uprinmatusИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроениеProceedings of the Southwest State University. Series: IT Management, Computer Science, Computer Engineering. Medical Equipment Engineering2223-1536Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1536-2022-12-4-122-141uprinmatus-81Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙSYSTEM ANALYSIS AND DECISION-MAKINGСпособ реализации криптографической защиты каналов для организации связи по протоколу MAVLink при управлении автономными БПЛАMethod for Implementing Cryptographic Protection of Channels to Organize Communication via MAVLink Protocol when Control of Autonomous UAVSХмелевскаяА. В.Alena V. KhmelevskayaA. V.

Хмелевская Алена Валентиновна, ст. преп. каф. космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alena V. Khmelevskaya, Senior Lecturer of the Department of Space Instrumentation and Communication Systems 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

aquarel85@mail.ruСеврюковА. А.SevryukovA. A.

Севрюков Антон Александрович, гл. специалист

ул. Радищева 5, г. Курск 305000

Anton A. Sevryukov, Chief Specialist

5 Radishcheva Str., Kursk 305000

tony.sevryukov@internet.ruСеврюковА. Е.SevryukovA. E.

Севрюков Александр Евгеньевич, доцент каф. космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexander E. Sevryukov, Associate Professor of the Department of Space Instrumentation and Communication Systems

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

alsevryukov@yandex.ruБабанинИ. Г.BabaninI. G.

Бабанин Иван Геннадьевич, канд. технических наук, доц. каф. космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Ivan G. Babanin, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Space Instrumentation and Communication Systems 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

babanin_ivan@bk.ruБабанинаЕ. Ю.BabaninaE. Yu.

Бабанина Екатерина Юрьевна, студент каф. космического приборостроения и систем связи

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Ekaterina Yu. Babanina, Student of the Department of Space Instrumentation and Communication Systems 

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

babanina@internet.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationОбластное казенное учреждение «Центр электронного взаимодействия»РоссияCenter for Electronic InteractionRussian Federation202212052023124122141Copyright © Хмелевская А.В., Севрюков А.А., Севрюков А.Е., Бабанин И.Г., Бабанина Е.Ю., 20232023Хмелевская А.В., Севрюков А.А., Севрюков А.Е., Бабанин И.Г., Бабанина Е.Ю.Alena V. Khmelevskaya A.V., Sevryukov A.A., Sevryukov A.E., Babanin I.G., Babanina E.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://uprinmatus.elpub.ru/jour/article/view/81

Цель исследования - разработка предложений по реализации криптографической защиты каналов для организации связи по протоколу MA VLink при управлении автономными беспилотными летательными аппаратами.

Методы

Методы. При проведении исследований и разработки способа реализации защиты каналов для организации связи по протоколу MAVLink при управлении автономными беспилотными летательными аппаратами использовались методы многокритериального анализа. Первоначальная проверка встроенного ПО выполняется при загрузке/инициализации автопилота. В этом случае используются методы проверки содержимого памяти автопилота, такие как использование цепочки хеширования со случайным запросом, для чего может потребоваться статический хеш для сравнения. Для противодействия угрозам функционального модуля контроля полёта рекомендуется использовать IDS (системы обнаружения вторжений). IDS обычно представляет собой программно-аппаратное обеспечение, которое проверяет систему на наличие аномалий и отклонений.

Результаты

Результаты. Предложен способ реализации криптографической защиты каналов для организации связи по протоколу MA VLink при управлении автономными беспилотными летательными аппаратам, основанный на алгоритме шифрования ChaCha20. Проведён анализ и синтез методов обеспечения безопасности каналов управления и передачи данных между НПУ и автономными беспилотными летательными аппаратами. Выполнен анализ протоколов шифрования AES-CTR, AES-CBC, ChaCha20 и RC4, результаты которого позволили установить ChaCha20 в качестве самого подходящего метода криптографической защиты БПЛА под управлением MA VLink. Проведенные результаты экспериментов по испытанию алгоритма шифрования ChaCha20 показали, что применение указанного алгоритма не влияет на производительность протокола MA VLink, так как использует одинаковое процессорное время.

Заключение

Заключение. Проведен анализ методов криптографической защиты каналов для организации связи по протоколу MA VLink при управлении автономными беспилотными летательными аппаратами, на основании которого предложен способ реализации защиты каналов по протоколу MA VLink при управлении БПЛА, основанный на алгоритме шифрования ChaCha20.

Purpose of research

Purpose of research. Development of proposals for the implementation of cryptographic protection of channels for organizing communication using the MA VLink protocol when controlling autonomous unmanned aerial vehicles.

