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衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全技術綜述

文檔作者：關漢男12，易平1·2，俞敏杰1·2，李建華1.2.3 文檔來源： 1.信息內容分析技術國家工程實驗室 2.上海交通大學信息安全工程學院 3.上海鵬越驚虹信息技術發(fā)展有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年08月01日
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．。壹羹疊豳豳豳一
表3 3種密鑰管理協(xié)議的比較
hierarchv。Um)㈤的密鑰管理方案㈣。該協(xié)議將衛(wèi)星系統(tǒng)的
通信節(jié)點分為多個組，每個組由一個組控制器(group
con昀Her，GC)和多個組成員(伊叫p lnember，GM)構成。組
內構成一個可信域，共享同一個通信組密鑰，組控制器負
責組內的密鑰管理和認證。所有組控制器由根節(jié)點(蹦)
統(tǒng)一進行密鑰管理，形成一個更高層次的可信域。衛(wèi)星多
播通信中，為了保障前向安全性(即節(jié)點退出后就不能再
獲取多播通信信息)和后向安全性(即新加入的節(jié)點不能
獲知加人前的多播信息)，必須在任何一個通信節(jié)點退出
或加入后．更新組內密鑰。傳統(tǒng)中心式結構，隨著節(jié)點數(shù)目
的增加更新密鑰的開銷呈指數(shù)級增長，基于邏輯密鑰樹的
分層密鑰管理協(xié)議減少了密鑰更新的開銷，非常適合于動
態(tài)性強的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是這種密鑰管理結構還是中心
化的，根節(jié)點作為密鑰管理中心，仍舊存在單點失效的風
險。另外當層級增多或分組過多時，每次更新密鑰會產(chǎn)生
較大的通信流量。
鐘焰濤在其博士學位論文【柏】中設計了一種基于LE0
(低地球軌道)和MEO(中地球軌道)的雙軌道密鑰管理架
構。所有ME0衛(wèi)星構成一個分布式可信域，通過密鑰協(xié)商
生成共享組密鑰。每個ME0衛(wèi)星和其信號輻射范圍內所
有LE0衛(wèi)星組成一個簇，ME0充當這個簇的密鑰管理中
心(簇頭)，簇內組密鑰是將ME0組密鑰加入隨機參數(shù)生
成的．從而保障不同簇的密鑰差異。由于純分布式密鑰管
理密鑰協(xié)商過于頻繁，不適用于星問鏈路，而中心化的結
構又存在單點失效等問題。簇型結構能夠中和以上兩種結
構的優(yōu)點．可以在性能和效率上取得較好的平衡。
3種密鑰管理協(xié)議的比較如表3所示。
6結束語
伴隨著空間通信技術的進步，衛(wèi)星通信環(huán)境逐漸向
“類地化”發(fā)展。據(jù)美國宇航局(NASA)預測，低地球軌道衛(wèi)
星的通信能力有望在2020年達到10 Gbit／s，空間鏈路誤
碼率有望降至10。以下{4ll。這在讓筆者感到興奮的同時，
也為通信安全敲響了警鐘。衛(wèi)星系統(tǒng)性能的提升為實現(xiàn)天
地一體化綜合信息網(wǎng)創(chuàng)造了條件。同時也為更復雜網(wǎng)絡攻
擊手段提供了溫床。因此衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的安全研究仍舊是
一個年輕的領域。除了本文討論的幾種技術外，未來的發(fā)
萬方數(shù)據(jù)
!睦趟麓閣圈圈
域覆蓋面廣、通信不受地理條件所限、信道鏈路成本低、可
用頻率資源豐富等優(yōu)勢，成為了構建全球無縫通信互聯(lián)網(wǎng)
絡的重要組網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)計，近lO年聞，世界各國提出的衛(wèi)星
