蒋华 砺道智库 2023-11-17 13:56 发表于北京
据福布斯网11 月 16 日报道，作为太空卫星通信安全先驱的一部分，美国NASA正在资助迈阿密大学弗罗斯特数据科学与计算研究所(IDSC) 的一个突破性项目，该项目将能够用纳米卫星或纳米卫星星座增强传统大型卫星。
这些纳米卫星旨在实现不同的目标，从通信和天气预报到地球科学研究和观测数据收集。技术创新是NASA 的标志，NASA 是新技术开发的全球领导者，这些新技术使美国太空任务得以实现，并转化为从空间和地球科学到消费品以及国家和国土安全的各种应用。
随着卫星技术的进步以及部署和运营成本的降低，纳米卫星在保护其通信网络方面也面临着重大挑战。具体来说，小型卫星由各种公共和私营部门组织拥有和运营，扩大了网络利用的攻击面。该场景类似于Wi-Fi 网络漏洞。这些系统为对手提供了威胁国家安全的机会，并引起了卫星公司、运营商和用户的经济担忧。
2023 年春天，跨国科技公司泰雷兹的网络安全研究人员团队在欧洲航天局 (ESA) 的网络安全演习（称为 Hack CYSAT 挑战赛）中成功侵入了欧洲航天局 (ESA) 的纳米卫星 OPS-SAT。这次道德黑客攻击暴露了卫星系统的潜在漏洞，旨在了解网络攻击对太空基础设施的真正影响。泰雷兹研究人员能够使用标准访问权限访问 OPS-SAT 的机载系统，从而能够控制其应用环境。这次入侵允许操纵卫星的全球定位系统、姿态控制系统和机载摄像头。黑客利用漏洞注入恶意代码，破坏传回地球的数据并修改捕获的图像。
这项活动的主要目标是：提高人们对卫星系统潜在缺陷和漏洞的认识，促进有效的修复。泰雷兹网络解决方案副总裁Pierre-Yves Jolivet强调需要增强卫星和太空计划的网络弹性，并指出地面部分和轨道系统。
尽管欧空局的卫星漏洞令人担忧，但商业卫星面临着更大的风险。之前的例子包括一名黑客构建了一个价值25 美元的工具来破坏 SpaceX 的 Starlink 系统，该系统拥有近地轨道上约 3,600 颗卫星的星座。此外，有报道称，俄罗斯成功入侵了主流卫星互联网系统，“匿名者”组织声称渗透了俄罗斯间谍卫星，以应对地缘政治事件。
这些事件凸显了解决卫星系统网络安全问题的重要性，因为世界见证了越来越多的私人参与者进入太空探索和卫星部署。
NASA 的科学项目经常让学术机构参与探索国家挑战，从而开展研究工作，从而产生见解和战略解决方案。
NASA 与 Knight 基金会捐赠主席 Yelena Yesha 博士联系，希望帮助解决这一关键问题。由此产生了一个项目，旨在研究新兴零信任架构对小型卫星网络的有效性，并促进近期研究成果的转化，以满足日益严重的安全问题的需求。
Yesha 作为首席研究员领导该项目，在网络安全和卫星通信方面拥有丰富的经验。作为计算机科学教授兼IDSC 人工智能和机器学习总监，她组建了团队来开展该项目：Stephen Dennis、Phuong Nguyen 博士、Yusen Wu 博士、Alex Pissinou-Makki 和 Kevin Padron。
该项目正在研究最近开发的区块链技术，以改善对卫星间通信的保护。显然，区块链架构可以为用户、设备和服务之间的交易提供额外的控制，从而提高安全性。Stephen Dennis 解释说：“我们的系统将通过审查系统中的每笔交易、检查用户凭据和所请求操作的权限，并进一步阻止恶意行为者攻击系统资源，来执行零信任网络安全原则。”
该项目将记录与操作相关的用例，这些用例可用于演示概念验证，为模拟环境的网络安全提供信息，并成为卫星系统中潜在应用的重要指标。丹尼斯解释说：“除了区块链提供的控制之外，它还允许在低成本环境中模拟概念。因为纳米卫星成本更低，而且产量更高。潜在的经营规模更加广阔。检查大规模系统模拟非常重要，以确保安全设计能够跟上不断扩展的卫星网络的步伐。例如，预计到 2027 年将部署 2,080 颗纳米卫星。”
除了对美国宇航局科学和太空任务的经济和安全影响外，该倡议还考虑到卫星的多方面作用。从监测地球上的天气模式、农作物和运动到为政府组织提供商业支持，卫星在各种关键领域发挥着关键作用。随着美国太空部队的出现，太空军事活动变得越来越重要，增加了一层额外的国家安全利益。
Yesha 强调了由于不同部门对卫星的依赖日益增加而确保太空通信安全的紧迫性，并明确了该项目的目标：“目标是弥合商业卫星通信安全方面的现有差距，承认与未经授权的访问和腐败相关的潜在风险。这是人工智能、区块链技术和太空探索的交叉点，这种技术融合标志着解决太空通信安全这一复杂挑战的重大飞跃。”
Yesha 指出，NASA正在模拟太空环境，以验证集成技术的有效性，因此，尽管人工智能和区块链仍处于起步阶段，但它的探索提供了一个机会，可以重塑我们在各个领域处理基于卫星的活动的方式。
