分布式認證智能電網(wǎng)訪問控制模型的研究*

袁明輝，張愛新

（上海交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

作為能源技術(shù)與信息技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，智能電網(wǎng)（Smart Grid）與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比具有更高的資源使用效率、更強的可控性以及更加有效的電力調(diào)度機制[1]，為現(xiàn)在的信息化時代生活帶來了各種便利。但是，智能電網(wǎng)在帶來極大便利的同時，也出現(xiàn)了嚴峻的安全問題[2]。近年來，針對電力系統(tǒng)的攻擊事件[3]逐年上升，開展智能電網(wǎng)系統(tǒng)的信息安全研究已迫在眉睫。

智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全是主要關(guān)注點之一。首先，智能電網(wǎng)利用各種智能設(shè)備采集用戶側(cè)的用電量等信息[4]。通過分析這些信息，可以掌握用戶、企業(yè)或者地區(qū)的用電情況，進而得到其生活習(xí)慣、生產(chǎn)方式或地區(qū)社會活動等隱私數(shù)據(jù)。因此，必須通過有效的數(shù)據(jù)安全采集與傳輸技術(shù)來保障智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)的隱私安全。另外，智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)一般存儲在后臺數(shù)據(jù)庫中，除了采取有效的數(shù)據(jù)安全存儲機制外，還必須制定嚴格的訪問控制機制，以保障數(shù)據(jù)的存儲安全和訪問控制安全。

智能電網(wǎng)采取“數(shù)據(jù)采集”“數(shù)據(jù)匯總”“數(shù)據(jù)訪問和管理”的數(shù)據(jù)處理模式，如圖1所示。在數(shù)據(jù)采集階段，智能電表等智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備所構(gòu)成的用電網(wǎng)絡(luò)獲取居民、單位、工業(yè)等用電信息，并上傳至變電站；變電站作為中間節(jié)點，收集匯總用電網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)，并進行電能的調(diào)度和配送；數(shù)據(jù)存儲管理中心則存儲來自多個變電站的數(shù)據(jù)信息，并分析該區(qū)域的用電匯總數(shù)據(jù)，分析結(jié)果可在制定電價、地區(qū)電量分配調(diào)度等環(huán)節(jié)起到輔助決策作用。

圖1 智能電網(wǎng)流程

由上述流程可知，智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全保護應(yīng)主要針對“智能電表-變電站”和“變電站-數(shù)據(jù)存儲管理中心”兩個環(huán)節(jié)采取措施，重點實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸安全、數(shù)據(jù)存儲安全和權(quán)限訪問控制。其中，在“智能電表-變電站”環(huán)節(jié)，為了防止用電網(wǎng)絡(luò)端的數(shù)據(jù)泄露，需要對智能電表數(shù)據(jù)進行加密上傳，并在變電站端對加密后的數(shù)據(jù)進行安全匯總。在“變電站-數(shù)據(jù)存儲管理中心”環(huán)節(jié)，則需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲安全。另外，由于數(shù)據(jù)存儲與管理方身份角色的多樣性，必須為不同角色賦予不同的訪問策略，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)訪問者細粒度的訪問控制。

智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全匯總[5-6]，即用電網(wǎng)絡(luò)將加密數(shù)據(jù)上傳至變電站。文獻[5]提出了使用同態(tài)加密方案的信息安全整合方案方案均采用“樹型”的數(shù)據(jù)匯總模型，即將智能電表等智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為非根節(jié)點，負責(zé)進行子區(qū)域數(shù)據(jù)匯總的采集器（Collector）作為子樹的根節(jié)點，而最終進行數(shù)據(jù)匯總的管理中心或者變電站則是樹根節(jié)點。數(shù)據(jù)匯總采取從葉節(jié)點到根節(jié)點逐步傳遞的過程，每個中間節(jié)點首先將本地采集的數(shù)據(jù)以及其兒子節(jié)點上傳來的數(shù)據(jù)進行匯總，然后再上傳給該節(jié)點的父親節(jié)點，形成一條數(shù)據(jù)遞增匯總路徑，最終所有數(shù)據(jù)匯總至變電站這個根節(jié)點。該數(shù)據(jù)匯總模型需要借助數(shù)據(jù)采集器這類物理設(shè)備，同時該模型假定所有的采集器都是“honest-but-curious”。當(dāng)某個數(shù)據(jù)采集器發(fā)生數(shù)據(jù)泄露或者故障時，數(shù)據(jù)匯總路徑上從葉子節(jié)點到該子樹根節(jié)點的所有節(jié)點的信息都將被泄露或者遺失。為此，本文提出的模型在數(shù)據(jù)匯總階段僅涉及智能電表、變電站和數(shù)據(jù)存儲管理中心。智能電表將采集數(shù)據(jù)上傳至區(qū)域變電站，各區(qū)域變電站再分別將匯總的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)存儲管理中心，在優(yōu)化業(yè)務(wù)處理流程的同時降低系統(tǒng)成本。

