基于物理层指纹的KNX设备身份仿冒检测方法及系统与流程

本发明涉及通信网络安全，具体为基于物理层指纹的knx设备身份仿冒检测方法及系统。

背景技术：

1、智能建筑与工业控制网络广泛采用knx总线技术连接各类控制设备。随着网络规模的扩张，总线系统面临着设备身份仿冒的安全威胁。为防范非法设备接入，目前多采用物理层身份仿冒检测装置来识别设备的硬件属性。这类系统通常通过专用的信号采集适配器接入总线，捕获设备在通信过程中产生的电信号，并交由计算设备进行特征分析，从而验证接入设备的合法身份。

2、现有的身份检测装置在工作时，主要通过模数转换电路对设备发送的报文信号进行采样。计算设备读取原始波形数据后，直接对波形的上升沿、幅度以及时钟频率等瞬态参数进行测量与提取，随后将这些参数组合成物理层特征向量，并与预先存储的合法设备特征进行相似度比对。这种方式利用了硬件元器件在生产制造过程中产生的微小物理公差，以期在协议层地址被伪造的情况下识别出异常设备。

3、在实际应用场景中，knx总线铺设空间内的物理环境并非处于恒定状态。环境温度的波动以及线缆拓扑结构导致的多径反射，会对总线传输信道产生干扰，使得设备发送的电信号在传输时发生畸变。现有的装置在提取特征时，难以将设备固有的硬件指纹与环境参量引起的信号扰动分离开来。这导致系统提取出的特征向量中混入了环境噪声，使得复杂总线环境下的硬件指纹特征提取缺乏稳定性，进而降低了设备身份判定结果的准确性。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于物理层指纹的knx设备身份仿冒检测方法，解决了现有装置难以将knx设备的固有硬件指纹与温度波动、多径反射等环境干扰相分离，导致特征提取不稳定及设备身份判定准确性下降的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于物理层指纹的knx设备身份仿冒检测方法，包括以下步骤：

3、s1、对待测knx设备在knx总线上发送的模拟电信号进行模数转换与滤波校正，并在识别到帧头同步特征电平时截取形成单帧knx报文波形信号；

4、s2、根据所述单帧knx报文波形信号测量电压变化数值与时钟特性参数以构建物理层原始特征向量，并同步获取环境参量以构建环境状态向量；

5、s3、利用变分自编码器模型对所述物理层原始特征向量与所述环境状态向量同步进行特征解耦，在隐空间中分离出反映硬件属性的本征指纹分布空间以及反映外界干扰的环境噪声分布空间，并剥离所述环境噪声分布空间的影响输出本征硬件指纹特征向量；

6、s4、提取所述单帧knx报文波形信号包含的逻辑地址数据，调取预建的指纹数据库中对应的合法指纹模板，计算所述本征硬件指纹特征向量与所述合法指纹模板的马氏距离与皮尔逊相关系数，输出综合置信度评分；

7、s5、将所述综合置信度评分与设定的阈值进行比较，依据比较结果判定所述待测knx设备的合法性并执行相应的安全响应操作。

8、优选的，所述步骤s1具体包括：以不低于设定数值的基础采样率对所述模拟电信号进行模数转换输出原始离散波形数据；对所述原始离散波形数据执行带通滤波以滤除带外高频噪声，并对滤波后的数据执行直流偏移校正操作消除总线直流偏置分量，在经校正的数据流中检测到特定起始域的第一个下降沿作为所述帧头同步特征电平时，生成波形截取指令提取对应的报文波形数据段，形成所述单帧knx报文波形信号。

9、优选的，所述步骤s2中，所述根据所述单帧knx报文波形信号测量电压变化数值与时钟特性参数，具体包括：定位所述单帧knx报文波形信号的起始沿，测量从设定低电平幅度上升至设定高电平幅度所需的上升沿时间，并计算起始沿区间的最大上升斜率，记录所述单帧knx报文波形信号到达稳态值后的峰值电压以计算过冲幅度，并测量过冲后电压振荡区间的振铃频率；

10、在所述单帧knx报文波形信号的数据域内截取连续多个比特位，测量连续多个比特位的实际平均位周期，并计算实际平均位周期与预设的标准位周期的偏差数值，生成晶振频率漂移参数。

11、优选的，所述构建物理层原始特征向量的过程具体包括：基于时间域反射测量原理对所述单帧knx报文波形信号进行分解，分离出入射波分量与反射波分量；

12、利用所述入射波分量与反射波分量的幅值关系计算反射系数，结合设定的knx总线基准特性阻抗，计算所述待测knx设备的输出阻抗相位角，将测量计算得到的所述上升沿时间、最大上升斜率、过冲幅度、振铃频率、晶振频率漂移参数以及输出阻抗相位角按照预设维度顺序进行数据拼接，生成所述物理层原始特征向量。

13、优选的，所述步骤s2中，所述获取环境参量以构建环境状态向量具体包括：获取环境温度数据，以及knx总线当前的节点负载数量与空闲态供电电压数据，记录所述入射波分量与反射波分量的到达时间差，利用预设的线缆信号传播速度与所述到达时间差计算knx总线的线缆长度，将所述环境温度数据、节点负载数量、空闲态供电电压数据以及线缆长度按照设定格式进行数据拼接，生成所述环境状态向量。

