基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法.pdf

计算机与通信技术Computer and Communication Technology自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期Techniques ofAutomation&Applications基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法陆 韦,徐胜玲,孟 飞（国网上海嘉定供电公司，上海 201800）摘要:为提高高压电网用户信息传输的带宽，减少信息传输的拥堵现象，提出基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法。利用改进DES加密算法对高压电网用户信息进行加密，并利用区域推进机制将加密后的数据推进到节点中，以此确保节点的均衡能耗，通过节点对数据包进行传输及接收，实现用户信息安全传输。实验结果表明，该方法在不同节点运动速度下，数据传输带宽下降速度慢，数据传输拥堵次数少，表明该方法的传输效果强，具有较高的实用性。关键词:改进DES；高压电网；用户信息安全传输；数据包传输及接受中图分类号：TP309；TN919.3文献标识码:A文章编号:1003-7241(2024)02-0112-04An Improved DES-based Method for Safe Transmissionof User Information in High-Voltage Power GridLU Wei,XU Sheng-ling,MENG Fei(State Grid Shanghai Jiading Electronic Power Supply Compan,Shanghai 201800 China)Abstract:In order to improve the bandwidth of user information transmission in high-voltage power grid and reduce the congestion of infor-mation transmission,a safe transmission method of user information in high-voltage power grid based on improved DES is pro-posed.The improved DES encryption algorithm is used to encrypt the user information of the high-voltage power grid,and the en-crypted data is pushed to the nodes by the regional push mechanism,so as to ensure the balanced energy consumption of thenodes,and the data packets are transmitted and received by the nodes to realize the safe transmission of user information.The ex-perimental results show that the data transmission bandwidth decreases slowly and the data transmission congestion times are lessunder different node movement speeds,which indicates that the method has strong transmission effect and high practicability.Keywords:improve DES;high-voltage power grid;secure transmission of user information;data packet transmission and acceptance收稿日期:2022-01-07DOI:10.20033/j.1003-7241.（2024）02-0112-04.1引言高压电网用户信息网络传输中易受到入侵，导致频繁发生泄密问题，严重影响着高压电网用户信息的安全性1-2，使电网用户遭到巨大的财产损失。为此，需要对高压电网用户信息安全传输方法进行研究。杨冯帆3等人提出一种可实现高精度时间同步的数据传输方法，该方法将时钟同步技术放置数据网络中，令其与网络相互融合，以IP协议线为基础，实现高效数据传输，从而完成信息传输方法，该方法的融合效果差，存在数据传输能力弱的问题。袁明兰4等人提出基于分片重传链路感知机制的移动WSN网络数据传输算法，该方法依据数据传输存在的缺陷，将需要传输的数据文件划分成两类，利用接收节点对数据传输的准确性进行判断，当节点与AP发生错误时就需要重新上传数据信息。若这种传输方式存在适应性不足的问题，可以对数据文件中的数据进行二次分割，形成数据流，通过数据链路抖动情况及AP状态的差异性，对数据进行整体传输和分片传输，达到避免传输链路拥挤的目的，该方法的分类效果不够完善，存在数据输送带宽低的问题。彭鑫5等人提出多信道车联网V2R/V2V数据传输调度算法，该方法根据数据传输的初始请求，建立了数据传输调度矩阵，通过规划方法对数据传输信道进行有效划分，同时根据实时数据的采集时间及请求传输数量对其分配权重，最终利用数据的传输方式实现数据传输调度，该方法建立的矩阵存有欠缺，存在数据传输拥堵次数多的问题。