趙武清， 王甜， 耿新

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司， 廣東 廣州 510663)

0 引言

隨著電力用戶規(guī)模的不斷增大，電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性逐漸受到相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。在構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全加密模型的基礎(chǔ)上，通過算術(shù)編碼和密鑰設(shè)計(jì)，有利于提高電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的隱私保護(hù)能力[1]。由于電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密方法在電力用戶的隱私信息保護(hù)以及電力信息安全性傳輸控制等方面具有重要意義，因此，相關(guān)的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)方法的研究受到電力領(lǐng)域的極大關(guān)注[2]。

一般來說，對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加密設(shè)計(jì)需建立在對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性編碼設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合線性控制方法完成對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的時(shí)序分析，繼而可結(jié)合進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和調(diào)度的安全性控制來實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密[3]。當(dāng)前，對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性設(shè)計(jì)方法主要有混沌映射加密方法、分段特征線性估計(jì)加密方法和二進(jìn)制編碼加密方法等。此外，孫歆等[4]設(shè)計(jì)了基于層次分析法的電力數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)方法;陳智雨等[5]設(shè)計(jì)了基于量子密鑰的電力業(yè)務(wù)最優(yōu)數(shù)據(jù)安全保護(hù)方法。然而，這兩種傳統(tǒng)方法在電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密過程中的自適應(yīng)性不好，對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特征的分辨能力不強(qiáng)，難以有效提升數(shù)據(jù)的抗攻擊型。

針對(duì)傳統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)方法存在的不足，本文提出了基于同態(tài)加密的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)方法，并仿真測(cè)試，得出有效性結(jié)論。

1 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的編碼模型和密鑰設(shè)計(jì)

1.1 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的編碼模型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性設(shè)計(jì)，首先需構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析和編碼模型。采用向量量化編碼的方法，完成電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的編碼設(shè)計(jì)。假設(shè)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募s束參數(shù)為e，然后采用密鑰特征的方法認(rèn)證電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，從而得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的置亂密鑰，如式(1)。

(1)

式中，Pi(i=1,2,…,n)表示電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸加密密鑰特征。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合比特序列重構(gòu)的方法完成電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的算術(shù)編碼[6]，令t0表示電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的線性分布時(shí)間序列，x表示全局最優(yōu)尋優(yōu)參數(shù)，得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的Hash傳遞函數(shù)，如式(2)。

(2)

式中，Kv(z)表示電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮撕瘮?shù)。假設(shè)隨機(jī)慣性權(quán)重分布函數(shù)為H，通過共線特征分析方法，得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同態(tài)加密的密鑰特征分布，如式(3)。

(3)

1.2 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的密鑰設(shè)計(jì)

在構(gòu)建算術(shù)編碼協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過隨機(jī)線性加密方法檢測(cè)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的碼元隨機(jī)分布情況[8]，從而構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的映射方案，得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的特征分布集Z。假設(shè)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密鏈路層密鑰分配特征量為r，則可得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的稀疏性特征解，如式(4)。

(4)

在此基礎(chǔ)上，以β1，β2，…，βn作為電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的種子密鑰，采用多個(gè)字符序列進(jìn)行編碼設(shè)計(jì)，得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的碼書為：S={si,i=1…M|si∈S} ，結(jié)合電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)編碼的算術(shù)加密協(xié)議[9]，可得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密累積概率區(qū)間分布v滿足式(5)。

(5)

(6)

電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)明文序列有n種不同編碼密鑰字組成，設(shè)Xm和Tm表示電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的編碼所生成的參數(shù)密鑰，根據(jù)循環(huán)移位密鑰進(jìn)行線性重排，構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的安全參數(shù)k，在循環(huán)移位密鑰尋優(yōu)控制下得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)線性特征分布，再采用向量量化編碼方法進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)和同態(tài)加密[11-13]，繼而可構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密密鑰協(xié)議，結(jié)合線性空間結(jié)構(gòu)重組方法進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密過程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全加密密鑰設(shè)計(jì)。

2 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同態(tài)加密設(shè)計(jì)

2.1 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同態(tài)加密控制

在上述密鑰設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過算術(shù)編碼加密設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密過程中的編碼再分析，采用循環(huán)移位密鑰控制的方法[14]進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的比特序列重組，得到重組的線性結(jié)構(gòu)式,如式(7)。

f=y+r(Xm+Tm)

(7)

(8)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)密鑰體系構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加密解密密鑰a，并統(tǒng)計(jì)其n維的信息熵，用f表示電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的分段映射函數(shù)，實(shí)現(xiàn)密鑰構(gòu)造，從而得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的主密鑰mk，繼而可建立電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密標(biāo)識(shí)位序列，得到反向加密融合函數(shù)，如式(9)。

(9)

