CN116319069B - 基于hplc双模载波通信的存储器数据加密方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，包括：采集多维待处理数据，得到二维电能参数数据及二维电能参数数据中若干个数据字符；得到若干个字符种类，获取每一字符种类的紊乱程度；获取若干个标准种类，根据每一标准种类的数据频次及字符种类与标准种类的映射参数得到二维待加密数据；对二维待加密数据使用Arnold变换二次加密得到数据密文与解密方法；使用HPLC技术存储至存储器。本发明解决了传统的Arnold变换加密仅针对数据的分布使用错切变换的加密方法不改变数据的统计特性，使得数据仍存在较大可分析特征的问题，保证数据存储安全。

Description

基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，具体涉及基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法。

背景技术

高速电力线载波（HPLC）是一种在低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术，相较于传统低速窄带电力载波技术具有带宽大、传输速率高满足低压电力线载波的优点；同时其结合双模通信技术能有效解决采用单种通信技术时可能存在的通信“孤岛”问题；双信道同时收发拓展通信带宽，大幅度提升网络的稳定性和通信的实时性，为本地通信提供更优的解决方案。

HPLC双模载波通信过程中使用电力线传输通信技术，与专用数据线传输存储相比无法对数据的安全提供保障，使得数据无法抵抗网络攻击和存在信息泄露的风险。因此产生对待处理数据加密增强数据安全性的需要；Arnold变换加密通过对二维数据通过迭代仿射变换对数据加密，通过改变二维数据中各像素点相较于原数据的位置达到加密的目的，由于其简单、无损因此被广泛应用，但传统的Arnold变换加密仅针对数据的分布使用错切变换的加密方法其不改变数据的统计特性，使得数据仍存在较大可分析特征的问题，对数据的加密效果较差。

发明内容

本发明提供基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，以解决现有的传统的Arnold变换加密仅针对数据的分布使用错切变换的加密方法其不改变数据的统计特性，使得数据仍存在较大可分析特征的问题。

本发明的基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，该方法包括以下步骤：

使用智能电能表采集多维待处理数据，对多维待处理数据降维处理得到二维电能参数数据，记二维电能参数数据中每一数据为一数据字符；

将数据字符数值相同的归为一类，得到若干个字符种类，获取每一字符种类的频次及频次占比，根据每一字符种类中数据字符的分布特征获取每一字符种类中每一数据字符的紊乱特征值，根据每一字符种类中紊乱特征值的差异获取每一字符种类的紊乱程度；

根据字符种类的数值分布获取若干个标准种类，获取每一标准种类的累计分布占比，根据每一标准种类的累计分布占比获取每一标准种类的数据频次，获取字符种类与标准种类的映射参数，根据每一标准种类的数据频次及字符种类与标准种类的映射参数得到二维待加密数据；

对二维待加密数据使用Arnold变换二次加密得到数据密文，并根据Arnold变换获取解密方法；

将密文存储至通信层，使用HPLC技术存储至存储器。

可选的，所述根据每一字符种类中数据字符的分布特征获取每一字符种类中每一数据字符的紊乱特征值，包括的具体步骤如下：

获取每一字符种类的每一数据字符的内邻域、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域、外邻域字符个数，获取每一字符种类的每一数据字符的临近距离与对比距离，根据每一字符种类的每一数据字符的临近距离、对比距离、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域字符个数获取每一字符种类的每一数据字符的紊乱特征值。

可选的，所述获取每一字符种类的每一数据字符的内邻域、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域、外邻域字符个数，获取每一字符种类的每一数据字符的临近距离与对比距离，包括：

预设邻域半径，记任意一字符种类为目标种类，记目标种类中任意一数据字符为目标字符，设定构建以目标字符为中心，以/>为边长的正方形窗口，记为目标字符的内邻域，记/>为目标字符的内邻域半径；获取目标字符的内邻域内属于目标种类的数据字符个数，记为目标字符的内邻域字符个数；构建以目标字符为中心，以/>为边长的正方形窗口，记为目标字符的外邻域，获取目标字符的外邻域内属于目标种类的数据字符个数，记为目标字符的外邻域字符个数；

