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CN112163535A - 基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法 - Google Patents

基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法 Download PDF

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CN112163535A
CN112163535A CN202011069021.0A CN202011069021A CN112163535A CN 112163535 A CN112163535 A CN 112163535A CN 202011069021 A CN202011069021 A CN 202011069021A CN 112163535 A CN112163535 A CN 112163535A
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China
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signal
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frequency domain
power grid
terminal equipment
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CN202011069021.0A
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蒋屹新
许爱东
张宇南
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China South Power Grid International Co ltd
China Southern Power Grid Co Ltd
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China South Power Grid International Co ltd
China Southern Power Grid Co Ltd
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Abstract

本发明实施例涉及一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法，包括信号采集模块、信号处理模块和指纹生成模块，该基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置、方法及终端设通过信号采集模块采集终端设备发送的原始信号，采用信号处理模块对原始信号进行预处理，指纹生成模块对预处理后的信号进行频域分析，得到频域相位，根据频域相位构成的特征指纹作为识别终端设备的设备指纹，解决了现有应用于电网上终端设备的进行身份识别验证存在局限性、识别效果差的技术问题。

Description

基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法
技术领域
本发明涉及电力系统网络安全技术领域，尤其涉及一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法。
背景技术
随着智能电网的发展，电网信息安全问题成为了关注的焦点。从近年来，针对电网信息安全的网络攻击大致可以分为非法接入、漏洞利用与提取、指令和数据篡改。其中，“非法接入”是攻击电网的第一步，也是基础。在电网中存在的大量种类复杂的电网终端设备，现有对这些终端设备全部实施物理隔离以达到安全防护目的，但是此方式效果不明显。如何防御针对终端设备的恶意攻击，保证重点设备在系统执行过程中的真实性与可靠性，是电网安全防护中不可忽视的难题。
为了确保终端设备身份的真实性，在电网中采用将新型网络安全技术应用于电网信息安全防御，如身份认证、数据加密、访问控制、入侵检测等。但是，由于大多终端设备囿于自身弱计算能力的缺陷，且工业现场总线网络与以太网网络在通信协议、工作模式上的差异，加密认证方法的应用仍然存在较大的局限。
结合电网终端设备的工作特性，通过设备指纹识别的方法来进行设备身份认证是一种有效的解决途径。但是，现有的终端设备指纹识别技术主要分为主动认证与被动认证两类。主动式指纹认证是通过主动向被认证设备发送检测数据并获取设备响应，根据反馈结果所包含的指纹信息来进行识别认证。而被动式指纹认证是通过对信息流的监测，提取隐藏在通信信息中的设备指纹信息来进行识别认证。由于电网终端设备计算能力弱、存储资源少且分布广泛、协议不统一，无法满足主动式设备指纹认证方法所需的实时性，并容易干扰设备正常工作造成系统崩溃，不适用于电网设备身份识别。而现有的被动式设备指纹认证方法受网络协议和流量分析方法的限制，对隐藏在协议字段间与协议内部实现机制上的差异难以利用，在设备识别认证时对类型和协议的要求具有局限性。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法，用于解决现有应用于电网上终端设备的进行身份识别验证存在局限性、识别效果差的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置，应用于电力系统上，包括信号采集模块、信号处理模块和指纹生成模块；
所述信号采集模块，用于采集电力系统的终端设备发送的原始信号；
所述信号处理模块，用于对所述原始信号进行预处理，得到预处理信号；
所述指纹生成模块，用于对所述预处理信号的频域进行特征变换，得到频域相位，根据所述频域相位生成与终端设备对应的设备指纹。
