智能電網(wǎng)下隱私保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

曹 波 朱祝英 吳 崢 袁 慧

智能電網(wǎng)下隱私保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

曹 波1朱祝英2吳 崢3袁 慧1

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司信息通信公司 武漢 430077）（2.武漢理工大學(xué) 武漢 430077）（3.國(guó)網(wǎng)湖北檢修公司 武漢 430077）

隨著智能電網(wǎng)的飛速發(fā)展，基于移動(dòng)通信技術(shù)的電網(wǎng)系統(tǒng)移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如智能電表，電動(dòng)汽車(chē)（插電式汽車(chē)），線路巡檢、設(shè)備巡檢等，但是智能電網(wǎng)中各類(lèi)不同的使用者通信暴露出了許多安全和隱私問(wèn)題。論文主要研究了電動(dòng)汽車(chē)在智能電網(wǎng)中的隱私保護(hù)問(wèn)題。并設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車(chē)到智能電網(wǎng)中具有隱私保護(hù)性能的安全通信模型，在該模型中提出了一種基于計(jì)算性復(fù)雜理論的同態(tài)加密的隱私保護(hù)方案。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證明該算法在汽車(chē)到電網(wǎng)接入技術(shù)中更容易避免消息分析攻擊和消息修改攻擊，因此不易泄露信息。

隱私保護(hù)；電動(dòng)汽車(chē)；智能電網(wǎng)

AbstractWith the rapid development of smart grid，grid system based on mobile business application of mobile communica?tion technology is more and more widely used，such as smart meters，electric vehicles（plug-in vehicles），line inspection，equip?ment inspection and so on，But in the smart grid，all kinds of users in the smart grid are exposed to a lot of security and privacy is?sues.This paper mainly studies the privacy protection of electric vehicle in smart grid.A secure communication model with privacy protection performance in the smart grid is designed，and a privacy protection scheme based on the complex theory of computational complexity is proposed.Finally，the simulation results show that the proposed algorithm is more easy to avoid the attack of message analysis and message modification，so it is not easy to leak information.

Key Wordsprivacy protection，smart meters，smart grid

Class NumberTP31

1 引言

智能電網(wǎng)作為電力工業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向，將是“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度融合，包括大量依據(jù)智能業(yè)務(wù)需求構(gòu)建的信息和通信系統(tǒng)，信息和通信技術(shù)將成為智能電網(wǎng)的重要組成部分。基于移動(dòng)通信技術(shù)的電網(wǎng)系統(tǒng)移動(dòng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，由于其提供隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)接入功能、無(wú)需復(fù)雜布線等特點(diǎn)，成為智能電網(wǎng)中信息和通信技術(shù)的主要應(yīng)用。

然而，基于移動(dòng)通信網(wǎng)的移動(dòng)應(yīng)用在給智能電網(wǎng)帶來(lái)諸多便利的同時(shí)，也使得電力網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)邊界快速擴(kuò)展，引發(fā)了一系列的安全挑戰(zhàn)。由于現(xiàn)有移動(dòng)終端自身的開(kāi)放性，電力系統(tǒng)中的移動(dòng)應(yīng)用不可避免地引入更多的安全風(fēng)險(xiǎn)，可能危及人身和社會(huì)安全。因此，在智能電網(wǎng)中部署移動(dòng)應(yīng)用需要充分考慮信息安全問(wèn)題，其中隱私保護(hù)就是很重要的問(wèn)題之一。

隨著智能移動(dòng)設(shè)備和定位技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了各種各樣的移動(dòng)智能設(shè)備，如電子智能手表，電動(dòng)汽車(chē)，智能電表等，這些設(shè)備可以直接或者間接獲得隱私信息，而這些信息又通過(guò)信息推送，移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)等途徑發(fā)布了出去，在為用戶帶來(lái)便利的同時(shí)也帶來(lái)了隱私的泄露。例如某電動(dòng)汽車(chē)在醫(yī)院的停留時(shí)間和頻率可能會(huì)暴露用戶的健康狀況，個(gè)人私有電動(dòng)汽車(chē)的位置還可能反應(yīng)用戶的經(jīng)濟(jì)狀況、宗教信仰和社會(huì)交往活動(dòng)等［1］。甚至攻擊者通過(guò)收集電動(dòng)汽車(chē)的離開(kāi)時(shí)間進(jìn)行搶劫等，嚴(yán)重危害了人們的財(cái)產(chǎn)和生病安全。因此智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)隱私保護(hù)已經(jīng)成為研究者們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2 智能電網(wǎng)安全和隱私保護(hù)問(wèn)題