为了解决上述方法中存在的问题，提出基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法。2基于改进DES的高压电网用户信息DES算法是一种分组加密算法，它在密码学领域中深受大众喜爱，因此得到广泛应用。由于它具有设计简单、使用便利的优点，使其一直得到关注。基于改进DES的高压电网用户信息加密过程如下所示：（1）改进DES算法可以对任何形式的用户信息数据112自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechniques ofAutomation&Applications进行加密解密，通常情况下DES加密密文及密钥长度均为64位，所以密钥产生的子密钥就由K1,K2,K16进行表示。通过K1,K2,K16可知，共产生16个子密钥，说明可以进行16次加密迭代；（2）高压电网用户信息加密明文在加密前，首先需要对原始IP进行置换，置换时要把所有信息数据的顺序打乱，并对其重新列序，组建成左边32位的明文L0及右边32位的明文R0，具体表示为X0=IP(X)=(L0,R0)：。其中，X0标记为明文，即64位；IP(X)标记为原始置换IP；（3）对高压电网用户信息数据进行第一次加密时6，需要利用加密函数 f 完成子密钥K1对R0的加密，以此取得加密后的用户信息加密函数f(R0,K1)，计算f(R0,K1)与L0之间的关系，将计算结果与第二次需要加密迭代的明文R1进行融合，取得第二次加密迭代表达式R1=L0f(R0,K1)，这时R0=L0，f(R0,K1)与R1之间的位数保持不变；（4）根据步骤（3）可以得知，剩余用户信息加密迭代过程中都要利用到密钥K2，,K16，所以加密迭代左边明文与右边明文之间的关系为：Ri-1=Li，Ri=Li-1f(Ri-1,Ki),其中i描述的是迭代次数；（5）高压电网用户信息16次迭代加密结束后，左边的32位加密明文就是L16，也是L16=L15f(R15,K16)。而右边的32位加密明文就是R15。把左右加密明文进行结合，再次进行原始IP置换，即IP-1。置换完成后对密文进行重新排列，以此实现基于改进DES的高压电网用户信息加密。基于上述加密流程，得到的改进DES高压电网用户信息加密方程表达式，即：（1）3高压电网用户信息安全传输方法3.1高压电网用户信息安全数据传输策略数据在输送期间容易出现传输链路抖动的问题，以此发生数据传输能力差或传输路径拥堵等问题，所以为了避免这种问题的发生，基于上述加密的高压电网用户信息数据，采用区域推进策略对加密数据进行传输。首先利用区域推进机制将加密数据推进到sink节点中，从而保证节点的均衡能耗。那么加密数据的区域推进示意图如图1所示。区域推进发挥了高压电网的整体优势，能够自动选取优质的用户信息加密节点数据，并将该数据向前推进。这种方式不需要固定的传输路径，也不需要选择簇头，直接就可以传输加密后的数据，因此区域推进机制更便于用户信息安全传输。图1加密数据的区域推进示意图3.2传输实现把高压电网分割成以Sink为中心的多种圆环，各个圆环之间的宽度为r/4，其中r描述的是节点最大半径。设置在每个圆环内都有与其相对应的ID号，所以不同圆环内所对应的ID号大不相同。这些ID号码表示节点到sink的距离，它们依次对应分别为：1,2,n。这时在圆环外部将数据从里向内推进，直到靠近Sink后结束。对加密数据进行输送前，需要通过源节点S打包各个数据的编码。数据包中7，包体就是加密数据的编码数据，而包头共有标识、S的ID号及目前圆环ID号三部分。数据包在传输时，圆环ID号就会随着区域的推进而不断更改。若数据包被某个节点接收，节点圆环ID号比接收包的圆环ID号小时，就说明可以接受该数据包，反之则拒收。基于上述描述，用户信息数据包的传输过程如图2所示。图2数据传输示意图根据图2可以看出，设置节点1为传输节点，所以区域C就是后向区域，而区域D就是节点1所在的传输区域，反之区域E、区域F就是前向区域。设置节点对数据包进行传输时，它的半径为r/2，由此可知数据包在传输期间，区域E、F能够对数据包进行接受，而区域E、F中的节点简称为接受包，区域C、D简称113计算机与通信技术Computer and Communication Technology自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期Techniques ofAutomation&Applications为不接受包。节点a对一个数据包pj进行接受时，就可以对它的传输概率pa(pj)及传输等待时间ta(pj)进行计算。那么pa(pj)的计算公式如下式所示：（2）式中，ERes(a)标记为a的剩余能量，EIni(Const)描述的是能量参考值，属于常量。从图2可以看出，各个区域之间的宽度为r/4，所以数据包的传输半径就是r/2，由此可以得知节点1对数据包进行传输时，传输的数据包对前向(0,r/4)的区域E进行覆盖，而F区域覆盖到的部分为(r/4,2r/4)。所以当节点接受包在F区域时，就需要从区域F中选择不同的传输节点，否则就需要在区域E中选择下一次需要传输的节点，这会使传输的数据推进到更远的位置。所以制定的ta(pj)可以表示为：（3）式中，T描述的是先前约定的时间系数。因此当F区域中的接受节点传输时间低于T时，区域E内的节点传输时间表示为：TEta(pj)2T。若接受节点在输送期间没有监测到抑制信号8-9，就说明目前为止没有节点对该数据包进行传输，那么节点a就取得了该数据包的传输权限。取得传输权限的节点a会立刻发送一个数据包的抑制信号，此时发射信号的半径为r，用来防止该数据包被其余节点输送。