[发明专利]基于秘密共享算法的无人机CAN总线加密通信系统及方法

说明书

本发明提出了一种基于秘密共享算法的无人机CAN总线加密通信系统及方法，解决现有技术中存在的容易受到伪造、洪泛和重放攻击安全隐患，以及现有加密通信方法存储计算要求高、通信负载大的技术问题。本发明的技术方案包括：无人机预存储验证信息；密钥生成模块根据解析信息生成会话密钥和时间戳；密钥分发模块利用秘密共享算法分发会话密钥；密钥恢复模块利用拉格朗日插值法恢复会话密钥；密钥分发中心确认会话密钥分发完成。本发明能够保证无人机CAN总线加密通信，使无人机CAN总线具备加密和身份验证机制，显著提升无人机CAN总线的安全性。

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及数字信息传输技术领域中的一种基于秘密共享算法的无人机CAN总线加密通信系统及方法。本发明可用在无人机飞行时实时的CAN总线加密通信，提升无人机飞行时对CAN总线攻击的抵御能力。

背景技术

为实时可靠地实现无人机系统中各ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)之间的数据通信，CAN总线通信技术被用于无人机。CAN总线为无人机内部实时通信提供了强有力的技术支持，但同时也因为缺乏身份验证和通信安全机制，容易遭到包括伪造、重发、洪泛在内的多种类型的攻击。在实际应用中，无人机的飞行由各个ECU协同控制。CAN总线广播不同ECU之间的通信信息。在通信过程中，CAN通信帧除了ID之外，不携带发送者和接收者的任何信息，即不包含身份验证机制，任何ECU发送的信息可以通过CAN总线到达其他ECU上。ECU只读取其预先订阅的接受名单上的CAN帧，但由于缺乏信息来源和接受者的身份认证，恶意的ECU节点可以监控CAN总线获取所有广播消息，并注入具有任意ID和有负载数据的新信息。各种攻击表明，利用此漏洞能恶意控制无人机ECU，进而影响无人机飞行行为，如让无人机高速飞行、脱离控制等。于此同时，恶意攻击也可以通过逆向工程推理出ECU的信息模式，对无人机造成更大危害。这些攻击可以通过在飞控总线接口、远程通信模块接口接入实现。

西北工业大学在其申请的专利文献“一种避免冲突的CAN总线通信网络设计方法”(申请号：202011370719.6，申请公布号：CN 112532496A，申请日：2020.11.30)中公布了一种避免冲突的无人机CAN总线通信网络设计方法。该方法的实现步骤为，首先，搭建网络系统，飞控计算机和多个伺服设备通过CAN互连，飞控计算机每个通信周期项设备发送一个携带有ID地址的控制帧，伺服设备每个通信周期向飞控计算机反馈状态信息。然后，定义飞控计算机为最高优先级，对伺服设备编号1到n，伺服设备优先级依次降低。飞控计算机通过本机20ms中断建立通信周期并发起通信，按照伺服设备编号依次向总线发送携带有ID地址的控制帧。其次，伺服设备保持侦听状态，接受ID地址与飞控计算机一致的控制帧，接受后与总线建立同步，从同步点开始计时，延时向飞控计算机发送携带有ID地址的反馈数据帧。最后，飞控计算机接受伺服设备反馈的数据帧。该方法实现了CAN总线技术在无人机内部通信的应用。该方法保证了无人机内部通信的实时性和可靠性，且CAN总线通信网络互联简单，便于系统升级。但是，该CAN总线通信网络方法仍存在三点不足：其一，通信过程中，数据帧不携带发送者和接收者的任何信息，容易受到伪造攻击；其二，由于CAN总线的广播特性，监听者可以直接获取CAN通信数据帧，容易泄露无人机飞行数据；其三，数据帧不包含时间戳信息，容易受到重放、洪泛攻击，无人机飞行安全受到极大威胁。