基于CPNN 的電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)設(shè)計

金 燊，宋 偉

（國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司，北京 100053）

CPNN 作為前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)表現(xiàn)形式，具有訓(xùn)練時間短、隱含層監(jiān)督形式簡單等多項應(yīng)用特點，通常情況下，其對于突發(fā)性數(shù)據(jù)信息攻擊行為的處理速率不超過普通應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的5%。從宏觀角度來看，CPNN 的組成結(jié)構(gòu)包括隱含層、競爭層與輸出層[1]。其中，隱含層可以對相關(guān)數(shù)據(jù)信息節(jié)點進行調(diào)試處理，且能夠?qū)⑽赐耆牡男畔⑽募鎯τ谙到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫組織中。競爭層負責(zé)過渡傳輸數(shù)據(jù)信息文件。輸出層則與下級執(zhí)行設(shè)備直接相連，可以將系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)參量傳輸至其他設(shè)備元件組織中。

SDN 通信網(wǎng)絡(luò)是一種典型的電信號傳輸機制，可將散亂分布的電量應(yīng)用信息整合成獨立的、可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)文件[2]。然而隨著信息攻擊強度的增大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性呈現(xiàn)下降趨勢。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)SOA 型系統(tǒng)評估電力通信數(shù)據(jù)在單位時間內(nèi)的傳輸能力時，大多借助B/S 體系對信息文件進行匯總處理[2]。然而該系統(tǒng)的應(yīng)用能力有限，不能收獲極為理想的實用性效果，基于此引入CPNN 網(wǎng)絡(luò)體系，設(shè)計一種新型的電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)，在信息開源控制器等多個硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)的作用下，調(diào)用處理相關(guān)通信服務(wù)，通過對比實驗的方式突出該系統(tǒng)的實際應(yīng)用能力。

1 評估系統(tǒng)硬件執(zhí)行環(huán)境搭建

電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由SDN 電力通信架構(gòu)、實體評估電路、信息開源控制器3 部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 SDN電力通信架構(gòu)

SDN 電力通信架構(gòu)作為電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)，由應(yīng)用層、控制層、基礎(chǔ)設(shè)施層3 部分共同組成，如圖1 所示。

圖1 SDN電力通信架構(gòu)示意圖

應(yīng)用層設(shè)備負責(zé)處理電力網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用關(guān)系，可在API 請求的作用下，將電信號數(shù)據(jù)參量反饋至相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用元件中[3-4]?？刂茖釉O(shè)備能夠直接負載電力通信的SDN 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并可以在實體評估電路結(jié)構(gòu)的作用下，傳輸及反饋電信號文件?；A(chǔ)設(shè)施層主要包括大量的電力通信設(shè)備，可以轉(zhuǎn)接和整合處理來自上層通信單元的電信號傳輸文件，從而使得電力通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系得到較好的維護與平衡[5]。

1.2 實體評估電路

實體評估電路作為SDN 電力通信架構(gòu)的下級連接結(jié)構(gòu)，由電力輸入端、電力輸出端、電量評估子電路3 部分共同組成，如圖2 所示。

圖2 實體評估電路結(jié)構(gòu)圖

電力輸入端與配電網(wǎng)高壓端相連，可在R1、R2、R3等多個電阻元件的作用下，將系統(tǒng)內(nèi)部的通信電壓調(diào)試至最佳數(shù)值，并能夠通過電阻聯(lián)合體調(diào)試與分配信息開源控制器的連接能力。電力輸出端與配電網(wǎng)低壓端相連，能夠借助C1、C2、C3等多個電容元件調(diào)試及處理電路內(nèi)的傳輸電流，從而保證SDN 電力通信架構(gòu)具有更強的電量感知能力[6-7]。電量評估子電路位于實體評估電路最右端，能夠較好地記錄