此时的最小ta(pj)节点就是最佳传输节点，它可以自动对需要输送的数据包进行选取和传输。依据上述传输流程可以看出，在所有接受节点中能量最大的节点传输的概率越大，等待的时间越短，能够尽快获取到输送权限。高压电网用户信息加密数据通过数据包的方式进行传输时，可以有效确保各个数据传输的可靠性，同时各个节点之间的能耗均衡，避免了节点消耗过快从而消失的问题，实现基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法。4实验与分析为了验证基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法的整体有效性，需要对该方法进行实验对比测试。采用基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法（方法1）、一种可实现高精度时间同步的数据传输方法（方法2）和基于分片重传链路感知机制的移动WSN网络数据传输算法（方法3）进行实验测试。由于高压电网节点分布在sink节点的圆环中，为了避免圆环内的节点发生碰撞，所以设置各个节点的密度不超过15个/m2，数据传输次数不少于500次。数据的传输带宽与传输拥堵情况可以体现出数据的传输效果，因此为了验证高压电网用户信息安全传输方法的有效性，利用方法1、方法2和方法3分别对用户信息安全传输能力进行有效测试。（1）设置节点的运动速度分别为10 m/s、20 m/s，根据节点运动的速度对不同传输次数下的数据传输带宽进行测试，数据传输带宽越高，说明该方法的传输能力越强，具体测试结果如图3所示。(a)节点运动速度10 m/s(b)节点运动速度15 m/s图3不同节点运动速度下的数据传输带宽测试根据图 3（a）中的数据发现，当节点运动速度为10 m/s时，随着数据的不断传输，三种方法的运动轨迹都呈现出下降趋势。经对比发现，方法1的数据传输宽带下降速度要低于其余两种方法，这说明方法1的数据传输带宽高，信息传输能力强。当节点运动速度为15 m/s时，从图3（b）中可知，随着数据传输次数的不断增加，三种方法的运动轨迹依旧呈现出下降趋势。但与图3（a）相比，三种方法的下降幅度及下降速度均有减小。从整体来看，方法1的数据传输带宽仍要优于方法2和方法3。方法2和方法3在传输次数为300400次时，运动轨迹相同，不过在剩余传输期间方法2的下降速度加快，达到了最低数据传输宽带值，表明方法2的数据传输带宽最差，数据传输能力最弱。综上所述，方法1的数据传输能力最强，这是因为方法1利用区域推进机制把数据推进到节点中，确保了节点的均衡消耗，进而提高了数据传输带宽，增强了该方法的114自动化技术与应用2024 年第 43 卷第 2 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechniques ofAutomation&Applications数据传输能力。（2）数据在传输过程中，过多的数据极易出现链路拥堵的问题，导致数据传输受阻、数据传输速度减缓。为了验证高压电网用户信息安全传输方法的传输效果，需要利用方法1、方法2和方法3分别对数据传输拥堵次数进行测试，具体的测试结果如表1所示。表1数据传输拥堵次数测试数据传输次数/次1503004506007509001 0501 2001 3501 5001 6501 8001 9502 1002 250不同方法的拥堵次数测试/次方法1101112131520252727303233353636方法22030405060708090100110120130140150160方法31520354043596669697075768090110分析表1中的数据发现，在测试期间三种方法都随着数据传输次数的增加致使拥堵次数不断提升。但方法1的拥堵次数最低，可见方法1的数据传输效果优于其余两种方法。而方法2在测试期间，每进行一次测试，它的拥堵次数就要随之提升10次，可见方法2的拥堵次数具有规律性，同时方法2的拥堵次数也是三个方法中最高的，表明方法2的数据传输效果最差。5结束语在过去，由于信息技术水平过低，高压电网用户信息未曾发生过异常攻击，但随着时间的推进，信息技术不断进步，多数高压电网用户信息均遭到泄密，这种问题带来巨大损失，所以针对高压电网用户信息安全传输方法存在的问题，提出基于改进DES的高压电网用户信息安全传输方法。该方法首先对高压电网用户信息进行DES加密，并利用区域推进策略对加密数据进行传输，从而实现用户信息安全传输方法。该方法在用户信息安全传输方法中有着重要地位，为今后高压电网用户信息安全传输方法提供了重要信息基础。参考文献:1 王东芳,刘水源,张勇军,等.“互联网+”形势下电力信息物理融合发展研究综述与展望J.电力自动化设备,2020,40(6):90-99.2 邓胜利,赵海平.信息泄露情境下的个人信息价值评估及个体差异:基于离散选择模型的实证研究J.情报学报,2019,38(3):266-276.3 杨冯帆,常劲帆,王铮.一种可实现高精度时间同步的数据传输方法J.计算机工程,2020,46(2):118-125,133.4 袁明兰,龙颖,李林.基于分片重传链路感知机制的移动WSN网络数据传输算法J.电子测量与仪器学报,2019,33(12):50-57.5 彭鑫,邓清勇,田淑娟,等.多信道车联网V2R/V2V数据传输调度算法J.通信学报,2019,40(3):92-101.6 张玉磊,骆广萍,张永洁,等.基于格式保留的敏感信息加密方案J.计算机工程与科学,2020,42(2):236-240.7 王首一,李琦,张云.轻量级的软件定义网络数据包转发验证J.计算机学报,2019,42(1):176-189.8 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