2.1 智能電網(wǎng)安全威脅

智能電網(wǎng)的安全威脅主要體現(xiàn)在智能移動(dòng)終端上，移動(dòng)終端行業(yè)保持著高速成長(zhǎng)的趨勢(shì)，智能手機(jī)及移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)已無(wú)處不在。但移動(dòng)智能終端面臨的安全問(wèn)題日益顯現(xiàn)，如手機(jī)病毒和惡意軟件、無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)傳輸安全、隱私泄露、垃圾短信和騷擾電話、手機(jī)間諜竊聽(tīng)軟件、手機(jī)木馬程序、手機(jī)流氓軟件等，嚴(yán)重威脅用戶、企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商等的安全和利益，政府部門(mén)和重要的行業(yè)參與者一致認(rèn)為移動(dòng)智能終端安全已成為當(dāng)今社會(huì)亟待解決的問(wèn)題。如果移動(dòng)終端技術(shù)和智能電網(wǎng)結(jié)合，就會(huì)牽涉到個(gè)人隱私問(wèn)題的泄露，例如通過(guò)智能電表可以泄露個(gè)人的姓名、賬號(hào)、地址、生活方式、電表IP，甚至服務(wù)供應(yīng)商等。有些黑客可以通過(guò)攻擊來(lái)修改電表里的數(shù)據(jù)信息。

2.2 隱私保護(hù)問(wèn)題

所謂隱私［2］就是不愿意被外界知道的信息，比如興趣愛(ài)好，健康狀況，工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)度等，移動(dòng)對(duì)象位置隱私是一種特殊的個(gè)人隱私，就是不希望任何個(gè)人或者機(jī)構(gòu)以某種方式獲取他現(xiàn)在或者過(guò)去的位置，也就是個(gè)人的運(yùn)行路徑，也稱(chēng)為軌跡，而這些運(yùn)行路徑本身又包含很多敏感信息，通過(guò)分析這些敏感信息，可以推導(dǎo)出移動(dòng)對(duì)象的家庭住址，工作地點(diǎn)，健康情況等信息，所以要避免攻擊者通過(guò)非法手段推算出其他的隱私信息。而這些運(yùn)行軌跡電車(chē)中完全可以追蹤到。

鑒于移動(dòng)定位設(shè)備的普及，如果將這些定位設(shè)備用在智能電網(wǎng)，個(gè)人隱私中不同時(shí)刻的位置信息與背景知識(shí)結(jié)合，會(huì)泄露用戶的健康狀況，行為習(xí)慣、社會(huì)地位工作性質(zhì)等敏感信息，如：采集到某移動(dòng)用戶在某醫(yī)院附近出現(xiàn)，可以推測(cè)出用戶得了什么病及健康狀況，若分析最近幾日以來(lái)用戶的起點(diǎn)和終點(diǎn)，可以推測(cè)出用戶的家庭地址或者工作單位、工作性質(zhì)等情況。所以移動(dòng)對(duì)象位置數(shù)據(jù)帶給人們便利的同時(shí)，也帶來(lái)了泄露隱私的威脅，而這些信息又可能包含家庭地址、個(gè)人愛(ài)好、個(gè)性習(xí)慣、健康狀況［3］、工作性質(zhì)甚至個(gè)人收入等其他敏感信息，這些信息如果落在正常機(jī)構(gòu)手里，它就是保護(hù)信息的工具；落在非法機(jī)構(gòu)手上，它就是殘害無(wú)辜的兇器。所以我們能做的就是爭(zhēng)取個(gè)人信息使用過(guò)程中的透明化，以及保護(hù)個(gè)人隱私不被無(wú)良商家、不法機(jī)構(gòu)利用。