寬帶綜合業(yè)務通信方案多達80一100個?？梢灶A見，新一代
衛(wèi)星通信系統(tǒng)將向通信寬帶化、業(yè)務綜合化、移動終端多樣
化、與Incemet(國際互聯(lián)網(wǎng))一體化方向發(fā)展。
在此背景下。衛(wèi)星通信系統(tǒng)的安全面臨更大挑戰(zhàn)。由
于空間通信環(huán)境特殊，現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)安全技術并不完全適
用于衛(wèi)星通信。而以往的研究更多關注于衛(wèi)星通信的可用
性和效率．對于安全機制的討論尚不充分。近年來頻發(fā)的
衛(wèi)星安全事件足以印證這一點：2006年印尼黑客通過自‘制
的信號終端成功入侵商用衛(wèi)星?；2007年歐洲Galileo
導航系統(tǒng)中G10VE．A衛(wèi)星的編碼算法被攻破【21：2009年
我國北斗導航系統(tǒng)的M1民用編碼被破解【3】?？梢娦l(wèi)星通
信系統(tǒng)亟需多層次、系統(tǒng)化、綜合性的安全防護體系。
2衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全弱點
衛(wèi)星通信系統(tǒng)由地面段和空間段組成，地面段包括主
控中心、監(jiān)測中心及信關站，空間段包括衛(wèi)星星座、星間鏈
路和星地鏈路?？臻g段通過微波通信進行數(shù)據(jù)及信令的傳
輸、轉發(fā)和交換。是整個系統(tǒng)的核心部分，也是安全隱患最
大的部分，其安全弱點歸納如下。
(1)物理通信環(huán)境惡劣
星座網(wǎng)絡位于據(jù)地面高度2 000 km(低地球軌道)至
35 800 km(同步衛(wèi)星軌道)的太空近地軌道，通信鏈路
容易受到宇宙射線、大氣層電磁信號或惡意電磁信號
的干擾。具有信號傳輸誤碼率高(10～一lO。)、時延大
(10～300 ms)、通信不穩(wěn)定等特點。由于無線鏈路具有
開放性．缺乏物理保護．容易遭受干擾、截獲、偽造等惡意
攻擊。
(2)衛(wèi)星節(jié)點能力受限
相比地面系統(tǒng)，衛(wèi)星節(jié)點的硬件處理能力較低，星上
系統(tǒng)的計算能力、存儲空間、電能功率等都受到一定限制，
這直接制約了星上運算的復雜度和通信開銷，使得安全性
高的復雜協(xié)議難以在衛(wèi)星網(wǎng)絡中實現(xiàn)。
(3)網(wǎng)絡動態(tài)性變化
星座網(wǎng)絡拓撲具有無中心、自組織、周期性的特點，而
地面部分用戶終端具有移動性，可擴展性。這些因素使得
網(wǎng)絡通信實體間的信任關系不斷變化，增大了身份認證、
密鑰管理、訪問控制的難度，地面用于靜態(tài)網(wǎng)絡的安全措
施往往不適合這種拓撲結構。
3衛(wèi)星通信系統(tǒng)安全性概述
根據(jù)OSl分層通信模型．衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主要通信協(xié)
議、安全威脅和防護技術如表1所示。從低層向高層，安全
威脅呈現(xiàn)出手段更豐富、技術更復雜、隱蔽性更強、防護難
度更高的發(fā)展趨勢。具體包括硬件設施損毀、壓制干擾、欺
騙干擾、頻段竊聽、數(shù)據(jù)截獲、數(shù)據(jù)篡改、重放攻擊、中間人
攻擊、身份仿冒和非授權訪問等。衛(wèi)星系統(tǒng)的安全技術應
該在不同通信層級各有側重，主要保障系統(tǒng)的可用性、數(shù)
表1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要協(xié)議及安全技術匯總
通信層級衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要協(xié)議安全威脅安全技術
應用層
傳輸層
網(wǎng)絡層
