CN104113523B - 聚合器和用于聚合数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于网络中的聚合器以及用于在网络中聚合数据的方法。聚合器被配置成对加密数据进行聚合，聚合器包括安全元件，安全元件被配置成以安全方式对加密数据进行聚合。

Description

聚合器和用于聚合数据的方法
技术领域
本发明涉及聚合器，以及对应的用于聚合数据的方法。
背景技术
现在，能源系统越来越多地进行数据交换，诸如仪表读数。今后，所有反映例如个人设备或家用设备的能源要求的数据都将会被使用，特别是在智能电网中使用。通常，在树状网络中向上游发送这样的数据。在网络中的下一个节点处，出于多种原因，数据通常会被聚合，例如由于聚合值通常与网络中的较高节点最相关，由于聚集信息会提高可量性，以及由于通过聚合数据可以提高网络中的较低节点的私密性。
图1图解的是具有树状拓扑的能源网络的例子。特别是，图1图解的是用于高级量测体系(AMI：Advanced Metering Infrastructure)的典型网络结构。能源网络100包括位于网络树或层级的最高级的网络聚合器101，位于网络聚合器101下一级的城市聚合器102、103、104，以及位于城市聚合器102、103、104下一级的邻居聚合器105、106、107。在操作过程中，第一邻居聚合器105聚合从多个第一能源表108、109、110接收到的能源数据。第二邻居聚合器106聚合从多个第二能源表111、112、113接收到的能源数据。第三邻居聚合器107聚合从多个第三能源表114、115、116接收到的能源数据。邻居聚合器105、106、107将它们聚合的能源数据发送到城市聚合器103，城市聚合器103接着进行另外的数据聚合，并将它所聚合的数据发送到网络聚合器101。
图2图解的是用于未来的能源网络的系统架构200的例子。未来的能源网络，经常被称为智能电网，将可能会比现在的能源网络交换更多数据。此外，这些数据本质上通常是很敏感的。在这种网络中的节点通常是设备，诸如家用电器、电动车辆、光伏板、电子电表、家用能源闸道器等。用于这种未来网络的系统的例子是“PowerMatcher”系统(以下网址披露了该系统：http∶／／www.powermatcher.net／)。
“PowerMatcher”系统200致力于在分布式能源系统中平衡能源需求(消耗侧)和供给(生产侧)。该平衡是按以下方式执行的：设备向上游发送请求，反映它们当前的能源需求(正价格，表示它们想要支付的价格)和／或它们的能源供给(负价格，表示它们想要交付能源的价格)。下一个上游节点聚合不同设备的出价，并将该聚合的竞出高价发送到树中的下一个节点。该机制一直继续直到最高一级节点，即拍卖商。该节点具有网络中的总能源需求与供给的总体情况。基于该总体情况，确定消耗和生产中的市场供需平衡(以及相关联的价格)，并将其向下游发送到不同的设备。这些设备然后可以基于新的市场价格来调整它们实际的能源消耗。
未来的能源网络的缺点是可以得到大量详细的个人数据。在包含未受保护的网络节点的网络中交换和处理这样的数据会造成很大的隐私问题。很多研究报告表明，例如仅仅通过读取瞬时消耗数据，像在AMI中实现的那样，就可以很容易推断出关于家庭的很多信息(例如，房间数量，家里的人数，他们所拥有和使用的设备的种类，他们所观看的电视频道等等)。
此外，未来的能源网络还可能具有如下缺点：对于某些类型的数据，暴露这样的数据会使第三方以损害数据发送方为代价来获利。这种情况的一个例子是，当数据包含例如对某种商品的出价时，如果该数据被暴露给另一方，该另一方可能会在制定他们自己的出价时考虑原始的出价，从而在系统中进行博奕。
发明内容
本发明的目的是为了至少部分地克服上述缺点。
根据本发明的一个方面，提出一种用于网络中的聚合器，聚合器被配置成对加密数据进行聚合，聚合器包括安全元件，安全元件被配置成以安全方式对加密数据进行聚合。
根据本发明的聚合器的一个示范性实施例，安全元件被配置成通过以下方式对加密数据进行聚合：使用第一密钥对加密数据进行解密；对解密数据进行聚合；使用第二密钥对聚合数据进行加密。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，安全元件包括：密码单元，被配置成对加密数据进行解密以及对聚合数据进行加密；处理单元，被配置成对解密数据进行聚合；存储单元，被配置成至少存储第一密钥和第二密钥。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，存储单元还被配置成存储要聚合的加密数据和／或要聚合的解密数据。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，聚合器还被配置成从网络中的至少一个子节点接收加密数据。