基于量子密碼的衛星網絡地球站異常檢測系統設計

梁一帆

(成都信息工程大學 網絡空間安全學院，成都 610225)

0 引言

衛星通信是以衛星為通信數據轉換載體，將人們的通信信號范圍擴大到地球之外[1]。在通過運用量子系統所具備的多種特性，采用嶄新的形式對其進行信息傳輸、運算及編碼的前提下，構建一個有效的量子保密通信方法。量子密碼技術是一種全新的密碼機制，主要依賴于量子力學及密碼學作為理論基礎，并通過量子物理學完成密碼思想。其優點是具有較好的竊聽檢測功能和全方位安全防護功能，并且能夠有效地防止電磁干擾及抵御超級計算機的攻擊。因為量子信道和經典信道相比較來說是獨立的，所以量子信道可以在任何時間生成密鑰，而不局限于系統中有數據包的時候。無論數據包到達與否，密鑰都可以以恒定的速率生成。當一個數據包到達時，如果一個現有的密鑰在系統中可用，則它可以立即被使用；反之，它必須等待足夠的密鑰。該計劃充分利用了量子信道的傳輸能力。

傳統方法利用數據挖掘技術對Demeter衛星數據進行分析從而發現異常數據已成為當前研究的重點，為了進一步提高異常數據發現的質量，提出了一種改進的聚類算法，對Demeter衛星電場數據進行異常檢測，該算法首先將數據隨機取樣，引入信息熵理論，對PAM算法進行改進，并對衛星數據進行劃分，以找到聚類中心，最后對改進算法進行了分析與比較，實驗結果證明了算法的有效性[2]。

在傳統方法的基礎上，本文將基于量子密碼對衛星網絡地球站的異常檢測進行研究，衛星網絡地球站中的數據中心庫中時刻記錄監測著運行數據，通過這些數據可以反饋出衛星網絡地球站的工作狀態，所以通過對數據中心庫中的數據進行異常檢測分析即可分析出衛星網絡地球站設備中存在的問題。量子通信是一種基于量子理論的通信技術，可以無條件地使衛星網絡地球站安全通信，但是通信技術的不斷發展、通信數據的不斷復雜化、通信設備的不斷更新，導致衛星通信系統出現安全漏洞，導致信息盜用者對衛星通信系統進行攻擊，因此本文將基于量子密碼提出一種衛星網絡地球站的異常檢測系統，對量子密碼通信協議進行研究，利用數據采集器采集到的數據建立量子秘鑰，建立異常檢測系統，從側面加強了衛星網絡地球站的通信安全性與穩定性。

1 系統結構設計

本文設計的系統結構主要由感應器、異常分析器、警示器、數據采集器、數據解析器及預處理器共6部分組成，本文通過結構拓撲圖將衛星網絡地球站的硬件設備進行直觀關聯，更夠較好地分別出設備與設備之間的命令傳達以及設備服務情況。衛星網絡地球站結構拓撲如圖1所示。

圖1 衛星網絡地球站結構拓撲圖

根據拓撲圖可以較為直觀地看出工作站設備運行流程，當各部分設備完成該階段應完成的任務，將會向上級設備進行反饋同時向下級設備發送命令，若設備為最低階段設備或最高階段設備，只需進行發送命令或進行反饋即可[3-5]。

1.1 感應器

衛星網絡地球站出現異常的情況下，首先需要考慮衛星網絡地球站的各方面的數據監測系統是否正常，由于輸入衛星網絡地球站數據系統的數據來源廣泛，數據質量不能得到良好的安全保障，所以對于網絡數據異常需要依靠感應器來實現對數據進行識別[6]。感應器作為異常監測的第一道閥門，需要具備快速捕捉異常數據并做簡單的預處理能力，還要有數據備份的能力[7]。此傳感器主要應用于數據監測系統，能夠承擔較為特殊的檢測任務，能夠及時地感應到PRAC-20、DHAK-20型攻擊等。