2.3 汽車(chē)到電網(wǎng)（Vehicle to Grid，V2G）系統(tǒng)

V2G系統(tǒng)是指當(dāng)電動(dòng)車(chē)停用休息時(shí)可以將剩余能力傳回電網(wǎng)，而需要能量時(shí)電網(wǎng)又能給電車(chē)輸送。這樣可以有效利用電網(wǎng)產(chǎn)能問(wèn)題，其核心思想就是利用大量電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能源作為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖。這種方式可以讓V2G系統(tǒng)增強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性，而且也給電車(chē)用戶帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。但是電網(wǎng)控制中必需要實(shí)時(shí)監(jiān)控采集電動(dòng)汽車(chē)的充放電狀態(tài)信息，而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這一過(guò)程就很容易造成用戶隱私信息的泄漏。這些信息會(huì)涉及到真實(shí)身份、生活習(xí)慣，愛(ài)好甚至位置。攻擊者通過(guò)信息分析攻擊就會(huì)很容易推斷出用戶的真實(shí)身份、位置、用電喜好等隱私信息，所以智能電網(wǎng)中電動(dòng)車(chē)運(yùn)行隱私保護(hù)技術(shù)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

3 匿名認(rèn)證技術(shù)研究

匿名認(rèn)證技術(shù)是指利用匿名、假名技術(shù)對(duì)用戶的真實(shí)身份進(jìn)行隱藏，用戶在不泄露任何與自己真實(shí)身份有關(guān)信息的條件下，向驗(yàn)證方證明自己身份的合法性。由于整個(gè)過(guò)程并沒(méi)有泄露敏感信息，所以攻擊方也無(wú)法推算用戶的真實(shí)身份，在一定程度上保護(hù)了用戶隱私。所以說(shuō)匿名認(rèn)證技術(shù)成為了隱私保護(hù)系統(tǒng)中使用較為廣泛的技術(shù)。國(guó)內(nèi)外對(duì)匿名技術(shù)也提出了相應(yīng)的認(rèn)證方案，主要可分為基于公鑰技術(shù)的匿名認(rèn)證、基于群簽名的匿名認(rèn)證、基于盲簽名的匿名認(rèn)證［4］。

3.1 基于公鑰技術(shù)的匿名認(rèn)證

公鑰認(rèn)證技術(shù)是比較常用的認(rèn)證技術(shù)，如果A向B發(fā)送信息，如何證明A就是合法的用戶呢，A方采取一定的方式得到公鑰和私鑰，由于公鑰是公開(kāi)的，誰(shuí)都可以擁有，那么就可以把A的公鑰發(fā)送給B或者其他人，然后用A的私鑰對(duì)信息加密，發(fā)送到B之后B用A的公鑰解密，解開(kāi)之后發(fā)現(xiàn)信息上有A的私鑰，就認(rèn)證是A的簽名，這樣就能驗(yàn)證A身份的合法性，又保護(hù)了A的真實(shí)身份，因?yàn)檫BB都不知道A的真實(shí)身份是什么，有效地保護(hù)了個(gè)人隱私［5］。如圖1公鑰認(rèn)證過(guò)程所示。

圖1 公鑰認(rèn)證過(guò)程

3.2 基于群簽名的匿名認(rèn)證

群簽名［6］是數(shù)字簽名的一種，相當(dāng)于手寫(xiě)簽名的數(shù)字化，在不公開(kāi)真實(shí)姓名的前提下，能夠驗(yàn)證個(gè)人身份的正確性，是指群成員中的成員在不泄露自己群證書(shū)的前提下對(duì)發(fā)送的消息進(jìn)行簽名，而驗(yàn)證方使用群公鑰就可以驗(yàn)證群成員身份的合法性，但是不知道具體是誰(shuí)發(fā)出的，這樣既能保證身份的合法性，又能避免真實(shí)身份的泄露，也能保護(hù)個(gè)人隱私。