空間分組協(xié)議SCPs．FP
SCPSJP
SCMP、
SCPS—SP、
SCPS—NP
改進的FrP
改進的TCP(如PEP．7I℃P、
TCP-Peach、TCP—Peach+等)
改進的ICMP；改進的IPSec
(如SalIPsec等)；改進的IP
改進的ATM
非授權訪問：
身份仿冒；
拒絕服務；
中間人攻擊：
重放攻擊；
信息篡改；
信息截獲
數(shù)據(jù)鏈邏輯鏈路AOS空間數(shù)據(jù)鏈路ProxjIllity空問遙測數(shù)據(jù)遙控數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議頻段竊聽
路層子層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議鏈路協(xié)議欺騙干擾
萎耋編碼黑詈鎏譬硐卷積編碼陋編碼Tu加編碼咖編碼囂蠶蔞子層PLOPS 同步編碼
“””8
物理層信道物理信號射頻與調制
基礎設施星座網(wǎng)絡、控制中心、信關站、監(jiān)測站、用戶終端
訪問控制：
身份認證；
新鮮性認證：
完整性認證：
數(shù)據(jù)加密：
密鑰管理
防頻段竊聽：擴頻技術、跳
頻技術、加入人工噪聲、編
碼加密：
抗欺騙干擾：能量鑒別、角度
鑒別、認證加密：
抗壓制干擾：提高信源功率、
自適應多波束天線、偽衛(wèi)星
技術：
抗損毀：設施冗余備份、衛(wèi)星
高軌道設計、衛(wèi)星分散化設
計、星座網(wǎng)絡自主運行技術
萬方數(shù)據(jù)
萬方數(shù)據(jù)
三．二生氆圈豳簟誓
理論基礎是Wvner提出的竊聽信道模型，即竊聽者的疑義
速率無限接近于信息速率時，不可能得到任何可用信息，
信息可不依賴于加密進行安全通信。參考文獻f16】提出一
種基于人工噪聲(anificial noise，AN)的竊聽反制技術，通
過在不影響信源信號質量的冗余頻譜上加入人工噪聲，達
到提高竊聽信道疑義速率的目的。但是由于星載能量的有
限性，這種技術并不適合在衛(wèi)星系統(tǒng)中普遍使用。Zheng G
等人在參考文獻『171中結合多波束通信、AN等安全技術，
提出一種對竊聽者信道產(chǎn)生最大化干擾的防護策略。但該
算法建立在已知竊聽者信道狀態(tài)信息(CSI)(至少要獲知信
道協(xié)方差矩陣(CCM))的假設之下，因此在實際應用中存
在局限。
底層加密技術也可以起到綜合防護的效果，缺點是只
能保護一條鏈路的傳輸安全，不能實現(xiàn)端到端的防護．因
此只適用于數(shù)據(jù)交換量不大、安全要求高的特定場景。如
GPs的AS(鋤ti．spoo{ing)防護機制，其目的是通過鏈路層編
碼加密來保護用于軍用衛(wèi)星導航的P碼序列，AS機制將P
碼與加密的W碼模2相加形成加密的P(Y)碼，實現(xiàn)了衛(wèi)
星導航信號的防竊聽、抗干擾和授權訪問。
5網(wǎng)絡層／傳輸層安全
近年間，物理層技術的進步推動了空間信道質量的提
升。通信協(xié)議明顯有從低層向高層發(fā)展的趨勢。早在1999年，
國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultalive Committee for
Space Data Systems，CCSDS)就制定了空間通信協(xié)議(space
communication protoc01 speci{icalion，SCPS嚴鋤，SCPs沿用
了TCP，【P分層結構．但為了在空間網(wǎng)絡環(huán)境下保持最佳
傳輸比特率，SCPs對傳輸層的3次握手、超時重傳等機制
進行了裁剪，在網(wǎng)絡層甚至放棄了與IP數(shù)據(jù)分組的兼容
性阿。這使得SCPs并未成為廣泛認同的標準，對TCP和
IP的不同改進也成為以往研究的熱點，參考文獻
(24，25】先后提出一種基于“突發(fā)啟動”和“快速恢復”機制
