CN105812128A - 一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统及方法，系统包括控制中心CC、网关GW、家域网HAN；假设系统内有<i>n</i>个用户，家域网HAN由部署在某个用户家中的智能电表、智能设备组成，用于实时采集该用户的用电信息；网关GW通过WiFi与<i>n</i>个家域网HAN进行双向通信，家域网HAN利用WiFi将加密后的用户电量发送给网关GW；网关GW通过有线网络与控制中心CC进行双向通信，网关GW利用有线网络将聚合电量发送给控制中心CC。方法包括系统参数和验证密钥的生成、实体注册、数据加密及用户报告的生成、具有抗恶意数据挖掘攻击的用户电量聚合、聚合密文的验证和解密5部分；本发明能够保证在恶意数据挖掘攻击下用户隐私不被泄露。

Description

一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统及方法

技术领域

本发明属于智能电网分布式能源(DistributedEnergyResources，DER)技术领域和用户智能电表数据隐私保护技术领域，涉及一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统及方法；特别涉及一种针对恶意数据挖掘攻击、用户数据隐私保护需要的抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统及方法。

背景技术

智能电网(SmartGrid)作为下一代电网受到越来越多的关注，它是将传统电力技术与现代数字信息技术相结合而形成的新型电网。为了实现各种智能服务，智能电网需要利用用户实时用电信息。这些实时用户用电信息蕴含着很多用户的隐私。攻击者通过监听等手段可以获得这些实时数据，对这些实时数据进行分析，能够获得用户是否在家、用户的作息时间等隐私信息。因此，如何保护智能电网中用户的隐私是一个重要课题。

在智能电网架构中，某用户的用电量(即该用户的智能电表数据)通常是通过网关发送给控制中心的，如果有n个用户，那么网关需要每隔一段时间(比如5分钟)转发n个被加密的用户电量给控制中心，控制中心再分别对这n个加密用电量实施解密后才能对该区域的电力使用情况进行分析。显然这种方式效率不高，而且如果敌手攻破了或入侵了控制中心的服务器或者贿赂了控制中心员工，那么敌手就获得了该区域中任何一个用户的用电量。

目前也出现了一些解决上述问题的方法，例如基于同态加密算法的数据聚合方法；简单来说，数据聚合的作用是将多个数据聚合成一个数据；同态加密算法具有这样的特性：对加密后得到的密文实施某种操作的结果就是对被加密的明文实施另一种操作的结果的密文。

现有的聚合方案使得控制中心获得的是区域用电总量(即n个用户用电量之和)，因此敌手即使入侵了控制中心的数据库，也无法获得用户的个人用电信息。但是这样的聚合方案不能抗恶意数据挖掘攻击。敌手可以与网关共谋在连续的聚合过程中，交替聚合n个用户的用电量和只聚合除目标用户之外的n-1个用户的用电量，那么控制中心交替获得n个用户的用电总量和n-1个用户的用电总量。通过相邻两次用电总量的差值，敌手可以获得被攻击用户的电量信息，造成目标用户隐私泄露。

智能电网中已有的数据聚合方案不能抵抗恶意数据挖掘攻击。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统，其特征在于：包括控制中心CC、网关GW、家域网HAN；假设所述系统内有n个用户，所述家域网HAN由部署在某个用户家中的智能电表、智能设备组成，用于实时采集该用户的用电信息；所述网关GW通过WiFi与n个家域网HAN进行双向通信，家域网HAN利用WiFi将加密后的用户电量发送给所述网关GW；所述网关GW通过有线网络与所述控制中心CC进行双向通信，所述网关GW利用有线网络将聚合电量发送给控制中心CC。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：系统参数和验证密钥的生成；

步骤2：实体注册；

步骤3：数据加密及用户报告的生成；

步骤4：具有抗恶意数据挖掘攻击的用户电量聚合；

步骤5：聚合密文的验证和解密。

作为优选，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：可信控制中心CC选择安全参数κ，计算Paillier加密算法的公钥N＝(p₁q₁,g)和私钥(λ,μ)；其中p₁、q₁是两个大素数且满足|p₁|＝|q₁|＝κ，g是的一个生成元；安全加密hash函数其中H₁、H₂也是两个安全加密hash函数:是一个阶为p的循环群，p是一个大素数且|p|＝κ，g₁、g₂是的两个随机生成元；

步骤1.2：随机选择n+1个密钥i＝0,1,2,…,n，使得 $\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i=0\mathrm{mod}p;$