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，聚合器还被配置成将加密的聚合数据发送到网络中的父节点。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，安全元件还被配置成至少部分地对聚合数据进行随机化处理。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，安全元件还被配置成至少部分地对聚合数据被发送到网络中的父节点的频率和／或时间进行随机化处理。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，安全元件还被配置成仅当聚合数据与之前的聚合结果不同时才将聚合数据发送到网络中的父节点。
根据本发明的聚合器的另一个示范性实施例，所述数据包括能源数据和／或与能源数据相关的数据，特别是与能源数据相关的财务数据。
根据本发明的另一方面，提出一种网络，特别是能源网络，包括多个前述任意一种聚合器。
根据本发明的另一方面，提出一种用于在网络中聚合数据的方法，其中，聚合器对加密数据进行聚合，聚合器包括安全元件，安全元件以安全方式对加密数据进行聚合。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明，其中：
图1图解的是具有树状拓扑的能源网络的例子；
图2图解的是用于未来的能源网络的系统架构的例子；
图3图解的是本发明的示范性实施例。
参考标号列表
100 能源网络
101 网络聚合器
102 城市聚合器
103 城市聚合器
104 城市聚合器
105 邻居聚合器
106 邻居聚合器
107 邻居聚合器
108 电度表
109 电度表
110 电度表
111 电度表
112 电度表
113 电度表
114 电度表
115 电度表
116 电度表
200 系统架构
300 数据聚合
301 聚合器
302 安全元件
303 解密密钥
304 子节点
305 安全元件
306 加密密钥
具体实施方式
根据本发明，当聚合(私密)敏感数据时，仅在安全的硬件例如安全元件中以明文的形式暴露这些数据。在安全元件的外部，仅可以以加密形式得到敏感数据，用来对敏感数据进行加密／解密的密钥保存在安全元件中。这些加密密钥的例子是对称(秘密)密钥和非对称密钥(私钥／公钥)。
安全元件是防篡改硬件和／或软件模块，可以(例如在非易失性存储器单元中)存储数据以及(例如在密码单元中)对这些数据进行(密码)操作。本领域技术人员可以理解，安全元件通常具有高级安全特性，可以实现防篡改。安全元件的防篡改等级通常是由外部第三方来评估的。典型实例是根据保护轮廓和安全目标来进行评估，保护轮廓和安全目标是根据标准“信息技术安全评估通用准则”来制定的。
在典型实例中，安全元件从外部接收加密消息，使用适当的密钥对其进行解密，用于解密的密钥是与数据源相对应的，被存储在安全元件内部(受保护的)存储器中。随后，安全元件可以将多个数据采样聚合成一个或多个新的数据采样，安全元件使用适当的密钥对其进行加密，用于加密的密钥是与数据的设想的接收机相对应的。通常是在空间(对来自多个子节点的数据进行聚合)和／或时间(对来自相同节点的多个数据采样进行聚合)上发生聚合。本领域技术人员可以理解，聚合器还可以对零输入(例如一种空操作)进行聚合操作，以使其即便没有数据被聚合，也可以将加密的聚合数据发送到父节点。从而，攻击者不会从源自聚合器的通信中看出变化。
应当注意的是，本领域技术人员可以基于具体需求来选择适当的方法聚合数据。
最后，安全元件将加密数据再次发送到外部。通过仅能够在高度安全的硬件即安全元件中得到数据的明文，致使未经授权的人很难访问所述数据。应当注意的是，密钥对于两个安全元件之间的每次连接可以是不同的。这并不是严格的要求，但是在实践中，例如由于网络是由不同方来管理的，每一方使用他们自己的密钥或密钥集，因此经常优选使用不同的密钥。
图3图解的是本发明的示范性实施例。特别是，图3图解了仅在聚合器的安全元件中暴露敏感数据的明文版本的思想。可以在子节点304的安全元件305中得到敏感数据的明文版本，例如由电度表测量的能源数据。子节点304的安全元件305使用加密密钥306对敏感数据进行加密，然后将加密的敏感数据发送到聚合器301。聚合器301的安全元件302使用解密密钥303对敏感数据进行解密，以致可以得到敏感数据的明文。聚合器301的安全元件302现在可以将该敏感数据与例如从其他子节点(未显示)接收到的敏感数据聚合，对聚合的敏感数据进行加密，并将经加密的聚合的敏感数据发送到例如位于网络树更高一级的另外的聚合器(未显示)。
