基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力調(diào)度信息加密傳輸方法研究

摘? 要：目前，越來越多的產(chǎn)業(yè)都選擇利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高自身的工作效率。其中，電力網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積廣，其中包含的電力從站數(shù)量多，因此，電力公司對(duì)網(wǎng)絡(luò)的使用要求格外嚴(yán)格。電網(wǎng)的正常運(yùn)行離不開電力調(diào)度信息的有效、可靠傳輸。為提高電網(wǎng)的使用安全，對(duì)于電力調(diào)度信息的安全傳輸越來越重要。因此，為實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度信息的安全傳輸，需應(yīng)用有效的電力調(diào)度信息加密傳輸方法。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);電力調(diào)度;加密傳輸

1 電力調(diào)度信息加密傳輸方法設(shè)計(jì)

1.1 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置混沌序列

采用混沌系統(tǒng)生成電力調(diào)度信息的混沌序列，然后將混沌理論與信息加密相結(jié)合?，F(xiàn)將復(fù)合混沌序列密碼定義如下。

假設(shè)wi=fq（wi?1）wi=fq（wi-1）表示wi是區(qū)間[?1，1][-1，1]上的一組離散混沌動(dòng)力系統(tǒng)，其中q=0，1，2，…，k。另存在任意序列U=（u1，u2，u3，…）∈{0，1，…，k}∞U=（u1，u2，u3，…）∈{0，1，…，k}∞，且wi=fbi（wi?1）wi=fbi（wi-1）是迭代系統(tǒng)在序列B下的復(fù)合系統(tǒng)，此時(shí)的序列B就是復(fù)合序列。然后利用復(fù)合混沌算法建立復(fù)合混沌映射模型，其約束條件如式（1），

式中，當(dāng)wi∈[?1，1]wi∈[-1，1]在迭代時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在f0（wi）=2w2i?1f0（wi）=2wi2-1與f1（wi）=4w3i?3wif1（wi）=4wi3-3wi兩個(gè)混沌方程中隨機(jī)選擇其中的一個(gè)作為產(chǎn)生混沌字節(jié)的混沌序列發(fā)生器。若方程進(jìn)行n-1次迭代后的值均小于0時(shí)，則將該值帶入f（u）=4u3?3uf（u）=4u3-3u中，作為第n次迭代的初始值，繼續(xù)進(jìn)行迭代。而此次研究的電力調(diào)度信息加密傳輸過程需要豐富調(diào)度信息在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變換混沌序列，實(shí)現(xiàn)調(diào)度信息序列的逐位異或，以此得到信息密文。

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成混沌隨機(jī)碼的基本原理，假設(shè)Xi=（x1，x2，…，xi，…，xn）Xi=（x1，x2，…，xi，…，xn）表示n維二進(jìn)制向量，Yi=（y1，y2，…，yi，…，yn）表示n維雙極向量，且i=1，2，…，n。假設(shè)存在M個(gè)二進(jìn)制向量δc（c=1，2，3，…，M）存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)吸引子上，則相鄰的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)如式（2），

式中，wij表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的連接權(quán)，γc表示二進(jìn)制向量δc的雙極性系數(shù)。函數(shù)σ的定義如式（3），

則可得到連接權(quán)矩陣T如式（4），

式中，C表示γc的存儲(chǔ)模式。

根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)矩陣，豐富神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中待輸入的電力調(diào)度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力調(diào)度信息混沌序列的優(yōu)化設(shè)置。

1.2 加密電力調(diào)度信息

由于設(shè)置的混沌序列中數(shù)據(jù)量較大，因此，將密鑰長(zhǎng)度設(shè)置為128位。選用的加密算法執(zhí)行變換任務(wù)時(shí)，用4行N列的矩陣，表示128位加密長(zhǎng)度的狀態(tài)。同時(shí)，密鑰可類似表示4行N1列的矩陣，其中N1=128/32。則分組長(zhǎng)度為128位的密鑰矩陣，可得到一個(gè)4行4列的新矩陣，新矩陣中的16個(gè)數(shù)據(jù)可表示不同的電力調(diào)度信息。

該過程的變換輪數(shù)N2由N和N1共同決定。而128位的密鑰長(zhǎng)度共需10次序列變換。在變換的過程中，需要通過字節(jié)代換、行移代換、列混合變換，加密電力調(diào)度序列的基本信息。字節(jié)代換本質(zhì)上就是替換操作，即將狀態(tài)矩陣中的元素替換成新的字節(jié)。行移代換是一種線性變換，按照加密規(guī)則實(shí)現(xiàn)。該規(guī)則為：在狀態(tài)矩陣中，令第a行的字節(jié)向下移動(dòng)，與d1交換;而列混合變換，就是令第b列的字節(jié)向左移動(dòng)，與d2交換，其過程如圖1所示。