的TCP改進協(xié)議TCP-I)each以及其優(yōu)化版本7rCP．Peach十：
針對星座鏈路間流量分布不均勻、節(jié)點處理能力有限、
星座拓撲動態(tài)變化等特點，參考文獻【26]設計了一種用
于LE0星座的傳播時延最小路由算法，參考文獻【27】提
出了針對層次化拓撲結構星座的路由算法。這些改進不同
程度地優(yōu)化了衛(wèi)星網(wǎng)絡的路由交換和分組傳輸，由于并非
本文綜述的重點，這里不再詳述。
在安全性的設計上，SCPs也非常有限，其協(xié)議棧中只
有子協(xié)議SCPs．sP用于保障通信安全。SCPS．sP工作在傳
輸層和網(wǎng)絡層之間，類似于TCP／IP協(xié)議棧中的IPsec協(xié)
議。但SCPs．sP占用的通信開銷要小得多，這也導致其安
全性減弱，不能防范流量分析、數(shù)據(jù)分組重放等攻擊手段。
這主要是因為SCPs．SP制定于十幾年前，當時的空間帶寬
十分珍貴．但在今天看來這種設計顯得過于保守。
因此許多研究著眼于設計新的高層安全協(xié)議。由于數(shù)
據(jù)加密技術已有成熟的算法標準，并且可移植性很強，只
要根據(jù)不同衛(wèi)星的計算能力和數(shù)據(jù)的密級，選擇合適的加
密算法和密鑰長度，即可實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)保密，所以星上數(shù)
據(jù)加密并不是協(xié)議設計的熱點。以往的研究主要集中于兩
個方面：認證機制和密鑰管理。
5．1 認證機制
認證機制包括完整性認證、新鮮性認證和身份認證。
完整性認證用于防止數(shù)據(jù)損毀和惡意篡改，常用技術是散
列函數(shù)校驗或消息碼認證(messa筘autllenIication code，
MAC)㈣；新鮮性認證可以抵御重放攻擊[1l】，一般通過向
通信報文中加人時間戳、序列號或隨機數(shù)等新鮮因子實
現(xiàn)；身份認證可以防止身份仿冒，如中間人攻擊㈣、非授
權訪問等。主要通過數(shù)字簽名技術嗍實現(xiàn)。
Wunems C等人提出一種基于公鑰密碼體制的認證技
術13l】，該方法將地面控制中心作為可信第三方(tusted third
pany，7I，IP)，當某衛(wèi)星節(jié)點與地面用戶通信時，地面控制中
心首先生成該衛(wèi)星節(jié)點的一對公私鑰，然后用控制中心的
私鑰對其簽名(即用私鑰對信息加密)后通過安全信道(用
已協(xié)商好的密鑰加密的信道)發(fā)送給衛(wèi)星。衛(wèi)星通過驗證
控制中心的簽名信息(即用控制中心的公鑰解密)確保獲
得公私鑰的真實性。然后衛(wèi)星用自己的私鑰對發(fā)送給地面
用戶的信息進行簽名并廣播自身公鑰。地面用戶驗證簽名
后即可確保衛(wèi)星信號的真實性。該認證協(xié)議結構簡單、可
用性強，選擇地面控制中心作為認證中心(cer【i{icate
au出ori辭，CA)，可以發(fā)揮控制中心計算和存儲能力強的優(yōu)
勢，減輕了其他節(jié)點證書管理的負擔。但是由于用戶終端
并不直接與控制中心通信。因此用戶端無法獲取自己的公
私鑰，使得用戶與衛(wèi)星的認證關系是單向的，實際應用中
往往采用驗證用戶終端ID的方式對這種缺陷進行彌補，
從而實現(xiàn)用戶的授權訪問。所以這種結構只適用于用戶端
與衛(wèi)星無需對稱交互的場景。如星座導航、遙感衛(wèi)星等單
向通信系統(tǒng)。
Cruickshank設計了一種實現(xiàn)用戶端與衛(wèi)星間雙向認
霾潮鶼
萬方數(shù)據(jù)
綜述
證的協(xié)議閻，合法用戶可以通過向地面CA注冊獲取證書．
實現(xiàn)與衛(wèi)星節(jié)點的完整性認證、加密通信和身份認證。由
于是完全基于PKI(public key infrastructure)架構，該協(xié)議
在保障良好認證效果的同時，需要較大的計算開銷和交互
頻率，并且公鑰證書的撤銷、更新和維護依賴于地面中心．
