📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 13周: 🛡️ 星鏈安全：PQC × Anti-Jamming × Laser Link Security
122／150單元：PQC × 星鏈🧬 部署抗量子破解的加密方式**
________________________________________
🎯 單元導讀
量子電腦不是「也許會來」，而是已經在路上。
它對 6G、衛星、星鏈、全球網路帶來一個最致命威脅：
⭐ 所有現行 RSA、ECC、Diffie–Hellman 都能在數秒內被量子攻破。
對於 Starlink / Kuiper / OneWeb Gen2 / 6G NTN，問題更嚴重：
✔ 鏈路在太空暴露
✔ 區域廣、訊號易被竊聽
✔ 需要長期保存安全（軍用/政府）
✔ 量子電腦可被國家級攻擊者使用
因此未來的星鏈安全標準只有一條路：
🌐 全面 PQC（Post-Quantum Cryptography / 後量子密碼）化
並結合：
✔ SUCI
✔ PQ-AKA（PQC 版鑑權）
✔ Laser Link 端到端 PQC
✔ PQ-SIG（量子抗性的簽章）
✔ Space-grade Key Rotation（太空級金鑰輪換）
________________________________________
🧠 一、什麼是 PQC（後量子密碼）？
PQC 是專為避免量子電腦破解而設計的密碼系統。
基於：
✔ 格（lattice）難題
✔ 哈希簽章
✔ 代數編碼（code-based）
✔ 多變數多項式
NIST 最終標準化的：
• Kyber（密鑰交換）
• Dilithium（簽章）
• SPHINCS+（哈希簽章）
其中最關鍵的是：
⭐ Kyber + Dilithium
→ 目前多國（美國、歐盟、日韓）已採為 6G 航太通訊安全主軸。
________________________________________
🧠 二、為什麼星鏈比地面 5G 更需要 PQC？
因為星鏈比基地台更容易被攻擊與竊聽。
⭐ 1. 上行訊號無遮蔽（Open-Air Risk）
地面訊號可能被建物遮蔽。
🛰 太空訊號 → 完全暴露、可遠距攔收。
⭐ 2. Laser Link（星間光鏈）能被高空攻擊
雖然光束窄，但：
✔ 高空平台（HAPS）
✔ 飛機
✔ 光收發器
都能試圖「對準」截取。
⭐ 3. LEO 星座資料「保存時間長」
軍事端需要至少十年以上的加密強度，RSA/ECC 不夠。
⭐ 4. LEO 遍布全球 → 地緣政治攻擊風險高
某些國家可投入量子運算破解
→ 無 PQC = 被看光光。
⭐ 5. Starlink 是戰爭級系統（Military-grade）
俄烏戰爭已證實：
Starlink = 戰場核心通訊網。
所以 SpaceX、DoD、NATO、DARPA 一致結論：
⭐ 星鏈級通訊必須先導入 PQC，而不是等量子電腦成熟後再補救。
________________________________________
🧠 三、PQC 在星鏈的三大部署層級
PQC 在 LEO 中不是只有加密，它是從地面 → 衛星 → 星間光鏈 → Core → Cloud的全域安全架構。
________________________________________
① UE ⇄ 衛星：PQC-AKA（量子安全鑑權）
傳統 AKA → 使用對稱密鑰，但建立過程依賴 ECC/RSA。
量子電腦可將其破解。
6G NTN 引入：
✔ PQC-AKA（PQ-AKA）
✔ 使用 Kyber 進行密鑰交換
✔ SUCI 使用 PQC 公鑰
✔ NAS/AS 金鑰產生不依賴 ECC
因此即使量子電腦能試圖追蹤，也：
💥 破解時間 > 宇宙年齡（10²⁴+ 年）
________________________________________
② 衛星 ⇄ 衛星（Laser Link）：PQ-SIG + PQ-KEM
Laser Link 是星鏈的心臟。
要保護兩件事：
1. 路由控制（Control Plane）
2. 資料平面（User Plane）
PQC 用法：
• 星間路由更新：Dilithium（PQC 簽章）
• 金鑰交換：Kyber（KEM）
• 狀態同步：Hash-based PQ Signature
• 端到端封包：PQ-TLS over Laser
重點：
⭐ Laser Link 必須支撐 100+ Gbps → PQC 計算成本是最大挑戰。
________________________________________
③ 衛星 ⇄ 地面站（Gateway / vGateway）
地面站內已採：
✔ PQ-TLS 1.3
✔ PQ-SIG 驗證
✔ PQ-KEM 握手
✔ 雲原生（Kubernetes）控制面上的 PQC session key
✔ 避免地面站被量子攻擊端破解
也就是說：
⭐ 星鏈雲核心（Cloud Core）100% PQC 化，是 2030 NTN 的既定趨勢。
________________________________________
🧠 四、星鏈的 PQC 金鑰管理（LEO Key Propagation）
LEO 星座中，衛星每 90 分鐘繞地球一圈。
金鑰不能靠人工更新。
必須具備：
⭐ 1. Automatic Key Rotation（自動換鑰）
每顆衛星：
• 時鐘同步
• 自動換金鑰
• 換鑰內容經由 Laser Link 同步給鄰近衛星
• 最終遍布整個星座
⭐ 2. LEO Key Tree（樹狀金鑰拓樸）
Root Key (HQ)
│
┌─────────┴───────────┐
Region Key 1 Region Key 2
(亞洲) (歐洲)
│ │
Beam Key A Beam Key B
│ │
UE Session Key UE Session Key
⭐ 台灣的 UE → 在亞洲 Region Key 之下
⭐ 衛星同步方式：透過 Laser Link 分段同步金鑰，降低干擾與洩漏風險
⭐ 高移動性支援：Key Tree 可快速重掛，不需全網重鑰
用於產生 session key，量子電腦無法倒推。
________________________________________
🧠 五、PQC 部署的主要困難（研究重點）
① 計算成本巨大（特別是 Dilithium）
衛星處理器必須升級到 Space-grade ASIC。
② Laser Link Gbps 級傳輸要做 PQ-TLS，延遲是大魔王
PQC 封包偏大 → 首綁速度變慢。
③ 在 20–60 秒 handover 下重新鑑權（fast re-Attach）
需要設計：
⭐ Fast PQ-AKA
⭐ Key Pre-Distribution
④ PQC 與 SUCI 的整合
SUCI 走公鑰系統 → PQC 替換時需全網升級。
這些都是 2030–2035 6G / NTN / 星鏈的博士級研究題。
________________________________________
🧠 六、模擬題（高階）
1️⃣ 用 Kyber 和 ECDH 分別生成 10 萬次 session key，觀察 CPU 載入差異。
2️⃣ 模擬 Laser Link 在 PQC 下的封包大小與初始延遲。
3️⃣ 在 LEO handover（每 40 秒）下測試 PQ-AKA 的成功率。
4️⃣ 設計一個「PQC + SUCI」混合身分保護模型。
5️⃣ 模擬對 PQC 系統的量子攻擊（Grover + Shor）需多少量子 qubits。
________________________________________
🧠 七、小結
你必須記住一句話：
⭐ 6G NTN 和星鏈的安全，不再是 RSA/ECC 的世界，而是 PQC × SUCI × PQ-AKA × Laser Link Security 的新宇宙。
• Kyber：密鑰交換
• Dilithium：簽章
• SUCI：匿名身分
• PQ-AKA：安全鑑權
• Laser Link PQ-TLS：星間保護
• LEO Key Propagation：金鑰同步
這就是 2035 年「太空網際網路」的標準。
──────────────────────────────────
