CN115208550A - 一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法和系统，其中本发明的方法包括获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻；利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，动态交叉混沌映射方程在Logistic映射方程的基础上，引入动态交叉算子，用于生成考虑加密时刻和相邻秘钥值影响的加密秘钥流；将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。本发明通过采用混沌加密技术实现数据的加密，满足智能电网对数据传输的安全性要求，同时本发明通过引入动态交叉算子，有效地放大误差，使得对初始条件的攻击无效，从而极大提高蛮力攻击门槛。

Description

一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法和系统

技术领域

本发明属于智能电网通信技术领域，具体涉及一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法和系统。

背景技术

随着信息技术在电力领域的深入应用，智能电网深度融合了传统电网和云计算、人工智能等技术，智能控制中心可以采集并分析海量用户的各种信息，做出提高收益的决策。

智能电网就是传统电网的智能化，智能电网通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术实现了信息的双向交互。然而随着智能电网开放性的增加，用户的各种信息以及隐私性面临着安全隐患。智能电网具有复杂、强耦合、强相关等特性，在这种背景下研究用户的数据安全及隐私保护有重要的现实意义。因此数据传输过程中的加密技术在智能电网的发展中起着举足轻重作用。

现有电网的数据传输通常采用国际通用加密算法，无法适应智能电网对海量数据传输的安全性要求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在解决现有电网的数据传输通常采用国际通用加密算法，无法适应智能电网对海量数据传输的安全性要求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，在Logistic映射方程的基础上，考虑加密时刻和相邻数值的影响，生成动态交叉混沌映射方程，包括如下步骤：

获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻，待加密信号为二进制的明文数据流；

利用动态交叉混沌映射方程生成加密秘钥流，加密秘钥流不包括初始值；

将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

进一步的，动态交叉混沌映射方程具体由如下计算式确定：

式中，ψ(t)为动态交叉算子，T_sec为加密时刻，x_n和x_n+1为随机序列中相邻的两个数值，n为自然数，μ为控制参变量。

进一步的，动态交叉算子具体由如下计算式确定：

式中，

为交叉系数。

进一步的，利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，具体包括：

初始化控制参变量μ和初始值x₀；

利用动态交叉混沌映射方程生成一组随机序列，随机序列中不包括初始值x₀；

对于随机序列中的每个数值，取M位有效数值构成整数Y，将整数Y对256取余，得到一字节秘钥；

将随机序列中每个数值对应得到的一字节秘钥构成加密秘钥流。

第二方面，本发明提供了一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统，在Logistic映射方程的基础上，考虑加密时刻和相邻数值的影响，生成动态交叉混沌映射方程，包括：

信号获取单元，用于获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻；

秘钥生成单元，利用动态交叉混沌映射方程生成加密秘钥流，加密秘钥流不包括初始值；

加密运算单元，用于将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

进一步的，动态交叉混沌映射方程具体由如下计算式确定：

式中，ψ(t)为动态交叉算子，T_sec为加密时刻，x_n和x_n+1为随机序列中相邻的两个数值，μ为控制参变量。

进一步的，动态交叉算子具体由如下计算式确定：

式中，

为交叉系数。

进一步的，秘钥生成单元利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，具体包括：

初始化控制参变量μ和初始值x₀；

利用动态交叉混沌映射方程生成一组随机序列，随机序列中不包括初始值x₀；

对于随机序列中的每个数值，取M位有效数值构成整数Y，将整数Y对256取余，得到一字节秘钥；

将随机序列中每个数值对应得到的一字节秘钥构成加密秘钥流。

综上，本发明提供了一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法和系统，其中本发明的方法包括获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻；利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，动态交叉混沌映射方程在Logistic映射方程的基础上，引入动态交叉算子，用于生成考虑加密时刻和相邻秘钥值影响的加密秘钥流；将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。本发明通过采用混沌加密技术实现数据的加密，满足智能电网对数据传输的安全性要求，同时本发明通过引入动态交叉算子，有效地放大误差，使得对初始条件的攻击无效，从而极大提高蛮力攻击门槛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的动态交叉混沌加密的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