14、优选的，所述步骤s3具体包括：将连续隐变量所在的隐空间约束划分为互相正交的所述本征指纹分布空间与所述环境噪声分布空间，依据最大化证据下界原理设定损失函数，所述损失函数将隐变量的先验分布设定为各向同性的标准高斯分布，并结合用于衡量分布差异的散度算法以及设定的解耦控制权重系数，强制约束各维度特征相互独立以完成隐空间的特征分布分离。

15、优选的，所述步骤s4具体包括：获取所述合法指纹模板包含的均值向量和协方差矩阵，计算所述本征硬件指纹特征向量与所述均值向量之间的马氏距离，并利用所述协方差矩阵消除不同物理特征维度之间的相关性干扰；

16、计算所述本征硬件指纹特征向量与所述均值向量之间的皮尔逊相关系数，并依据设定的历史最大距离阈值对计算出的所述马氏距离进行归一化运算，输出归一化马氏距离，提取设定的第一权重系数与第二权重系数，将所述归一化马氏距离、皮尔逊相关系数通过加权融合算法进行计算，输出所述综合置信度评分。

17、优选的，所述步骤s5具体包括：当所述综合置信度评分大于或等于设定的高置信阈值时，判定所述待测knx设备为合法设备，生成放行控制指令以维持其通信状态并允许对应报文数据的路由转发，将当前的所述本征硬件指纹特征向量推入对应所述逻辑地址数据的特征滑动窗口内，并同步剔除所述特征滑动窗口内时间戳最旧的历史特征向量，利用所述特征滑动窗口内的数据集重新计算均值向量与协方差矩阵，更新所述指纹数据库中的所述合法指纹模板。

18、优选的，所述依据比较结果判定所述待测knx设备的合法性并执行相应的安全响应操作，还包括：当所述综合置信度评分小于或等于设定的低置信阈值时，判定所述待测knx设备为仿冒设备，生成安全阻断指令并执行网络报文过滤操作，丢弃仿冒设备发出的控制帧以阻断对应报文数据在knx总线上的传输；

19、当所述综合置信度评分介于所述低置信阈值与所述高置信阈值之间时，启动异常计数逻辑累计临界评分状态在连续多帧报文中的出现次数，当累计出现次数达到设定的频次判定阈值时，判定所述待测knx设备发生物理特征突变事件，挂起所述待测knx设备执行关键控制指令的权限并发出复核请求。

20、一种基于物理层指纹的knx设备身份仿冒检测系统，包括：

21、信号采集模块，用于对待测knx设备在knx总线上发送的模拟电信号进行模数转换与滤波校正，并在识别到帧头同步特征电平时截取形成单帧knx报文波形信号；

22、特征提取模块，用于根据所述单帧knx报文波形信号测量电压变化数值与时钟特性参数以构建物理层原始特征向量，并同步获取环境参量以构建环境状态向量；

23、隐空间特征解耦模块，用于利用变分自编码器模型对所述物理层原始特征向量与所述环境状态向量同步进行特征解耦，在隐空间中分离出反映硬件属性的本征指纹分布空间以及反映外界干扰的环境噪声分布空间，并剥离所述环境噪声分布空间的影响输出本征硬件指纹特征向量；

24、指纹匹配模块，用于提取所述单帧knx报文波形信号包含的逻辑地址数据，调取预建的指纹数据库中对应的合法指纹模板，计算所述本征硬件指纹特征向量与所述合法指纹模板的马氏距离与皮尔逊相关系数，输出综合置信度评分；

25、安全响应模块，用于将所述综合置信度评分与设定的阈值进行比较，依据比较结果判定所述待测knx设备的合法性并执行相应的控制报文阻断或特征滑动窗口更新操作。

26、本发明提供了基于物理层指纹的knx设备身份仿冒检测方法。具备以下有益效果：

27、1、本发明通过提取报文波形信号的物理层特征并结合环境温度、线缆长度等环境参量，将物理层原始特征与环境参量同步输入变分自编码器网络进行特征解耦，在隐空间中分离出本征指纹分布空间与环境噪声分布空间，从而剥离了温度漂移和多径反射等外界环境干扰对物理信号的影响，提高了复杂总线环境下提取出的硬件指纹特征的准确性和稳定性。

28、2、本发明通过调取指纹数据库中合法的均值向量与协方差矩阵，计算本征硬件指纹特征向量与合法指纹模板的马氏距离与皮尔逊相关系数并进行加权融合计算，利用协方差矩阵减少了不同物理特征维度之间的量纲差异及相关性干扰，同时结合线性一致性度量能够更客观地反映待测设备特征与合法特征的匹配程度，有效降低了身份判定过程中的误报率。

29、3、本发明通过将综合置信度评分与设定的阈值进行比较以执行相应的安全响应操作，在判定设备合法时将当前的本征硬件指纹特征向量推入特征滑动窗口并剔除最旧的历史特征向量，以此重新计算均值向量与协方差矩阵更新合法指纹模板，使得系统能够动态适应设备长时间运行产生的物理元器件老化与特性偏移，提升了检测系统在长期运行条件下的适应性。