优选地，所述信号处理模块还用于对所述原始信号的波形进行消噪处理，得到所述预处理信号。
优选地，所述指纹生成模块包括信号截取子模块、变换子模块和指纹子模块；
所述信号截取子模块，用于对所述预处理信号按波形周期进行截取，得到N个周期信号；
所述变换子模块，用于通过傅里叶分析对每个所述周期信号进行变换，得到对应的频域幅值和频域相位；
所述指纹子模块，用于选取N个所述频域相位构成频域相位指纹向量并将所述频域相位指纹向量作为指纹特征生成所述设备指纹。
优选地，所述变换子模块采用FFT集成芯片对所述周期信号进行变换。
本发明还提供一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法，应用于电力系统上，包括以下步骤：
S1.采集电力系统的终端设备发送的原始信号；
S2.对所述原始信号进行预处理，得到预处理信号；
S3.对所述预处理信号的频域进行特征变换，得到频域相位，根据所述频域相位生成与终端设备对应的设备指纹。
优选地，在步骤S2中，对所述原始信号进行预处理具体包括：对所述原始信号的波形进行消噪处理。
优选地，生成所述设备指纹的具体步骤包括：
S31.对所述预处理信号按波形周期进行截取，得到N个周期信号；
S32.通过傅里叶分析对每个所述周期信号进行变换，得到对应的频域幅值和频域相位；
S33.选取N个所述频域相位构成频域相位指纹向量并将所述频域相位指纹向量作为指纹特征生成所述设备指纹。
优选地，在步骤S32中，采用FFT集成芯片对所述周期信号进行变换。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质用于存储计算机指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法。
本发明还提供一种终端设备，包括处理器以及存储器；
所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法通过信号采集模块采集终端设备发送的原始信号，采用信号处理模块对原始信号进行预处理，指纹生成模块对预处理后的信号进行频域分析，得到频域相位，根据频域相位构成的特征指纹作为识别终端设备的设备指纹，解决了现有应用于电网上终端设备的进行身份识别验证存在局限性、识别效果差的技术问题。
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为本发明实施例所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置的框架图。
图2为本发明实施例所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置指纹生成模块的框架图。
图3为本发明实施例所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置周期信号的波形图。
图4为本发明实施例所述基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法的步骤流程图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、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。
本申请实施例提供了一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置及方法，通过采集电网系统上终端设备发送的通信信号，并对采集通信信号进行截取、消噪等预处理，再通过提取预处理后通信信号的频域特征作为设备指纹，为电网系统上的终端设备识别认证提供基础，用于解决了现有应用于电网上终端设备的进行身份识别验证存在局限性、识别效果差的技术问题。在本实施例中，频域特征包括频域幅值和频域相位。
实施例一：
图1为本发明实施例所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置的框架图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置，应用于电力系统上，包括信号采集模块10、信号处理模块20和指纹生成模块30；
信号采集模块10，用于采集电力系统的终端设备发送的原始信号；
信号处理模块20，用于对原始信号进行预处理，得到预处理信号；
指纹生成模块30，用于对预处理信号的频域进行特征变换，得到频域相位，根据频域相位生成与终端设备对应的设备指纹。
在本发明实施例的信号采集模块10中，主要是用于采集电力系统上终端设备发送的信号，并将采集的信号发送给信号处理模块20。
需要说明的是，信号采集模块10采集的终端设备发送的原始信号是通讯信号。
在本发明实施例的信号处理模块20中，主要是对采集的原始信号进行预处理并将预处理后的信号传送给指纹生成模块30。
在本发明实施例的指纹生成模块30中，主要是对预处理信号进行频域变换，得到变换后的频域相位，根据频域相位构成生成设备指纹的指纹特征。
需要说明的是，由频域相位构成的指纹特征用于识别电力系统的终端设备的身份，避免主动式设备指纹认证给电力系统的设备正常工作造成干扰，也避免被动式设备指纹认证对电力系统的终端设备识别受网络协议和流量分析的限制。
本发明提供的一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置通过信号采集模块采集终端设备发送的原始信号，采用信号处理模块对原始信号进行预处理，指纹生成模块对预处理后的信号进行频域分析，得到频域相位，根据频域相位构成的特征指纹作为识别终端设备的设备指纹，解决了现有应用于电网上终端设备的进行身份识别验证存在局限性、识别效果差的技术问题。
在本发明的一个实施例中，信号处理模块20还用于对原始信号的波形进行消噪处理，得到预处理信号。
需要说明的是，信号处理模块20主要用于对采集的原始信号进行预处理，具体为，根据终端设备的原始信号的通信传输波特率，获取原始信号周期的整数倍波形(如获取几个周期的波形)，并对获取波形的原始信号进行消噪处理。
