中文引用格式： 杜一鸣，周文辉，魏骁，等. 面向空间应用的UBP-LKH树组播密钥管理方案研究[J]. 电子技术应用，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
随着网络技术的飞速发展，组播通信作为一种高效的数据传输方式，被广泛应用于视频会议、在线直播、IPTV、在线游戏[1]等场景。组播通信的核心优势在于能够将数据同时传输给多个接收者，从而显著减少网络带宽的消耗和服务器负载。然而，组播通信的开放性和高效性也带来了显著的安全挑战，尤其是在数据传输的保密性和访问控制方面。
在组播通信中，数据是通过共享的网络通道传输的，这意味着任何能够访问该通道的用户都可能接收到数据。因此，如何确保只有授权用户能够解密和访问组播数据，成为了组播通信安全的关键问题。组播密钥管理系统（Multicast Key Management System, MKMS）应运而生，旨在通过有效的密钥管理机制，保障组播通信的安全性。
MKMS中常见的几种集中式方案有组密钥管理协议[2]（Group Key Management Protocol,GKMP）、逻辑密钥（Logical Key Hierarchy，LKH）树[3]和单向函数树[4]（One-Way Function Tree Protocol,OFTP）等。这些方案通过不同的技术手段，在安全性、可扩展性和效率之间寻求平衡，为组播通信提供了可靠的安全保障。
在通信卫星这类资源受限的环境中，集中式密钥管理方案凭借其轻量化以及便于部署的特性，展现出显著优势，其中 LKH 树为最典型的代表。该方案的优化主要聚焦于结构设计、密钥生成机制以及动态管理策略这几个关键方向。汪伟等人提出了路径优化[5]方案，通过建立动态子树，有效提升了密钥更新路径的重叠概率，进而减少了单次加密操作的次数。不过，此方案的实施依赖于对各个组成员行为特征的深入了解。张辉等人给出了LKH-Iolus复合嵌套方案[6]，它通过设置子组来分担密钥更新所产生的负载，不仅增强了通信安全性，还降低了通信开销，尤其适用于大规模组播密钥的管理。除此之外， Shen等人通过神经网络预测流量来确定批密钥更新的时间[7]，批密钥处理是在一定时间内对加入或退出的组成员进行统计，之后批量地更新LKH树，该处理方案需要以一定的安全性为代价用来优化计算与通信开销。
然而，由于资源受限，通信卫星难以承载大规模组播。上述方案同时存在特定业务需求的限制，在实际部署过程中也面临诸多困难。因此，在这样的场景下，需要一种集中式密钥管理方案，它既能满足优化中小型组播业务的需求，又具备适配多种应用场景的能力。
本文将以通信卫星为背景，以LKH树作为组播密钥管理方案，对该方案进行通用的扩展性优化，将LKH树与B+树相结合，设计一种无索引的B+逻辑密钥树。该方案合理利用计算资源，采用树压缩与树扩展方案——上限重构和下限重构，通过优化树的层级结构，以降低密钥更新过程中的加密开销，该方案对中小型规模组播有着显著的优化。
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作者信息：
杜一鸣，周文辉，魏骁，赵聃，段冉阳
（华北计算机系统工程研究所， 北京 100083）
