基于预制舱变电站的物联网数据加密方法研究

林志军 郑日平 张永炘 李佳祺

摘 要：针对预制舱变电站物联网建设中存在的信息泄露和隐私保护问题，提出了一种基于超混沌数据的加密算法。即首先利用混沌发生器生成随机序列，其次对序列进行归一化处理，接着利用序列对明文进行掩膜置换等加密操作，最后将密文发送至预制舱变电站服务器，实现数据的加密通信。实验结果和分析表明，该加密算法具有密钥空间大、密钥敏感性强的特点。

关键词：物联网安全;混沌密码;超混沌;数据加密;预制舱变电站

中图分类号：TN918      文献标识码：A

Abstract：Aiming at information leakage and privacy protection issues in the internet of things communication for prefabricated cabin substations， a hyperchaotic data encryption algorithm based on power Internet of things communication is proposed. Firstly， the random sequence is generated by the chaotic generator， and  the sequence is normalized， then the plaintext is encrypted by the sequence， such as mask replacement， finally the ciphertext is sent to the power grid server to complete the communication of the power grid based data encryption system. Experimental results and analysis show that the encryption algorithm has the characteristics of large key space and strong key sensitivity.

Key words：internet of things security; chaotic cryptography; hyperchaos; data encryption; secure communication;Prefabricated Cabin Substation

随着电网投资力度的加大与建设规模的扩张，受施工周期、环保意识等因素影响，现场施工效率和建设质量的矛盾愈加突出;为解决上述问题，产生了装配式预制舱变电站，其最大的优势即为实现变电站的工厂化预制，在缩短建设周期的同时保证工程质量[1]。

物联网是实现预制舱变电站数据传输的重要手段，而信息安全是电网需要重点解决的一道难题[2]。面对信息量日益攀升的数据，传统加密算法面临着被突破的挑战，因此研究一种新型加密技术去对实现预制舱变电站物联网的可靠通信具有重要意义[3]。

混沌是指确定的宏观的非线性系统在一定条件下所呈现的不确定的或不可预测的随机现象。世界知名的动力气象学家，混沌理论的创立者之一Lorenz指出混沌具有三个特点：1、混沌系统产生的数据看似随机;2、对初始条件具有高度敏感的依赖性;3、初始条件的内在变换影响其敏感性。除此之外，混沌系统的非线性动力学特性赋予了该系统不可预测性。其遍历性主要表现在其混沌吸引域内，混沌运动是各态历经的。混沌系统的混乱性可以很好的与密码学结合，设计出一些在多场景应用且安全性能高，加密速度快的安全保密算法。因此，近年来，混沌系统作为一个热门领域被大量研究与广泛运用[3-9]。

1 相关理论

从表中数据可以看出，本文算法的密钥空间大于其他算法。密钥空间的大小是影响密文被破译的难易程度的重要因素[15]。所以本文算法相较于其他算法安全性更强。

4.3 密钥敏感性分析

算法密钥的敏感性决定算法的安全性[16]。当解密密钥存在10-14数量级的错误时，解密过程无法顺利进行。解密结果的统计直方图如图（5）所示。由实验结果可知，即使密钥存在微小差异也会对明文的还原產生影响，解密过程中达到临界值会产生雪崩效应，降低被破译的风险[17]。

5 结 论

针对针对预制舱变电站物联网通信安全等痛点问题，提出了一种基于超混沌数据的加密算法。算法通过超混沌系统得到一个高随机性序列的生成作用器，以得到的高随机序列作为关键点，对传统的加密手段进行了一定程度上的加强，使得通讯相较传统手段有所进步。实验结果表明，提出的算法具有执行效率高、密钥空间大及密钥敏感性良好的特点，有望为未来预制舱变电站物联网的发展与建设提供一种新思路。

参考文献

[1]向新宇，姚海燕，於志渊，等.电力物联网安全分析与国密算法应用[J].网络安全技术与应用，2021（7）：37-39.

[2]司红伟，钟国韵.基于双混沌系统的大数据环境并行加密算法设计[J].计算机测量与控制，2015，23（7）：2475-2477.

[3]温贺平，禹思敏，吕金虎.基于Hadoop大数据平台和无简并高维离散超混沌系统的加密算法[J].物理学报，2017，66（23）：76-89.

[4]吴沂霖，李歌，张晶.基于状态观测器的超混沌投影同步保密通信方案[J].数字技术与应用，2015（6）：40-44.

[5]李泽彬，张刚，李宣，等.单参数Lorenz混沌系统及其保密通信[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2016，31（4）：70-75.

[6]陳杰睿，冯平，许泽凯.一种单信道超混沌保密通信的实现[J].计算机与数字工程，2017，45（8）：1566-1568.

[7]阿布都热合曼·卡的尔，木塔力甫·沙塔尔，米热古丽·艾力.利用移动键控和耦合超混沌系统实现异步十六进制数字保密通信系统[J].计算机应用，2018，38（3）：780-785.

[8]LAN R ，HE J，WANG S ， et al. Integrated chaotic systems for image encryption[J]. Signal Processing， 2018， 147（6）：133-145.

[9]HUA Z，ZHOU Y，HUANG H . Cosine-transform-based chaotic system for image encryption[J]. Information Sciences， 2019， 480：403-419.

[10]刘林芳，芮国胜，张洋，等.基于相空间对称Lorenz阵子群的混沌保密通信研究[J].通信学报，2019，40（5）：32-38.

[11]张晓宇，张健.基于量子混沌映射和Chen超混沌映射的图像加密算法[J].中国电子科学研究院学报，2021，16（6）：582-586.

[12]郭丽颖，杨平，李银.超混沌Chen系统的级联反控制[J].计算技术与自动化，2011，30（1）：26-29.

[13]BELAZI A，KHAN M，EL-LATIF A ， et al. Efficient cryptosystem approaches： S-boxes and permutation-substitution-based encryption[J]. Nonlinear Dynamics， 2017.

[14]CHAI X，GAN Z，YUAN K ， et al. A novel image encryption scheme based on DNA sequence operations and chaotic systems[J]. Neural Computing & Applications， 2017.

[15]HSUEH J C，CHEN H C . An ultra-low voltage chaos-based true random number generator for IoT applications[J]. Microelectronics journal， 2019， 87（5）：55-64.

[16]DENG L，LI D，CAI Z ， et al. Smart IoT information transmission and security optimization model based on chaotic neural computing[J]. Neural Computing and Applications， 2019.

[17]AKBARZADEH A，BAYAT M，ZAHEDNEJAD B ， et al. A lightweight hierarchical authentication scheme for internet of things[J]. Journal of Ambient Intelligence and Humanized Computing， 2019.