随着信息技术在电力领域的深入应用，智能电网深度融合了传统电网和云计算、人工智能等技术，智能控制中心可以采集并分析海量用户的各种信息，做出提高收益的决策。

智能电网就是传统电网的智能化，智能电网通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术实现了信息的双向交互。然而随着智能电网开放性的增加，用户的各种信息以及隐私性面临着安全隐患。智能电网具有复杂、强耦合、强相关等特性，在这种背景下研究用户的数据安全及隐私保护有重要的现实意义。因此数据传输过程中的加密技术在智能电网的发展中起着举足轻重作用。

现有电网的数据传输通常采用国际通用加密算法，无法适应智能电网对海量数据传输的安全性要求。混沌加密技术是近年来发展较快的非线性科学的重要分支，特别适用于数字通信和多媒体数据安全等领域。本发明基于混沌加密技术实现智能电网的数据传输加密。以下对混沌加密技术做出简单介绍。

混沌是一种貌似无规则的运动，指在确定性非线性系统中，不需要附加任何随机因素也可以出现随机的行为，即内在的随机性，是隶属于确定性系统而难以预测、隐含于复杂系统但又不可分割、呈现多种混乱却又颇具规则的动态过程，其最大的特点是系统对初始条件极端敏感。

混沌用于密码学主要依据混沌的基本特性，如遍历性、混合性、确定性和对初始条件的敏感性。混沌系统产生的混沌序列具有复杂性、随机性、难以分析和预测性，这些特性使其有可能成为一种实际被选用的密码体制^[1]。

Logistic映射表示非线性混沌方程，其映射过程如下式所示

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (1)

式中，μ代表控制参变量。明确μ的具体数值后，通过随机原始值x₀∈[0,1]，能够迭代计算出一个明确的时间序列x₀,x₁,x₂...x_n。

方程(1)的形式是完全确定的，也不包含任何随机因素，但由于其非线性特点，使它能够产生一系列的看似完全随机的，且混沌解x(n)对初始条件x(0)的极为敏感，x(0)的细微变化能生成完全不一样的混沌系列。

混沌序列加密的安全性关键依赖混沌密钥流，在混沌加密系统内，把混沌系统生成的随机序列{x_i}当作密钥流{k_i}和明文数据流{m_i}的按位运算，继而得到密文数据流{c_i}。明文数据流为二进制，而密钥流{k_i}是对混沌序列{x_i}实施数据处理得到的。

然而上述混沌加密系统属于一维离散时间非线性动力系统，易实现但存在保密性不强和有限精度下数字化混沌系统的特性可能会发生退化等问题；同时现在的混沌加密系统通常采用多次迭代方式，一定程度上可以提升加密效果，但同时也大量增加加密过程的计算成本，不适合在数据传输实时性要求较高系统中的使用。何况，多次迭代这种方法不能从本质上改变随机序列生成方式，在Logistic映射被确认的情况下，即使采用多次迭代加密，仍然较易被攻击者使用蛮力进一步破解。

基于此，本发明提供了一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法和系统。

以下对本发明的一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法的实施例进行详细的介绍。

请参阅图1，本实施例提供一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，在Logistic映射方程的基础上，考虑加密时刻和相邻数值的影响，生成动态交叉混沌映射方程，包括如下步骤：

S100：获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻，待加密信号为二进制的明文数据流。

需要说明的是，本实施例中的加密时刻是利用北斗时间信道获取的北斗授时系统的时间，其为智能电网中被加密信号的发生时刻(本实施例中取秒，即0≤T_sec＜60)。待加密信号则以二进制方式表示。

S200：利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，加密秘钥流不包括初始值。

需要说明的是，本实施例中的动态交叉混沌映射方程具体由如下计算式确定：

当n＝0时，

x_n+1＝μx_n(1-x_n) (2)

