面向跨域无人机网络的硬件辅助无证书签密认证方法及系统

本发明属于网络空间安全、无人机通信安全和密码认证，具体涉及一种面向跨域无人机网络的硬件辅助无证书签密认证方法，尤其涉及结合联盟链状态锚定、动态累加器成员验证和硬件辅助密钥重构的跨域无人机认证与安全通信方法。

背景技术：

1、无人机网络已广泛应用于军事侦察、应急救援、边境监测、巡检巡逻及空地通信服务等场景。在上述应用中，无人机通常需要接入不同管理域下的地面站，实现跨域通信、数据传输与身份认证。然而，无人机具有资源受限、部署环境开放、网络拓扑动态变化等特点，其通信过程多依赖开放无线信道，易遭受窃听、篡改、重放、伪装及非法接入等攻击。签密技术能够在同一逻辑过程中同时实现签名与加密功能，在一定程度上降低了资源受限设备的安全通信成本。然而，在跨域无人机网络中，认证对象不仅包括通信消息本身，还包括发送无人机在跨管理域环境下的成员状态。因此，普通签密机制难以单独满足跨域无人机网络中对成员状态的可验证性及可撤销认证需求。

2、为应对上述挑战，现有技术中已提出多种跨域认证与撤销管理方案。例如，通过区块链账本查询、集中式状态服务器或撤销状态同步机制来确认成员状态。若每次认证均需访问区块链账本或远程状态服务器，认证过程将受到外部查询时延的影响，难以满足高并发无人机接入场景下的快速处理需求。若地面站仅依赖本地撤销状态，则需确保本地状态的可信性、版本一致性及成员状态与签密消息之间的绑定关系，否则可能导致非法接入。此外，现有基于身份密码体制的方案存在密钥托管问题，而软件保存完整私钥的方式也难以抵抗无人机被物理捕获后的密钥泄露风险。在高并发认证场景中，传统确定性批量聚合方式还可能被攻击者利用伪造密文之间的代数抵消关系，绕过整体批量验证。

3、针对上述问题，已有研究提出基于物理不可克隆函数（puf）的跨域无人机匿名认证方法，例如文献“puf-based secure and efficient anonymous authenticationprotocol for uav towards cross-domain environments”。该方案面向跨域无人机身份认证和会话密钥协商，利用puf响应保护无人机本地存储的关键认证参数，并通过控制中心不参与实时认证、地面站不存储无人机信息的方式，降低认证瓶颈、隐私泄露及验证者被盗攻击风险。然而，该方案本质上仍属于匿名认证与密钥协商协议，并非面向业务消息的签密机制；其puf主要用于保护本地存储信息，未引入可信执行环境（tee）在受保护环境中按需重构和使用无人机完整私钥，也未涉及成员状态、撤销状态与跨域签密消息的一体化绑定。

4、另一类现有技术提出将rsa累加器用于无证书签名撤销的方法，例如中国专利申请cn202410420397.3。该类方法通过将累加器中元素的证据值嵌入用户部分私钥，并利用广播更新凭证实现非法用户的动态撤销。该方法能够在签名认证场景下实现用户撤销，但其技术逻辑仍以签名认证为核心，不提供签密机制下的业务消息机密性保护。此外，由于累加器证据值被嵌入用户部分私钥，撤销状态更新容易影响用户私钥或凭证更新过程，不适合直接用于无人机高频跨域签密通信场景。

