基于身份認(rèn)證和聚合加密的智能電表數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案

吳 云，呂偉東，李春哲，滕曉紅

(1.東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.國(guó)網(wǎng)遼源供電公司，吉林 遼源 136200；3.東北電力大學(xué) 學(xué)報(bào)編輯部，吉林 吉林 132012)

智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化，旨在為電力用戶(hù)提供更為穩(wěn)定、可靠的電能[1].伴隨智能電網(wǎng)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電力用戶(hù)與電力公司間的雙向通信成為可能，其中用戶(hù)側(cè)的智能電表是雙向通信中的關(guān)鍵部件[2].然而，在智能電表為電力用戶(hù)和電力企業(yè)帶來(lái)便利的同時(shí)，也同樣給電力用戶(hù)帶來(lái)了隱私威脅.智能電表數(shù)據(jù)中蘊(yùn)藏著較多用戶(hù)的隱私信息，一旦被攻擊者掌握，將會(huì)給電力用戶(hù)造成難以估量的損失[3].同時(shí)，在用戶(hù)用電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的過(guò)程當(dāng)中，海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送所造成的匯聚效應(yīng)[4]勢(shì)必將給通信網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)中心帶來(lái)巨大的負(fù)擔(dān)，這對(duì)智能電網(wǎng)通信的安全性和準(zhǔn)確性提出了較高要求[5～6].數(shù)據(jù)聚合技術(shù)可以顯著減少智能電網(wǎng)中通信、計(jì)算與存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)，因此結(jié)合隱私保護(hù)的聚合方案成為解決智能電網(wǎng)中海量數(shù)據(jù)安全通信問(wèn)題的一個(gè)重要手段[7].

同態(tài)加密方法正是采用了數(shù)據(jù)聚合技術(shù)，非常適合應(yīng)用在智能電網(wǎng)家庭用電數(shù)據(jù)的保護(hù)，不僅具有良好的加密效果，同時(shí)可很好的降低通信、計(jì)算開(kāi)銷(xiāo).1999年，Paillier[8]首次提出加法同態(tài)加密算法，人們稱(chēng)之為Paillier算法，此后人們紛紛對(duì)Paillier算法展開(kāi)研究，并逐漸應(yīng)用在各個(gè)場(chǎng)景下.其中，Li等[9]結(jié)合聚合樹(shù)的思想，將同態(tài)加密應(yīng)用到智能電網(wǎng)安全信息的聚合方案當(dāng)中，但樹(shù)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并不能適用于智能電網(wǎng).Erkin和Tsudik[10]對(duì)Paillier算法進(jìn)行了修改，提出了一個(gè)智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的聚合方案，但此方法需要每個(gè)智能電表提前被分配公鑰的一個(gè)分量，這樣就要求發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中，每個(gè)智能電網(wǎng)都必須參與，否則無(wú)法完成解密，并將極大的增加通信開(kāi)銷(xiāo).

針對(duì)上述問(wèn)題，本文先利用盲簽名算法與密鑰分配相結(jié)合的身份認(rèn)證方式，依靠本地聚合器實(shí)現(xiàn)對(duì)電表數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)(每隔十五分鐘一次)讀取，再采用匿名化處理與Paillier同態(tài)加密的方法，將當(dāng)天該區(qū)域內(nèi)的用電數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)中心.形成一套更為完整的智能電表數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案，將大大提高數(shù)據(jù)的安全性.

1 相關(guān)知識(shí)

1.1 系統(tǒng)模型

智能電表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的一般模型，如圖1所示.圖中主要涉及5個(gè)組成部分：智能電表(Smart Meter，SM)、區(qū)域網(wǎng)關(guān)(Regional Gateway，RG)、本地聚合器(Local Aggregator，LAG)、數(shù)據(jù)中心(Data Center，DC)和可信第三方(Trusted Third Party，TTP).

圖1 系統(tǒng)模型

1.1.1 智能電表

智能電表是智能電網(wǎng)的智能終端，它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的電能表，智能電表除了具備傳統(tǒng)電能表基本用電量的計(jì)量功能以外，為了適應(yīng)智能電網(wǎng)和新能源的使用它還具有雙向多種費(fèi)率計(jì)量功能、用戶(hù)端控制功能、多種數(shù)據(jù)傳輸模式的雙向數(shù)據(jù)通信功能、防竊電功能等智能化的功能[11]，智能電表代表著未來(lái)節(jié)能型智能電網(wǎng)最終用戶(hù)智能化終端的發(fā)展方向[12].

