CN104580061B - 一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合方法及系统，该方法由智能电表实时记录并汇报用户的用电量；由控制中心负责收集、处理和分析用户的实时用电量数据；由网关负责数据的聚合；由可信中心负责管理整个系统。主要模块包括：系统初始化模块；数据聚合请求模块；数据聚合请求中继模块；用户数据汇报模块；安全数据聚合模块；聚合数据恢复模块。该发明实现了安全数据聚合系统，用于保护用户的用电隐私，防止恶意的外部攻击者及电能控制中心滥用权限，有效抵抗恶意软件植入攻击；通过引入辅助密文，实现了物理及通信容错，确保在部分电量数据汇报失败的情况下，仍能自动聚合、成功汇报用户的用电量数据。

Description

一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合方法及系统

技术领域

本发明属于智能电网技术领域，具体涉及一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合方法及系统。

背景技术

在智能电网技术领域中，Elaine Shi等人提出了可以保护用户个人隐私，并防止电能控制中心滥用权限的数据聚合方案。通过引入分布式的盲因子秘密信息，每个用户利用各自的盲因子，提交加密后的个人用电量，电能控制中心在获得总的用电量密文后，在不泄露各用户个人用电量的前提下，通过其掌握的盲因子和秘密信息，去盲化并解密，从而获取用户总的用电量。然后，该方式设计的系统，不能在技术上推广到支持容错的应用环境。而且，系统只是实现了差分隐私安全。每个用户以概率的形式加入分布式的噪音。这就意味着，系统中，不存在确定性以概率加入噪音的用户。即使可以设置得比较小，系统的可用性（差分隐私的精确度）受到很大的影响。

针对上述缺陷，Chen Le等人设计了支持容错的，可保护用户隐私的数据聚合系统，并应用于智能电网。当控制中心的部分服务器，或者部分用户的数据被攻击后，系统仍能进行安全数据聚合，并保护用户的个人隐私，从而实现了物理和数据容错。然而，尽管用户的汇报用电量以密文的形式传送，并进行了聚合处理，从而保护了用户的个人隐私，但是，该系统面临着潜在的差分隐私攻击，其严重影响了系统的安全性。

基于上述两种缺陷，Jongho Won等人设计了可保护用户隐私，并支持容错的数据聚合系统。然而，系统需要在每一对用户之间共享秘密密钥，造成了巨大的存储开销，并严重影响了网络带宽，造成通信系统延时等。Jongho Won等人同时对基本体制进行了推广，以支持物理和通信容错。然而，此技术的计算和通信开销非常复杂，系统所有用户和数据聚合服务器之间需运行多轮消息交换，而且，推广的系统只能支持部分容错。其次，该系统存在潜在的安全隐患，可被具有敌意的数据聚合服务器所利用。半可信的聚合服务器可声称，由于通信故障等客观原因，丢失并未成功接受到某些用户的用电量汇报报文，并恶意重复请求用户重新发送。由于在技术上不能区分数据聚合服务器是否成功接收到数据报文，重复接受的用电量报告数据可被数据聚合服务器滥用，并破坏和泄露用户的个人隐私数据。再次，推广的体制预先假设固定的数据汇报失败最大可能的参数，并在此假设下，加入额外的噪音以满足差分隐私的安全要求。然而，实际系统运行中，可能的物理故障和通信错误的用户数，并不能预先设定，由于故障具有很强的偶然性和随机性。因此，在多数情况下，系统的可用性很低，不能根据具体情况加入合适的满足差分隐私安全性要求的噪音信息。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种智能电网中支撑容错并能抵抗差分隐私的安全数据聚合方法及系统。

所述的智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合方法，其特征在于该方法由安装在用户中的智能电表实时记录并汇报用户的用电量；由控制中心负责收集、处理和分析各用户的实时用电量数据，并提供可靠的智能服务；由具有数据聚合功能和中继功能的网关负责聚合住户区中各用户提交的用电量数据，并负责控制中心和用户之间的数据的传输；由可信中心负责管理整个系统，具体步骤如下：（1）系统初始化模块