Methods

Methods. When conducting research and developing a method for implementing channel protection for the organization of communication via the MA VLink protocol when controlling autonomous unmanned aerial vehicles, multicriteria analysis methods were used. The initial firmware check is performed when the autopilot is loaded/initialized. In this case, methods are used to check the contents of the autopilot memory, such as using a hashing chain with a random request, which may require a static hash for comparison. To counteract the threats of the functional flight control module, it is recommended to use IDS (Intrusion detection systems). IDS is usually software and hardware that checks the system for anomalies and deviations.

Results

Results. A method for implementing cryptographic channel protection for the organization of communication via the MA VLink protocol when controlling autonomous unmanned aerial vehicles based on the ChaCha20 encryption algorithm is proposed. The analysis and synthesis of methods for ensuring the security of control channels and data transmission between the NPU and autonomous unmanned aerial vehicles has been carried out. The analysis of the AES- CTR, AES-CBC, ChaCha20 and RC4 encryption protocols was performed, the results of which made it possible to establish ChaCha20 as the most suitable method of cryptographic protection of UA Vs running MA VLink. The results of experiments conducted to test the ChaCha20 encryption algorithm showed that the use of this algorithm does not affect the performance of the MAVLink protocol, since it uses the same processor time.

Conclusion

Conclusion. The analysis of methods of cryptographic protection of channels for the organization of communication using the MAVLink protocol when controlling autonomous unmanned aerial vehicles is carried out, on the basis of which a method for implementing channel protection using the MA VLink protocol when controlling UA Vs based on the ChaCha20 encryption algorithm is proposed.