3.3 基于盲簽名的匿名認(rèn)證

盲簽名是指發(fā)送消息的發(fā)送方可以先將消息進(jìn)行盲化，而后讓簽名者對(duì)盲化的消息進(jìn)行簽名，然后接受者去除盲化因子，得到簽名者關(guān)于原消息的簽名，由于信息進(jìn)行了盲化，所以接受者并不知道信息的真實(shí)內(nèi)容，一個(gè)好的盲簽名應(yīng)該抗抵賴(lài)和抗攻擊，并且應(yīng)該具有不可追蹤性［7］。

4 隱私保護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)模型使得在電動(dòng)汽車(chē)和充電器建立通信鏈接之前需要進(jìn)行身份驗(yàn)證，而這個(gè)身份是虛擬的身份，不是真實(shí)的身份，通過(guò)建立安全的鏈路進(jìn)行秘密數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模型

4.2 隱私保護(hù)方案

本文提出了一種基于計(jì)算性復(fù)雜理論的同態(tài)公鑰加密V2G的隱私保護(hù)認(rèn)證方案，該認(rèn)證方案能夠保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)智能電網(wǎng)中的隱私不外泄露。具體方案實(shí)施如下

1）初始化

建立一個(gè)可信任的第三方中心，選擇安全參數(shù)β和加密函數(shù)H，此處加密函數(shù)選擇哈希函數(shù)，選取密鑰對(duì){d，n}和{e，n}分別為私鑰和公鑰，然后選取三大素?cái)?shù) P，Q，R，然后對(duì)(β，P，Q，R)

2）注冊(cè)生成密鑰對(duì)［8～9］

可信任第三方為電動(dòng)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)充電器，匯聚點(diǎn)和電網(wǎng)控制中心隨機(jī)選取一個(gè)能夠代表身份的號(hào)碼IDL，計(jì)算大素?cái)?shù)P、Q的乘積，n=P×Q，(n＜MIN(R，P，Q))，隨機(jī)選取兩個(gè)素?cái)?shù) MP、MQ且使得滿足 MQ＜Q，MP＜P,MP∈ZP,MQ∈ZQ,L的公私密鑰對(duì)為 DML=(N，MP，MQ)，EML=(P，Q)，每個(gè)參與方必須進(jìn)行注冊(cè)。

3）獲得共享密鑰

注冊(cè)完之后，電網(wǎng)控制中心會(huì)隨機(jī)選取一組數(shù){ai，j|0＜i＜t，0＜j＜t}作為保密參數(shù)，它的二元多項(xiàng)式為

將參與者L的編號(hào)IDL代入多項(xiàng)式（1）計(jì)算：

利用DML對(duì)式（2）實(shí)施加密，同時(shí)利用同態(tài)算法：

4）電動(dòng)汽車(chē)與電網(wǎng)控制中心簽訂合約

電動(dòng)汽車(chē)在享受電網(wǎng)控制中心提供的服務(wù)之前，需要先簽定合約，具體步驟如下：

（1）電動(dòng)汽車(chē)向電網(wǎng)控制中心提交身份信息和身份編號(hào)IDL，此身份信息中不包含真實(shí)身份信息。電動(dòng)汽車(chē)隨機(jī)選取i個(gè)整數(shù)Ri，滿足 ID1=H(IDL||RI)，……，IDi=H(IDL||Ri)，然后將 IDi送給網(wǎng)絡(luò)控制中心。

（2）將網(wǎng)絡(luò)控制中心定義為G，G計(jì)算T1=SigSKG(ID1)，…，TK=SigSKG(IDK)。（3）網(wǎng)絡(luò)控制中心G將 IDL帶入式（1）中加密，利用同態(tài)算法［10～11］計(jì)算：

最后根據(jù)剩余定理：

CIDL就是自己的服務(wù)證書(shū)。

5）建立通信連接

當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)充電或放電時(shí)，需要與充電站之間建立通信連接，連接過(guò)程如下：

（1）電動(dòng)車(chē)向充電站發(fā)送通信請(qǐng)求；（2）充電站向匯聚點(diǎn)返回證書(shū)；

（3）匯聚點(diǎn)完成核驗(yàn)后發(fā)送服務(wù)合約；

（4）電網(wǎng)控制中心通過(guò)上述算法驗(yàn)證，如果是合法用戶，則允許連接；

（5）連接成功；

（6）進(jìn)行密鑰協(xié)商；

（7）充放電數(shù)據(jù)交換，完成服務(wù)。

圖3 通信連接過(guò)程

6）實(shí)時(shí)檢測(cè)