根據(jù)上述提到的三類代換規(guī)則，置亂序列信息，利用加密函數(shù)對(duì)混沌序列信息加密，該函數(shù)見式（5），

式中，CEi表示對(duì)第i個(gè)序列的加密結(jié)果，IEi表示第i個(gè)序列的明文，counti表示信息的初始化向量，SK表示共享密鑰。通過上述公式，完成對(duì)電力調(diào)度信息序列的加密。

1.3 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)加密傳輸方案

為保持密鑰的新鮮性，提升電力傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性和自愈性，設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)態(tài)加密傳輸方案，將加密信息在加密信道中安全傳輸。設(shè)計(jì)的加密傳輸方案共需要滿足3個(gè)必要條件：數(shù)據(jù)加密模塊、動(dòng)態(tài)密鑰生成模塊以及共享密鑰更新模塊。其中，數(shù)據(jù)加密模塊的作用是對(duì)待傳輸?shù)碾娏φ{(diào)度信息進(jìn)行加密，該步驟已經(jīng)在上一節(jié)實(shí)現(xiàn)，此節(jié)就不再進(jìn)行說明;動(dòng)態(tài)密鑰生成模塊要求在信息傳輸過程中，電力主站設(shè)備和從站設(shè)備之間，生成一個(gè)動(dòng)態(tài)密鑰，保持兩端一致性;共享密鑰更新模塊利用加密傳輸中的動(dòng)態(tài)密鑰，對(duì)共享密鑰進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

根據(jù)加密函數(shù)可知，SK是加密的關(guān)鍵組件，利用動(dòng)態(tài)密鑰DS，設(shè)置共享密鑰SK的更新條件。已知傳統(tǒng)的加密傳輸中涉及到DNP3和Modbus兩種協(xié)議，其中Modbus協(xié)議使用最為廣泛，因此，在本文中不再詳細(xì)介紹該協(xié)議的特點(diǎn)與規(guī)則，而是從DNP3協(xié)議規(guī)則入手。DNP3協(xié)議信息傳輸規(guī)則：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，電力調(diào)度信息發(fā)出控制指令的一方，如果沒有收到預(yù)期應(yīng)答，則重新發(fā)送應(yīng)用層調(diào)度信息，若多次重發(fā)后依舊無法收到響應(yīng)，則認(rèn)為信息傳輸失敗。本研究設(shè)計(jì)的預(yù)期動(dòng)態(tài)密鑰通過監(jiān)聽正確傳輸?shù)男畔a(chǎn)生，在解析數(shù)據(jù)鏈路不會(huì)出現(xiàn)額外的開銷，因此可將傳輸隨機(jī)數(shù)作為產(chǎn)生新動(dòng)態(tài)密鑰的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證本研究提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力調(diào)度信息加密傳輸方法的可靠性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將本文方法作為測(cè)試A組，將傳統(tǒng)的利用HTTPS加密協(xié)議實(shí)現(xiàn)電力信息安全傳輸?shù)姆椒ㄗ鳛闇y(cè)試B組，將傳統(tǒng)的電力信息超輕量級(jí)流加密方法作為測(cè)試C組。通過比較應(yīng)用不同的信息加密傳輸方法后電力網(wǎng)絡(luò)的安全性和自愈性，來判斷不同方法的有效性。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中模擬的攻擊類型包括竊聽攻擊、惡意注入攻擊以及假冒攻擊，3種攻擊的基本信息如表1所示。

結(jié)合上述測(cè)試環(huán)境，檢驗(yàn)應(yīng)用不同加密方法后，電力網(wǎng)絡(luò)的安全性和自愈能力，從而判斷不同的應(yīng)用性能。

2.2 結(jié)果分析

首先檢驗(yàn)應(yīng)用不同加密傳輸方法后，電網(wǎng)的安全性。將電網(wǎng)接入情況、及時(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性作為測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試存在竊聽攻擊、惡意注入攻擊以及假冒攻擊的情況下，應(yīng)用不同加密傳輸方法后，應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力調(diào)度信息加密傳輸方法后，電網(wǎng)的安全性和自愈性更強(qiáng)，充分證明了該方法的有效性。

3 總結(jié)

以傳統(tǒng)的信息加密傳輸方法保持密鑰新鮮性能力差的問題作為研究要點(diǎn)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，設(shè)計(jì)一種適用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的加密傳輸方案，有效保證電網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)過程的安全性，并當(dāng)存在攻擊時(shí)，通過極高電網(wǎng)自愈能力為信息加密傳輸提供可靠的保護(hù)手段。

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作者簡(jiǎn)介：劉意航（1994.08--）女，本科 ，助理工程師，主要從事電力調(diào)度控制方面。