步骤1.3：随机选择n对密钥(sk_user_i,sk_gw_i)，i＝1,2,…,n，其中sk_user_i，使得sk_user_i+sk_gw_i＝0modp；

步骤1.4：可信控制中心CC公布系统参数

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：网关GW注册；

网关GW向控制中心CC发送注册请求，控制中心CC返回网关GW的n个密钥sk_gw_i，i＝1,2,…,n，控制中心CC不再保存这n个密钥；

步骤2.2：用户User_i(i＝1,2,…,n)注册；

用户User_i向控制中心CC发送注册请求，控制中心CC向注册用户User_i返回密钥对(sk_i,sk_user_i)，控制中心CC不再保存(sk_i,sk_user_i)。

作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：用户定期通过智能电表收集自己的用电量；

步骤3.2：利用同态加密算法对其进行加密；

步骤3.3：利用密钥对对用户电量进行第二次加密；

步骤3.4：生成用户报告并发送给网关GW。

作为优选，步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：网关GW收到用户报告之后，首先对收到的用户报告进行身份验证，验证下面等式是否成立：

${\left({g_2}^{sk\_{\mathrm{user}}_i}\right)}^{H_2\left(T\right)}\&CenterDot;{\left({g_2}^{sk\_{\mathrm{gw}}_i}\right)}^{H_2\left(T\right)}=1$

确保收到的用户报告是来自本社区的合法用户且该用户的用电量未被篡改或伪造；

步骤4.2：若验证通过，则网关GW开始加密用户电量实施聚合得到聚合密文：否则终止；

步骤4.3：将聚合密文发送给控制中心CC。

作为优选，步骤5的具体实现包括以下子步骤：

步骤5.1：控制中心CC收到来自网关GW的聚合密文之后，进行如下计算：

$\begin{array}{c}C\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}=(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)}^{H_1\left(T\right)})\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}\\ =\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\right)\&CenterDot;\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)}^{H_1\left(T\right)}\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}\\ =\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\right)\&CenterDot;\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_0}\\ =(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{g}^{d_i}\&CenterDot;r_i^N{\mathrm{modN}}^2)\&CenterDot;\left(\underset{i=0}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)\\ =\left(\right(g^{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{d}_i}\&CenterDot;{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{r}_i\right)}^N\left){\mathrm{modN}}^2\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i}\\ =(g^{AM}\&CenterDot;R^N{\mathrm{modN}}^2)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i}\end{array}$

令

步骤5.2：若则控制中心CC利用Paillier解密密钥(λ,μ)和Paillier解密算法，对g^AM·R^NmodN²进行解密得到用户用电总量AM；否则控制中心CC无法获得任何信息。

本发明方法与现有的技术相比有如下的优点和有益效果：

本发明确保智能电网中的用户隐私在外部攻击、内部攻击和恶意数据挖掘攻击下不被泄露，具有很高的实用性。用户将电量发送给网关之前，对其电量进行两次加密：第一次加密是利用同态加密算法对电量信息实施加密，其目的是用来实现抗外部攻击(通过监听通信信道等方式获得用户的用电信息)和内部攻击(通过入侵网关或贿赂CC工作人员等方式获得用户的用电信息)，第二次加密是利用密钥对对第一次加密后的密文进行加密，其目的是用来实现抗恶意数据挖掘攻击。网关在验证完收到的用户报告的合法性之后对二次加密后的用户电量实施聚合。控制中心判断是否存在恶意数据挖掘攻击的可能，如果不存在则利用同态加密方案中的密钥和解密算法对聚合密文实施解密获得所有用户的用电总量，但无法获得某个用户的用电量。同时，信道中传输的均是密文。因此，本发明具有很高的隐私保护安全性。

附图说明

图1：本发明实施例的系统构架图；

图2：本发明实施例的方法流程图；

图3：本发明实施例的方法中用户注册流程图的。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统，具体包括控制中心(ControlCenter，以下简称CC)、网关(Gateway，以下简称GW)、家域网(HomeAreaNetwork，以下简称HAN)；

假设有n个用户；HAN由部署在某个用户家中的智能电表、智能设备组成，可以实时采集该用户的用电信息。GW通过廉价的WiFi与社区中的n个HAN进行双向通信，HAN利用WiFi将二次加密后的用户电量发送给GW，GW通过它与HAN之间的WiFi连接将响应转发给HAN；GW通过高带宽低时延的有线网络与CC进行双向通信，AW利用有线网络将聚合电量发送给CC，CC利用有线网络将响应发送给GW。