获取目标字符的内邻域中属于目标种类的数据字符与目标字符的欧式距离集合，将欧式距离集合中的最小值记为目标字符的临近距离；记任意一长度为关注半径长度，获取以目标字符为中心，以关注半径长度为边长的正方形窗口内属于目标种类的数据字符个数，记为关注个数，当关注个数等于2倍的目标字符的内邻域字符个数时，记关注半径长度为目标字符的对比半径长度，记对比半径长度与邻域半径的差异为目标字符的对比距离。

可选的，所述根据每一字符种类的每一数据字符的临近距离、对比距离、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域字符个数获取每一字符种类的每一数据字符的紊乱特征值，计算公式如下：

其中，表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱特征值，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的临近距离，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的对比距离，表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的内邻域半径，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的内邻域字符个数，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的外邻域字符个数，为以自然常数e为底的指数函数。

可选的，所述根据每一字符种类中紊乱特征值的差异获取每一字符种类的紊乱程度，计算公式如下：

其中，表示第/>个字符种类的紊乱程度，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱特征值，/>表示第/>个字符种类的所有数据字符的紊乱特征值的均值，/>表示第/>个字符种类的数据字符的个数。

可选的，所述获取每一标准种类的累计分布占比，包括的具体步骤如下：

记任意一标准种类为目标标准种类，记目标标准种类的频次为与目标标准种类数值相等的字符种类的频次，记目标标准种类的频次占比为与目标标准种类数值相等的字符种类的频次占比，记目标标准种类的紊乱程度为与目标标准种类数值相等的字符种类的紊乱程度；

其中，表示第/>个标准种类的累计分布占比，/>表示第/>个标准种类的频次占比，/>表示第/>个标准种类的紊乱程度，/>表示第/>个字符种类的频次占比，/>表示第/>个字符种类的紊乱程度，/>表示字符种类中数值最大值，/>表示字符种类中数值最小值。

可选的，所述根据字符种类的数值分布获取若干个标准种类，包括：

以十进制数0为起点，以字符种类最大值为终点，自起点开始至终点结束以步长为1依次获取若干个标准种类。

本发明的技术方案的有益效果是：相较于传统的Arnold变换加密仅针对数据的分布使用错切变换的加密方法中存在不改变数据的统计特性，使得数据仍存在较大可分析特征的问题，本方法使用一种基于频次与结构分析的字符种类映射方法，通过对字符种类加权变换映射，通过修正频次达到消除统计特征的目的，并使用Arnold变换二次加密，达到消除密文统计特性、改变结构分布目的。

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法的步骤流程图；

图2为一数据字符的内邻域半径、外邻域半径、对比距离及临近距离。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法的步骤流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S001、通过智能点能表采集电力信息，获取二维电能参数数据。

HPLC作为一种高速电力载波通信模块，通常用于电力系统的实时监测和通讯控制，由于电力线可作为通信介质，使用智能电能表实时采集电力数据用于分析。智能电能表可采集的用电数据较多，主要有电压、电流、功率、功率因数和电能值等，通过对数据分类、清洗等预处理，得到多维待处理数据。

由于多维数据在载波通信与数据分析时数据量过大造成过载，通过PCA降维算法对多维数据线性降维，保留两个主要成分数据电压-电流/>构成待加密的二维电能参数数据/>，其中二维电能参数数据/>由多维数据通过线性降维得到，得到的二维电能参数数据为二维矩阵形式，记二维电能参数数据中每一数据为数据字符。

至此，通过数据采集和数据预处理得到二维电能参数数据及二维电能参数数据中若干个数据字符。

步骤S002、将数据字符数值相同的归为一类，得到若干个字符种类，获取每一字符种类的频次及频次占比，根据每一字符种类中数据字符的分布特征获取每一字符种类中每一数据字符的紊乱特征值，根据每一字符种类中紊乱特征值的差异获取每一字符种类的紊乱程度。

需要说明的是，根据数据内字符的分布和数据的结构波动对数据字符自适应加权变换，其中权重取决于数据的分布区间以及二维数据中各字符的分布紊乱程度，对加权变换后的数据使用Arnold变换加密，得到数据密文；Arnold变换加密通过对二维数据通过迭代仿射变换对数据加密，通过改变二维数据中各像素点相较于原数据的位置达到加密的目的，由于其简单、无损因此被广泛应用。但Arnold变换仅对数据位置改变，并不对数据本身的值发生变化使得加密后数据仍存在统计特性，在大数据分析中数据的统计特性能体现更多的数据信息。