5、综上所述，现有技术虽分别涉及puf辅助跨域认证、累加器辅助撤销、区块链状态查询及批量验证等技术手段，但仍难以在跨域无人机网络中同时解决以下关键技术问题：

6、成员状态验证效率与可信性难以兼顾：每消息查询账本或远程服务导致认证延迟高；仅依赖本地状态又难以保证状态的可信性与版本一致性。

7、撤销状态更新影响私钥稳定性：现有累加器撤销机制将证据嵌入私钥，导致撤销更新需频繁改动用户私钥，不适合高频签密场景。

8、密钥托管与物理捕获风险并存：基于身份的密码体制存在中心化密钥托管问题；软件保存完整私钥易导致物理捕获后的密钥泄露。

9、批量验证存在伪造抵消风险：传统确定性批量聚合方式易被攻击者利用伪造密文之间的代数抵消关系绕过整体验证。

10、因此，现有技术尚未有效解决成员状态与签密消息在同一认证流程中验证、且撤销状态更新不改变无人机完整私钥结构的问题。为此，有必要提出一种面向跨域无人机网络的认证方法，使地面站能够在不逐消息访问账本的情况下完成可信成员状态验证，使无人机避免长期保存完整私钥，并在高并发条件下实现可靠的签密认证。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了面向跨域无人机网络的硬件辅助无证书签密认证方法及系统，以解决背景技术中的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一方面，本发明公开了面向跨域无人机网络的硬件辅助无证书签密认证方法，包括如下具体步骤：

4、联盟链账本部署，各管理域的私钥生成中心注册至所述联盟链账本，以及动态累加器的初始化，并将初始累加器根锚定至所述联盟链账本；

5、无人机利用物理不可克隆函数在可信执行环境内生成硬件绑定秘密并计算无人机公开组件，向所述管理域的私钥生成中心提交无人机伪身份与无人机公开组件；私钥生成中心生成无人机部分私钥，将其加入动态累加器并更新状态，得到版本号、累加器根及成员见证；随后将无人机注册信息与版本化累加器根锚定至联盟链，并向无人机下发部分私钥、成员见证和状态版本号；无人机仅保存物理不可克隆函数挑战值、部分私钥、成员见证及版本号，删除临时中间值；

6、地面站通过真随机数发生器生成自身秘密，计算得到地面站公开组件，向所属管理域的私钥生成中心提交地面站伪身份和地面站公开组件；所述私钥生成中心生成地面站部分私钥，将地面站注册信息上传至所述联盟链账本；地面站计算完整私钥并存储于硬件安全模块中；

7、各管理域的私钥生成中心将因无人机注册或撤销而更新的累加器根和状态版本号提交至所述联盟链账本进行锚定；地面站从所述联盟链账本同步并校验最新状态，形成经可信锚定的本地可信状态缓存；

8、无人机获取目标地面站的公开参数并预计算目标地面站公钥；在线签密阶段，无人机在可信执行环境内部调用物理不可克隆函数重构完整私钥，利用重构完整私钥生成签密认证值，并输出跨域签密消息；

9、地面站接收所述跨域签密消息并检查时间戳；在所述硬件安全模块中调用地面站完整私钥解密并恢复所述认证载荷；验证所述无人机在当前状态下的成员资格有效性；成员资格验证通过后，基于恢复出的认证载荷计算无人机公钥并验证签密等式的正确性；若验证通过，则接受所述业务消息。

10、该方法通过联盟链锚定累加器根与状态版本号，使地面站可基于本地可信状态缓存直接完成跨域无人机的成员资格验证，避免了逐消息访问区块链账本带来的高延迟问题；同时采用无证书密钥生成与puf/tee硬件辅助机制，使无人机完整私钥由部分私钥与硬件派生秘密共同构成并按需重构，既消除了私钥生成中心的密钥托管风险，又防止了物理捕获导致的软件密钥长期暴露；地面站私钥存储于hsm中，确保了解签密过程的安全性。该技术方案实现了高效、可信且抗物理攻击的跨域签密认证。

11、优选的，还包括：随机化批量验证，对多个通过成员状态验证的候选密文，地面站为每个候选密文独立生成随机聚合系数，执行随机化批量验证等式；若等式成立则接受该批次，否则递归划分定位并隔离无效密文。

12、该方法在状态过滤后的候选密文集合上引入随机化批量验证，通过为每个密文独立生成随机聚合系数，破坏攻击者预先构造伪造密文间的代数抵消关系，显著提高了高并发接入场景下批量认证的可靠性，同时通过聚合验证减少了逐条验证的计算开销。