请见图2和图3，本发明提供的一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，包括以下步骤：

步骤1：系统参数和验证密钥的生成；

步骤1.1：可信CC选择安全参数κ，计算Paillier加密算法的公钥(N＝p₁q₁,g)和私钥(λ,μ)。其中p₁、q₁是两个大素数且满足|p₁|＝|q₁|＝κ，g是的一个生成元。安全加密hash函数其中H₁、H₂也是两个安全加密hash函数:是一个阶为p的循环群，p是一个大素数且|p|＝κ，g₁、g₂是的两个随机生成元。

步骤1.2：随机选择n+1个密钥(i＝0,1,2,…,n)，使得 $\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i=0\mathrm{mod}p;$

步骤1.3：随机选择n对密钥(sk_user_i,sk_gw_i)(i＝1,2,…,n)，其中sk_user_i，使得sk_user_i+sk_gw_i＝0modp；

步骤1.4：可信CC公布系统参数

步骤2：实体注册；

步骤2.1：网关GW注册，详细注册过程涉及参照图3中的步骤2.1.1至步骤2.1.2。

步骤2.1.1：GW向CC发送注册请求；

步骤2.1.2：CC返回GW的n个密钥sk_gw_i(i＝1,2,…,n)，CC不再保存这n个密钥。

步骤2.2：用户User_i(i＝1,2,…,n)注册，详细注册过程涉及参照图3中的步骤2.2.1至步骤2.2.2。

步骤2.2.1：User_i向CC发送注册请求；

步骤2.2.2：CC向注册用户User_i返回密钥对(sk_i,sk_user_i)，CC不再保存(sk_i,sk_user_i)。

用户报告生成涉及图2中的步骤3。

步骤3：数据加密及用户报告的生成；

步骤3.1：用户User_i利用智能电表周期性地(如每隔5分钟或每隔15分钟等)收集自己的用电量d_i，随机选择然后对d_i实施Paillier加密：利用密钥对(sk_i,sk_user_i)对C_i进行二次加密：其中T为当前时戳。用户User_i的用户报告为

步骤3.2：将用户报告发送给网关GW。

具有抗恶意数据挖掘攻击的电量聚合涉及图2中的步骤4。

步骤4：聚合数据的生成；

步骤4.1：GW收到用户报告之后，首先需要对收到的用户报告进行身份验证，确保收到的用户报告是来自本社区的合法用户且该用户的用电量未被篡改或伪造。验证下面等式是否成立：

${\left({g_2}^{sk\_{\mathrm{user}}_i}\right)}^{H_2\left(T\right)}\&CenterDot;{\left({g_2}^{sk\_{\mathrm{gw}}_i}\right)}^{H_2\left(T\right)}=1$

步骤4.2：如果步骤4.1的验证通过了，那么GW开始加密用户电量实施聚合得到聚合密文：否则终止。

步骤4.3：将聚合密文发送给CC。

聚合密文的解密涉及图2中的步骤5。

步骤5：解密聚合密文；

步骤5.1：CC收到来自GW的聚合密文之后，首先进行如下计算：

$\begin{array}{c}C\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}=(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)}^{H_1\left(T\right)})\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}\\ =\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\right)\&CenterDot;\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)}^{H_1\left(T\right)}\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}\\ =\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\right)\&CenterDot;\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_0}\\ =(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{g}^{d_i}\&CenterDot;r_i^N{\mathrm{modN}}^2)\&CenterDot;\left(\underset{i=0}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)\\ =\left(\right(g^{\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{d}_i}\&CenterDot;{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{r}_i\right)}^N\left){\mathrm{modN}}^2\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i}\\ =(g^{AM}\&CenterDot;R^N{\mathrm{modN}}^2)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i}\end{array};$

(令)

步骤5.2：如果那么CC利用Paillier解密密钥(λ,μ)和Paillier解密算法能够成功对g^AM·R^NmodN²进行解密得到用户用电总量AM；否则CC无法获得任何信息。

本发明基于离散对数问题和同态加密算法实现了一种智能电网中的数据聚合方案，该方案不仅实现了抗外部攻击和内部攻击，而且还实现了抗恶意数据挖掘攻击。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合系统，其特征在于：包括控制中心CC、网关GW、家域网HAN；假设所述系统内有n个用户，所述家域网HAN由部署在某个用户家中的智能电表、智能设备组成，用于实时采集该用户的用电信息；所述网关GW通过WiFi与n个家域网HAN进行双向通信，家域网HAN利用WiFi将加密后的用户电量发送给所述网关GW；所述网关GW通过有线网络与所述控制中心CC进行双向通信，所述网关GW利用有线网络将聚合电量发送给控制中心CC。

