方案（othman w,hong z,fuyou m,et al.crt and puf-basedself/mutual-healing key distribution protocol with collusion resistance andrevocation capability[j].ieee transactions on mobile computing,2025:1-16.doi:10.1109/tmc.2025.3528491.），简称为cphkd，尝试融合puf特性与可愈合思想以应对无人机群组密钥管理中的双重挑战。然而，cphkd在安全性和效率方面仍存在以下不足：

4、（1）安全性不足：首先，cphkd方案需要在密钥管理中心处明文存储群成员大量的挑战应答对，存在单点泄露风险。一旦密钥管理中心被攻破，攻击者可能通过建模攻击模拟puf的响应生成机制，损害其物理不可克隆性，最终实现成员被克隆。其次，在cphkd方案所提的群组密钥互愈机制中，缺乏对密钥恢复材料的签名保护，导致攻击者能够伪造群组密钥广播消息，欺骗互愈请求节点恢复假冒的群组密钥，进而导致通信消息泄露。

5、（2）效率低下：首先，cphkd方案每次在更新群组密钥时，密钥管理中心均需要重新运行中国剩余定理，这其中会涉及大量的模逆运算，显著增加了群组密钥分发时延。其次，在cphkd方案中，为了实现群组密钥的自愈能力，需要在每次广播消息均需要包含历史所有的群组密钥广播消息，这无疑会增加网络通信线性增加。虽然，通过设置滑动窗口（也即仅保存窗口内固定数量的历史群组密钥广播消息）来缓解通信开销增加，但这也限制了节点的愈合能力。

6、因此，如何提供一种安全且高效的轻量级可愈合群组密钥管理方法成为了一个重要的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法。

2、本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法，所述轻量级可愈合群组密钥管理方法包括：

4、地面站向群组内的所有无人机发送挑战；各无人机基于所述挑战利用puf函数生成响应以派生加密密钥，并利用加密密钥加密自身私钥；

5、所述地面站基于所有无人机的私钥通过中国剩余定理计算各无人机的密钥中间材料，并采用同态加密技术将各无人机的私钥和密钥中间材料加密存储；

6、所述地面站构建双向哈希链；所述双向哈希链包括前向哈希链和后向哈希链；

7、当所述群组内的无人机发生变更时，所述地面站根据变更情况结合所述双向哈希链计算群组更新密钥，并基于所述群组更新密钥以及加密后的各无人机的私钥和密钥中间材料构建群组密钥广播消息后发送；

8、各无人机收到所述群组密钥广播消息后，调用自身puf函数解密出自身私钥，以基于所述群组密钥广播消息和所述双向哈希链的链式计算关系获取所述群组更新密钥；

9、当存在无人机和所述地面站通信中断丢失密钥更新时，基于中断前后的群组密钥广播消息通过所述双向哈希链的链式计算关系进行自愈合以恢复丢失的群组密钥，或向邻居无人机发起带签名的互愈请求以恢复所述丢失的群组密钥。

10、第二方面，本发明提供了一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理系统，所述轻量级可愈合群组密钥管理系统包括：

11、地面站，用于向群组内的所有无人机发送挑战；

12、各无人机，用于基于所述挑战利用puf函数生成响应以派生加密密钥，并利用加密密钥加密自身私钥；

13、所述地面站，还用于基于所有无人机的私钥通过中国剩余定理计算各无人机的密钥中间材料，并采用同态加密技术将各无人机的私钥和密钥中间材料加密存储；

14、所述地面站，还用于构建双向哈希链；所述双向哈希链包括前向哈希链和后向哈希链；

15、所述地面站，还用于当所述群组内的无人机发生变更时，根据变更情况结合所述双向哈希链计算群组更新密钥，并基于所述群组更新密钥以及加密后的各无人机的私钥和密钥中间材料构建群组密钥广播消息后发送；

16、各无人机，还用于收到所述群组密钥广播消息后，调用自身puf函数解密出自身私钥，以基于所述群组密钥广播消息和所述双向哈希链的链式计算关系获取所述群组更新密钥；

17、和所述地面站通信中断丢失密钥更新的无人机，用于基于中断前后的群组密钥广播消息通过所述双向哈希链的链式计算关系进行自愈合以恢复丢失的群组密钥，或向邻居无人机发起带签名的互愈请求以所述恢复丢失的群组密钥。

18、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

19、存储器，用于存放计算机程序；

20、处理器，用于执行存储器上所存放的计算机程序时，实现上述任一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法所述的方法步骤。

21、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法所述的方法步骤。

22、本发明提供的一种抗克隆攻击的轻量级可愈合群组密钥管理方法，利用puf函数生成响应以派生加密密钥，各无人机利用该加密密钥加密自身私钥后存储于本地，无需在无人机本地明文存储私钥，有效避免了因无人机被物理捕获而导致的私钥泄露和设备克隆攻击。同时，地面站采用同态加密技术对各无人机的私钥和密钥中间材料进行加密存储，规避了单点故障带来的密钥泄露风险，进一步增强了系统的安全性。

23、此外，在互愈过程中，本发明采用带签名的互愈请求机制，邻居无人机在响应前需验证请求消息的签名合法性，有效防止了攻击者伪造群组密钥广播消息欺骗互愈请求节点恢复假冒的群组密钥，杜绝了通信消息泄露的风险。

24、本发明通过构建由前向哈希链和后向哈希链组成的双向哈希链，建立了群组密钥间的链式计算关系。当无人机与地面站通信中断而丢失群组密钥更新时，无人机可利用中断前后收到的群组密钥广播消息，通过双向哈希链的链式计算关系高效恢复所有丢失的群组密钥，无需地面站重新传输历史广播消息，显著降低了通信开销。同时，无人机还可向邻居无人机发起互愈请求，借助邻居无人机持有的最新群组密钥广播消息快速恢复丢失密钥，进一步提高了密钥愈合的灵活性和效率。

25、采用同态加密技术对私钥和密钥中间材料进行加密存储，在保障安全性的同时，显著地提升了群组密钥计算效率，适用于无人机网络资源受限、实时性要求高的应用场景。

26、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。