13、优选的，无人机在可信执行环境内部调用物理不可克隆函数重构完整私钥步骤如下：重新调用物理不可克隆函数模块得到物理不可克隆函数响应，基于所述响应计算派生秘密，再结合已存储的部分私钥通过预设的代数运算重构完整私钥；所述完整私钥在签密完成后立即从可信执行环境中删除。

14、该方法中无人机仅在签密时刻于tee内部调用puf重构完整私钥，使用后立即删除，完整私钥不以软件形式长期存储于非易失性存储器中；结合puf设备绑定的硬件唯一性，即使无人机被物理捕获，攻击者也无法获取可用的完整私钥，有效抵御物理捕获攻击和离线密钥提取，提升了终端抗毁伤能力。

15、优选的，所述跨域签密消息的生成方式为：将业务消息、无人机伪身份、无人机公开组件、所属管理域标识、成员见证、状态版本号按预设顺序拼接形成认证载荷；利用预计算得到的临时公开值和所述认证载荷共同输入签密绑定哈希；无人机利用可信执行环境内重构的完整私钥生成签密认证值，并输出跨域签密消息。

16、该方法将业务消息、伪身份、公开组件、所属管理域标识、成员见证和状态版本号共同拼接为认证载荷并参与签密绑定哈希计算，使得成员状态信息与签密消息密不可分；攻击者无法在不破坏签密验证等式的情况下替换、删除或重放成员见证与版本号，从而保证了成员状态与消息内容的强绑定关系，防止了撤销状态绕过攻击。

17、优选的，地面站验证所述无人机在当前状态下的成员资格有效性具体步骤如下：

18、若密文中携带的状态版本号等于地面站当前状态版本号，则直接验证成员见证是否对应当前累加器根；

19、若密文中携带的状态版本号小于地面站当前状态版本号，则依据已校验的辅助更新信息判断该无人机的累加器叶子是否在所述两个版本之间被撤销，若未被撤销则确认其仍具有有效成员资格；

20、若密文中携带的状态版本号大于地面站当前状态版本号，则地面站暂缓处理该密文并执行状态同步。

21、该方法根据密文携带的状态版本号与地面站当前版本的差异，分别采用直接验证、辅助更新信息判断或暂缓同步的处理策略，使地面站能够在无需逐消息查询区块链的情况下，正确处理旧版本或新版本成员见证；对于未撤销的旧版本无人机，可协助其更新至当前版本成员见证，保证了跨域通信的连续性与状态一致性。

22、优选的，验证签密等式的正确性具体步骤如下：

23、地面站基于恢复出的无人机伪身份、无人机公开组件及所属管理域标识，结合所属管理域的域公钥计算无人机公钥；

24、将恢复出的业务消息、无人机身份信息、成员见证、状态版本号、解签密得到的临时公开值及时间戳输入哈希函数，重新计算签密绑定哈希值；

25、验证解签密恢复出的临时公开值是否等于签密认证值与椭圆曲线生成元的乘积减去所述签密绑定哈希值与无人机公钥的乘积。

26、该方法通过恢复无人机公钥、重新计算签密绑定哈希，并验证椭圆曲线上的签密等式，确保业务消息、身份信息、成员见证、状态版本号和时间戳均未被篡改；等式成立时即证明消息的真实性、完整性和不可否认性，同时隐式完成了对成员见证与身份绑定的确认，实现了签密与成员状态验证的一体化。

27、优选的，所述随机化批量验证步骤的具体方式为：

28、设候选密文集合包含通过成员状态验证的密文，对于每个候选密文，地面站计算其对应的临时公开值、签密认证值、签密绑定哈希值及无人机公钥；

29、通过真随机数发生器为每个候选密文独立生成随机聚合系数，所述随机聚合系数从预设大小的正整数集合中均匀选取；

30、验证加权聚合等式，所有候选密文的随机聚合系数与其临时公开值的乘积之和，是否等于所有候选密文的随机聚合系数与其签密认证值的乘积之和乘以椭圆曲线生成元，减去所有候选密文的随机聚合系数、签密绑定哈希值及无人机公钥的三重乘积之和；