針對智能電網(wǎng)中數(shù)據(jù)的安全存儲與訪問控制，目前主要采用屬性加密方案[7-13]?；趯傩约用艿闹悄茈娋W(wǎng)訪問控制方案主要分為兩種——中心認證的屬性加密方案[7-10]和非中心認證屬性加密方案[11-13]。其中，中心認證方案存在單點失效問題，不適用于智能電網(wǎng)等關(guān)鍵工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)；非中心認證采用多方認證機構(gòu)分布式完成細粒度數(shù)據(jù)訪問控制，在克服單點失效的同時較好地實現(xiàn)了負載均衡[14]。因此，本文將采用非中心認證屬性加密方案，其中在該模型中假設(shè)的云存儲中心為不可信的第三方用戶。

目前的研究將數(shù)據(jù)同態(tài)安全匯總[14]和訪問控制作為兩個獨立環(huán)節(jié)，缺少統(tǒng)一的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全保護方案。針對其中一個環(huán)節(jié)的應(yīng)用模型在另一個環(huán)節(jié)中并不適用；安全匯總的加密數(shù)據(jù)在進行細粒度訪問控制時，必須在數(shù)據(jù)匯總節(jié)點如變電站先行解密，再進行屬性加密，這就要求變電站必須是誠實的、完全可信的實體。本文提出的多方認證的智能電網(wǎng)訪問控制方案能夠有效融合數(shù)據(jù)匯總和訪問控制，變電站匯總的密文信息直接在變電站端進行屬性化封裝[15-16]，以支撐后續(xù)的細粒度訪問控制。

1 基礎(chǔ)背景知識

1.1 同態(tài)加密方案

本方案在數(shù)據(jù)匯總過程中涉及數(shù)據(jù)的同態(tài)加密。使用文獻[17]的同態(tài)加密方案，主要分為3個部分。

1.1.1 密鑰生成

假定i表示一個數(shù)據(jù)發(fā)送方。令q1、q2為兩個素數(shù)，，lcm代表兩個數(shù)的最小公倍數(shù)。計算q1-1和q2-1的最小公倍數(shù)λ(N)=lcm(q1-1,q2-1)，則 i的公鑰為PK[i]=(N,g)，私鑰為SK[i]=(λ(N))。

1.1.2 數(shù)據(jù)加密

假定M∈?N是系統(tǒng)的明文輸入信息，隨機選取一個隨機數(shù)r ∈ ?*N，得到密文：

1.1.3 數(shù)據(jù)解密

針對密文c，通過計算：

得到明文。

L函數(shù)的主要作用是當(dāng)輸入數(shù)據(jù)x∈{u＜N2|u=1 modN}時，輸出結(jié)果為：

上述過程為數(shù)據(jù)加解密過程，其中同態(tài)加密過程如下。

給定兩個明文M1，M2∈?N，通過執(zhí)行式（1）的加密算法后，將得到對應(yīng)密文c1=E(M1)，c2=E(M2)。對密文c1、c2執(zhí)行以下操作：