беспилотный летательный аппараткриптографическая защита информациипротокол MA VLinkалгоритм шифрования ChaCha20unmanned aerial vehiclecryptographic information protectionMA VLink protocolChaCha20 encryption algorithmReferencesБеспилотные авиационные системы. URL: https://cdn.standards.iteh.ai/sam-ples/70853/7ec34c8a22bf46958423b7e3a2e43693/ISO-21384-3-2019.pdf (дата обращения: 05.08.2022).Bespilotnye aviatsionnye sistemy [Unmanned aircraft systems]. Available at: https://cdn.standards.iteh.ai/samples/70853/7ec34c8a22bf46958423b7e3a2e43693/ISO-21384-3-2019.pdf (accessed 05.08.2022)Allouch A., Cheikhrouhou O., Koubaa A. MAVSec: Securing the MAVLink Protocol for Ardupilot/PX4 Unmanned Aerial Systems // International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC). Morrocco, 2019. https://doi.org/10.1109/IWCMC.2019.8766667.Allouch A., Cheikhrouhou O., Koubaa A. MAVSec: Securing the MAVLink Protocol for Ardupilot/PX4 Unmanned Aerial Systems. International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC). Morrocco, 2019. https://doi.org/10.1109/IWCMC.2019.8766667Leccadito M. A Hierarchical Architectural Framework for Securing Unmanned Aerial Systems // Virginia Commonwealth University. Richmond, 2016. 122 p. https://doi.org/10.25772/0DK3-E418.Leccadito M. A Hierarchical Architectural Framework for Securing Unmanned Aerial Systems. Virginia Commonwealth University. Richmond, 2016. 122 p. https://doi.org/10.25772/0DK3-E418Yagdereli E., Gemci C., Ziya Akta§ A. A study on cyber-security of autonomous and unmanned vehicles // Journal of Defense Modeling and Simulation. 2015. N 12 (4). https://doi.org/10.1177/1548512915575803.Yagdereli E., Gemci C., Ziya Akta§ A. A study on cyber-security of autonomous and unmanned vehicles. Journal of Defense Modeling and Simulation, 2015, no. 12 (4). https://doi.org/10.1177/1548512915575803Sugihara M. A dynamic continuous signature monitoring technique for reliable microprocessors // IEICE Trans. Electron. 2011. Vol. 94 (4). P. 477-486. https://doi.org/10.1587/transele.E94.C.477.Sugihara M. A dynamic continuous signature monitoring technique for reliable microprocessors. IEICE Trans. Electron, 2011, vol. 94 (4), pp. 477-486. https://doi.org/10.1587/ transele.E94.C.477Horst R., Harris L. Multiple instruction issue in the NonStop Cyclone processor // ACM SIGARCH Computer Architecture News. 1990. Vol. 18. P. 216-226. https://doi.org/10.1109/ ISCA.1990.134528.Horst R., Harris L. Multiple instruction issue in the NonStop Cyclone processor. ACM SIGARCH Computer Architecture News, 1990, vol. 18, pp. 216-226. https://doi.org/10.1109/ISCA.1990.134528Gonzalez C., Reed R. Detecting unauthorized software execution in SDR using power fingerprinting // Military Communications Conference. San Diego: MiLcom, 2010. P. 22112216. https://doi.org/10.n09/MILCOM.2010.5680393.Gonzalez C., Reed R. Detecting unauthorized software execution in SDR using power fingerprinting. Military Communications Conference. San Diego, MiLcom, 2010, pp. 22112216. https://doi.org/10.1109/MILC0M.2010.5680393Хмелевская А. В., Михайлова Н. Ю., Николаенко А. И. Методика проведения аудита безопасности информационных систем // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам V Всероссийской научно-практической конференции / Юго-Западный государственный университет. Курск, 2021. С. 171-175.Khmelevskaya A. V., Mikhailova N. Yu., Nikolaenko A. I. [Methods of auditing the security of information systems]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhnologii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam V Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Infocommunications and space technologies: state, problems and solutions. Collection of scientific articles on the materials of the V All-Russian Scientific and Practical Conference]. Kursk, Southwest State University Publ., 2021, pp. 171-175. (In Russ.)Dovbnya V. G., Koptev D. S., Babanin I. G., Knyazev A. A. Evaluation of the influence of the value of the dynamic range of the radio receiver on the noise immunity of receiving signals with quadrature amplitude modulation // T-Comm. 2021. Vol. 15, N 6. P. 65-69.Dovbnya V. G., Koptev D. S., Babanin I. G., Knyazev A. A. Evaluation of the in-flu- ence of the value of the dynamic range of the radio receiver on the noise immunity of receiving signals with quadrature amplitude modulation. T-Comm, 2021, vol. 15, no. 6, pp. 65-69.Zhang W., Gong X., Han G. An improved ant colony algorithm for path planning in one scenic area with many spots // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 13260-13269. https://doi.org/10.1155/2016/7672839.Zhang W., Gong X., Han G. An improved ant colony algorithm for path planning in one scenic area with many spots. IEEE Access, 2017, vol. 5, pp. 13260-13269. https://doi.org/10.1155/2016/7672839Xie J., Pan X. An improved rc4 stream cipher // International Conference on Computer Application and System Modeling. Taiyuan, 2010. https://doi.org/10.1109/ICCASM.2010. 5620800.Xie J., Pan X. An improved rc4 stream cipher. International Conference on Computer Application and System Modeling. Taiyuan, 2010. https://doi.org/10.1109/ICCASM.2010.5620800Мухин И. Е., Хмелевская А. В., Бабанин И. Г. Методологические основы синтеза систем обеспечения электромагнитного доступа средствами радиомониторинга современных систем телекоммуникаций: монография / Юго-Западный государственный университет. Курск, 2016. 316 с.Mukhin I. E., Khmelevskaya A. V., Babanin I. G. Metodologicheskie osnovy sinteza sistem obespecheniya elektromagnitnogo dostupa sredstvami radiomonitoringa sovremennykh sistem telekommunikatsii [Methodological bases of synthesis of electromagnetic access systems by means of radio monitoring of modern telecommunication systems]. Kursk, Southwest State University Publ., 2016. 