另外，安全元件可以在聚合的敏感数据中(例如随机)增加一些噪声，以便进一步保护系统中涉及的人的隐私。例如，在诸如上述PowerMatcher系统的出价系统中，这意味着聚合的出价被微调节(例如增加或减少，或延迟或重复)。这样是有利的，因为在系统的某处，由于外部控制机制的需要，聚合数据可能会离开安全元件。例如，在PowerMatcher系统中，必须要计算市场均衡。是否允许这样的随机化，这取决于使用聚合数据的系统。
需要重申的是，网络可以包括被配置成聚合加密的敏感数据的聚合器的树或层级。出于这个目的，聚合器包括安全元件，安全元件被配置成以安全方式对敏感数据进行聚合。为了建立网络，必须要将安全元件增加到网络中的节点的系统分区中。接下来，需要进行安全密钥分配和管理步骤，但是已经有现有技术来实现这一点。在大规模分布式系统中，例如可以使用基于公钥基础设施的方案。对于小型(家庭)网络来说，可以使用易于安装的方案，诸如在以下欧洲专利申请中描述的方案，发明名称：“在网络中的节点之间建立安全通信的方法，网络节点，密钥管理器，安装设备和计算机程序产品”，申请号：12168079.7，申请人：NXPB.V.，申请日：2012年5月15日。最后，安全元件必须包括在硬件和／或软件中实现的逻辑，以对接收到的数据进行解密操作以及对数据进行聚合操作，对聚合数据进行加密，并使外部可以得到这些数据。
应当注意的是，本文中的附图都是示意性的。在不同的附图中，相似的或相同的部分具有相同的参考标号。此外，应当注意的是，在本文中对实施例进行了简要描述，并没有对本领域的惯用技术手段和公知常识的实施细节做详细描述。应当理解的是，对于这些实施方式，本领域技术人员为了实现特定的目标会作出各种特定的实施决定，以符合系统要求或商业要求。然而对于本领域技术人员来说，对这些实施方式的变形并不超出本发明的保护范围。
上述实施例并不是用于限制本发明，本领域技术人员不背离所附权利要求的范围可以设计出许多替代实施例。在权利要求书中，置于括号中的任何附图标记不应被解释为是对权利要求的限制。本文中所使用的“包括”或“包含”并不排除存在其他部分或步骤。组成部分前面没有量词并不排除存在多个这样的部分。本发明可以通过包括若干不同组成部分的硬件来实现，和／或可以通过适当编程的处理器来实现。在列举了若干装置的设备权利要求中，这些装置可以由一个硬件单元和相同的硬件单元来实施。事实是，某些措施在相互不同的从属权利要求中被叙述并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (13)

1.一种用于网络中的聚合器，所述网络具有多个节点，其特征在于，所述聚合器被配置成对加密数据进行聚合，所述聚合器包括安全元件，安全元件被配置成通过以下方式以安全方式对加密数据进行聚合：
使用第一密钥将加密数据解密成非加密的明文形式；
对解密数据进行聚合；
使用第二密钥对聚合数据进行加密，其中所述非加密明文形式只在所述安全元件中高安全性硬件段中可用，
其中，安全元件在聚合数据中随机增加噪声。
2.如权利要求1所述的聚合器，其特征在于，安全元件包括：
密码单元，被配置成对加密数据进行解密以及对聚合数据进行加密；
处理单元，被配置成对解密数据进行聚合；
存储单元，被配置成至少存储第一密钥和第二密钥。
3.如权利要求2所述的聚合器，其特征在于，存储单元还被配置成存储要聚合的加密数据和/或要聚合的解密数据。
4.如在前的任意一项权利要求所述的聚合器，其特征在于，聚合器还被配置成从网络中的至少一个子节点接收加密数据。
5.如权利要求1所述的聚合器，其特征在于，聚合器还被配置成将加密的聚合数据发送到网络中的父节点。
6.如权利要求1所述的聚合器，其特征在于，安全元件还被配置成至少部分地对聚合数据进行随机化处理。
7.如权利要求1所述的聚合器，其特征在于，安全元件还被配置成至少部分地对聚合数据被发送到网络中的父节点的频率和/或时间进行随机化处理。
8.如权利要求1所述的聚合器，其特征在于，安全元件还被配置成仅当聚合数据与之前的聚合结果不同时才将聚合数据发送到网络中的父节点。
9.如权利要求1所述的聚合器，其特征在于，所述数据包括能源数据和/或与能源数据相关的数据。
10.如权利要求9所述的聚合器，其特征在于，所述数据包括与能源数据相关的财务数据。
11.一种网络，其特征在于，包括多个如在前的任意一个权利要求所述的聚合器。
12.如权利要求11所述的网络，其特征在于，所述网络是能源网络。
13.一种用于在网络中聚合数据的方法，所述网络具有多个节点，其特征在于，聚合器对加密数据进行聚合，所述聚合器包括安全元件，安全元件以安全方式对加密数据进行聚合，安全元件被配置成通过以下方式以安全方式对加密数据进行聚合：
使用第一密钥将加密数据解密成非加密的明文形式；
对解密数据进行聚合；
使用第二密钥对聚合数据进行加密，其中所述非加密明文形式只在所述安全元件中高安全性硬件段中可用，
其中，安全元件在聚合数据中随机增加噪声。
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