31、若等式成立则接受该批次，否则采用递归划分方式定位并隔离无效密文，被隔离的无效密文不进入有效消息集合。

32、该方法为通过成员状态验证的候选密文集合中每个密文独立生成随机聚合系数，并验证加权聚合等式；由于聚合系数真随机且独立，攻击者无法预先构造能在固定聚合下相互抵消的伪造密文对；当验证失败时，采用递归划分定位并隔离无效密文，既保证了批量处理的高效率，又避免了伪造密文绕过批量验证的安全隐患。

33、优选的，所述联盟链账本用于锚定全局公开参数、各管理域公开参数、实体伪身份注册记录以及版本化累加器根，不参与每条签密消息的实时认证；地面站的本地可信状态缓存中的累加器根必须与链上对应版本的累加器根一致，成员见证必须能够验证到该累加器根。

34、该方法明确将联盟链定位于低频可信状态锚点，仅用于锚定累加器根与版本号，不参与每条签密消息的实时认证；地面站本地缓存必须与链上对应版本累加器根严格一致，成员见证必须能验证到该根，从而在降低认证延迟的同时，保证了本地状态的可信性与版本一致性，防止了历史状态重放攻击。

35、另一方面，本发明公开了面向跨域无人机网络的硬件辅助无证书签密认证系统，应用上述方法，其特征在于，包括：

36、去中心化信任层，包括联盟链账本以及多个管理域的私钥生成中心；所述联盟链账本用于锚定全局公开参数、各管理域公开参数、实体伪身份注册记录和版本化累加器根；所述私钥生成中心用于负责本管理域内无人机和地面站的注册、部分私钥生成、无人机成员状态更新以及撤销状态维护；

37、边缘认证层，包括地面站、可信状态缓存、批量认证模块、真随机数发生器和硬件安全模块；所述地面站用于接收跨域签密消息并执行解签密与成员状态验证；所述可信状态缓存用于保存经联盟链锚定的本地状态；所述批量认证模块用于执行随机化批量验证；所述硬件安全模块用于保护地面站长期私钥；

38、无人机层，包括无人机、物理不可克隆函数模块、可信执行环境、成员见证及预计算元组；所述物理不可克隆函数模块用于生成与无人机设备绑定的硬件秘密；所述可信执行环境用于在受保护执行环境中按需重构无人机完整私钥并执行签密运算；所述成员见证用于证明无人机在对应状态版本下具有有效成员资格。

39、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了面向跨域无人机网络的硬件辅助无证书签密认证方法及系统，与现有跨域无人机认证方法相比，本发明具有以下有益效果：

40、1．本发明能够减少跨域成员状态验证对逐消息链上查询的依赖，并提高成员状态验证的可信性。现有方法在确认无人机成员资格和撤销状态时，容易依赖区块链账本查询或远程状态服务，使认证路径受到外部查询时延影响。本发明将版本化累加器根锚定在联盟链账本中，并由地面站在状态同步阶段获取和校验本地可信状态缓存。在单条签密消息认证阶段，地面站基于已校验的本地累加器状态和无人机携带的成员见证完成本地验证，无需对每条认证消息访问联盟链账本。经测试，联盟链账本读查询平均时延约为；当有效成员规模时，成员见证验证仅需，明显低于逐消息链上查询时延。因此，本发明能够将高频认证过程从链上查询转移到地面站本地可信状态验证，降低认证时延。