即可得到同態(tài)明文數(shù)據(jù)。

1.2 Shamir門限秘密共享方案

Shamir在1979年提出秘密分享思想的同時，利用Lagrange插值多項式理論設(shè)計了一個具體的(t,n)秘密分享方案。主要思想：將秘密值s分成n份，其中對于任意不少于t(1≤t≤n)份可以恢復(fù)出秘密值s，任意少于t個分享不能重構(gòu)出s。該方案大概可以分為3個主要部分。

（1）系統(tǒng)參數(shù)生成。系統(tǒng)中n為全部參與者的人數(shù)，t為門限值，F(xiàn)q是q階有限域，其中q＞n。令q=p為素數(shù)，秘密值s∈Zp。

（2）秘密分發(fā)。秘密分發(fā)D選擇一個t階隨機多項式a(x)∈Zp[x]，滿足條件a(0)=s。D將si=a(i)發(fā)送給參與者Pi,i=1,2,3,…,n。

（3）秘密重構(gòu)。任意t個參與者可以利用自己的密文碎片重構(gòu)該秘密。設(shè)t個參與者Pi,i=1,2,3,…,t，令 A={1,2,3,…,t}，計算：

在式（6）中以0替換x，即可得結(jié)果s=a(0)。

2 模型介紹

多方認證的智能電網(wǎng)訪問控制方案模型如圖2所示。智能電表（Smart Metering，SM）構(gòu)成各類用電網(wǎng)絡(luò)，變電站（Substations，SU）是數(shù)據(jù)匯總中心，數(shù)據(jù)存儲采用云存儲中心（Cloud Storage Center，CSC）方式，而對數(shù)據(jù)的權(quán)限訪問控制則由認證機構(gòu)（Authorities，Auths）和遠程控制單元（Remote Terminal Units，RTU）共同完成。

圖2 系統(tǒng)概述

具體的，SM對采集的數(shù)據(jù)進行同態(tài)加密后，將密文上傳所屬SU；SU對來自各個SM即用電網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來的加密數(shù)據(jù)進行同態(tài)安全匯總；SU根據(jù)智能電表等用電網(wǎng)絡(luò)的具體屬性信息，如地理位置、保密級別、用電網(wǎng)絡(luò)類型等對這些匯總的密文進行屬性封裝，再把所有封裝后的密文數(shù)據(jù)上傳到CSC進行統(tǒng)一存儲管理。

為了實現(xiàn)Auths、RTU等訪問者多對多的認證關(guān)系，訪問具有多個屬性標(biāo)簽的密文要與對應(yīng)的多個認證機構(gòu)進行交互驗證。因此，在系統(tǒng)初始化過程中，所有密文涉及到屬性信息應(yīng)分別通知對應(yīng)的Auths進行初始化。分布在不同地點的變電站可以隨時對其匯總的密文數(shù)據(jù)進行上傳。所有訪問如審計人員、環(huán)境工程人員、電力工程師及決策制定者等，根據(jù)賦予自己的角色而具備不同的訪問屬性集合，不同屬性集合決定了該用戶所能訪問的數(shù)據(jù)類型和范圍大小。擁有多個屬性的訪問者通過RTU需與多個認證機構(gòu)進行通信，當(dāng)且僅當(dāng)經(jīng)過所有認證機構(gòu)的驗證后，該訪問者才獲得解密明文的權(quán)限。

3 本文方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)初始化

初始化過程中，系統(tǒng)隨機生成p、q、p*、q*四個素數(shù)，其中p=2p*+1，q=2q*+1。

令N=pq，T=p*q*，g=(1+N)jbNmodN2是群G的生成元，b為一個隨機數(shù)b ∈ ?*N；選取值d=0 modT且滿足d=j-1mod N。隨機選取，令 Δ=l!，則系統(tǒng)的公共參數(shù)GP={N,g,Δ}。

3.2 數(shù)據(jù)的加密和匯總

每個智能電表對其所測量的數(shù)據(jù)mi進行同態(tài)加密。根據(jù)系統(tǒng)的公共參數(shù)GP，隨意選取隨機數(shù)，密文為：