316 p.Nir Y., Langley A. Chacha20 and poly1305 for ietf protocols. URL: https://tools.ietf.org/id/draft-nir-cfrg-rfc7539bis-04.html (дата обращения: 05.08.2022).Nir Y., Langley A. Chacha20 and poly1305 for ietf protocols. Available at: https://tools.ietf.org/id/draft-nir-cfrg-rfc7539bis-04.html. (accessed 05.08.2022)Применение БПЛА в задачах интеллектуального контроля и управления сельскохозяйственными работами / А. А. Князев, А. В. Хмелевская, М. Н. Луценко, А. Н. Кондратьев // Инфокоммуникации и космические технологии: состояние, проблемы и пути решения: сборник научных статей по материалам VI Всероссийской научно-практической конференции / Юго-Западный государственный университет. Курск, 2022. С. 136-140.Knyazev A. A., Khmelevskaya A. V., Lutsenko M. N., Kondrat'ev A. N. [The use of UAVs in the tasks of intellectual control and management of agricultural work]. Infokommunikatsii i kosmicheskie tekhnologii: sostoyanie, problemy i puti resheniya. Sbornik nauchnykh statei po materialam VI Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii [Infocommunications and space technologies: state, problems and solutions. Collection of scientific articles based on the materials of the VI All-Russian Scientific and Practical Conference]. Kursk, Southwest State University Publ., 2022, pp. 136-140. (In Russ.)Методологические основы обнаружения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов на основе комплексной субполосной обработки сверхкороткоимпульсных радиолокационных и оптических сигналов / И. И. Олейник, А. А. Черноморец, Д. С. Коптев, Е. Г. Жиляков, И. Е. Мухин, А. Н. Заливин, В. Г. Довбня, И. Г. Бабанин, О. Г. Бондарь; Юго-Западный государственный университет. Курск, 2021. 204 с.Oleinik I. I., Chernomorets A. A., Koptev D. S., Zhilyakov E. G., Mukhin I. E., Zalivin A. N., Dovbnya V. G., Babanin I. G., Bondar' O. G. Metodologicheskie osnovy obnaruzheniya malorazmernykh bespilotnykh letatel'nykh apparatov na osnove kompleksnoi subpolosnoi obrabotki sverkhkorotkoimpul'snykh radiolokatsionnykh i opticheskikh signalov [Methodological bases of detection of small-sized unmanned aerial vehicles based on complex subband processing of ultrashort pulse radar and optical signals]. Kursk, Southwest State University Publ., 2021. 204 p.Analytical evaluation of equivalent energy loss in causal frequency selection filters in the processing of quadrature amplitude modulation signals / V. G. Andronov, I. E. Mukhin, 1. G. Babanin, A. E. Sevryukov, D. S. Koptev, A. A. Chuev // Journal of Physics. Conference Series. 2020. N 1679 (3). P. 032006.Andronov V. G., Mukhin I. E., Babanin I. G., Sevryukov A. E., Koptev D. S., Chuev A. A. Analytical evaluation of equivalent energy loss in causal frequency selection filters in the processing of quadrature amplitude modulation signals. Journal of Physics. Conference Series, 2020, no. 1679 (3), p. 032006.The conceptual level of analysis and its place in the infological system of information and analytical support in the tasks of operational assessment of threats posed by unmanned aerial vehicles / I. G. Babanin, V. G. Andronov, D. S. Koptev, A. I. Nikolaenko, A. E. Sevriukov // Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems. St. Petersburg, 2021. P. 9470577.Babanin I. G., Andronov V. G., Koptev D. S., Nikolaenko A. I., Sevriukov A. E. The conceptual level of analysis and its place in the infological system of information and analytical support in the tasks of operational assessment of threats posed by unmanned aerial vehicles. Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems. St. Petersburg, 2021, p. 9470577.Тяпкин С. А., Мухин И. Е., Коптев Д. С. Анализ существующих методов и возможные пути повышения эффективности системы диагностирования двигателей летательных аппаратов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2020. Т. 10, № 2. С. 41-57.Tyapkin S. A., Mukhin I. E., Koptev D. S. Analiz sushchestvuyushchikh metodov i vozmozhnye puti povysheniya effektivnosti sistemy diagnostirovaniya dvigatelei letatel'nykh apparatov [Analysis of existing methods and possible ways to improve the efficiency of the aircraft engine diagnostics system]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computer Engineering, Information Science. Medical Instruments Engineering, 2020, vol. 10, no. 2, pp. 41-57.Тяпкин С. А., Мухин И. Е., Коптев Д. С. Метод совместного применения показателя структуры вибросигнала и известных результатов идентификационных измерений в задачах превентивного обнаружения неисправностей авиационных двигателей // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2020. Т. 10, № 2. С. 58-68.Tyapkin S. A., Mukhin I. E., Koptev D. S. Metod sovmestnogo primeneniya pokazatelya struktury vibrosignala i izvestnykh rezul'tatov identifikatsionnykh izmerenii v zadachakh preventivnogo obnaruzheniya neispravnostei aviatsionnykh dvigatelei [Method of joint application of the vibration signal structure indicator and known results of identification measurements in the tasks of preventive fault detection of aircraft engines]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computer Engineering, Information Science. Medical Instruments Engineering, 2020, vol. 10, no. 2, pp. 58-68.Мухин И. Е., Хмелевская А. В., Коптев Д. С. Основы конструирования радиоэлектронной аппаратуры с учетом обеспечения электромагнитной совместимости / Юго-Западный государственный университет. Курск, 2018. 139 c.Mukhin I. E., Khmelevskaya A. V., Koptev D. S. Osnovy konstruirovaniya radioel- ektronnoi apparatury s uchetom obespecheniya elektromagnitnoi sovmestimosti [Fundamentals of designing radioelectronic equipment taking into account electromagnetic compatibility]. Kursk, Southwest State University Publ., 2018. 139 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.