中文引用格式： 杜一鳴，周文輝，魏驍，等. 面向空間應用的UBP-LKH樹組播密鑰管理方案研究[J]. 電子技術應用，2025，51(11)：83-89.
英文引用格式： Du Yiming，Zhou Wenhui，Wei Xiao，et al. Research on UBP-LKH tree multicast key management scheme for space applications[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(11)：83-89.
引言
隨著網絡技術的飛速發展，組播通信作為一種高效的數據傳輸方式，被廣泛應用于視頻會議、在線直播、IPTV、在線游戲[1]等場景。組播通信的核心優勢在于能夠將數據同時傳輸給多個接收者，從而顯著減少網絡帶寬的消耗和服務器負載。然而，組播通信的開放性和高效性也帶來了顯著的安全挑戰，尤其是在數據傳輸的保密性和訪問控制方面。
在組播通信中，數據是通過共享的網絡通道傳輸的，這意味著任何能夠訪問該通道的用戶都可能接收到數據。因此，如何確保只有授權用戶能夠解密和訪問組播數據，成為了組播通信安全的關鍵問題。組播密鑰管理系統（Multicast Key Management System, MKMS）應運而生，旨在通過有效的密鑰管理機制，保障組播通信的安全性。
MKMS中常見的幾種集中式方案有組密鑰管理協議[2]（Group Key Management Protocol,GKMP）、邏輯密鑰（Logical Key Hierarchy，LKH）樹[3]和單向函數樹[4]（One-Way Function Tree Protocol,OFTP）等。這些方案通過不同的技術手段，在安全性、可擴展性和效率之間尋求平衡，為組播通信提供了可靠的安全保障。
在通信衛星這類資源受限的環境中，集中式密鑰管理方案憑借其輕量化以及便于部署的特性，展現出顯著優勢，其中 LKH 樹為最典型的代表。該方案的優化主要聚焦于結構設計、密鑰生成機制以及動態管理策略這幾個關鍵方向。汪偉等人提出了路徑優化[5]方案，通過建立動態子樹，有效提升了密鑰更新路徑的重疊概率，進而減少了單次加密操作的次數。不過，此方案的實施依賴于對各個組成員行為特征的深入了解。張輝等人給出了LKH-Iolus復合嵌套方案[6]，它通過設置子組來分擔密鑰更新所產生的負載，不僅增強了通信安全性，還降低了通信開銷，尤其適用于大規模組播密鑰的管理。除此之外， Shen等人通過神經網絡預測流量來確定批密鑰更新的時間[7]，批密鑰處理是在一定時間內對加入或退出的組成員進行統計，之后批量地更新LKH樹，該處理方案需要以一定的安全性為代價用來優化計算與通信開銷。
然而，由于資源受限，通信衛星難以承載大規模組播。上述方案同時存在特定業務需求的限制，在實際部署過程中也面臨諸多困難。因此，在這樣的場景下，需要一種集中式密鑰管理方案，它既能滿足優化中小型組播業務的需求，又具備適配多種應用場景的能力。
本文將以通信衛星為背景，以LKH樹作為組播密鑰管理方案，對該方案進行通用的擴展性優化，將LKH樹與B+樹相結合，設計一種無索引的B+邏輯密鑰樹。該方案合理利用計算資源，采用樹壓縮與樹擴展方案——上限重構和下限重構，通過優化樹的層級結構，以降低密鑰更新過程中的加密開銷，該方案對中小型規模組播有著顯著的優化。
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作者信息：
杜一鳴，周文輝，魏驍，趙聃，段冉陽
（華北計算機系統工程研究所， 北京 100083）