图2为本发明实施例所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置指纹生成模块的框架图，图3为本发明实施例所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置周期信号的波形图。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，指纹生成模块30包括信号截取子模块31、变换子模块32和指纹子模块33；
信号截取子模块31，用于对预处理信号按波形周期进行截取，得到N个周期信号；
变换子模块32，用于通过傅里叶分析对每个周期信号进行变换，得到对应的频域幅值和频域相位；
指纹子模块33，用于选取N个频域相位构成频域相位指纹向量并将频域相位指纹向量作为指纹特征生成设备指纹。
在本实施例中，变换子模块31采用FFT集成芯片对所述周期信号进行变换。
需要说明的是，在变换子模块31中，使用FFT集成芯片对预处理信号进行频域变换，频域变换结果包含各个预处理信号分量中的频域幅值和频域相位，选择个预处理信号分量的频域相位作为终端设备的指纹特征，由指纹特征生成设备指纹，用于识别终端设备的身份。具体地，FFT集成芯片能自带了对预处理信号的时域波形的截取，采用如下傅里叶变换的公式
Figure BDA0002711539970000061
式中，Ui，
Figure BDA0002711539970000062
分别为预处理信号分量中的频域幅值和频域相位，n为谐波次数，ω为角频率，t为时间；可知，如图3所示，对预处理信号的时域波形分解为多个不同周期正弦波，正弦波的周期是时域信号周期的整数倍。
在本实施例中，指纹生成模块30以截取1个周期信号的波形作为案例进行说明，1个周期信号用于傅里叶变换，得到频域幅值和频域相位，如表1、表2所示。由于终端设备传送信号的总线长度较短，各分量的频域幅值变化很小，使得频域幅值对于识别设备不明确；而各分量的频域相位存在呈明显的下降趋势。若将表2中每一列频域相位构成对应终端设备的频域相位指纹向量，并以该频域相位指纹向量作为对应终端设备的指纹特征生成设备指纹，得到的设备指纹能够准备识别终端设备。
表1为间隔10米量终端设备发送的原始信号的分析频域幅值百分比
10m 20m 30m 40m 50m 60m
9600Hz 100％ 100％ 100％ 100％ 100％ 100％
28800Hz 33.33％ 33.33％ 33.33％ 33.33％ 33.33％ 33.33％
48000Hz 20.00％ 19.99％ 19.99％ 19.99％ 19.99％ 19.99％
67200Hz 14.28％ 14.28％ 14.27％ 14.27％ 14.27％ 14.27％
86400Hz 11.11％ 11.10％ 11.10％ 11.09％ 11.09％ 11.09％
105600Hz 9.08％ 9.08％ 9.07％ 9.07％ 9.06％ 9.06％
124800Hz 7.68％ 7.68％ 7.67％ 7.67％ 7.66％ 7.66％
144000Hz 6.66％ 6.65％ 6.64％ 6.64％ 6.63％ 6.62％
163200Hz 5.87％ 5.86％ 5.86％ 5.85％ 5.84％ 5.83％
表2为间隔10米量终端设备发送的原始信号的分析频域相位数值
10m 20m 30m 40m 50m 60m
9600Hz -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -0.9 -1.1
28800Hz -0.7 -1.2 -1.8 -2.3 -2.8 -3.3
48000Hz -1.2 -2.1 -2.9 -3.8 -4.6 -5.5
67200Hz -1.7 -2.9 -4.1 -5.3 -6.5 -7.6
86400Hz -2.2 -3.7 -5.3 -6.8 -8.3 -9.8
105600Hz -2.7 -4.6 -6.4 -8.3 -10.1 -12.0
124800Hz -3.1 -5.4 -7.6 -9.8 -12.0 -14.1
144000Hz -3.6 -6.2 -8.7 -11.3 -13.8 -16.3
163200Hz -4.1 -7.0 -9.9 -12.8 -15.6 -18.4
实施例二：
图4为本发明实施例所述基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法的步骤流程图。
如图4所示，本发明实施例还提供一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法，应用于电力系统上，包括以下步骤：
S1.采集电力系统的终端设备发送的原始信号；
S2.对原始信号进行预处理，得到预处理信号；
S3.对预处理信号的频域进行特征变换，得到频域相位，根据频域相位生成与终端设备对应的设备指纹。
在本发明实施例中，对原始信号进行预处理具体包括：对原始信号的波形进行消噪处理。
在本发明的实施例中，生成设备指纹的具体步骤包括：
S31.对预处理信号按波形周期进行截取，得到N个周期信号；
S32.通过傅里叶分析对每个周期信号进行变换，得到对应的频域幅值和频域相位；
S33.选取N个频域相位构成频域相位指纹向量并将频域相位指纹向量作为指纹特征生成设备指纹。
在本发明的实施例中，在步骤S32中，采用FFT集成芯片对周期信号进行变换。
需要说明的是，实施例二方法中的步骤对应于实施例一装置中的模块，实施例一装置中的模块已在实施例一中详细阐述了，在此实施例二中不再对方法中的步骤内容进行详细阐述。
实施例三：
本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机存储介质用于存储计算机指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法。
实施例四：
本发明实施例提供了一种终端设备，包括处理器以及存储器；