1.2 異常分析器

異常分析器主要工作任務是負責將感應器感應到的數據進行異常分析，在衛星網絡地球站正常工作的狀態下數據是具有規律性的，異常分析器中設定相關運行程序，能夠對采集到的數據與異常分析器中的規律庫數據進行對比，從而檢測出異常狀況是屬于哪種類型，同時異常分析器還是信息的接入口，數據在接入口的位置能夠確定異常數據的處理能力[8]。

1.3 警示器

當異常分析器確定數據為異常入侵數據時，警示器便會通過界面向工作人員發出警示信號，警示信號可以為短信形式、燈光形式、聲音形式、可視化工具形式等，警示器依據異常分析器所確定的數據進行預處理，形成需要進行備份的格式，具有針對性的對故障進行預警，當同樣的異常數據出現在衛星網絡地球站系統中，警報器可以迅速地發出預警，形成了具有記憶性的硬件設備，還可以將異常的檢測情況制定規律格式，使設備可以發揮設備特征進行警示[9]。

1.4 數據采集器

數據采集器是本文系統中的核心設備之一，它的工作任務主要是采集異樣數據，并將采集到的數據進行排序記錄，在數據采集器中含有信任機制，是衛星網絡地球站中的可信設備。本文采用的數據采集器采用SJC-800型號數據分類配置與KOS-20型號采集裝置，這兩種配置具有容量大、工作性能穩定等優勢，與衛星網絡地球站配置配合應用會有更高的工作效率[10]。數據采集器裝配有13英寸高清顯示屏，能夠更佳地將數據信息體現出來，方便了工作人員對數據的觀察[11]。

1.5 數據解析器

本文采用的數據解析器包含3種結構，分別為解析主體、寄存器以及特定解析主體。在寄存器中擁有16個字節大小空間為數據儲存進行服務，同時也能記錄各個解析主體的操作流程，和數據組數；解析主體一般只用來解析一般較為常見的數據，可以依據系統規律進行解析；而特定解析主體為本文系統采用的數據解析器的主體結構，其功能包含基本解析主體涵蓋的內容，在此基礎上，還能夠對采集到的數據幀數進行分析，并且確定異常的范圍，同時特定解析器主體具有一定的智能化，在主體的主板中安裝了ICO-230芯片，解析主體能夠自動識別數據類型并對數據進行全方位的解析，從數據的采集位置、異常位置、異常類型等因素進行分析[12]。本文數據采集器的內部結構如圖2所示。

圖2 數據采集器內部結構圖

3種結構在工作狀態時，時相互關聯的特定主體的運行包含基本主體與寄存器的運行，基本主體的運行包含寄存器的運行，而寄存器的運行包含基本主體與特定主體的運行，此結構體稱為嵌套式結構，能夠更高地提升工作效率。

1.6 預處理器

在本文設計的異常檢測系統中，預處理器的插件將被記錄在鏈表中，在被數據解析器解析后方可實現預處理器對異常數據進行預處理，本文采用的預處理器中安裝的插件含有函數插件、初始化數據插件以及函數執行插件[13]。

本文引用西門子X-2530型號的預處理器主板，具有良好的兼容性，還能對函數插件起到監測的效果[14]。初始化數據插件主要安裝在預處理器接口端，能夠第一時間的將數據進行初始化處理，方便其他插件對數據的應用，此插件可以同數據解析器連同應用，插件在運行的過程中可以為數據解析器提供良好的數據基礎。函數執行插件同樣位于預處理器主板中，是預處理器的運行樞紐，能夠對數據進行合理支配，也能夠引導函數的運行方向，此插件植入SSD芯片中，與預處理器主板融合，為插件的運行提供了更優的環境。

2 地球站異常檢測設計

2.1 基于量子密碼的數據采集設計

量子密碼以量子物理為基礎，其安全性由量子特性所保證，通信方案如圖3所示。

圖3 量子密碼通信方案

由圖3可知，量子密碼通信方案由信源、處理系統、信道、信宿這4個重要模塊組成，其中該方案的技術難點體現在，處理系統與信道的接口防護方面，信源將信號發送到處理系統中，處理系統將需要信道兩端，隨機編入兩組相同的動態量子對密碼，處理系統根據傳輸數據量，編寫傳輸時間序列區間，若傳輸數據載入信道，此時竊聽者通過超級計算機偽裝攻擊進入信道，竊取信號內容會改變信道的時間序列碼，造成處理系統輸入的隨機動態量子對兩端無法匹配，自動鎖死，使竊聽者竊聽失敗，從而保證量子通信的無條件絕對安全性。