加密處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給所屬的SU，SU在接收到各個智能電表傳送來的數(shù)據(jù)ci后，對屬于同一個屬性集合的密文數(shù)據(jù)進行匯總，然后設(shè)置相應(yīng)的屬性信息向量 Al×n，而 ρ(x)表示屬性 x與 Al×n中某個屬性的映射。設(shè)n維矩陣ε=(a1,a2,…,an)，。令a1=d，多項式系統(tǒng)初始化時為每個認證機構(gòu)分配的屬性信息，最后變電站對所有接收到的密文進行匯總：

變電站即可將匯總的密文CT提交到CSC中。

3.3 認證機構(gòu)的建立

各個認證機構(gòu)θ從SU獲得相應(yīng)的屬性驗證信息(λθ,v)，認證機構(gòu)從云存儲中心獲取密文數(shù)據(jù)CT并計算CTθ=CT2Δλθ和 {vθ}=vΔ·λθ同時驗證logCT4(CTi2)=logv(vθ)是否相等。如果不等，認證機構(gòu)建立失??；否則，每個認證機構(gòu)進行下列計算：

3.4 認證與解密

每個決策人員根據(jù)自己具有的屬性集合S，通過該憑證S與多個認證機構(gòu)進行交互驗證其合法性。決策人員獲得對應(yīng)的部分密文碎片{CTi}，然后計算：

4 性能分析

4.1 仿真性能測試

本文的仿真實驗環(huán)境搭建在MacOS 10.13.3系統(tǒng)上，處理器為2.3 GHz Intel Core i5，內(nèi)存8 GB。所使用的編譯環(huán)境為：Apple LLVM version 9.0.0（clang-900.0.39.2），大數(shù)運算庫GMP -6.1.2_2。實驗通過計算機的處理時間來計算時間消耗。

圖3是系統(tǒng)在給定認證機構(gòu)數(shù)目不變的情況下，整個系統(tǒng)的時間消耗隨著智能電表個數(shù)的增加而變化的折線統(tǒng)計圖。

可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)單線程運行的情況下，SM加密過程的時間消耗隨著智能電表個數(shù)的增加呈線型增長。由于系統(tǒng)的初始化，認證和解密過程都是常量級別，其運算復(fù)雜度與SM數(shù)目無關(guān)，因此其時間消耗保持基本不變。

4.2 功能分析與對比

表1為本文方案與其他6種方案的功能對比分析。圖4是本文方案與文獻[12]方案在智能電表個數(shù)固定的情況下加密操作的運行時間代價對比圖。

表1 不同模型的功能對比

圖4 加密操作時間性能對比

從表1可以看出，文獻[10]方案、文獻[11]方案、文獻[12]方案與本方案都支持多方認證；支持云的方案有文獻[7]方案、文獻[9]方案和本方案；在數(shù)據(jù)匯總過程中，使用同態(tài)匯總機制的有文獻[8]方案、文獻[12]方案以及本文方案。

如圖4所示，在對智能電表的數(shù)據(jù)進行加密處理的過程中，本文方案的所有的計算操作僅僅涉及大數(shù)的分解、取模運算等，從未涉及到線性配對（Pairing）等復(fù)雜運算。而在文獻[12]方案中，假設(shè)屬性個數(shù)為m，一次pairing的時間代價為T，則文獻[12]在加密過程中的計算代價為(2m+1)T，與SM個數(shù)成正比例。通過以上實驗綜合對比可知，本文提出基于多方認證的智能電網(wǎng)訪問控制方案在數(shù)據(jù)加密處理過程具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié) 語

本文提出一種基于多方認證的智能電網(wǎng)訪問控制方案。通過在變電站中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的同態(tài)匯總和屬性化，最終將數(shù)據(jù)上傳至云端，使得整個過程在變電站完全不可信的情況下實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸安全、存儲安全和訪問控制安全。同時，數(shù)據(jù)訪問者在對云端數(shù)據(jù)進行訪問認證時，采用非中心化的多方認證機制來實現(xiàn)，有效解決了認證過程中單點故障的計算瓶頸問題，為以后的系統(tǒng)擴張和大數(shù)據(jù)計算奠定了堅實基礎(chǔ)。實驗仿真和性能分析對比表明，該方案具有實用性和可行性。