基于量子优化算法的电力云边端量子加密通信实现方法与流程

本发明涉及电力系统信息通信与量子加密通信，具体为基于量子优化算法的电力云边端量子加密通信实现方法。

背景技术：

1、随着物联网与工业互联网的快速发展，云边端协同架构在各类场景中得到广泛应用，网关作为连接边缘与终端的关键节点，需频繁处理断连恢复场景。现有技术中，为降低建链开销，网关常在断连恢复时复用既有会话id与映射表项，仅做局部修补，未对映射关系的完整性进行系统性校验。现有系统在弱网多次短断连、快速恢复反复发生时，会话id虽延续，但内部映射对象可能发生偏移，导致同一业务流被挂接到错误的安全上下文，引发认证失败和上下文串扰，且此类故障难以复现，具有累积性特征。

2、在电力系统云边端协同场景中，云端通常为调度主站、集控云平台或安全管理平台，边缘侧通常为变电站边缘网关、配电边缘网关或站端安全接入网关，端侧通常为保护装置、测控装置、采集终端或站内智能设备。上述节点之间需要持续进行状态同步、参数下发和安全通信，在弱网、链路抖动或站端切换场景下，边缘网关常发生短时断连与快速恢复。若恢复过程中仍复用既有会话标识和局部映射表项，而未对安全上下文句柄和密钥链位置索引进行一致性校验，则容易在电力通信链路中形成会话延续但内部映射对象偏移的异常状态。

3、例如，公告号为cn120546884b发明专利公开了抗量子攻击的泛在网络数据安全网关，包括：通信接口模块、验证模块、策略解析模块、累加器更新模块、第二签名模块及输出模块。验证模块基于终端公钥与累加器公钥对签名真实性和成员一致性进行校验；策略解析模块依据预定义可编辑策略动态筛选字段；累加器更新模块在不调用私钥的前提下对子集进行高效累加和见证更新；第二签名模块采用基于sis假设的格签名算法并结合有界拒绝采样完成重签；输出模块将重签数据包安全下发给使用者；此外还支持阈值分片与中国剩余定理重组，实现高敏字段的分布式隐私保护与可靠恢复。本发明在量子安全和可编辑性之间取得平衡，重签与验证性能可控。

4、例如，公告号为cn111865589b的发明专利公开了实现移动通信量子加密传输的量子通信加密系统及其方法，包括：量子通信网络；量子密钥充注机和设置量子密钥充注机端量子密钥分发设备；设置在业务服务平台端的量子加密设备，量子安全服务平台和服务平台端量子密钥分发设备；和设置在移动终端的量子终端加密模块。本发明不改变移动通信现有加密体制和流程，不增加信息传输链路加密的环节，是通过增强工作密钥的安全性，工作密钥的安全性是由公私钥体制分发的密钥和量子通信技术分发的密钥融合增强提高保障，具备抗量子计算的能力。

5、现有技术中，现有系统的网关为降低建链开销，常在断连恢复时复用既有会话id与映射表项，仅做局部修补；但在弱网多次短断连、快速恢复反复发生时，若未对会话id、安全上下文句柄和密钥链位置索引的映射关系进行一致性校验与漂移检测，可能出现会话id仍延续但内部映射对象已偏移，导致同一业务流被挂接到错误的安全上下文，引发认证失败、上下文串扰风险及难以复现的累积性故障。

6、因此，针对以上问题，亟待需要基于量子优化算法的电力云边端量子加密通信实现方法。

技术实现思路

1、解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了基于量子优化算法的电力云边端量子加密通信实现方法，解决了映射关系缺乏校验与漂移检测导致的认证失败、上下文串扰及累积性故障的问题。

3、技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：基于量子优化算法的电力云边端量子加密通信实现方法，包括：s1，获取网关运行数据，并进行时间轴重定位、动态去噪与归一化处理，构建会话映射观测数据集；s2，基于会话映射观测数据集，构建恢复前矩阵与恢复后矩阵，对断连恢复前后的映射关系进行一致性评估，输出一致性校验结果；s3，基于一致性校验结果，提取密钥承接状态并构建目标承接序列，进行密钥承接评估，执行加密通道重绑定；s4，构建恢复状态判别序列并进行恢复偏差评估，输出恢复状态行为标签并生成恢复状态报告。

5、进一步地，获取网关运行数据，并进行时间轴重定位、动态去噪与归一化处理，构建会话映射观测数据集的具体步骤为：对电力主站云平台、变电站或配电边缘安全网关及站端接入设备运行过程中进行全过程采集，获取网关运行数据，网关运行数据包括会话id、安全上下文句柄、密钥链位置索引、缓存槽位编号、增量密钥引用令牌和密钥段编号；采用基于ntp同步的时间戳校正与分布式逻辑时钟排序相结合的方法，对网关运行数据进行时间轴重定位，修复断连场景下因节点异步上报引起的状态顺序错位；以会话id为主键，采用分布式一致性哈希算法对不同节点的会话状态数据进行关联整合，将同一会话在云、边、端三侧的分散字段进行映射融合；将统计学的滑动窗口四分位距法与局部离群因子算法相结合，对网关运行数据进行动态去噪，滤除采集中出现的空值记录、重复记录以及由网络抖动引起的无效跳变记录；并采用最小-最大归一化方法进行归一化处理；构建会话映射观测数据集并通过采用qkd与pqc混合加密的量子加密通道同步存储至云端管理节点，边缘安全网关侧同时保留本地缓存记录，云端采用分布式数据库按数据类型分类存储，边缘节点采用环形缓冲区覆盖式存储。