量子信道與經典信道是相對獨立的,因此量子信道產生的密鑰可以在任何時候生成,而不僅僅是系統中有分組的時候。也密鑰可以一直以恒定速率生成而不考慮分組到達的情況[15]。一個分組到達的時候，如果系統中有現成的密鑰可用就可以立即使用,相反則必須等到足夠的密鑰。該方案是最大程度地利用量子信道的傳輸能力。

數據采集的過程中，首先建立數據采集器與系統之間的通信聯系，隨后快速檢查數據采集器與系統之間是否存在通信聯系，并檢查是否收到上階段的數據采集命令，通過控制數據采集器向衛星網絡地球站控制中心發送應答信號，控制中心根據上階段命令內容實施傳達信號，數據采集器開始進行數據采集，再對采集到的數據進行檢查，向控制中心發送數據案例，最后對采集到的數據進行儲存。數據采集應用程序如圖4所示。

圖4 數據采集應用程序流程框圖

量子保密通信模擬實驗需要處理的信號總共有四路:Alice和Bob的隨機碼信號各一路,探測器lD和2D的信號各一路。

2.2 異常檢測應用程序設計

本文設計的異常檢測應用程序首先要確定地球站所在的位置，將地球站位置劃分為兩個層次，選取每一個層次的最高數據接口作為異常數據引導，若在數據接口中發現異常數據，則進行異常處理分析，若發現不確定因素則將不確定數據引導到數據列表中，并且設定該數據表中的最低儲存值，避免一些空白數據被錄入列表中，占用數據通道，在數據表中的數據會進行比對操作，若數據符合異樣標準則進行數據異常檢測處理，若數據不符合異樣標準，則會把數據釋放。

一般衛星網絡地球站產生異常狀況的數量為單個，只有極少情況下會出現多個異常點，當檢測到衛星網絡地球站出現多個異常點時，應當迅速對兩個層次的數據進行異常提取，在兩個層次數據中發現異常數據，將檢測到的數據傳輸到下一階段(異常處理階段)。當檢測到的異常點只有一個時，只需要建立層與層之間的通信鏈路，確定故障情況，再將故障情況與處理命令傳輸到下一階段即可。異常檢測應用程序如圖5所示。

圖5 異常檢測應用程序流程圖

2.3 數據處理應用程序設計

本文設計的數據處理應用程序主要分為兩部分，分別為數據讀取與數據儲存，這兩部分有序地進行，首先對異常數據進行讀取，經過其他階段的分析后，對數據進行儲存。

數據的讀取程序是以硬件結構中的數據解析器與感應器作支撐，數據解析器的運用過程其實就是數據讀取的一個組成部分，該程序是在通信鏈表中完成的，鏈表中含有數據域與數據節點，在數據域中采用SHCSJA技術對包裝數據進行解碼，使數據鏈體現出來幀數結構，這樣可以實現此程序對數據的動態讀取，優于傳統方法中的局限性靜態讀取。本文程序中還植入函數，通過調用函數對數據圓形進行讀取，還可以進一步解析出數據的地址、源地址、以太網類型等環境因素。

該程序的結束部分為數據儲存，將經過讀取分析過的數據儲存到寄存器中，防止數據的流失，對數據進行儲存備份還可以對衛星網絡地球站所存在的異常位置進行反饋加固處理，能夠更加高效地對異常進行應用。

2.4 預處理應用程序設計

預處理應用程序的運行需要依靠多種硬件設備的支撐，在進行預處理的過程中首先要應用SJHA手段對數據進行解碼，經過解碼的數據傳送到預處理器中進行數據初步處理，程序中還引入SKTA協議，大量的篩選無用數據，極大地減少了工作量。