結(jié)合所得到的反向加密融合函數(shù)，建立電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密標(biāo)識(shí)位序列，得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的分組函數(shù),如式(10)。

k(g)=D+f×∑mk

(10)

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的分組公鑰特征量b，采用Hash函數(shù)得到電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)編碼的同態(tài)函數(shù)，如式(11)。

(11)

結(jié)合μ值實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同態(tài)加密控制[15]。

2.2 電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密及安全傳輸

采用Hash函數(shù)構(gòu)造電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的自適應(yīng)權(quán)重系數(shù)ω，并構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的密鑰信息，電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的模糊度函數(shù)為式(12)。

(12)

在得到V后，進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密過程的時(shí)序邏輯控制，假設(shè)時(shí)序邏輯控制參數(shù)為λ，采用f(x)作為反函數(shù)進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸控制，構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的尋優(yōu)控制模型,如式(13)。

Q=V×f(x)×λ

(13)

由于電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同態(tài)加密過程存在線性特性，因此，假設(shè)其線性迭代函數(shù)為A，通過電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的統(tǒng)計(jì)分析，建立電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密及數(shù)據(jù)安全傳輸模型，如式(14)。

(14)

在此基礎(chǔ)上，通過深度融合算法完成電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密中的密鑰置亂性設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加密安全性和抗攻擊能力。

3 仿真性能測(cè)試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于同態(tài)加密的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)方法的實(shí)際加密性能和數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)及傳輸?shù)男阅埽O(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)加以驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)如下：構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同態(tài)加密的數(shù)據(jù)采樣長(zhǎng)度為600，電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分塊大小為12×24，數(shù)據(jù)采樣的帶寬為12 Kbit，攻擊強(qiáng)度為24 dB，數(shù)據(jù)加密的迭代長(zhǎng)度為120。

為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的單一性，將傳統(tǒng)的基于層次分析法的電力數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)方法和基于量子密鑰的電力業(yè)務(wù)最優(yōu)數(shù)據(jù)安全保護(hù)方法作為對(duì)比方法，與本文方法共同完成性能驗(yàn)證。

根據(jù)上述仿真參數(shù)設(shè)定完成電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全加密，得到待加密的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 待加密的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

以圖1輸出的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，對(duì)其展開數(shù)據(jù)加密，結(jié)合線性空間結(jié)構(gòu)重組方法重構(gòu)加密過程中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，繼而建立電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的數(shù)據(jù)特征分析模型，得到數(shù)據(jù)加密輸出，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)加密輸出

分析圖2可知，相比于加密前的數(shù)據(jù)輸出頻率幅值，加密后的數(shù)據(jù)輸出頻率幅值產(chǎn)生了明顯變化，說明本文方法在數(shù)據(jù)加密過程中的隨機(jī)置亂性較好，初步證明了本文方法的有效性。

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用性能，以數(shù)據(jù)加密過程抗攻擊性為指標(biāo)，驗(yàn)證不同方法下電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性，如表1所示。

表1 電力業(yè)務(wù)加密的抗攻擊性對(duì)比

分析表1可知，隨著實(shí)驗(yàn)迭代次數(shù)的不斷增加，不同數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)方法下的數(shù)據(jù)加密過程抗攻擊性也在不斷變化。應(yīng)用基于層次分析法的方法后，數(shù)據(jù)抗攻擊性介于0.84-0.90之間，未超過0.90。應(yīng)用基于量子密鑰的方法后，數(shù)據(jù)抗攻擊性最大可達(dá)到0.903。而應(yīng)用本文方法后，數(shù)據(jù)抗攻擊性介于0.90-0.95之間，明顯高于兩張對(duì)比方法。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用本文方法進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密后，數(shù)據(jù)的抗攻擊性能較好，充分證明了本文方法的有效性。

4 總結(jié)

在構(gòu)建電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全加密模型的基礎(chǔ)上，通過算術(shù)編碼和密鑰設(shè)計(jì)，可有效提高對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)能力。為此，本文基于同態(tài)加密過程提出了一種新的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)方法。通過隨機(jī)線性加密方法檢測(cè)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的碼元隨機(jī)分布情況，然后采用向量量化編碼方法實(shí)現(xiàn)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的編碼設(shè)計(jì)和同態(tài)加密。在此基礎(chǔ)上，采用循環(huán)移位密鑰控制的方法完成對(duì)電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密比特序列的重組，并結(jié)合線性空間結(jié)構(gòu)重組方法重構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而建立電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的數(shù)據(jù)特征分析模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化加密。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析可知，利用本文方法進(jìn)行電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密的置亂性較好，電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)抗攻擊能力較強(qiáng)?？梢哉f，本文設(shè)計(jì)的基于同態(tài)加密的電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)方法具有良好的應(yīng)用前景。