存储器，用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；
处理器，用于根据程序代码中的指令执行上述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法。
需要说明的是，处理器用于根据所程序代码中的指令执行上述的一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置实施例中的步骤。或者，处理器执行计算机程序时实现上述各系统/装置实施例中各模块/单元的功能。
示例性的，计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，一个或者多个模块/单元被存储在存储器中，并由处理器执行，以完成本申请。一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述计算机程序在终端设备中的执行过程。
终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，并不构成对终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以是终端设备的内部存储单元，例如终端设备的硬盘或内存。存储器也可以是终端设备的外部存储设备，例如终端设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card，SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器还可以既包括终端设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据。存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，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 (10)

1.一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置，应用于电力系统上，其特征在于，包括信号采集模块、信号处理模块和指纹生成模块；
所述信号采集模块，用于采集电力系统的终端设备发送的原始信号；
所述信号处理模块，用于对所述原始信号进行预处理，得到预处理信号；
所述指纹生成模块，用于对所述预处理信号的频域进行特征变换，得到频域相位，根据所述频域相位生成与终端设备对应的设备指纹。
2.根据权利要求1所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置，其特征在于，所述信号处理模块还用于对所述原始信号的波形进行消噪处理，得到所述预处理信号。
3.根据权利要求1所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置，其特征在于，所述指纹生成模块包括信号截取子模块、变换子模块和指纹子模块；
所述信号截取子模块，用于对所述预处理信号按波形周期进行截取，得到N个周期信号；
所述变换子模块，用于通过傅里叶分析对每个所述周期信号进行变换，得到对应的频域幅值和频域相位；
所述指纹子模块，用于选取N个所述频域相位构成频域相位指纹向量并将所述频域相位指纹向量作为指纹特征生成所述设备指纹。
4.根据权利要求3所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成装置，其特征在于，所述变换子模块采用FFT集成芯片对所述周期信号进行变换。
5.一种基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法，应用于电力系统上，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采集电力系统的终端设备发送的原始信号；
S2.对所述原始信号进行预处理，得到预处理信号；
S3.对所述预处理信号的频域进行特征变换，得到频域相位，根据所述频域相位生成与终端设备对应的设备指纹。
6.根据权利要求5所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法，其特征在于，在步骤S2中，对所述原始信号进行预处理具体包括：对所述原始信号的波形进行消噪处理。
7.根据权利要求5所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法，其特征在于，生成所述设备指纹的具体步骤包括：
S31.对所述预处理信号按波形周期进行截取，得到N个周期信号；
S32.通过傅里叶分析对每个所述周期信号进行变换，得到对应的频域幅值和频域相位；
S33.选取N个所述频域相位构成频域相位指纹向量并将所述频域相位指纹向量作为指纹特征生成所述设备指纹。
8.根据权利要求7所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法，其特征在于，在步骤S32中，采用FFT集成芯片对所述周期信号进行变换。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质用于存储计算机指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求5-8任意一项所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法。
10.一种终端设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；
所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行如权利要求5-8任意一项所述的基于信号特征的电网终端设备指纹生成方法。
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