具有很大的維護成本和單點失效的風險。并且該協(xié)議應用
于全球移動通信系統(tǒng)，由于每次通信都要公開存放有用戶
個人信息的公鑰證書．缺乏對個人隱私的保護。
Chen等人在總結上述認證協(xié)議缺點的基礎上，提出一
種自驗證的認證協(xié)議圈。該協(xié)議分為初始化、注冊、認證3個
步驟：初始化階段地面網(wǎng)絡控制中心(net control centre，
NCC)向用戶發(fā)放一組長久使用的公私鑰和由該私鑰推算
出的對稱主密鑰。注冊階段用戶將通過主密鑰加密的消息
認證碼(MAC)連同自身ID和一份I臨時ID發(fā)送給NCC，由
于主密鑰是NCC與用戶獨有的，可以實現(xiàn)NCC與用戶的
雙向認證。認證階段衛(wèi)星通過NCC獲取用戶ID和I臨時
ID．而后根據(jù)臨時ID生成與用戶共享的會話密鑰，用該會
話密鑰和用戶ID實現(xiàn)同用戶的雙向身份認證。由于每一
次認證后臨時ID都會被刷新．因此可以保障新鮮性認證，
通信數(shù)據(jù)的完整性認證則由消息認證碼校驗來實現(xiàn)。由于
使用SHA．1算法和DES算法㈣生成消息認證碼，其計算開
銷比公鑰加密小得多．減輕了移動用戶終端的負擔。該協(xié)
議根據(jù)用戶臨時身份ID推算會話密鑰，減小了存儲維護
密鑰的難度。同時臨時身份的刷新機制有效地保護了用戶
隱私。但由于該協(xié)議結合了公鑰加密、對稱密鑰加密、散列
處理等多種計算過程，因此對于每次認證的計算次數(shù)和交
互較多．適用于通信環(huán)境較好的低軌道寬帶通信衛(wèi)星或移
動通信衛(wèi)星。
3種認證機制的比較如表2所示。
5．2密鑰管理
密鑰管理包括密鑰的生成、分發(fā)、更新及銷毀．是數(shù)據(jù)
加密、身份認證等安全技術的基礎保障。衛(wèi)星通信系統(tǒng)中
密鑰管理的難點在于：如何在遠距離、高時延、不穩(wěn)定的無
線鏈路中安全有效地分發(fā)密鑰：如何在高動態(tài)性的用戶網(wǎng)
絡和星座網(wǎng)絡中及時更新密鑰。
Alphand等人在參考文獻f35沖提出一種衛(wèi)星網(wǎng)絡安
全協(xié)議SatIPSec。SatIPSec針對IKE密鑰交換協(xié)議136】在廣播
通信上的不足。提出了適合于衛(wèi)星廣播信道的密鑰交換協(xié)
議FMKE(flat muhicast key exchange)，F(xiàn)MKE由GCK(group
controller＆key server)負責密鑰的管理，各用戶端必須通
過信關站與衛(wèi)星通信．在每個信關站出口均設有SC
(SatIPSec client)，SC負責建立安全聯(lián)盟(security
association)t聊IP數(shù)據(jù)分組的封裝(IP分組以隧道的形式
在衛(wèi)星組網(wǎng)間傳輸)。這種設計結構使得FMKE可以不必
復制多份組密鑰數(shù)據(jù)分組，也不必與多個接收節(jié)點分別建
立安全聯(lián)盟，而是將SC作為密鑰分發(fā)的網(wǎng)關，再轉發(fā)給所
有的廣播接收節(jié)點。FMKE的優(yōu)勢是在不降低安全性的同
時，提高了組密鑰分發(fā)的效率。但由于SC的設計必須依賴
于地面信關站．而且SC對應的用戶端相對固定，所以該協(xié)
議無法適用于強動態(tài)性的網(wǎng)絡結構，一旦用戶出現(xiàn)頻繁
的加入與退出．中心式的密鑰管理結構將產(chǎn)生很大的更
新密鑰開銷。密鑰管理中心也容易出現(xiàn)單點失效或者性
能瓶頸。
Howartb等人提出了一種基于邏輯密鑰樹(1唧cal key
表2 3種認證機制的比較
萬方數(shù)據(jù)
．。壹羹疊豳豳豳一
表3 3種密鑰管理協(xié)議的比較
hierarchy．Um)㈤的密鑰管理方案㈣。該協(xié)議將衛(wèi)星系統(tǒng)的