1）可信中心根据输入的安全参数，运行系统初始化算法，获得参数，其中为安全素数，为介循环群，并且上的离散对数问题在计算上不可行；

2）可信中心选择密码学意义上安全的哈希函数，其中；

3）可信中心进行以下操作，向每个用户和控制中心发布秘密信息：

可信中心为每个用户选择随机数，并将分配给用户，作为其秘密信息；

可信中心计算，满足；

可信中心将分配给控制中心，作为其秘密信息；

4）可信中心公开；

（2）数据聚合请求模块

系统协同如下数据汇报时间点：，在数据汇报时间点，控制中心执行以下操作，发起数据聚合请求：

1）随机选择，并计算；

2）将发送给网关；

（3）数据聚合请求中继模块

控制中心接收到以后，将其转发给每一个用户；

（4）用户数据汇报模块

每个用户在时间点，执行以下操作，将用电量汇报给网关：

1）计算；

2）计算的密文如下：

；

；

3）至少找到另外1个以上的其它用户进行合作，将各自的和进行预先数据聚合，并将聚合以后的数据发送给网关；

（5）安全数据聚合模块

假设和是相差一个用户的两个集合，每个用户在任意两个相邻数据汇报时间点内的最大用电量为，

则成立，也就是说差分隐私系统的敏感度函数为；

如果所有个用户正常汇报数据，网关执行下面的操作：

1）将接收到的所有进行聚合：；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）将汇报给控制中心；

如果一些用户故障，网关执行下面的操作：

1）对接收到的进行聚合：

；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）对辅助密文进行聚合：；

5）将和通过网关，汇报给控制中心；

（6）聚合数据恢复模块

如果所有个用户正常汇报数据，控制中心执行下面的操作：

1）计算 ；

2）计算；

3）计算基于为底的对数，从而恢复出用户包含噪音信息的聚合用电量；

如果一些用户故障，控制中心执行下面的操作：

1）计算

2）类似于所有个用户正常汇报数据，恢复出正常汇报数据用户的，包含噪音信息的聚合用电量。

所述的智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合系统，其特征在于包括：

可信中心：负责管理整个系统；

控制中心：负责收集、处理和分析各用户的实时用电量数据，并提供可靠的服务；

网关：用于连接可信中心和住户区，负责聚合住户区中各用户提交的用电量数据；同时负责将控制中心的控制指令传送到各用户，以及将各用户的汇报用电量转发给控制中心；

用户：住户区中共有n个用户,每个用户都安装一个智能电表，用于实时记录并汇报用户的用电量。

所述的智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合系统，其特征在于该聚合系统还包括：

（1）系统初始化模块

在可信中心的控制下，采用分布式的技术，在用户和控制中心间共享，满足约束关系的盲因子，和，用于保护用户隐私的方法；

（2）数据聚合请求和数据聚合请求中继模块

通过网关中继，植入控制中心秘密信息的技术，用于聚合数据恢复模块中去除秘密信息，有效恢复聚合数据的方法；

（3）用户数据汇报模块

1）轻量级、自动式时间同步的方法；

2）植入辅助密文的技术，用于支持物理和通信数据容错的方法；

3）用户间进行数据预聚合的技术，用于高效减轻网关计算开销以及有效分散网关权限的方法；

（4）安全数据聚合模块

1）通过实现基于对称几何分布噪音的差分隐私安全的技术，用于同时满足差分隐私安全要求及高效支持容错的方法；

2）通过融合与集成“正常条件下数据聚合”、“故障容错条件下正常密文聚合” 和“故障容错条件下辅助密文数据聚合”的技术，用于兼容正常条件、故障条件下的有效支持容错的安全数据聚合的方法；

（5）聚合数据恢复模块

1）通过集成“基于分布式盲因子和的无故障数据恢复”和“基于辅助密文的故障容错”，两套机制的技术，用于高效故障容错支持，快速数据恢复的方法；

2）通过基于简单形式离散对数底（与单因素汇聚时间相关）的技术，用于高效恢复用户聚合用电量的方法。

本发明与现有技术相比，存在以下有益效果：

1）通过引入辅助密文，实现自动同步、分布式故障容错支持。克服了所有现有系统，依赖于可信中心追溯、跟踪和区分正常提交数据用户和故障用户的缺陷，变革手动和半自动容错为全自动容错。利用辅助密文，实现了灵活和高效的容错系统，支持任意个数的故障用户，并同时支持任意时间的故障时间；

2）所有现有系统，很少能同时支持容错和差分隐私安全。极少的虽然能同时支持，由于基于少量故障用户，或者固定最大个数的故障用户的前提假设，所以存在很多技术缺陷，可操作性较差。该系统同时支持容错和差分隐私安全，并且平衡了精确度（小噪音）和差分隐私安全，并支持任意个数的故障用户；