揭示黑客入侵纳米卫星的影响：仔细研究接入点和地球观测
斯蒂芬·丹尼斯揭示了黑客入侵纳米卫星的一些影响。他解释说，攻击纳米卫星与攻击任何其他资源并没有本质上的不同，而是“这是关于利用接入点并了解受损的卫星在连接到有趣的资产方面可以提供什么。”
纳米卫星作为接入点的重要性本身就可能导致资源的控制或禁用。随后的妥协可以在内部或连接的系统和网络中使用。保护通信安全是一项重要的对策，其主要目标是限制特定角色的访问。丹尼斯证实，“在这个项目中，我们仔细审查涉及卫星的交易，例如任务分配、访问和操作，以验证只有授权个人才能使用授权服务执行适当的操作。”
丹尼斯解释了卫星目前的作用，特别是那些涉及美国宇航局地球观测项目的举措：“从美国宇航局对这个特定项目的角度来看，这一切都与地球观测有关。” 他讲述了最近参加的一个研讨会，研究人员在研讨会上分享了旨在加强地球观测科学的想法和算法。他进一步指出了卫星技术在改善天气和气候监测、水文学和水资源研究方面的多种应用。丹尼斯补充说，这些问题领域代表了与卫星系统相关的战略问题：
“我们相信这项研究的结果将对天基应用以及其他关键基础设施系统产生更广泛的影响。例如，卫星有助于观察佛罗里达州水系统由于城市发展而发生的变化。除此之外，纳米卫星还有助于研究火山活动、海洋生态、大气化学和其他影响地球环境的关键因素。”
丹尼斯强调了迈阿密大学研究人员研究珊瑚礁和珊瑚礁破坏的工作，他强调了解这些生态系统并找到支持生态平衡的方法的重要性。此外，研究人员还关注大气化学，检查污染，包括火山排放的影响及其对地球的影响。
就开源/开放研究而言，丹尼斯表示确保该计划的适当组成部分对项目参与者透明的重要性：“这是创新过程的一部分，”他表示，并强调了围绕开源/开放研究建立社区形式的满意度。想法，并指出美国国家科学基金会和美国宇航局等组织推动数据集和软件开放以进行可重复实验。
丹尼斯将学术界开放的重要性解释为“一种平衡力量，提高学术工作的标准并减少科学欺诈的可能性”。从经济角度来看，他强调了开源模式对于加速将伟大创意转化为商业上可行的努力的重要性，“请记住，Hadoop 文件系统成为商业支持的开源，导致了 Cloudera 和 Cloudera 等成功企业的出现。”
他继续说道，“开源”能够实现可扩展性，“它允许向市场的转变，并且是审查非常强大的想法的自然方式。”
当谈到管理该计划中的多个项目和算法时，丹尼斯解释说，随着系统变得更加模块化，有多种方法可以取出模块并用其他模块替换它们。虽然开源实现可能适合某些方面，但企业可能会选择专有实现来维护其IP 特权和收入流。
该计划目前正在进行中，重点是注册用户和设备，同时与模拟系统建立松散的集成。该方法涉及与模拟系统一起运行服务，从而支持API 的开发。在接下来的六个月中，该团队的目标是进行一些用例，为后续测试和完善奠定基础。该计划是迭代这些用例并报告结果。循环过程涉及与NASA 的密切合作，确保项目的不断发展符合总体预期。
丹尼斯透露，核心重点将是模拟系统内的资源分配和审查。具体来说，该团队将模拟卫星资源，在网络中注册和验证它们，关键实现包括管理员操作、多方注册，以及探索智能合约以实现流程自动化和简化身份验证方法。
IDSC 结合这两种技术的方法将利用联邦学习，从而最大限度地降低数据泄漏的风险，并进一步消除了为开发机器学习模型而合并孤立数据集的需要。
丹尼斯强调了当组织认为自己的数据敏感并且不愿为了实现组织目标的集体利益而共享这些数据时，就会出现常见的挑战。他强调，“我们的许可区块链中提供的细粒度数据访问控制代表了控制与机器学习应用程序相关的数据访问的一种方法。”
例如，组织之间只交换算法参数（而不是数据），而不是聚合数据集。共享这些权重可以创建符合集体目标的统一模型。丹尼斯指出，他们已经在物联网(IoT) 应用程序上实施了这种方法，其中不同的组织拥有不同的设备作为公共网络的一部分：“在纳米卫星背景下，存在多种应用，其中卫星、资源或数据所有者不愿意共享原始数据集，但可以被说服共享代表性信息，例如使社区能够从代表性信息中受益的机器学习参数。”
对于 NASA 地球科学技术办公室高级信息系统技术(AIST) 项目经理 Jacqueline Le Moigne 博士来说，这种合作伙伴关系对于推进他们的目标至关重要：“通过开发零信任架构来增强小型卫星通信安全，IDSC 将为构建新颖的观测策略提供重要的基石，其中大型 NASA 卫星与纳米和微型卫星以及现场传感器进行交互，以创建一个地球互联网，并利用NASA 和非 NASA 来源，以不同的分辨率从多个有利位置优化地球观测。”
该团队刚刚开始将其大学研究能力转化为满足公共和私营部门的安全需求。随着空间技术受到越来越多的关注，对纳米卫星系统漏洞的探索、对强有力的网络安全措施的迫切需要以及确保卫星间通信安全的新努力凸显了不断变化的挑战。