ACM通信
星链的严重漏洞，或者埃隆·马斯克的担心没有白费
左上:Evgeny Sagatov。右上，德米特里·菲利莫诺夫。下图:安德烈·苏霍夫。
众所周知，数据传输服务的可靠性和连续性是卫星通信系统的主要要求。它们最大的优势在于能够在没有电信基础设施的地方快速提供通信服务。这些地区可能是偏远和人迹罕至的地区、荒芜地区或发生过技术灾害或自然灾害的地区。然而，在现代世界中，还有另一个更重要的标准来评估通信系统，这与它的可靠性和抗外部影响有关。
在这篇博客文章中，我们将从安全性和弹性方面分析SpaceX部署的星链全球卫星系统的运行情况。这个系统是否有可能被用来破坏其运作的弱点和缺点?
为了识别和描述可能的漏洞，我们分析了该系统的体系结构。众所周知，它由三个主要要素组成:
- 近地轨道小卫星星座，
- 地面站网络和
- 用户终端。
2022年10月初，约3500颗卫星被发射到轨道高度约550公里(342英里)的近地轨道。大多数星链卫星只是中继站，信号从地面站馈送给它们，然后重定向到用户终端。轨道高度和网络延迟值可用于计算地面站的通信半径。对于20 ~ 80毫秒的往返延迟，地面站的通信半径被限制在1000公里以内。
为了增加通信半径，网络应该使用自组织(ad hoc)网络技术。这项技术的引入允许用户在卫星之间传输数据，并建立更长的路线。其中一颗星座卫星接收到来自地面站的信号，然后数据在一系列卫星中传输，直到它到达向地面用户终端提供通信的卫星。这样的路由技术已经得到了很好的发展，但是它们有几个明显的缺点。
第一个缺点是耗电量，这对于小型卫星来说是非常有限的。这是因为通过自组织卫星网络传输相同数量的数据，比使用单一卫星中继需要更多的能量。因此，整个卫星星座的整体性能大大降低。
第二个缺点是自组织信道上的通信质量显著下降。这既适用于可用带宽，也适用于时延、抖动和丢包。这是香农-哈特利定理的一个结果。也就是说，使用自组织技术可以在出现新的技术困难时解决地面站的通信半径问题。
由于卫星数量众多，星座不断补充，影响每个要素的复杂性，卫星组件是星链卫星系统中最稳定的部分。用户终端网络的可靠性并不因其数量多和机动性差而降低，但在确定其确切位置方面存在困难(尽管经过一些努力，有可能确定终端的坐标)。无论如何，终端的数量大大增加了整个系统的可靠性。
最后，对地面站的可靠性进行了分析。这些是星链卫星系统中最复杂、最昂贵和最关键的部分，因为它们必须同时与数百颗卫星交互，并以千兆比特和太比特的速度处理数据流。这些站点也用于管理卫星星座本身:它们收集遥测数据，指挥卫星的运动，并控制数据传输。地面站也被用作全球互联网络和其他特殊用途网络的网关。
因此，地面站的作用怎么估计都不为过，但与星座中的卫星数量相比，地面站的数量很少。对一个地面站通信半径的估计得出结论，大多数国家需要一至五个地面站才能提供稳定的连接。因此，地面站是星链卫星系统中最薄弱的环节。
我们认为，组织一次对全球卫星系统的全面攻击，使世界各地大多数地面站丧失工作能力的可能性很小。然而，通过关闭几个(5到10个)地面站对系统的破坏是相当合理的。因此，位于故障附近的几个大国的连接可能会中断。
从攻击者的角度来看，有必要开始收集数据，以找到车站的确切地理坐标。此外，有必要查明组织通信的方案:通过哪些连接和操作员进入互联网络;特殊网络的网关是什么;系统的具体路由特性和IP地址等。无线电工程和遥测信息同样重要:天线的设计和具体功能、工作频率、信号调制方法、最大视角和与卫星的最大距离等。这些信息足以形成一种攻击方案，使某一地区的全球卫星系统在相当长的一段时间内瘫痪。
对地面站的主要攻击载体可分为以下几种:
- 企图破坏一个地区的地面站。
- 针对电讯基础设施的网络攻击。
- 同攻击。
在这篇文章中，我们不希望讨论物理上破坏地面站的方法，但星链卫星系统参与敌对行动，并没有增加系统的可靠性，这一点得到了公司管理层的证实。地面站周围地区的居民应该意识到，星链卫星系统的地面站是有潜在军事攻击风险的危险地点。因此，最好不要在这些车站附近定居或居住，以免无辜地受苦。
各种类型的网络攻击和劫持系统的手段是网络攻击的本质，但在我们看来，星链的防御机制相当发达。安全方面的一个例外可能是通往第三方网络的网关，这些网关可能没有按照应有的方式进行管理。通过电子手段进行攻击对攻击者来说是有希望的，这类活动是有空间的。富有想象力的攻击者无处不在，所以你可以期望他们富有创造力。
我们知道，当干扰地面站时，干扰器使用的设备必须在地面站的上方。最有可能的是，它可以被放置在一个低，甚至亚轨道轨道，但这种干扰的影响将是有限的时间。当干扰卫星级别的通信时，目标将是破坏自组织路由系统。这可以通过同时从地面和太空进行干扰来轻松实现。
对星链卫星系统的表面威胁分析表明，最脆弱的部分是在地面有限区域内提供通信的地面站系统。如果他们残疾了，就会在特定区域，甚至更大范围内中断通信。
我们和埃隆·马斯克一样，对全球星链卫星系统的可持续性感到担忧。
安德烈ukhov是ACM的资深成员。可以通过asukhov@acm.org与他联系。独立专家Evgeny Sagatov可以通过sagatov@ya.ru联系。独立专家德米特里•Filimonov可以通过dmitfil@rambler.ru联系。
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