2.一种智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：系统参数和验证密钥的生成；

步骤2：实体注册；

步骤3：数据加密及用户报告的生成；

步骤4：具有抗恶意数据挖掘攻击的用户电量聚合；

步骤5：聚合密文的验证和解密。

3.根据权利要求2所述的智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：可信控制中心CC选择安全参数κ，计算Paillier加密算法的公钥N＝(p₁q₁,g)和私钥(λ,μ)；其中p₁、q₁是两个大素数且满足|p₁|＝|q₁|＝κ，g是的一个生成元；安全加密hash函数其中H₁、H₂也是两个安全加密hash函数: 是一个阶为p的循环群，p是一个大素数且|p|＝κ，g₁、g₂是的两个随机生成元；

步骤1.2：随机选择n+1个密钥i＝0,1,2,…,n，使得 $\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i=0\mathrm{mod}p;$

步骤1.3：随机选择n对密钥(sk_user_i,sk_gw_i)，i＝1,2,…,n，其中sk_user_i，使得sk_user_i+sk_gw_i＝0modp；

步骤1.4：可信控制中心CC公布系统参数

4.根据权利要求3所述的智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：网关GW注册；

网关GW向控制中心CC发送注册请求，控制中心CC返回网关GW的n个密钥sk_gw_i，i＝1,2,…,n，控制中心CC不再保存这n个密钥；

步骤2.2：用户User_i(i＝1,2,…,n)注册；

用户User_i向控制中心CC发送注册请求，控制中心CC向注册用户User_i返回密钥对(sk_i,sk_user_i)，控制中心CC不再保存(sk_i,sk_user_i)。

5.根据权利要求4所述的智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：用户定期通过智能电表收集自己的用电量；

步骤3.2：利用同态加密算法对其进行加密；

步骤3.3：利用密钥对对用户电量进行第二次加密；

步骤3.4：生成用户报告并发送给网关GW。

6.根据权利要求5所述的智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，步骤4的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：网关GW收到用户报告之后，首先对收到的用户报告进行身份验证，验证下面等式是否成立：

${\left({g_2}^{sk\_{\mathrm{user}}_i}\right)}^{H_2\left(T\right)}\&CenterDot;{\left({g_2}^{sk\_{\mathrm{gw}}_i}\right)}^{H_2\left(T\right)}=1$

确保收到的用户报告是来自本社区的合法用户且该用户的用电量未被篡改或伪造；

步骤4.2：若验证通过，则网关GW开始加密用户电量实施聚合得到聚合密文：否则终止；

步骤4.3：将聚合密文发送给控制中心CC。

7.根据权利要求6所述的智能电网抗恶意数据挖掘攻击的数据聚合方法，其特征在于，步骤5的具体实现包括以下子步骤：

步骤5.1：控制中心CC收到来自网关GW的聚合密文之后，进行如下计算：

$\begin{array}{c}C\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}=(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)}^{H_1\left(T\right)})\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}\\ =\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\right)\&CenterDot;\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)}^{H_1\left(T\right)}\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{{\mathrm{sk}}_0}\right)}^{H_1\left(T\right)}\\ =\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{C}_i\right)\&CenterDot;\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_0}\\ =(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{g}^{d_i}\&CenterDot;r_i^N{\mathrm{modN}}^2)\&CenterDot;\left(\underset{i=0}{\overset{n}{\&Pi;}}{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{{\mathrm{sk}}_i}\right)\\ =\left(\right(g^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{d}_i}\&CenterDot;{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\&Pi;}}{r}_i\right)}^N\left){\mathrm{modN}}^2\right)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i}\\ =(g^{AM}\&CenterDot;R^N{\mathrm{modN}}^2)\&CenterDot;{\left({g_1}^{H_1\left(T\right)}\right)}^{\underset{i=0}{\overset{n}{\&Sigma;}}{\mathrm{sk}}_i}\end{array}$

令

步骤5.2：若则控制中心CC利用Paillier解密密钥(λ,μ)和Paillier解密算法，对g^AM·R^NmodN²进行解密得到用户用电总量AM；否则控制中心CC无法获得任何信息。