将二维电能参数数据中数值相同的数据字符归为一类，得到若干个字符种类，获取每一字符种类中数据字符的个数，记为每一字符种类的频次，获取每一字符种类的频次与二维电能参数数据中数据字符总个数的比值，记为每一字符种类的频次占比。

至此，得到若干个字符种类，每一字符种类包含数值相同的数据字符，得到每一字符种类的频次及频次占比。

记任意一字符种类为目标种类，记目标种类中任意一数据字符为目标字符，设定邻域半径，设定构建以目标字符为中心，以/>为边长的正方形窗口，记为目标字符的内邻域，记/>为目标字符的内邻域半径；获取目标字符的内邻域内属于目标种类的数据字符个数，记为目标字符的内邻域字符个数；构建以目标字符为中心，以/>为边长的正方形窗口，记为目标字符的外邻域，记/>为目标字符的外邻域半径，获取目标字符的外邻域内属于目标种类的数据字符个数，记为目标字符的外邻域字符个数，需要说明的是，本实施例以为例进行叙述，实施者根据应用场景进行设置。

获取目标字符的内邻域中属于目标种类的数据字符与目标字符的欧式距离集合，将欧式距离集合中的最小值记为目标字符的临近距离；记任意一长度为关注半径长度，获取以目标字符为中心，以关注半径长度为边长的正方形窗口内属于目标种类的数据字符个数，记为关注个数，当关注个数等于2倍的目标字符的内邻域字符个数时，记关注半径长度为目标字符的对比半径长度，记对比半径长度与邻域半径的差异为目标字符的对比距离。

至此，得到每一字符种类的每一数据字符的内邻域、内邻域半径及外邻域、外邻域半径，得到每一字符种类的每一数据字符的内邻域字符个数、外邻域字符个数、临近距离与对比距离。

请参阅图2，图2中点A表示一数据字符，图2中所有实心点表示与点A属于同一字符种类的数据字符，L1表示点A的内邻域半径，L2表示点A的外邻域半径，L0表示点A的对比距离，d表示点A的临近距离，图2中面积较小的实线框表示点A的内邻域，面积较大的实线框表示点A的外邻域，虚线框表示以点A为中心，以对比半径长度为半径的正方形窗口。

具体的，以第个字符种类的第/>个数据字符为例，获取第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱特征值/>的计算方法为：

其中，表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的临近距离，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的对比距离，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的内邻域半径，表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的内邻域字符个数，/>表示第/>个字符种类的第个数据字符的外邻域字符个数，/>为以自然常数e为底的指数函数。

由于数据字符邻域内相同字符种类数据字符的分布特征表征数据字符的分布规律，与/>表示字符种类的规律分布区间即表征第/>个字符种类的第/>个数据字符邻域的数据字符分布规律，/>表示内邻域与外邻域的相同种类的数据字符数值差异，第/>个字符种类的第/>个数据字符邻域中数据字符的分布规律与数值差异共同表征第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱程度。

至此，得到每一字符种类的每一数据字符的紊乱特征值。

根据每一字符种类的所有数据字符的紊乱特征值之间的差异得到每一字符种类的紊乱程度。

具体的，以第个字符种类为例，获取第/>个字符种类的紊乱程度/>的计算方法为：

其中，表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱特征值，/>表示第/>个字符种类的所有数据字符的紊乱特征值的均值，/>表示第/>个字符种类的数据字符的个数。

若第个字符种类中数据字符的紊乱特征值之间差异越大，表示第/>个字符种类的数据字符的分布不存在较明显的规律，第/>个字符种类的紊乱程度越大。

对得到的所有字符种类的紊乱程度进行线性归一化处理。

至此，得到每一字符种类的紊乱程度。

步骤S003、根据字符种类的数值分布获取若干个标准种类，获取每一标准种类的累计分布占比，根据每一标准种类的累计分布占比获取每一标准种类的数据频次，获取字符种类与标准种类的映射参数，根据每一标准种类的数据频次及字符种类与标准种类的映射参数得到二维待加密数据。

需要说明的是，根据步骤S002得到每一字符种类的紊乱程度，进而根据每一字符的紊乱程度对每一字符种类的频次进行调整，改变数据的统计特性，提升加密效果，保证数据安全。