1.1.2 區(qū)域網(wǎng)關(guān)

智能電表和智能電網(wǎng)之間的信息交互接口[13]，智能電表通過(guò)區(qū)域網(wǎng)關(guān)將用戶(hù)用電數(shù)據(jù)安全地發(fā)送到本地聚合器，是一定范圍內(nèi)的智能電表進(jìn)行聚合的必經(jīng)之路.

1.1.3 本地聚合器

本地聚合器是連接終端、計(jì)算機(jī)或通信設(shè)備的中心連接點(diǎn)設(shè)備，用來(lái)抄寫(xiě)智能電表數(shù)據(jù)并定時(shí)把電表數(shù)據(jù)通過(guò)有線網(wǎng)發(fā)送到電力公司的數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)智能電表與數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)在線連接.本地聚合器使得遠(yuǎn)程抄表的效率、費(fèi)用以及數(shù)據(jù)完整率、數(shù)據(jù)共享等方面得到很大改善[14].

1.1.4 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是智能電表數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)中心，為電力公司的供配電提供重要數(shù)據(jù)支持[15].對(duì)智能電表數(shù)據(jù)的采集主要出于兩個(gè)目的：一是定期的用電信息采集，以便收繳計(jì)費(fèi)；二是對(duì)用戶(hù)實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來(lái)調(diào)整電量供應(yīng)，避免多余發(fā)電和促進(jìn)電力有效可靠傳輸.

1.1.5 可信第三方

可信第三方與數(shù)據(jù)中心之間的通信需要是絕對(duì)安全的，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)生成各項(xiàng)參數(shù)及密鑰，它同時(shí)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電表數(shù)據(jù)的快速計(jì)算[16].

1.2 Paillier算法

Paillier算法是由以下部分構(gòu)成：

L(u)=(u-1)/n；

(3)數(shù)據(jù)解密：將密文c恢復(fù)成明文m：

2 方案描述

智能電表的使用促進(jìn)了電力系統(tǒng)信息化的發(fā)展，使得用戶(hù)側(cè)和數(shù)據(jù)中心之間的雙向通信成為可能.總購(gòu)電量、累計(jì)用電量、剩余電量和購(gòu)電次數(shù)等指標(biāo)是數(shù)據(jù)中心比較關(guān)注的一些數(shù)據(jù)，因此，本地聚合器會(huì)定期向區(qū)域內(nèi)的智能電表讀取一次數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行短暫存儲(chǔ)后發(fā)向數(shù)據(jù)中心.但在數(shù)據(jù)的讀取和傳輸過(guò)程都存在一定的安全隱患，因此需要選擇合適的隱私保護(hù)方法來(lái)提高數(shù)據(jù)的安全性.本文方案在智能電表與本地聚合器之間(即數(shù)據(jù)讀取階段)將對(duì)密鑰分配過(guò)程進(jìn)行盲化處理，以確保區(qū)域內(nèi)所有參與數(shù)據(jù)讀取的用戶(hù)身份的合法性；在本地聚合器與數(shù)據(jù)中心之間(數(shù)據(jù)的傳輸階段)采用匿名化處理和Paillier同態(tài)加密相結(jié)合的方法完成對(duì)數(shù)據(jù)的聚合加密，提高了用戶(hù)隱私信息的安全性.最后，本地聚合器將聚合后的數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)中心，在建立通信會(huì)話(huà)過(guò)程中，智能電表并不會(huì)使用真實(shí)身份，而是由可信第三方負(fù)責(zé)生成一個(gè)臨時(shí)ID，只針對(duì)該次會(huì)話(huà)有效，數(shù)據(jù)到達(dá)數(shù)據(jù)中心后完成解密操作.

2.1 系統(tǒng)初始化

2.2 用戶(hù)注冊(cè)

在接入電網(wǎng)之前，用戶(hù)需要在本地聚合器進(jìn)行注冊(cè).用戶(hù)Ui將具體的身份信息提交給本地聚合器，由本地聚合器對(duì)用戶(hù)身份的合法性進(jìn)行判斷，若驗(yàn)證通過(guò)，則給智能電表SMi頒發(fā)含有唯一身份編號(hào)numi和公私鑰(yi，xi)的入網(wǎng)許可證書(shū)permiti，而permiti=Sigxg(Pτ)，并且本地聚合器會(huì)將Ui、numi和permiti存儲(chǔ)在自己的數(shù)據(jù)庫(kù)中.