實(shí)時(shí)檢測(cè)是為了隨時(shí)了解電動(dòng)汽車(chē)的用電情況，以保證該充電的時(shí)候充電，該放電的時(shí)候放電。

4.3 安全性和通信開(kāi)銷(xiāo)分析

本文提出的方案，在整個(gè)的交互過(guò)程，即使是電網(wǎng)控制中心也只能得到電動(dòng)汽車(chē)的匿名身份信息和充放電量的數(shù)據(jù)，并不能獲取真實(shí)的身份信息，例如姓名，身份證號(hào)等，這就對(duì)于用戶的真實(shí)身份進(jìn)行了隱私保護(hù)。對(duì)于電網(wǎng)控制中心來(lái)說(shuō)，對(duì)接入的電動(dòng)汽車(chē)能夠根據(jù)用戶原來(lái)的編號(hào)ID進(jìn)行合法性認(rèn)證，并實(shí)時(shí)進(jìn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，但卻不能獲取任何與電動(dòng)汽車(chē)用戶真實(shí)身份有關(guān)的信息，從而保證了身份和通信數(shù)據(jù)的隱私，因此電網(wǎng)控制中心無(wú)法泄露用戶的身份、數(shù)據(jù)和位置隱私，對(duì)于黑客來(lái)說(shuō)，也無(wú)法根據(jù)位置信息判斷電動(dòng)汽車(chē)用戶的真實(shí)身份，在通信過(guò)程中，僅僅是虛擬身份的提交注冊(cè)，傳輸?shù)囊仓皇枪蚕砻荑€，保證了通信數(shù)據(jù)的隱私安全。也能保證用戶身份、位置、健康等隱私信息在傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算等過(guò)程中的隱私安全。

圖4 信息分析攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 為信息分析攻擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮到網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況，設(shè)置10K用戶請(qǐng)求服務(wù)并且請(qǐng)求。為了體現(xiàn)匿名效果，本系統(tǒng)C和其他系統(tǒng)S針對(duì)抗信息分析攻擊進(jìn)行了比較，實(shí)驗(yàn)中需要考慮到極端情況，攻擊者根據(jù)用戶背景知識(shí)獲取到電車(chē)的運(yùn)行速度和運(yùn)動(dòng)方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗信息分析攻擊的能力。本實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了通信開(kāi)銷(xiāo)分析，如圖5所示

圖5 通信開(kāi)銷(xiāo)分析

經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，本文改進(jìn)的算法通信開(kāi)銷(xiāo)要優(yōu)于其他算法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文將智能電網(wǎng)和移動(dòng)技術(shù)結(jié)合，并對(duì)智能電網(wǎng)中的隱私保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，并提出了一種基于計(jì)算性復(fù)雜理論的同態(tài)加密的隱私保護(hù)方案，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，本系統(tǒng)在仿真系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真，通過(guò)部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本算法的可用性，但是由于時(shí)間和知識(shí)有限，本系統(tǒng)部分功能尚在研發(fā)階段，在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，會(huì)繼續(xù)仿真研究，繼續(xù)證明本系統(tǒng)的可靠性和安全性。

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Research and App lication of Privacy Protection Technology in Smart Grid

CAO Bo1ZHU Zhuying2WUZheng3YUAN Hui1
（1.Information Communication Company State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan 430077）（2.Wuhan University of Technology，Wuhan 430077）（3.State Grid Hubei Maintenance Company，Wuhan 430077）

TP31

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.025

2017年3月9日，

2017年4月18日

山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2014FL012）；山東省網(wǎng)絡(luò)環(huán)境智能計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助。

曹波，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息通信系統(tǒng)管理與信息安全。朱祝英，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息通信系統(tǒng)管理與信息安全。吳崢，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電力信息系統(tǒng)。袁慧，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息通信系統(tǒng)管理與信息安全。