3）实现了预先数据聚合的方法，分散了网关GW的计算负荷。在减轻计算资源有限的GW负担的同时，有效分散了半可信GW的权限，使系统更为高效和安全。

附图说明

图1为本发明整体系统架构结构示意图。

具体实施方式

本发明下面结合附图及具体实施方式予以进一步详述。

智能电网中支持容错及抵抗差分攻击的聚合方法，该方法由安装在用户中的智能电表实时记录并汇报用户的用电量；由控制中心负责收集、处理和分析各用户的实时用电量数据，并提供可靠的智能服务；由具有数据聚合功能和中继功能的网关负责聚合住户区中各用户提交的用电量数据，并负责控制中心和用户之间的数据的传输；由可信中心负责管理整个系统，具体步骤如下：

（1）系统初始化模块

1）可信中心根据输入的安全参数，运行系统初始化算法，获得参数，其中为安全素数，为介循环群，并且上的离散对数问题在计算上不可行；

2）可信中心选择密码学意义上安全的哈希函数，其中；

3）可信中心进行以下操作，向每个用户和控制中心发布秘密信息：

可信中心为每个用户选择随机数，并将分配给用户，作为其秘密信息；

可信中心计算，满足；

可信中心将分配给控制中心，作为其秘密信息；

4）可信中心公开；

（2）数据聚合请求模块

系统协同如下数据汇报时间点：，在数据汇报时间点，控制中心执行以下操作，发起数据聚合请求：

1）随机选择，并计算；

2）将发送给网关；

（3）数据聚合请求中继模块

控制中心接收到以后，将其转发给每一个用户；

（4）用户数据汇报模块

每个用户在时间点，执行以下操作，将用电量汇报给网关：

1）计算；

2）计算的密文如下：

；

；

3）至少找到另外1个以上的其它用户进行合作，将各自的和进行预先数据聚合，并将聚合以后的数据发送给网关；

（5）安全数据聚合模块

假设和是相差一个用户的两个集合，每个用户在任意两个相邻数据汇报时间点内的最大用电量为，

则成立，也就是说差分隐私系统的敏感度函数为；

如果所有个用户正常汇报数据，网关执行下面的操作：

1）将接收到的所有进行聚合：；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）将汇报给控制中心；

如果一些用户故障，网关执行下面的操作：

1）对接收到的进行聚合：

；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）对辅助密文进行聚合：；

5）将和通过网关，汇报给控制中心；

（6）聚合数据恢复模块

如果所有个用户正常汇报数据，控制中心执行下面的操作：

1）计算 ；

2）计算；

3）计算基于为底的对数，从而恢复出用户包含噪音信息的聚合用电量；

如果一些用户故障，控制中心执行下面的操作：

1）计算

2）类似于所有个用户正常汇报数据，恢复出正常汇报数据用户的，包含噪音信息的聚合用电量。

智能电网中支持容错及抗攻击的聚合系统，包括可信中心：负责管理整个系统；控制中心：负责收集、处理和分析各用户的实时用电量数据，并提供可靠的服务；网关：用于连接可信中心和住户区，负责聚合住户区中各用户提交的用电量数据；同时负责将控制中心的控制指令传送到各用户，以及将各用户的汇报用电量转发给控制中心；用户：住户区中共有n个用户,每个用户都安装一个智能电表，用于实时记录并汇报用户的用电量。该数据聚合系统还包括：

（1）系统初始化模块

在可信中心的控制下，采用分布式的技术，在用户和控制中心间共享，满足约束关系的盲因子，和，用于保护用户隐私的方法；

（2）数据聚合请求和数据聚合请求中继模块

通过网关中继，植入控制中心秘密信息的技术，用于聚合数据恢复模块中去除秘密信息，有效恢复聚合数据的方法；

（3）用户数据汇报模块

1）轻量级、自动式时间同步的方法；

2）植入辅助密文的技术，用于支持物理和通信数据容错的方法；

3）用户间进行数据预聚合的技术，用于高效减轻网关计算开销以及有效分散网关权限的方法；

（4）安全数据聚合模块

1）通过实现基于对称几何分布噪音的差分隐私安全的技术，用于同时满足差分隐私安全要求及高效支持容错的方法；

2）通过融合与集成“正常条件下数据聚合”、“故障容错条件下正常密文聚合” 和“故障容错条件下辅助密文数据聚合”的技术，用于兼容正常条件、故障条件下的有效支持容错的安全数据聚合的方法；

