基于扩散模型改进的数字孪生网络流量生成技术
作者:
作者单位:

1国网山东省电力公司电力科学研究院科技信息中心,济南250003;2北京理工大学网络空间安全学院,北京100081;3国网山东省电力公司电力调度控制中心,济南250001

作者简介:

通讯作者:

基金项目:

国网山东省电力公司科技项目(52062624000K)。


Improved Network Traffic Generation Technology for Digital Twins Based on Diffusion Model
Author:
Affiliation:

1Science and Technology Information Center, Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company,Jinan 250003, China;2Schoole of Cyberspace Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;3Power Dispatch Control Center, State Grid Shandong Electric Power Company,Jinan 250001, China

Fund Project:

Science and Technology Project of State Grid Shandong Electric Power Company (No.52062624000K).

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    摘要:

    在工业4.0、智慧城市等领域,数字孪生技术正在被广泛应用,其通过构建与物理实体一一对应的虚拟模型,能够实现对设备、产品和系统的实时监控、预测性维护及优化管理。然而,为数字孪生高效生成准确的网络流量数据包仍然是一项极具挑战的任务。该任务具有时序依赖性,且在复杂网络行为和多样化场景的影响下,流量生成过程存在高度的不确定性和复杂性。为了解决这一问题,本文提出了基于扩散模型的大批量网络流量数据包生成算法——FlowDiff和时序扩散生成模型(Temporal diffusion generative model, TDGM)。FlowDiff算法将流量数据包的生成作为反向扩散过程,根据流量的时序特性和外部场景条件,通过逐步去噪生成符合实际网络流量特征的数据包。TDGM是为了适应网络流量中的时序依赖和周期性变化特性设计的模型。该模型引入时序感知特征嵌入层,将流量的时序信息与重要特征进行融合,从而增强了流量特征之间的时空关联。模型还结合卷积神经网络和Transformer模块,提取流量的局部特征和全局特征,进行有效融合。最后,将历史流量数据和周期性特征作为扩散模型的条件输入,利用交叉注意力机制进一步优化生成过程。实验结果表明,FlowDiff在真实网络流量数据集上的表现优异,在与真实数据流量的比较中,充分验证了生成的准确性和有效性,展示了其在数字孪生系统中应用的有效性和优势。

    Abstract:

    Generating realistic network traffic for digital twin systems is difficult because traffic packets exhibit temporal dependence, periodic variation, and scenario-driven uncertainty. To address this problem, this paper proposes FlowDiff, a diffusion-based packet generation algorithm, and TDGM, a temporal diffusion generation model. FlowDiff formulates packet generation as a conditioned reverse-diffusion process that progressively denoises latent traffic features. TDGM integrates temporal-aware embedding, periodic features, convolutional neural network (CNN) and Transformer modules, and cross-attention to capture local, global, and long-range traffic patterns. Experiments on real network traffic datasets show that the generated samples are close to real traffic in MSE, KL divergence, FID, and statistical features, demonstrating the effectiveness of the method for digital twin network simulation.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

赵晓红,陈浩,施冠炬,管荑,丁旭辉,朱超.基于扩散模型改进的数字孪生网络流量生成技术[J].数据采集与处理,2026,(4):1103-1117

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  • 收稿日期:2025-07-17
  • 最后修改日期:2025-09-14
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  • 在线发布日期: 2026-08-13