通信節(jié)點分為多個組，每個組由一個組控制器(group
condoner，GC)和多個組成員(group member，GM)構成。組
內構成一個可信域，共享同一個通信組密鑰，組控制器負
責組內的密鑰管理和認證。所有組控制器由根節(jié)點(root)
統(tǒng)一進行密鑰管理，形成一個更高層次的可信域。衛(wèi)星多
播通信中，為了保障前向安全性(即節(jié)點退出后就不能再
獲取多播通信信息)和后向安全性(即新加入的節(jié)點不能
獲知加人前的多播信息)，必須在任何一個通信節(jié)點退出
或加入后．更新組內密鑰。傳統(tǒng)中心式結構，隨著節(jié)點數(shù)目
的增加更新密鑰的開銷呈指數(shù)級增長，基于邏輯密鑰樹的
分層密鑰管理協(xié)議減少了密鑰更新的開銷，非常適合于動
態(tài)性強的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是這種密鑰管理結構還是中心
化的，根節(jié)點作為密鑰管理中心，仍舊存在單點失效的風
險。另外當層級增多或分組過多時，每次更新密鑰會產(chǎn)生
較大的通信流量。
鐘焰濤在其博士學位論文【柏】中設計了一種基于LEO
(低地球軌道)和MEO(中地球軌道)的雙軌道密鑰管理架
構。所有MEO衛(wèi)星構成一個分布式可信域，通過密鑰協(xié)商
生成共享組密鑰。每個MEO衛(wèi)星和其信號輻射范圍內所
有LE0衛(wèi)星組成一個簇，MEO充當這個簇的密鑰管理中
心(簇頭)，簇內組密鑰是將MEO組密鑰加入隨機參數(shù)生
成的．從而保障不同簇的密鑰差異。由于純分布式密鑰管
理密鑰協(xié)商過于頻繁，不適用于星問鏈路，而中心化的結
構又存在單點失效等問題。簇型結構能夠中和以上兩種結
構的優(yōu)點．可以在性能和效率上取得較好的平衡。
3種密鑰管理協(xié)議的比較如表3所示。
6結束語
伴隨著空間通信技術的進步，衛(wèi)星通信環(huán)境逐漸向
“類地化”發(fā)展。據(jù)美國宇航局(NASA)預測，低地球軌道衛(wèi)
星的通信能力有望在2020年達到10 Gbit／s，空間鏈路誤
碼率有望降至10。以下{4ll。這在讓筆者感到興奮的同時，
也為通信安全敲響了警鐘。衛(wèi)星系統(tǒng)性能的提升為實現(xiàn)天
地一體化綜合信息網(wǎng)創(chuàng)造了條件。同時也為更復雜網(wǎng)絡攻
擊手段提供了溫床。因此衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的安全研究仍舊是
一個年輕的領域。除了本文討論的幾種技術外，未來的發(fā)
展還應包括以下幾個方面。
·星座網(wǎng)絡安全路由技術的研究。星座網(wǎng)絡是一種特
殊的無中心、自組織網(wǎng)．不排除未來出現(xiàn)惡意的空
間節(jié)點。對衛(wèi)星節(jié)點發(fā)起黑洞攻擊、蟲洞攻擊等攻
擊行為。
·高層空間安全協(xié)議的研究?，F(xiàn)有的衛(wèi)星安全協(xié)議大
多是對IPSec協(xié)議的改進，隨著天基網(wǎng)傳輸層、應用
層協(xié)議的發(fā)展，將有類似SSL、TLS、SSH、PGP等高
層安全協(xié)議出現(xiàn)。
·衛(wèi)星網(wǎng)絡安全審計與人侵檢測的研究。結合流量
監(jiān)控、數(shù)據(jù)挖掘、特征匹配、關聯(lián)分析等技術，在
衛(wèi)星通信系統(tǒng)中建立完整的安全審計及人侵檢測
模塊。
·空間信息安全管理體系的研究。結合信息安全管理
技術．建成系統(tǒng)化、標準化、全方位、普適性強的空
間信息安全管理體系。
參考文獻
l 王曉梅，張錚，冉崇森．關于竟糟衛(wèi)星網(wǎng)絡安全聞題的思考，
電信科學，2002，18(12)：38-41
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