6、进一步地，基于会话映射观测数据集，构建恢复前矩阵与恢复后矩阵的具体步骤为：基于会话映射观测数据集，采用基于断连事件时间戳对齐的滑动窗口采样方法，提取断连恢复前后窗口长度为l的连续状态记录，每条记录包含会话id哈希值、安全上下文句柄的编码值以及密钥链位置索引，按时间顺序排列得到恢复前映射序列与恢复后映射序列；将恢复前映射序列中每个采样时刻的会话id哈希值、安全上下文句柄编码值、密钥链位置索引作为行向量，按时间顺序堆叠构建恢复前矩阵，矩阵的行数为窗口长度，列数为三，分别对应会话标识、安全上下文句柄、密钥链位置索引的数值化特征；将恢复后映射序列按相同方式构建恢复后矩阵。

7、进一步地，对断连恢复前后的映射关系进行一致性评估的具体步骤为：将恢复前矩阵和恢复后矩阵的每一列分别根据会话id哈希值、安全上下文句柄编码值和密钥链位置索引在会话映射漂移检测中的权重进行加权处理，得到加权恢复前矩阵和加权恢复后矩阵；把加权恢复前矩阵和加权恢复后矩阵对应位置的元素差异计算并带入f范数得到矩阵整体差异，将矩阵整体差异除以加权恢复前矩阵的f范数与防零项的和，取指数的负值得到结构相似性指数；将加权恢复前矩阵的f范数乘以加权恢复后矩阵的f范数的乘积加上防零项得到基准项；将加权恢复前矩阵进行转置，并与加权恢复后矩阵做矩阵迹运算得到乘积矩阵，把乘积矩阵除以基准项得到方向一致性指数，将方向一致性指数与结构相似性指数相乘，得到映射一致性评估值。

8、进一步地，输出一致性校验结果的具体步骤为：实时比对映射一致性评估值和映射一致性阈值，当映射一致性评估值小于映射一致性阈值时，则判定当前断连恢复后的映射关系存在一致性异常，触发异常状态记录，对当前会话设置映射漂移检测标志，在边缘节点将所述映射漂移检测标志置为异常状态，同时写入当前时间戳和异常类型编码；当映射一致性评估值大于或等于映射一致性阈值时，则判定当前断连恢复后的映射关系保持一致，保留当前会话映射链，输出一致性校验结果。

9、进一步地，基于一致性校验结果，提取密钥承接状态并构建目标承接序列的具体步骤为：基于一致性校验结果和映射漂移检测标志，当映射漂移检测标志为异常时，冻结原会话对应的旧安全上下文，仅保留会话元数据同步通道，禁止旧上下文继续参与正式加密通信；边缘安全网关以会话id哈希值、安全上下文句柄编码值和目标的密钥链位置索引为联合检索键，在本地缓存记录中查询与当前会话对应的密钥片段记录；当查询命中时，提取对应密钥片段记录，构建本地实际承接序列；当本地缓存记录未命中对应密钥片段记录时，边缘安全网关通过qkd与pqc混合加密通道向云端管理节点发送增量承接请求；云端管理节点依据增量承接请求返回增量密钥引用令牌、目标的密钥段起始索引、连续窗口长度的密钥段编号序列及重绑定序号；边缘安全网关将云端返回的目标密钥段编号序列与本地实际命中的密钥片段记录进行时序拼接，对窗口长度为l的状态窗口内的密钥段编号、缓存槽位编号和重绑定序号进行顺序排列，构建目标承接序列与实际承接序列，对实际承接序列中相邻状态点的绑定序号进行前后比较，当后一状态点的绑定序号小于前一状态点的绑定序号时，记为一次绑定回退事件。

10、进一步地，进行密钥承接评估的具体步骤为：按时间顺序逐点比对目标承接序列与实际承接序列中的密钥段编号，统计连续相同密钥段编号得到最长连续匹配长度；统计实际承接序列中相邻状态点之间缓存槽位编号发生非顺序切换的次数得到缓存槽位跳变次数；并统计绑定回退事件的次数得到绑定回退次数；将最长连续匹配长度进行平方处理，得到承接项；把缓存槽位跳变次数加一得到槽位扰动项；把绑定回退次数加一得到回退扰动项；将槽位扰动项与回退扰动项相乘得到异常扰动联合项；将承接项作为分子，将承接项、异常扰动联合项和防零项之和作为分母，得到密钥承接评估值。