由于得到二维电能参数数据由十进制数字构成，即得到的字符种类可根据数值的大小进行排序，根据数值的大小由小到大对字符种类进行排序。

以十进制数0为起点，以字符种类最大值为终点，自起点开始至终点结束以步长为1依次获取若干个标准种类，需要说明的是，由于二维电能参数数据中字符种类的随机性，每一字符种类均有对应的标准种类，但每一标准种类不一定有对应的字符种类。

记任意一标准种类为目标标准种类，记目标标准种类的频次为与目标标准种类数值相等的字符种类的频次，记目标标准种类的频次占比为与目标标准种类数值相等的字符种类的频次占比，记目标标准种类的紊乱程度为与目标标准种类数值相等的字符种类的紊乱程度；需要说明的是，当不存在与目标标准种类数值相等的字符种类时，记目标标准种类的频次、频次占比、紊乱程度均为0。

具体的，以第个标准种类为例，获取第/>个标准种类的累计分布占比/>的计算方法为：

其中，表示第/>个标准种类的频次占比，/>表示第/>个标准种类的紊乱程度，/>表示第/>个字符种类的频次占比，/>表示第/>个字符种类的紊乱程度，/>表示字符种类中数值最大值，/>表示字符种类中数值最小值。

进一步的，获取字符种类的个数，记为字符数量，自起始依次获取的值记为待调整值，其中/>表示向下取整，/>表示字符数量，当标准种类数值等于待调整值时，对该标准种类的频次进行调整。

根据与字符种类数值相同的标准种类对若干个标准种类进行划分，得到若干个标准种类组，对每一标准种类组中的标准种类的频次值进行调整。

将每一标准种类组中标准种类的非0的频次值与该标准种类组中标准种类个数的比值记为每一标准种类组中每一标准种类调整后的频次值，将调整后的频次值记为每一标准种类的数据频次。

至此，得到每一标准种类的数据频次。

得到每一标准种类的数据频次，频次仅与原数据中字符种类的频次占比与字符种类的分布紊乱特征有关，通过频次变换消除数据的统计特征，即通过频次变换将字符种类对应为一个或多个标准种类/>，则针对原数据的变换计算字符种类/>与标准种类/>的映射参数：

其中，为第/>个字符种类的第/>个映射字符的映射参数。

记映射变换的数量为/>，此时根据映射参数对原二维数据/>使用希尔伯特扫描法扫描并变换变换，例如对于第/>个字符种类当扫描到第一个字符量使用/>变换，扫描到第二个/>字符量使用/>变换，依次类推直到二维数据/>扫描完成，得到加权变换后的待加密二维数据/>。

至此，得到二维待加密数据。

步骤S004、对二维待加密数据使用Arnold变换二次加密得到数据密文，并给出解密方法。

需要说明的是，根据步骤S003通过加权映射变换得到消除统计特征的二维代加密数据，进而根据Arnold变换二次加密得到数据密文，并给出解密方法。

将二维待加密数据通过标准化分块得到待加密数据明文/>，/>为分块数量，待加密数据大小为/>，设定迭代参数/>，本实施例/>，实施者可视具体实施过程进行设定，利用Arnold变换对二维待加密数据进行加密，得到密文/>，需要说明的是，该式为Arnold变换中现有步骤，本实施例不再过多赘述。

密文的解密方法为：利用Arnold逆变换进行解密，得到变换明文，其中Arnold逆变换为现有技术，对分块明文/>逆标准化拼接得到初始变换数据/>，对密文根据映射参数/>逆变换，具体过程为使用希尔伯特扫描法扫描初始变换数据，当扫描到标准种类/>时使用/>得到原第/>个字符种类；需要说明的是，本实施例在加权变换过程中选用线性变换，在Arnold变换过程为错切变换，因此在加密与解密后得到的数据与原数据并不存在损失，即为无损加密。本方法的加密密钥为变换加密后的标准种类/>的映射参数/>。

至此，得到密文的解密方法。

步骤S005、将密文存储至通信层，使用HPLC技术存储至存储器。

将步骤S004得到的密文存储至HPLC通信模块，并使用HPLC技术通过电力线传输层保存数据到存储器。

本实施例的加密方法基于数据本身的频次与结构特征分析，与原数据相关，当数据在传输存储过程中存在丢失、恶意篡改等破坏数据时，即破坏数据本身的统计特性，使得密文无法恢复至原数据，保障了HPLC双载波通信过程中的数据安全，保证数据的安全存储。