通信數(shù)據(jù)在電力網(wǎng)絡(luò)中的傳輸能力，并以此作為后續(xù)評估指令生成的參考條件。

1.3 信息開源控制器

信息開源控制器能夠同時負載電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)的REST 應(yīng)用與資源信息管理服務(wù)，信息開源控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，最大限度滿足CPNN 前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用連接需求[8-9]，可以在多個服務(wù)器設(shè)備的作用下有效調(diào)試電力網(wǎng)絡(luò)防火墻。REST API結(jié)構(gòu)位于信息開源控制器中部執(zhí)行層，可以在負載OpenStack 與Python 連接請求的同時，打通抗毀性評估系統(tǒng)的多條通信鏈路，并可以遵照Java API 執(zhí)行請求，對Floodlight 控制器與OpenFlow 服務(wù)器進行關(guān)聯(lián)性協(xié)調(diào)[10]。信息資源管理主機作為信息開源控制器的核心執(zhí)行結(jié)構(gòu)，能夠分析電力通信數(shù)據(jù)的實際傳輸情況，并可以整合散亂分布的信息文件，以用于后續(xù)的傳輸與應(yīng)用。

圖3 信息開源控制器結(jié)構(gòu)圖

2 評估系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建

在相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)的支持下，按照通信服務(wù)調(diào)用、信息存儲數(shù)據(jù)庫連接、抗毀性評估參量計算的操作流程，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，兩相結(jié)合，完成基于CPNN 的電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 通信服務(wù)調(diào)用

通信服務(wù)調(diào)用是一個相對復(fù)雜的處理環(huán)節(jié)，可以在統(tǒng)籌處理電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)高壓輸入端與低壓輸出端之間的各級抗毀性節(jié)點后，將各類信息數(shù)據(jù)平均分配至各級節(jié)點組織。一次完整的通信服務(wù)調(diào)用流程，需要目的地信息、子網(wǎng)掩碼、協(xié)議網(wǎng)關(guān)等多個結(jié)構(gòu)的共同配合，通信服務(wù)調(diào)用原理如表1 所示。其中，目的地信息標(biāo)注了電力通信數(shù)據(jù)的最終傳輸位置，能夠記錄該類型信息參量在單位時間內(nèi)的傳輸能力[11-12]。子網(wǎng)掩碼則主要存在于核心評估主機中，負責(zé)集中調(diào)度電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議網(wǎng)關(guān)負責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)上下級結(jié)構(gòu)之間的連接關(guān)系，能夠總結(jié)與統(tǒng)計傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息總量。

表1 通信服務(wù)調(diào)用原理

2.2 信息存儲數(shù)據(jù)庫

信息存儲數(shù)據(jù)庫可以在通信服務(wù)調(diào)用原理的作用下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲主機與信息量評估設(shè)備間連接關(guān)系的構(gòu)建，信息存儲數(shù)據(jù)庫連接示意圖如圖4 所示。通常情況下，電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)中待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量越大，信息存儲數(shù)據(jù)庫所面臨的評估處理壓力也就越大，即系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)存所需的消耗時間越長[13-14]。為較好地降低信息攻擊行為對電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)造成的干擾影響，數(shù)據(jù)存儲主機與信息量評估設(shè)備間的連接均采取直連傳輸?shù)男问剑霞墤?yīng)用設(shè)備借助電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)，對待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息參量進行聚合處理，然后聯(lián)合信息通道內(nèi)暫存的信息文件，向下級信息量評估設(shè)備下達執(zhí)行處理指令。

圖4 信息存儲數(shù)據(jù)庫連接示意圖

2.3 抗毀性評估參量計算

抗毀性評估參量計算是電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)設(shè)計的末尾處理環(huán)節(jié)，可以在已知信息存儲數(shù)據(jù)庫應(yīng)用能力的基礎(chǔ)上，判定系統(tǒng)主機對于信息攻擊行為的承載能力，從而有效設(shè)定相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。在不考慮其他干擾條件的情況下[15-16]，抗毀性評估參量計算結(jié)果只受到通信數(shù)據(jù)輸出量、網(wǎng)絡(luò)信道傳輸帶寬兩項物理量的直接影響。通信數(shù)據(jù)輸出量可表示為p˙，由于CPNN 框架結(jié)構(gòu)的影響，該項物理量在整個計算過程中，始終保持相對獨立的存在狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)信道傳輸帶寬可表示為f，在電力SDN通信網(wǎng)絡(luò)中，該項物理量的數(shù)值水平始終在[0,2]的物理區(qū)間。聯(lián)立上述物理量，可將抗毀性評估參量計算表達式定義為：