41、2．本发明能够以较小的链上状态开销实现可验证的撤销状态管理。本发明不是简单依赖地面站维护的本地撤销列表，而是将版本化累加器根作为链上可信锚点，使地面站缓存的成员状态受到联盟链账本中对应版本累加器根的约束。无人机在签密消息中携带成员见证和状态版本号，地面站在恢复认证载荷后，可根据当前版本或已校验的辅助更新信息判断无人机是否仍具有有效成员资格。经测试，链上仅需维护累加器根和版本号，其大小为；当时，每条消息携带的成员见证包含个哈希值，引入的成员状态验证计算量为，对应通信开销为。因此，本发明能够以可量化的成员见证开销换取本地可验证的成员状态，并避免将联盟链访问放入每条消息认证路径。

42、3．本发明能够在实现可撤销认证的同时保持无人机完整私钥结构稳定。现有将累加器证据值嵌入用户部分私钥的撤销方式，容易使撤销状态更新影响用户私钥或凭证更新过程。本发明将成员见证从无证书私钥结构中分离出来，使其作为独立的成员状态证明参与签密载荷和签密绑定哈希。由此，撤销状态变化仅引起累加器根、状态版本号和成员见证的更新，而不改变无人机部分私钥、puf派生秘密和tee内按需重构完整私钥的计算结构。因此，本发明在保证撤销可验证性的同时，避免撤销更新改变无人机完整私钥结构，能够降低跨域高频认证场景下的密钥维护复杂度。

43、4．本发明能够降低密钥托管风险和设备被捕获后的完整私钥泄露风险。现有基于身份的认证或签密方法中，用户私钥通常由私钥生成中心直接生成，存在密钥托管风险。本发明采用无证书签密方法，无人机完整私钥由私钥生成中心下发的部分私钥和无人机侧硬件派生秘密共同构成，私钥生成中心不能获取无人机完整私钥。同时，无人机侧利用puf生成与设备绑定的秘密分量，并在tee内按需重构完整私钥；完整私钥不以软件形式长期保存在非易失性存储器中，签密完成后相关临时秘密被删除。地面站侧通过hsm存储和使用长期私钥，使解签密相关私钥运算在硬件隔离环境中完成。因此，本发明能够同时降低中心化密钥托管风险和终端侧长期私钥暴露风险。

44、5．本发明能够提高高并发批量认证中的抗伪造抵消能力。传统确定性批量验证中，攻击者可能构造具有代数抵消关系的伪造密文，使无效密文在整体聚合方程中抵消验证误差，从而导致无效批次被接受。本发明在批量验证前为每个候选密文独立生成随机聚合系数，使攻击者无法在固定聚合结构下预先构造稳定的抵消关系。通过理论分析可知，若每个在批次固定后从集合中独立均匀选取，则包含无效密文的批次通过验证的概率至多为；在一种实施方式中取，无效批次的误接受概率上界为。经测试，在批大小最高为的场景下，本发明的随机化批量解签密耗时为，相比顺序验证基线减少约；在向个有效请求中注入构造的抵消密文对并进行次独立试验的条件下，本发明的随机化聚合机制检测到全部注入对。因此，本发明能够在高并发认证中兼顾批量处理效率和批量验证可靠性。

45、6．本发明能够降低无人机在线阶段的密码计算负担。本发明采用离线预计算与在线签密相结合的方式，无人机可将计算耗时的点乘、点加运算移至空闲阶段完成，并缓存预计算元组，从而降低实时通信阶段的计算压力。在线阶段，无人机主要执行puf调用、tee内私钥重构、哈希和异或等轻量操作。经测试，相关密码操作在nist p-256椭圆曲线上实现，运行环境为armv8平台、ubuntu 22.04系统，采用miracl库并以gcco2编译，其中哈希操作。根据本发明的计算过程，无人机在线签密阶段的主要密码计算开销为，降低无人机实时通信阶段的计算负担。

46、综上，本发明通过联盟链状态锚定、动态累加器成员验证、puf/tee辅助无证书私钥重构、hsm保护地面站私钥以及随机化批量验证，使跨域无人机认证能够在不逐消息访问联盟链账本的情况下完成可信成员状态验证，在避免完整私钥长期软件存储和撤销更新改变私钥结构的同时，提高高并发批量认证的可靠性。