一种弱电设备数据加密传输方法及系统与流程

本发明涉及数字信息传输领域。尤其涉及一种弱电设备数据加密传输方法及系统。

背景技术：

1、随着智慧建筑与工业物联网的快速发展，弱电集成系统（如消防联动、安防报警等）的通信总线中往往共存着高算力智能控制器与算力极为有限的存量8位微控制器，形成典型的异构算力环境。传统的数据加密方案多采用固定加密强度或单一维度的自适应机制，难以兼顾端到端时延约束与密码学安全底线。低算力节点因缺乏硬件加速且受操作系统任务抢占影响，其软件加密耗时呈现非确定性抖动，固定加密极易导致时延预算超标；而当时延紧张时，现有方案若单纯降低加密轮次，又会使安全强度跌破抗差分与线性攻击的密码学底线，无法在复杂总线环境中实现实时性与安全性的同步保障。

2、此外，现有加密方案在时延不足时往往退化为整帧或固定字段的明文传输。由于通信协议的字段长度与排列顺序固定不变，这种恒定的明文暴露靶点极易使系统遭受被动嗅探、流量统计分析以及精确定位的重放或篡改攻击。同时，传统方案对数据完整性的保护通常依赖附加的独立校验字段（如mac或crc），这不仅增加了帧负载长度和总线带宽开销，进一步挤占了低算力节点本就紧张的时延预算，且固定格式的校验信息容易被攻击者针对性绕过，系统缺乏隐蔽且低开销的主动防御能力。

3、最后，弱电总线环境中电磁干扰频繁，信道质量与节点负载波动较大。现有的加密参数调节机制往往缺乏抗振荡设计，加密强度容易随瞬时状态频繁跳变，极易导致收发两端编码字典失步和协议状态机不一致，进而产生大量无效帧，严重降低了总线通信的稳定性和有效吞吐率。

技术实现思路

1、为解决在异构算力总线中，如何在满足端到端时延约束的前提下，使加密强度随节点算力余量动态编排，同时消除固定明文暴露靶点并抑制流量统计特征，实现实时性与安全强度的同步保障的技术问题，本发明在如下的多个方面中提供方案。

2、第一方面，本发明提供一种弱电设备数据加密传输方法，包括：网关在每个控制周期获取节点实测加密耗时，经平滑形成加密耗时基线，结合端到端时延预算与总线传输时延测量值计算时延预算余量，并将平滑后的时延预算余量映射为轮次倍率调节系数；节点利用由会话密钥、帧序列计数值与同步时间戳共同派生的字段选择掩码，对掩码位取第一值的字段执行对称加密，对掩码位取第二值的字段填充按真实数据统计分布构造的诱饵数据；当轮次倍率调节系数钳位于下限且时延预算余量仍不足时，按取第一值的字段数反向调节实际执行加密轮次数；接收端按同步重算的掩码还原加密字段并丢弃诱饵字段，对诱饵字段统计特征偏差执行异常检测，并向网关反馈实测加密耗时，进入下一控制周期。

3、优选的，所述经平滑形成加密耗时基线，结合端到端时延预算与总线传输时延测量值计算时延预算余量，并将平滑后的时延预算余量映射为轮次倍率调节系数，包括：采用指数加权移动平均方式对实测加密耗时进行平滑更新，得到加密耗时基线；计算端到端时延预算与总线传输时延测量值及加密耗时基线的差值，得到时延预算余量瞬时差值，并对时延预算余量瞬时差值进行一阶低通滤波，得到时延余量平滑值；将时延余量平滑值通过分段线性映射并限定输出范围，得到轮次倍率调节系数。

4、优选的，所述节点利用由会话密钥、帧序列计数值与同步时间戳共同派生的字段选择掩码，包括：以会话密钥、帧序列计数值与同步时间戳的级联比特串作为输入，采用带密钥的哈希运算生成字段选择掩码；依据通信协议规范从帧负载中解析出字段边界，将帧负载划分为连续的数据字段集合，字段选择掩码的长度等于数据字段集合中可加密字段的总数。