式（1）中，β代表電力通信數(shù)據(jù)的攻擊行為強度指標(biāo)，λ代表電力信息數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性傳輸參量，qˉ代表單位時間內(nèi)的電力信號輸出均值。至此，完成各項軟硬件執(zhí)行條件的搭建，在CPNN 框架結(jié)構(gòu)的支持下，實現(xiàn)電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)的設(shè)計。

3 對比實驗分析

為驗證基于CPNN 電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)的實用性能力，設(shè)計如下對比實驗。搭建圖5所示電網(wǎng)通信環(huán)境作為實驗對象，其中，16 個電力路由設(shè)備為具備獨立處理電力通信數(shù)據(jù)能力的、不同的通信主機元件。同時閉合所有光纖通路與信號通路，使電網(wǎng)通信環(huán)境成為一個完整且獨立的傳輸應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，將基于CPNN 電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)的主機與搭載文獻[2]需要的SOA 型評估系統(tǒng)的主機接入圖5 所示的通信環(huán)境中，其中，前者作為實驗組，后者作為對照組[17]。

圖5 電網(wǎng)通信環(huán)境

STR 指標(biāo)、SIR 指標(biāo)均屬于描述型信息參量指標(biāo)，能夠準(zhǔn)確反映評估系統(tǒng)承擔(dān)信息攻擊行為的能力，一般情況下，STR 指標(biāo)與SIR 指標(biāo)的實值水平越高，評估系統(tǒng)所能承擔(dān)信息攻擊行為的能力越高。STR 指標(biāo)、SIR 指標(biāo)的具體變化情況如表2、表3所示。

表2 STR指標(biāo)對比

表3 SIR指標(biāo)對比

分析表2 可知，隨實驗時間的變化，實驗組STR指標(biāo)的變化趨勢基本能夠滿足上升與下降循環(huán)出現(xiàn)的狀態(tài)，全局最大值71.84%與全局最小值71.32%的物理差值結(jié)果為0.52%。對照組STR 指標(biāo)則在小幅上升后，出現(xiàn)明顯下降趨勢，全局最大值50.90%與全局最小值50.01%的物理差值結(jié)果為0.89%。該組STR 指標(biāo)的最大值與最小值都遠低于實驗組最大值與最小值。

由表3 可知，隨實驗時間的變化，實驗組SIR 指標(biāo)的變化形式可總結(jié)為先上升、再穩(wěn)定、最后下降，全局最大值73.05%，能夠維持10 min 的數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)。對照組STR 指標(biāo)則維持著上升與下降循環(huán)出現(xiàn)的變化狀態(tài)，全局最大值51.87%，不僅遠低于實驗組的極值結(jié)果，也不能出現(xiàn)相對穩(wěn)定的數(shù)值存在狀態(tài)。綜上可知，應(yīng)用基于CPNN 電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)后，信息攻擊行為承擔(dān)能力明顯提升，應(yīng)用能力更強。

4 結(jié)束語

在CPNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用下，電力SDN 通信網(wǎng)絡(luò)抗毀性評估系統(tǒng)可根據(jù)電力通信架構(gòu)的設(shè)置需求，規(guī)劃實體評估電路的連接能力，再借助信息開源控制器，實現(xiàn)對通信服務(wù)的調(diào)用與處理。從整體性角度看，STR 指標(biāo)與SIR 指標(biāo)數(shù)值的提升，能夠增強系統(tǒng)對信息攻擊行為的承擔(dān)能力，有助于構(gòu)建穩(wěn)定的通信數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境。