（5）聚合数据恢复模块

1）通过集成“基于分布式盲因子和的无故障数据恢复”和“基于辅助密文的故障容错”，两套机制的技术，用于高效故障容错支持，快速数据恢复的方法；

2）通过基于简单形式离散对数底（与单因素汇聚时间相关）的技术，用于高效恢复用户聚合用电量的方法。

和传统的电力系统相比，新兴的智能电网，由于融入了数据通信和处理、先进控制和传感等技术，使得电能的使用（从电能产生、传输、分配到终端用户消费）更为可靠和高效。通过在能量流和信息流的双向通信链路上部署各种传感器，电能控制中心可实时收集终端用户的电能消费量，从而实现在线监控和智能数据分析。然而，对包含用户日常用电量和用电习惯等敏感信息，进行频繁（通常“秒”级）数据采集与分析，严重威胁了用户的隐私。采用数据聚合的方法，可以批量传送用户的汇聚信息，提高运行效率的同时，保护用户个人数据不被泄露和非法利用。

然而，现有智能电网数据聚合系统中，电能控制中心在获取用户聚合数据的同时，存在滥用权限的隐患，未从技术上有效防止用户隐私信息泄露；其次，具有强大攻击能力的攻击者，可通过在电能控制中心服务器中，植入不易发现的恶意软件或应用进程，窃取用户的隐私信息；除此以外，由于用户的智能电表通常价格相对比较低廉，经常部署在不被用户充分保护的环境中，而且智能电表往往通过可靠性较低的无线链路接入通信网络，因此极易面临物理损伤或通信故障等引起的数据汇报失败；再次，差分隐私攻击，作为早期数据库系统的攻击方式，已被攻击者用于攻击智能电网。通过差分隐私攻击，攻击者在截获相差一个用户的两个子集合的用户群体用电量总和的基础上，可分析并计算出用户的个人用电量。

该发明实现了一个安全的数据聚合系统，一方面，用于保护用户的用电隐私，可有效防止恶意的外部攻击者，防止电能控制中心滥用权限，有效抵抗恶意软件植入攻击，从技术上防止内部好奇的系统用户获取其他用户的个人用电量。并通过对称几何分布噪音系统的设计，有效抵抗差分隐私攻击；另一方面，通过引入辅助密文，实现了高效的物理及通信容错，在极端应用环境引起的部分电量数据汇报失败的情况下，仍能自动聚合且成功汇报用户的用电量数据。

Claims (3)

1.一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合方法，其特征在于该方法由安装在用户中的智能电表实时记录并汇报用户的用电量；由控制中心负责收集、处理和分析各用户的实时用电量数据，并提供可靠的智能服务；由具有数据聚合功能和中继功能的网关负责聚合住户区中各用户提交的用电量数据，并负责控制中心和用户之间的数据传输；由可信中心负责管理整个系统，具体步骤如下：