5、优选的，所述对掩码位取第二值的字段填充按真实数据统计分布构造的诱饵数据，包括：获取字段在历史真实数据中的取值集合及每个取值的出现概率，构建累积概率分布；生成均匀分布的随机数，根据随机数在累积概率分布中命中的取值，作为诱饵数据的取值进行填充。

6、优选的，所述当轮次倍率调节系数钳位于下限且时延预算余量仍不足时，按取第一值的字段数反向调节实际执行加密轮次数，包括：当轮次倍率调节系数取最小取值且时延预算余量仍低于预设映射区间低阈值时，获取基础加密轮次数、帧负载中可加密字段总数与当前周期字段选择掩码中取第一值的字段数；将最小取值、基础加密轮次数与可加密字段总数的乘积，除以取第一值的字段数并向上取整，得到实际执行加密轮次数。

7、优选的，所述对诱饵字段统计特征偏差执行异常检测，包括：周期统计诱饵字段的经验取值分布，计算经验取值分布相对于真实字段预设分布的相对熵；同步校验诱饵字段的统计均值、方差及相邻字段间转移概率，若相对熵或统计均值、方差、转移概率中任一校验量超过对应的预设告警阈值，则判定异常并触发告警与帧丢弃。

8、第二方面，本发明还提供一种弱电设备数据加密传输系统，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现上述的一种弱电设备数据加密传输方法。

9、本发明具有以下效果：

10、本发明突破了传统固定加密强度或单一维度自适应的局限，通过构建时延预算余量驱动的“轮次倍率-字段掩码”联动补偿机制，在低算力节点面临时延紧张时，能够动态缩减加密字段覆盖范围以换取单字段更高的加密轮次，既严格保障了弱电控制系统的实时性边界，又避免了因单纯降低轮次导致的安全强度跌破密码学底线，实现了实时性与安全性的最优平衡。

11、本发明创新性地引入基于真实数据统计分布的诱饵数据填充技术，使得未加密字段在统计特征上与真实数据完全一致，有效混淆了明文暴露位置，防御了针对部分加密方案的流量分析和语义推断攻击，显著提升了抗被动嗅探能力。

12、本发明利用诱饵字段的统计特征偏差进行异常检测，将完整性校验隐藏在数据传输过程中，无需额外的校验开销即可发现针对诱饵字段的篡改或重放攻击，增强了系统的主动防御能力。

13、通过非对称滞回调节机制，消除了信道质量波动导致的加密参数频繁振荡，避免了编码字典失步产生的无效帧，提升了总线通信的稳定性和有效吞吐率，特别适用于异构算力共存的复杂弱电集成环境。

1.一种弱电设备数据加密传输方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种弱电设备数据加密传输方法，其特征在于，所述经平滑形成加密耗时基线，结合端到端时延预算与总线传输时延测量值计算时延预算余量，并将平滑后的时延预算余量映射为轮次倍率调节系数，包括：

3.根据权利要求1所述的一种弱电设备数据加密传输方法，其特征在于，所述节点利用由会话密钥、帧序列计数值与同步时间戳共同派生的字段选择掩码，包括：

4.根据权利要求1所述的一种弱电设备数据加密传输方法，其特征在于，所述对掩码位取第二值的字段填充按真实数据统计分布构造的诱饵数据，包括：

5.根据权利要求1所述的一种弱电设备数据加密传输方法，其特征在于，所述当轮次倍率调节系数钳位于下限且时延预算余量仍不足时，按取第一值的字段数反向调节实际执行加密轮次数，包括：

6.根据权利要求1所述的一种弱电设备数据加密传输方法，其特征在于，所述对诱饵字段统计特征偏差执行异常检测，包括：

7.一种弱电设备数据加密传输系统，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现根据权利要求1-6任一项所述的一种弱电设备数据加密传输方法。