当n>0时，

x_n+1＝μx_n(1-x_n)+(1-μ)ψ(T_sec) (3)

其中，μ∈[0,1]，x₀∈[0,1]，ψ(t)为动态交叉算子，作为混沌系统的实时“扰动”量。

为交叉系数，T_sec为前述的北斗授时系统的时间。

本实施例的动态交叉混沌映射方程满足如下三个基本特征：

①混沌对初值具有极端的敏感性；

②混沌映射具有拓扑传递性；

③混沌尽管具有类似随机信号的性质，但它是确定性的运动，其运动的轨迹决定于初值和混沌映射参数。

因此，该动态交叉混沌映射方程理论上具备应用于密码学的条件。

在本实施例的动态交叉混沌映射方程中，ψ(T_sec)作为一个实时“扰动”量，T_sec变量的存在使得该部分值受被加密信号的发生时间影响，发生动态变化；并且相较于式(1)的传统混沌系统显示，混沌序列中的x_n+1直接受x_n影响，使得整个随机序列呈单一的链式关联结构形式。而在本实施例的混沌序列中，x_n+1直接受x_n和x_n-1交叉影响着，且x_n和x_n-1两者并没有确定的权重系数，而是通过动态交叉系数

实时改变二者的影响权重。

本实施例在传统混沌方程基础之上，通过动态交叉算子ψ(T_sec)，极大程度开拓混沌轨道的状态空间。使得混沌系统从任意点x出发，它能够快速跳跃出传统混沌方程的映射区域，进一步加强混沌系统的遍历性。

S300：将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

如图2所示，图2为本实施例的动态交叉混沌加密的流程示意图。其中，利用动态交叉混沌映射生成加密秘钥流的加密大致流程是把混沌系统生成的随机序列{x_i}＝x₁,x₂...x_n(本发明方案不将初始化产生的x₀作为该随机序列的一员，因此{x_i}从x₁开始)作密钥流{k_i}和明文数据流{m_i}按位异或运算，继而得到密文数据流{c_i}。明文数据流为二进制，而密钥流{k_i}是对混沌序列{x_i}实施数据处理得到的。具体流程如下(以加密两个字节明文为例)：

1)初始化控制参变量μ和初始值x₀，如μ＝0.812,x₀＝0.357；

2)获取被加密信号的发生时间，取秒。设定该两个字节的明文信号发生在同一时刻，为T_sec＝27；

3)利用动态交叉混沌映射方程生成一组随机序列，{x₂}＝{0.2546895264，0.7244552474}；

4)取M＝6，即取随机序列的6位有效数字构成整数序列：[254689，724455]；

5)将整数序列[254689，724455]各元素对256取余，得两字节密钥[255，231]；

6)将[255，231]的两个密钥分别与两字节明文进行异或运算，得到密文。

本实施例提供了一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，包括获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻；利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，动态交叉混沌映射方程在Logistic映射方程的基础上，引入动态交叉算子，用于生成考虑加密时刻和相邻秘钥值影响的加密秘钥流；将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

因为混沌系统对初始条件(μ、x₀)的敏感依赖性，对于仅有微小差别的初值，混沌系统便会产生截然不同的混沌序列。为了使相近初始值的混沌序列互相间更加不相关，本实施例通过动态交叉算子ψ(T_sec)，有效地放大误差，使得对初始条件的攻击无效。用该动态混沌映射进行加密，可以将明文被扩散到更为广泛的密文空间中去，从而极大提高蛮力攻击门槛。此外，由于交叉系数

动态变化着，可大大增强混沌序列的不可预测性。

以上是对本发明的一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统的另一实施例进行详细的介绍。

本实施例提供一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统，在Logistic映射方程的基础上，引入动态交叉算子，用于生成考虑加密时刻和相邻秘钥值影响的动态交叉混沌映射方程，包括信号获取单元、秘钥生成单元和加密运算单元。