兩個因素影響了量子信號在光纖中的傳輸距離：1)信號強度隨著距離增加而指數衰減,由此帶來了比特率的指數衰減；2)由于量子態的退相干效應使得量子態本身的保真度也是隨著傳輸距離增加而指數下降。由于預處理程序自身本沒有報警系統，為了實現功能一體化，本文將報警程序與預處理程序相結合，使得預處理應用程序更加完善。

3 實驗對比與驗證

3.1 實驗目的

為了驗證本文設計的衛星網絡地球站異常檢測系統具備有效性和穩定性，本文將設計傳統系統與本文系統進行各個性能方便的對比，分析對比實驗結果確定本文系統的優勢。本文系統中所采用的硬件設備運行穩定性也需要在實驗中進行驗證測試，驗證是否流暢，避免在實際應用中出現卡頓現象。訓練和檢測數據主要來自衛星網控數據庫。在衛星地球站真實數據集上對本系統進行實驗，地球站中數據集聚類有效性指標KVXB隨聚類個數變化情況如表1所示。

表1 地球站中數據集KVXB隨聚類個數變化情況

3.2 實驗流程

實驗中應用衛星網絡地球站仿真平臺，配置了虛擬網絡模擬器，為實驗的研究提供良好的運行驗證環境，首先運行傳統系統，將傳統數據與歷史記錄進行對比，計算取得平均值避免出現實驗偶然性，再將傳統實驗系統從地球站中提取出來準備本文系統的植入。考慮到衛星通信系統中衛星節點的載荷和處理能力的限制，本文設計了一種采用集中式架構的衛星認知無線網絡動態頻譜接入場景，在該場景中，認知無線網絡對衛星上下行鏈路的頻譜空穴進行動態頻譜接入，如圖6所示。

圖6 衛星認知無線網絡動態頻譜接入場景

植入新系統后首先對設備進行預熱，確保設備在穩定的環境下運行，首先運行數據采集器與感應器，在衛星網絡地球站中進行異常檢測，隨后運行數據解析器與預處理器，對異常進行分析，最終通過數據顯示屏獲取數據結果與性能體現值。攻擊想定場景如圖7所示。

圖7 攻擊想定場景

3.3 實驗結果分析

在 Iris 數據集以及如圖8所示的環形數據集上，環形數據集包括不能線性劃分的兩類，分別是半徑為 10和半徑為 3 的圓形數據，數據點各 50 個，同時兩類分別加上了方差為0.3和0.5的高斯白噪聲。經過實驗測試，觀察兩種系統在運行的過程中，衛星網絡地球站設備的運行穩定性對比結果如圖8所示。

圖8 環形數據集

如圖9所示，基于量子密碼該算法對于環形數據集聚類效果比較理想，主要原因在于本文的硬件設備與應用于程序設計相互配合，使得設備的運行更加流暢，本文采用的設備自身也具有較高的條理性，設備與設備之間的運行存在聯系，不導致設備的卡頓。圖10為本文系統與傳統系統之間的異常識別頻率對比圖。

圖9 不同系統環形數據集聚類結果

圖10 異常識別頻率圖

如圖10所示，本文系統的異常識別頻率較高，能夠快速地發現異常，本文設計的程序中引用SKTA協議，極大地減少了工作量，加快了本文系統的異常識別效率，而傳統系統的數據運算工作量龐大，異常識別的頻率較低。

由圖11所示，所提方法可對衛星圖像進行較好加密處理，保障了，量子密碼術將成為保護數據安全的最佳選擇之一。

圖11 量子密碼應用前后衛星圖像結果

綜上所述，與傳統的衛星網絡地球站異常檢測系統相比，本文研究的基于量子密碼的衛星網絡地球站異常檢測系統對于環形數據集聚類效果比較理想，異常頻率識別能力提高了19.8%，整體性能優于傳統性能，具有更強的實際可操作性。

4 結束語

本文基于量子密碼設計一套衛星網絡異常檢測系統，本文系統中采用的硬件設備之間都具有關聯性，設備與設備相互配合，更好地提升異常檢測的效率，同時設備與程序之間也存在依靠性，程序通過命令對設備進行控制使設備運行更加協調，相對于傳統系統，本文系統還具有一定的自動化，更加智能處理異常情況，節省了大量的人力資源。