（1）系统初始化模块

1）可信中心根据输入的安全参数，运行系统初始化算法，获得参数，其中为安全素数，为介循环群，并且上的离散对数问题在计算上不可行；

2）可信中心选择密码学意义上安全的哈希函数，其中；

3）可信中心进行以下操作，向每个用户和控制中心发布秘密信息：

可信中心为每个用户选择随机数，并将分配给用户，作为其秘密信息；

可信中心计算，满足；

可信中心将分配给控制中心，作为其秘密信息；

4）可信中心公开；

（2）数据聚合请求模块

系统协同如下数据汇报时间点：，在数据汇报时间点，控制中心执行以下操作，发起数据聚合请求：

1）随机选择，并计算；

2）将发送给网关；

（3）数据聚合请求中继模块

网关接收到以后，将其转发给每一个用户；

（4）用户数据汇报模块

每个用户在时间点，执行以下操作，将用电量汇报给网关：

1）计算；

2）计算的密文如下：

；

；

3）至少找到另外1个以上的其它用户进行合作，将各自的和进行预先数据聚合，并将聚合以后的数据发送给网关；

（5）安全数据聚合模块

假设和是相差一个用户的两个集合，每个用户在任意两个相邻数据汇报时间点内的最大用电量为，

则成立，也就是说差分隐私系统的敏感度函数为；

如果所有个用户正常汇报数据，网关执行下面的操作：

1）将接收到的所有进行聚合：；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）将汇报给控制中心；

如果一些用户故障，网关执行下面的操作：

1）对接收到的进行聚合：

；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）对辅助密文进行聚合：；

5）将和通过网关，汇报给控制中心；

（6）聚合数据恢复模块

如果所有个用户正常汇报数据，控制中心执行下面的操作：

1）计算 ；

2）计算；

3）计算基于为底的对数，从而恢复出用户包含噪音信息的聚合用电量；

如果一些用户故障，控制中心执行下面的操作：

1）计算

2）类似于所有个用户正常汇报数据，恢复出正常汇报数据用户的，包含噪音信息的聚合用电量。

2.一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合系统，其特征在于包括：可信中心：负责管理整个系统；控制中心：负责收集、处理和分析各用户的实时用电量数据，并提供可靠的服务；网关：用于连接可信中心和住户区，负责聚合住户区中各用户提交的用电量数据；同时负责将控制中心的控制指令传送到各用户，以及将各用户的汇报用电量转发给控制中心；用户：住户区中共有n个用户,每个用户都安装一个智能电表，用于实时记录并汇报用户的用电量；其具体为：

1）可信中心根据输入的安全参数，运行系统初始化算法，获得参数，其中为安全素数，为介循环群，并且上的离散对数问题在计算上不可行；

2）可信中心选择密码学意义上安全的哈希函数，其中；

3）可信中心进行以下操作，向每个用户和控制中心发布秘密信息：

可信中心为每个用户选择随机数，并将分配给用户，作为其秘密信息；

可信中心计算，满足；

可信中心将分配给控制中心，作为其秘密信息；

4）可信中心公开；

系统协同如下数据汇报时间点：，在数据汇报时间点，控制中心执行以下操作，发起数据聚合请求：

1）随机选择，并计算；

2）将发送给网关；网关接收到以后，将其转发给每一个用户；

每个用户在时间点，执行以下操作，将用电量汇报给网关：

1）计算；

2）计算的密文如下：

；

；

3）至少找到另外1个以上的其它用户进行合作，将各自的和进行预先数据聚合，并将聚合以后的数据发送给网关；

所有个用户正常汇报数据，网关执行下面的操作：

1）将接收到的所有进行聚合：；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）将汇报给控制中心；

一些用户故障，网关执行下面的操作：

1）对接收到的进行聚合：

；

2）随机选择符合对称几何分布的噪音；

3）计算最终的聚合数据 ；

4）对辅助密文进行聚合：；

5）将和通过网关，汇报给控制中心；

（6）聚合数据恢复模块

所有个用户正常汇报数据，控制中心执行下面的操作：

1）计算 ；

2）计算；

3）计算基于为底的对数，从而恢复出用户包含噪音信息的聚合用电量；

一些用户故障，控制中心执行下面的操作：

1）计算

2）类似于所有个用户正常汇报数据，恢复出正常汇报数据用户的，包含噪音信息的聚合用电量。

3.根据权利要求2所述的一种智能电网中支持容错及抗差分攻击的聚合系统，其特征在于该聚合系统还包括：

（1）系统初始化模块

在可信中心的控制下，采用分布式的技术，在用户和控制中心间共享，满足约束关系的盲因子，和，用于保护用户隐私的方法；

（2）数据聚合请求和数据聚合请求中继模块

通过网关中继，植入控制中心秘密信息的技术，用于聚合数据恢复模块中去除秘密信息，有效恢复聚合数据的方法；

（3）用户数据汇报模块

1）轻量级、自动式时间同步的方法；

2）植入辅助密文的技术，用于支持物理和通信数据容错的方法；

3）用户间进行数据预聚合的技术，用于高效减轻网关计算开销以及有效分散网关权限的方法；

（4）安全数据聚合模块

1）通过实现基于对称几何分布噪音的差分隐私安全的技术，用于同时满足差分隐私安全要求及高效支持容错的方法；

2）通过融合与集成“正常条件下数据聚合”、“故障容错条件下正常密文聚合” 和“故障容错条件下辅助密文数据聚合”的技术，用于兼容正常条件、故障条件下的有效支持容错的安全数据聚合的方法；

（5）聚合数据恢复模块

1）通过集成“基于分布式盲因子和的无故障数据恢复”和“基于辅助密文的故障容错”，两套机制的技术，用于高效故障容错支持，快速数据恢复的方法；

2）通过基于与单因素汇聚时间相关的简单形式离散对数为底的技术，用于高效恢复用户聚合用电量的方法。