11、进一步地，执行加密通道重绑定的具体步骤为：实时比对密钥承接评估值和密钥承接阈值，当密钥承接评估值小于密钥承接阈值时，则判定当前会话在断连恢复后仍存在密钥承接异常，冻结当前待恢复加密通道；当密钥承接评估值大于或等于密钥承接阈值时，则判定当前会话满足密钥承接条件，执行加密通道重绑定处理；在加密通道重绑定完成后，边缘安全网关向端侧接入节点下发重绑定确认帧，端侧接入节点接收重绑定确认帧后，刷新本地会话承接状态并回传恢复确认标志；边缘安全网关在接收到恢复确认标志后，将当前会话标记为恢复完成状态，并将重绑定序号同步存储至云端管理节点和本地缓存记录。

12、进一步地，构建恢复状态判别序列并进行恢复偏差评估的具体步骤为：检查边缘安全网关是否已向端侧接入节点成功下发重绑定确认帧，成功则记为确认帧已到达状态，失败则记为确认帧未到达状态；检查端侧接入节点是否针对所述重绑定确认帧成功回传恢复确认标志，成功则记为恢复响应到达状态，失败则记为恢复响应缺失状态；检查当前会话对应的正式加密通信通道是否已被激活，已激活则记为已激活状态，未激活则记为未激活状态；将确认帧到达情况、恢复响应情况和通道可用情况分别量化并采用sigmoid函数对三者的加权和进行非线性映射，得到当前状态点的通信稳定状态值；将连续固定状态窗口内每个状态点对应的映射一致性评估值、通信稳定状态值和密钥承接评估值按时间顺序排列，构建恢复状态判别序列；通过滑动窗口采样得到连续窗口长度的窗口内的状态点数量；根据连续窗口长度的窗口内的时间序列索引生成得到状态点索引；计算前后映射一致性评估值的差值得到映射波动项；计算前后密钥承接评估值的差值得到承接波动项；计算前后通信稳定状态值的差值得到通信波动项；将映射波动项与承接波动项相乘，得到耦合项；将通信波动项除以1与映射波动项和承接波动项差值的绝对值之和，得到扰动调节项；将耦合项与扰动调节项相加后带入双曲正切函数，得到局部恢复偏差项；对连续窗口长度内所有局部恢复偏差项进行连乘累积，用一减去连乘结果，得到恢复偏差评估值。

13、进一步地，输出恢复状态行为标签并生成恢复状态报告的具体步骤为：实时比对恢复偏差评估值和恢复偏差阈值，当恢复偏差评估值小于或等于恢复偏差阈值，且当前会话的恢复确认标志为成功时，判定当前恢复段为正常恢复状态；当恢复偏差评估值大于恢复偏差阈值时，则判定当前恢复段存在异常恢复风险，将当前会话标记为异常恢复段，进入局部异常解析流程，对异常恢复段进行特征判定：将恢复状态类型与当前会话id哈希值、节点编号、异常类型编码、恢复确认标志和当前有效密钥段编号进行结构化绑定，生成恢复状态行为标签；在局部异常解析流程中，对异常恢复段的会话设置隔离修正标志，并写入当前时间戳、节点标识和异常类型编码；在所有会话恢复任务完成后，汇总全部恢复状态行为标签，生成恢复状态报告。

14、有益效果

15、本发明具有以下有益效果：

16、（1）本发明，通过采用基于ntp同步的时间戳校正与分布式逻辑时钟排序相结合的方法对网关运行数据进行时间轴重定位，并采用滑动窗口四分位距法与局部离群因子算法相结合的异常剔除方法进行动态去噪，解决了断连场景下因节点异步上报引起的状态顺序错位及无效跳变记录的干扰问题，实现了会话映射观测数据集的质量构建。

17、（2）本发明，通过将恢复前后映射序列构建为恢复前矩阵与恢复后矩阵，并引入frobenius范数与矩阵迹相结合的方式计算映射一致性评估值，实现了对会话id、安全上下文句柄和密钥链位置索引三元映射链在断连恢复前后结构相似性与方向一致性的联合量化评估，解决了局部修补导致映射偏移难以发现的问题。

18、（3）本发明，通过构建映射一致性评估、密钥承接评估和恢复偏差评估的联合判定机制，实现对断连恢复过程中多类异常状态的综合识别与分类输出，减少单一指标判定带来的误判和漏判，提高恢复过程分析结果的准确性。实现了对映射失配类型的精细化识别与异常状态的本地化标记，为密钥承接分析提供了准确的输入依据。

19、（4）本发明，通过将量子优化算法引入电力云边端断连恢复过程中的目标密钥段选择和增量承接序列构建环节，能够在满足密钥承接正确性的前提下降低边缘网关的缓存冲突次数、重复承接次数和云端请求次数，实现电力通信恢复过程中的轻量化量子加密通信承接。。

20、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。