在本实施例中，信号获取单元用于获取智能电网传输的待加密信号和加密时刻，其中待加密信号为二进制明文数据流。

在本实施例中，秘钥生成单元用于利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，加密秘钥流不包括初始值。

需要说明的是，动态交叉混沌映射方程具体由如下计算式确定：

式中，ψ(t)为动态交叉算子，T_sec为加密时刻，x_n为随机序列中第n个数值，μ为控制参变量。

其中，动态交叉算子具体由如下计算式确定：

式中，

为交叉系数。

在本步骤中，秘钥生成单元利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，具体包括：

初始化控制参变量μ和初始值x₀；

利用动态交叉混沌映射方程生成一组随机序列，该随机序列不包括初始值；

对于随机序列中的每个数值，取M位有效数值构成整数Y，将整数Y对256取余，得到一字节秘钥；

将随机序列中每个数值对应得到的一字节秘钥构成加密秘钥流。

在本实施例中，加密运算单元用于将加密秘钥流与待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

需要说明的是，本实施例提供的动态交叉混沌加密系统用于实现前述实施例提供的动态交叉混沌加密方法，各单元的具体设置均以完整实现该方法为准，在此不再赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，其特征在于，在Logistic映射方程的基础上，考虑加密时刻和相邻数值的影响，生成动态交叉混沌映射方程，包括如下步骤：

获取智能电网传输的待加密信号和所述加密时刻，所述待加密信号为二进制的明文数据流；

利用所述动态交叉混沌映射方程生成加密秘钥流，所述加密秘钥流不包括初始值；

将所述加密秘钥流与所述待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

2.根据权利要求1所述的应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，其特征在于，所述动态交叉混沌映射方程具体由如下计算式确定：

式中，ψ(t)为所述动态交叉算子，T_sec为所述加密时刻，x_n和x_n+1为随机序列中相邻的两个数值，n为自然数，μ为控制参变量。

3.根据权利要求2所述的应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，其特征在于，所述动态交叉算子具体由如下计算式确定：

式中，

为交叉系数。

4.根据权利要求3所述的应用于智能电网中的动态交叉混沌加密方法，其特征在于，利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，具体包括：

初始化所述控制参变量μ和初始值x₀；

利用所述动态交叉混沌映射方程生成一组随机序列，所述随机序列中不包括所述初始值x₀；

对于所述随机序列中的每个数值，取M位有效数值构成整数Y，将所述整数Y对256取余，得到一字节秘钥；

将所述随机序列中每个数值对应得到的所述一字节秘钥构成所述加密秘钥流。

5.一种应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统，其特征在于，在Logistic映射方程的基础上，考虑加密时刻和相邻数值的影响，生成动态交叉混沌映射方程，包括：

信号获取单元，用于获取智能电网传输的待加密信号和所述加密时刻；

秘钥生成单元，利用所述动态交叉混沌映射方程生成加密秘钥流，所述加密秘钥流不包括初始值；

加密运算单元，用于将所述加密秘钥流与所述待加密信号进行异或运算，得到加密信号。

6.根据权利要求5所述的应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统，其特征在于，所述动态交叉混沌映射方程具体由如下计算式确定：

式中，ψ(t)为所述动态交叉算子，T_sec为所述加密时刻，x_n和x_n+1为随机序列中相邻的两个数值，μ为控制参变量。

7.根据权利要求6所述的应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统，其特征在于，所述动态交叉算子具体由如下计算式确定：

式中，

为交叉系数。

8.根据权利要求7所述的应用于智能电网中的动态交叉混沌加密系统，其特征在于，所述秘钥生成单元利用动态交叉混沌映射方程确定加密秘钥流，具体包括：

初始化所述控制参变量μ和初始值x₀；

利用所述动态交叉混沌映射方程生成一组随机序列，所述随机序列中不包括所述初始值x₀；

对于所述随机序列中的每个数值，取M位有效数值构成整数Y，将所述整数Y对256取余，得到一字节秘钥；

将所述随机序列中每个数值对应得到的所述一字节秘钥构成所述加密秘钥流。

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