2.3 數(shù)據(jù)讀取

mi為智能電表的原始數(shù)據(jù)，ti是精確的時(shí)戳，發(fā)送過(guò)程如下：

(5)區(qū)域網(wǎng)關(guān)接收到消息后，存儲(chǔ)k3，將廣播消息Lj發(fā)給智能電表；

2.4 數(shù)據(jù)加密傳輸

在聚合數(shù)據(jù)階段，本地聚合器采用匿名化處理和Paillier同態(tài)加密相結(jié)合的方法完成對(duì)數(shù)據(jù)的聚合加密，并將聚合數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，具體步驟如下：

(1)本地聚合器以如下方式聚合同態(tài)加密數(shù)據(jù)得到E(Mt)

2.5 數(shù)據(jù)解密與恢復(fù)

(2)數(shù)據(jù)中心驗(yàn)證聚合簽名后，將加密數(shù)據(jù)E(Mt)恢復(fù)成明文

其中：L(u)=(u-1)/n，Mt為本地聚合器中的一個(gè)用電數(shù)據(jù)；

(3)數(shù)據(jù)中心得到全部用電數(shù)據(jù)后，即可對(duì)整個(gè)智能電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行規(guī)劃與調(diào)整.

3 性能分析

3.1 執(zhí)行前提

本文提出的數(shù)據(jù)加密方案應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)前提：

(1)可信第三方是絕對(duì)安全可信的實(shí)體，這是所有算法執(zhí)行的基礎(chǔ)和前提.

(2)橢圓曲線和有限域上的離散對(duì)數(shù)問(wèn)題在多項(xiàng)式時(shí)間下是難解的.

(3)智能電表中擁有防篡改存儲(chǔ)設(shè)備，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)只能由自身執(zhí)行，其它任何設(shè)備無(wú)法篡改信息.

(4)本地聚合器具有較高的安全性，需要確保當(dāng)日數(shù)據(jù)不遭竊取和丟失.

3.2 算法安全性

本文提出的智能電表數(shù)據(jù)加密方案具有抵抗重放攻擊的能力，一旦惡意攻擊者截獲了某個(gè)智能電表SMi發(fā)給區(qū)域網(wǎng)關(guān)的消息c3，重復(fù)發(fā)送該消息給區(qū)域網(wǎng)關(guān)，則區(qū)域網(wǎng)關(guān)能夠檢測(cè)出該消息的正確性.此外，還具有匿名性和機(jī)密性的特點(diǎn).由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程中，一直使用的身份信息是一個(gè)臨時(shí)ID，未曾透露出用戶(hù)的身份，因此具有匿名性；在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，即使某一惡意攻擊者截獲了用戶(hù)發(fā)送的報(bào)文，該惡意攻擊者仍然無(wú)法獲得數(shù)據(jù)mi，體現(xiàn)了方案的機(jī)密性特征.

3.3 計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)

表1 密碼學(xué)運(yùn)算符執(zhí)行時(shí)間

圖2 計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的比較

本方案不僅在數(shù)據(jù)安全性上有很好的保障，在加密過(guò)程中的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)也要優(yōu)于普通數(shù)據(jù)加密方法.通過(guò)在RAM為8GB，CPU為AMD 羿龍ⅡX4 3.2GHz的平臺(tái)上測(cè)試，得出密碼學(xué)運(yùn)算符執(zhí)行所消耗的時(shí)間.其中，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)算包括雙線性對(duì)計(jì)算時(shí)間Tp、Hash函數(shù)計(jì)算時(shí)間TMTP、指數(shù)計(jì)算時(shí)間Texp以及對(duì)Paillier算法的加解密計(jì)算時(shí)間TE和TD，它們的具體執(zhí)行時(shí)間如表1所示.令每個(gè)本地聚合器所覆蓋的智能電表個(gè)數(shù)用a表示，計(jì)算了方案執(zhí)行過(guò)程中各實(shí)體總的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，將其與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)加密方法[17]進(jìn)行比較，如圖2所示.

通過(guò)圖2的比較可以看出，本文所提出的智能電表數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案不僅具有更高的隱私保護(hù)強(qiáng)度，同時(shí)隨著參與聚合用戶(hù)數(shù)量的增加，系統(tǒng)對(duì)計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的降低效果也越來(lái)越顯著，做到了隱私保護(hù)的有效性和經(jīng)濟(jì)性兼顧.

4 結(jié) 論

本文結(jié)合智能電表所處的實(shí)際環(huán)境，提出了一個(gè)智能電表數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)方案，可將遠(yuǎn)程終端將采集到的用戶(hù)用電數(shù)據(jù)安全、高效地發(fā)送到數(shù)據(jù)中心.方案對(duì)密鑰分配方案進(jìn)行盲化處理，確保了參與數(shù)據(jù)聚合的用戶(hù)身份的合法性；運(yùn)用了匿名化的處理手段，有效地保護(hù)了用戶(hù)身份隱私；采用了Paillier算法，在加密數(shù)據(jù)的同時(shí)，也有效地降低了系統(tǒng)的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo).