計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中盲信號分離技術(shù)的應(yīng)用研究

李小丹

摘要：“盲信號分離技術(shù)”一直以來都是信號處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題，并且該技術(shù)在無線通信和圖像處理等多個方面具有良好的發(fā)展前景。該技術(shù)作為交叉性學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵知識融合的神經(jīng)信號處理和數(shù)據(jù)挖掘等多個方面的基礎(chǔ)知識，能夠充分保障計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域當(dāng)中價值突出。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全;盲信號分離技術(shù);應(yīng)用

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0048-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

盲信號分離技術(shù)早在20世紀(jì)90年代的法國就已經(jīng)得到了研究，我國從20世紀(jì)90年代末期才開始進(jìn)行盲分離技術(shù)的分析，并且在相關(guān)的書籍當(dāng)中進(jìn)行了一些獨(dú)創(chuàng)性的分析，涉及多種類型的信號處理方法，例如獨(dú)立成分、稀疏成分、平行因子成分等不同類型的因子分析等。

1 盲信號分離技術(shù)的分類

1.1 獨(dú)立成分分析

獨(dú)立成分分析相對而言是最早且最為廣泛研究的內(nèi)容，其主要研究的內(nèi)容是有關(guān)線性混疊的相關(guān)內(nèi)容。由于獨(dú)立成分與信號源密切相關(guān)，信號源數(shù)量不能超過觀測設(shè)備的數(shù)量，所以我們要得到獨(dú)立成分分析的最佳結(jié)果，才能構(gòu)建優(yōu)化模型，就需要最大化信號源之間的統(tǒng)計獨(dú)立特征。我們會選擇最大化源信號作為相關(guān)參考指標(biāo)，然后根據(jù)求解構(gòu)造優(yōu)化現(xiàn)有的模型，對系統(tǒng)混疊矩陣進(jìn)行預(yù)測之后，完成信號分離過程。實(shí)際上獨(dú)立成分分析能夠得到不同指標(biāo)要求下的模型結(jié)果，無論是從信息理論還是從各類優(yōu)化算法的角度來看，求解基于不同指標(biāo)的優(yōu)化模型，能夠通過基于向量的梯度優(yōu)化算法獲得最佳的求解效果。近幾年來的研究當(dāng)中，也通過獨(dú)立成分分析提出了一些擴(kuò)展內(nèi)容，例如有界成分分析。

1.2 稀疏成分分析

以常見的語音信號或圖像信號為例，在時域上展示出不同的吸收特性特征之后，我們就可以將其作為信號處理的主要依據(jù)，進(jìn)行稀疏成分分析。雖然在這一方面的研究起步時間非常晚，但由于它具有相對廣泛的實(shí)用性，發(fā)展空間仍然非常充足。而且我們需要重點(diǎn)解決的是欠定線性混疊問題，即分析“同一時刻少數(shù)元活躍”的基本特征。當(dāng)其他元保持沉默狀態(tài)時，如何實(shí)施最有效分析。要想實(shí)現(xiàn)盲源分離，通常會從兩個角度進(jìn)行綜合評估，首先是通過聚類算法來對系統(tǒng)共同支撐的有關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)計處理，然后就是構(gòu)建以吸收度為指標(biāo)的優(yōu)化模型，同時恢復(fù)相應(yīng)的源信號，在通過目標(biāo)函數(shù)特征劃分為線性與非線性兩種模型。析出成分分析同樣涉及許多優(yōu)秀的算法，例如壓縮感知算法帶滿足約束條件時，就會被廣泛用于視頻壓縮、圖像分析等領(lǐng)域。

1.3 平行因子分析

矩陣分析環(huán)節(jié)可通過奇異值分解過程對矩陣展開處理，原因在于矩陣分解具有唯一性，其提取出來的特征會反映出某個矩陣所對應(yīng)的關(guān)鍵信息，同時，如果我們把二維矩陣推廣為三維或是有時更高維度的張量時，分解出來的矩陣也會反映出一個張量包含的所有信息。在初期由于計算量比較大和計算機(jī)水平的限制，平行因子分析的研究工作進(jìn)展緩慢，但隨著20世紀(jì)90年代算法的飛速發(fā)展之后，平行因子分析內(nèi)部出現(xiàn)了各類優(yōu)秀算法支持，例如迭代輪換算法、代數(shù)求解算法等。在未來的通信網(wǎng)絡(luò)安全研究領(lǐng)域，我們會立足于具有開放性的無線通信數(shù)據(jù)安全問題將發(fā)送序列設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，讓其具有盲特性特點(diǎn)，使得合法用戶才能解密相應(yīng)的接收信號，非法用戶無法做到這一點(diǎn)[1]。但總體而言，現(xiàn)階段的盲分離技術(shù)方法還需要進(jìn)行多個層面的深層次探索和研究。

2 盲分離技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)安全

從信息的角度來看，對于信息安全進(jìn)行分析處理是基于物理層面的安全保障工作，如果我們對物理層的安全防御體系展開綜合分析之后，會了解到無線信道具有的唯一特性從而來實(shí)現(xiàn)差異性的信道估計工作，然后用不同的波束成型方案來對信號接收效果進(jìn)行優(yōu)化，最大化提升接收機(jī)信號質(zhì)量。從這一層面來看，如果要讓雙方信道安全處于同一標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該先將密鑰進(jìn)行信息共享，然后讓發(fā)送者和接收者之間進(jìn)行聯(lián)動，以此為基礎(chǔ)獲取相應(yīng)的信道信息。將盲分離技術(shù)應(yīng)用至無線通信網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域之后，就可以設(shè)計具有隨機(jī)特性的訓(xùn)練序列。值得一提的是，多輸入多輸出系統(tǒng)之下信道差異非常必要，是為了確定合法接收和非法接收行為，進(jìn)一步增強(qiáng)無線通信過程的性能和安全穩(wěn)定性。

按照系統(tǒng)模型要求，發(fā)射機(jī)與合法接收機(jī)之間的信道被稱為合法信道，雙方在進(jìn)行通信之前，無論是發(fā)射機(jī)還是接收機(jī)，都會對信號進(jìn)行評估，從而確定訓(xùn)練序列是否與信息相互匹配，換言之非法接收機(jī)也可以通過接收的序列系列實(shí)現(xiàn)非法信道的估計，所以為了進(jìn)一步保障信息安全，提出雙向訓(xùn)練策略之后，就能考慮到差異性特點(diǎn)進(jìn)行反饋訓(xùn)練過程管理，避免非法接收機(jī)端預(yù)估信道信息。具體而言，雙向訓(xùn)練的核心內(nèi)容在于將整個訓(xùn)練階段一分為二，其中逆向訓(xùn)練過程中的信號發(fā)送會采用公知序列實(shí)現(xiàn)，前項訓(xùn)練則使用通知序列疊加人工噪聲序列。

這樣一來既能夠保證合法接收機(jī)的信號，估計質(zhì)量同時也能讓非法接收機(jī)信信道質(zhì)量顯著下降[2]。

逆向信道訓(xùn)練階段合法接收機(jī)端發(fā)送逆向訓(xùn)練序列至發(fā)射機(jī)之后，這一階段非法接收機(jī)只能從另一信道接收信息，所以序列作為私密信號會且只會被合法接收機(jī)進(jìn)行接收，區(qū)別于現(xiàn)有的差異性信道估計方案，并且從二階統(tǒng)計信息中分析出白化矩陣。在前向信道訓(xùn)練階段，前項序列設(shè)計應(yīng)該滿足幾個方面的要求，一是要保障接收機(jī)端的信號估計質(zhì)量，二是控制非法接收機(jī)端的情況估計質(zhì)量，同時在展開信道估計的過程當(dāng)中，還需要借助誤差分析判斷人工噪聲和訓(xùn)練序列之間能否形成最優(yōu)化的功率分配。

2.2 電網(wǎng)建設(shè)

智能電網(wǎng)建設(shè)工作隨著無線通信和物聯(lián)網(wǎng)等新領(lǐng)域的設(shè)備技術(shù)不斷出現(xiàn)之后，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)電網(wǎng)的改造，讓更加靈活的接入方式得到充分運(yùn)用，某些智能化終端和設(shè)計，也發(fā)揮了相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢，全方面提升了電力網(wǎng)絡(luò)的智能化程度。如果要對現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造升級，要考慮隨之而來的安全風(fēng)險，例如數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)作為整個電力網(wǎng)絡(luò)的核心部件，受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性較高，且調(diào)度中心在采集數(shù)據(jù)的過程當(dāng)中還要進(jìn)行設(shè)備管理和信息規(guī)劃等各項工作。對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行的攻擊類型主要包含三個方面，一是遠(yuǎn)端單元的拒絕服務(wù)攻擊，二是終端數(shù)據(jù)處理攻擊，三是隱蔽性的數(shù)據(jù)攻擊，其中隱蔽性數(shù)據(jù)攻擊產(chǎn)生的危險程度最高，因為它不僅會直接造成符合損失，引起電網(wǎng)停電，同時還會讓線路過載引發(fā)大范圍的潮流轉(zhuǎn)移問題。從電網(wǎng)建設(shè)的角度來看，隱蔽性的數(shù)據(jù)攻擊，本質(zhì)上是一個攻擊和防御的問題，大量的研究工作也從攻擊者或防御者的角度進(jìn)行了深入研究，例如從防御者的角度來看，核心問題是如何發(fā)現(xiàn)并控制隱蔽性數(shù)據(jù)攻擊;從攻擊者的角度來看，如何以最小的代價實(shí)現(xiàn)高效的隱蔽性數(shù)據(jù)攻擊，則成為研究重點(diǎn)[3]。

從系統(tǒng)模型的角度來看，整個數(shù)據(jù)處理采集中心包括發(fā)電站、電力傳輸系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)等組成，如果我們將智能電網(wǎng)看作一個無損直流負(fù)荷功率模型，那么其中母線節(jié)點(diǎn)、輸電線路以及復(fù)合就成為主要組成部分，不同的節(jié)點(diǎn)通過安裝智能電表的輸電線路進(jìn)行連接，且標(biāo)準(zhǔn)的直流潮流系統(tǒng)當(dāng)中，所有母線電壓為標(biāo)幺單位，電力系統(tǒng)狀態(tài)與統(tǒng)計相關(guān)，負(fù)荷元素滿足均值分布特點(diǎn)具有獨(dú)立特征[4]。終端的智能電表和通信系統(tǒng)在受到隨機(jī)干擾時會產(chǎn)生故障因素，導(dǎo)致電表數(shù)據(jù)當(dāng)中出現(xiàn)不良數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段，隱蔽性的數(shù)據(jù)攻擊仍然比較復(fù)雜，會基于現(xiàn)有的不良數(shù)據(jù)檢測手段，篡改電表內(nèi)的合法數(shù)據(jù)，電力系統(tǒng)方觀測難度較大，很難區(qū)別某些偽數(shù)據(jù)，所產(chǎn)生的后果非常嚴(yán)重，甚至?xí)?dǎo)致整個電力系統(tǒng)變得癱瘓。當(dāng)然，基于部分量測矩陣信息條件之下攻擊者仍然可能進(jìn)行低吸速度隱蔽性數(shù)據(jù)攻擊，且攻擊者在竊聽數(shù)據(jù)的條件之下，也會進(jìn)行相對隱蔽性的數(shù)據(jù)驅(qū)動攻擊策略，所以我們可以通過盲分離算法控制風(fēng)險，對于標(biāo)準(zhǔn)的電力網(wǎng)絡(luò)而言，隱蔽性的數(shù)據(jù)攻擊可以通過電力儀表實(shí)現(xiàn)具體工作，而從保護(hù)的角度來看，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的隱蔽性數(shù)據(jù)攻擊策略，能夠通過平行因子分析，從數(shù)據(jù)中推導(dǎo)出與電網(wǎng)相關(guān)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，選擇定位攻擊向量。

3 結(jié)語

分離技術(shù)無論是從理論研究還是從應(yīng)用角度來看成果顯著，技術(shù)進(jìn)步特征明顯。且隨著今后研究工作的不斷深入，在算法和應(yīng)用層面都將面臨新的要求，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全保障方面，能夠發(fā)揮良好的控制功能，減少現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)環(huán)節(jié)的潛在威脅與風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周悅.盲信號分離技術(shù)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用研究[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，32（5）：17-18.

[2] 任靜，李維勤，惠鏸.基于alpha穩(wěn)定分布的盲信號分離[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2014，50（18）：215-219，229.

[3] 任子良，秦勇.一種噪聲未知條件下的盲信號提取方法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2018，47（5）：646-653.

[4] 賀亮，王永程，李赟，等.基于Lindeberg-Feller定理的網(wǎng)絡(luò)異常檢測算法[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2019，55（4）：41-47.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】