至此，完成基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

使用智能电能表采集多维待处理数据，对多维待处理数据降维处理得到二维电能参数数据，记二维电能参数数据中每一数据为一数据字符；

将数据字符数值相同的归为一类，得到若干个字符种类，获取每一字符种类的频次及频次占比，根据每一字符种类中数据字符的分布特征获取每一字符种类中每一数据字符的紊乱特征值，根据每一字符种类中紊乱特征值的差异获取每一字符种类的紊乱程度；

根据字符种类的数值分布获取若干个标准种类，获取每一标准种类的累计分布占比，根据每一标准种类的累计分布占比获取每一标准种类的数据频次，获取字符种类与标准种类的映射参数，根据每一标准种类的数据频次及字符种类与标准种类的映射参数得到二维待加密数据；

对二维待加密数据使用Arnold变换二次加密得到数据密文，并根据Arnold变换获取解密方法；

将密文存储至通信层，使用HPLC技术存储至存储器；

所述根据每一字符种类中数据字符的分布特征获取每一字符种类中每一数据字符的紊乱特征值，包括的具体步骤如下：

获取每一字符种类的每一数据字符的内邻域、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域、外邻域字符个数，获取每一字符种类的每一数据字符的临近距离与对比距离，根据每一字符种类的每一数据字符的临近距离、对比距离、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域字符个数获取每一字符种类的每一数据字符的紊乱特征值；

所述根据每一字符种类的每一数据字符的临近距离、对比距离、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域字符个数获取每一字符种类的每一数据字符的紊乱特征值，计算公式如下：

其中，表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱特征值，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的临近距离，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的对比距离，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的内邻域半径，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的内邻域字符个数，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的外邻域字符个数，为以自然常数e为底的指数函数；

所述根据每一字符种类中紊乱特征值的差异获取每一字符种类的紊乱程度，计算公式如下：

其中，表示第/>个字符种类的紊乱程度，/>表示第/>个字符种类的第/>个数据字符的紊乱特征值，/>表示第/>个字符种类的所有数据字符的紊乱特征值的均值，/>表示第/>个字符种类的数据字符的个数；

所述获取每一标准种类的累计分布占比，包括的具体步骤如下：

记任意一标准种类为目标标准种类，记目标标准种类的频次为与目标标准种类数值相等的字符种类的频次，记目标标准种类的频次占比为与目标标准种类数值相等的字符种类的频次占比，记目标标准种类的紊乱程度为与目标标准种类数值相等的字符种类的紊乱程度；

其中，表示第/>个标准种类的累计分布占比，/>表示第/>个标准种类的频次占比，/>表示第/>个标准种类的紊乱程度，/>表示第/>个字符种类的频次占比，/>表示第/>个字符种类的紊乱程度，/>表示字符种类中数值最大值，/>表示字符种类中数值最小值。

2.根据权利要求1所述基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，其特征在于，所述获取每一字符种类的每一数据字符的内邻域、内邻域半径、内邻域字符个数及外邻域、外邻域字符个数，获取每一字符种类的每一数据字符的临近距离与对比距离，包括：

预设邻域半径，记任意一字符种类为目标种类，记目标种类中任意一数据字符为目标字符，设定构建以目标字符为中心，以/>为边长的正方形窗口，记为目标字符的内邻域，记为目标字符的内邻域半径；获取目标字符的内邻域内属于目标种类的数据字符个数，记为目标字符的内邻域字符个数；构建以目标字符为中心，以/>为边长的正方形窗口，记为目标字符的外邻域，获取目标字符的外邻域内属于目标种类的数据字符个数，记为目标字符的外邻域字符个数；

获取目标字符的内邻域中属于目标种类的数据字符与目标字符的欧式距离集合，将欧式距离集合中的最小值记为目标字符的临近距离；记任意一长度为关注半径长度，获取以目标字符为中心，以关注半径长度为边长的正方形窗口内属于目标种类的数据字符个数，记为关注个数，当关注个数等于2倍的目标字符的内邻域字符个数时，记关注半径长度为目标字符的对比半径长度，记对比半径长度与邻域半径的差异为目标字符的对比距离。

3.根据权利要求1所述基于HPLC双模载波通信的存储器数据加密方法，其特征在于，所述根据字符种类的数值分布获取若干个标准种类，包括：

以十进制数0为起点，以字符种类最大值为终点，自起点开始至终点结束以步长为1依次获取若干个标准种类。