CN112733172A

CN112733172A - 一种基于rsa与差分隐私的智能电网数据聚合方案

Info

Publication number: CN112733172A
Application number: CN202110056764.2A
Authority: CN
Inventors: 张伟凡; 邓维; 慈兴杰; 文康
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本发明属于数据隐私与安全技术领域，具体涉及一种智能电网中用户高频数据高效聚合方案。该方法主要包括以下步骤：步骤1：系统初始化，完成各设备初始化及注册；步骤2：数据上报请求，控制中心发起用电数据上报请求；步骤3：数据请求传输，集中器收到请求后验证合法性，并发送给所有注册用户；步骤4：生成数据报告，智能电表对用电数据加密并上传；步骤5：数据报告聚合，集中器检查收到的数据是否有效并聚合正确的报告；步骤6：安全读取数据，控制中心检查收到的数据是否有效，解密以获得真实准确的用户数据。该方案可以更加高效地聚合用户用电数据，还能有效地抵抗外部的攻击，如通信攻击、差分攻击等，有效地保护用户隐私。

Description

一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案

技术领域：

本发明属于数据隐私与安全技术领域，具体涉及一种智能电网中用户高频数据高效聚合方案。

背景技术：

智能电网融合了现代通信技术、传感器技术、自动化技术、先进的计量基础设施等技术，旨在为电力用户提供更安全、更稳定、更可靠的电力环境，智能电网在给用户带来便捷服务的同时，也面临着严重的安全问题。智能电表作为智能电网的基础设施，是实现电网高度智能化、自动化、高效、安全可靠的关键设备。它不仅具有传统电能表的电能计量、抄表功能，而且实现了电网公司与电力用户之间的通信，提高了能源管理效率。智能电表作为智能电网架构的重要组成部分，记录着用户的细粒度用电数据，对于智能电网的监测、能源分配和负载平衡，实现高效、安全、可靠的能源供应至关重要。但是，由于智能电表上传的高频用电数据具有相当高的敏感性，在智能电表数据的采集以及控制中心与本地聚合器的通信中都会面临严重的隐私泄露问题。因此，信息安全和隐私是智能电表亟待解决的问题。

发明内容

针对以上智能电网数据聚合方案中存在的问题，本方案的目的在于在不影响数据可用性的条件下仍能抵抗差分攻击，给出了一种易于实现，运算开销较小、效率更高的智能电网实时用电数据聚合方案，该方案可以更加高效地聚合用户实时用电数据，还能有效地抵抗外部的攻击，如通信攻击、恶意软件攻击、差分攻击等，有效地保护了用户隐私。

本发明的技术方案如下：

S1：系统初始化。完成各设备密钥模块的初始化和一些参数，并对各设备注册并颁发证书。

S2：数据上报请求。当完成S1后即可开始收集用户高频用电数据，由控制中心发起用户用电数据上报请求，选择随机数

计算ρ＝g^r，将请求和ρ发送至集中器并附上自己的签名。

S3：数据请求传输。当集中器收到用电数据上报请求后，验证数据的正确性，并向所有注册用户的智能电表发送该请求和ρ。

S4：生成数据报告。用户收到收集请求后，利用智能电表对其用电数据m_i进行加密处理，生成密文C_i和δ_i，然后对C_i和δ_i进行hash操作生成摘要σ_i，最后利用此智能电表的RSA私钥对摘要σ_i加密生成签名sg_i。

S5：数据报告聚合。当集中器收到智能电表上报的数据C_i||δ_i||TS||sg_i后检查数据是否有效，集中器聚合所有正确的报告，生成C_γ和δ_γ，然后对C_γ和δ_γ进行hash操作生成摘要σ_γ，最后利用此智能电表的RSA私钥对摘要σ_γ加密生成签名sg_γ。

S6：安全读取数据。控制中心收到集中器上报的数据C_γ||δ_γ||TS||sg_γ后，首先验证数据的合法性，只有当它们有效时，控制中心才读取报告的密文数据C_γ和δ_γ，以获得真实和准确的用户数据X：

其中μ是控制中心解密上报的密文数据δ_γ而得到的，如下：

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案以及有益效果更加清晰，本发明提供如下附图进行说明：

图1智能电网数据聚合通信架构

具体实施过程：

本发明涉及一种智能电网实时用电数据聚合方案，为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行更为清楚、完整详细地的描述。

下面通过一个实施实例对本发明进行进一步说明，其目的仅在于更好地理解本发明的研究内容而非限制本发明的保护范围。一个智能电网数据收集方案具体步骤如下：

S1：系统初始化。完成各设备密钥模块的初始化和一些参数如g、SHA-256哈希函数等，并对各设备注册并颁发证书。

计算ρ＝g^r，将请求和ρ发送至集中器并附上自己的签名。

S4：生成数据报告。用户收到收集请求后，利用智能电表对其用电数据m_i进行加密处理，生成密文C_i和δ_i如下：

其中n_i是一个随机噪声，

同时为防止数据被篡改和伪造，智能电表对数据进行SHA-256哈希摘要σ_i如下：

σ_i＝Η(C_i||δ_i||TS||S_i)

其中TS是系统时间戳，可以用来抵御重放攻击；S_i为当前智能电表注册时颁发的证书。利用此智能电表的RSA私钥对摘要σ_i加密生成签名sg_i。

最终智能电表将加密的数据C_i||δ_i||TS||sg_i上报给集中器。

S5：数据报告聚合。当集中器收到智能电表上报的数据C_i||δ_i||TS||sg_i后检查数据是否有效，集中器聚合所有正确的报告，生成C_γ和δ_γ如下：

集中器采用SHA-256算法计算待上报数据C_γ和δ_γ的Hash摘要σ_γ，如下：

σ_γ＝Η(C_γ||δ_γ||TS||L_i)

其中TS是系统的时间戳，L_i是当前集中器的证书。然后利用此集中器的RSA私钥对摘要σ_γ加密生成签名sg_γ。

最终集中器将加密的数据C_γ||δ_γ||TS||sg_γ上报给集中器。

其中μ是控制中心解密上报的密文数据δ_γ而得到的，如下：

需要特别说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，包含以下几个步骤：

S1：完成各设备密钥模块的初始化和一些参数如g、SHA-256哈希函数等，并对各设备注册并颁发证书；

S2：完成S1后可开始收集用户高频用电数据，由控制中心发起用户用电数据上报请求，选择随机数

计算ρ＝g^r，将请求和ρ发送至集中器并附上自己的签名；

S3：当集中器收到用电数据上报请求后，验证数据的正确性，并向所有注册用户的智能电表发送该请求和ρ；

S4：用户收到收集请求后，利用智能电表对其用电数据m_i进行加密处理以生成密文C_i和δ_i，同时为防止数据被篡改和伪造，智能电表对数据进行SHA-256哈希处理得到摘要σ_i并利用此智能电表的RSA私钥对摘要σ_i加密生成签名sg_i，最终智能电表将加密的数据C_i||δ_i||TS||sg_i上报给集中器；

S5：当集中器收到智能电表上报的数据C_i||δ_i||TS||sg_i后检查数据是否有效，集中器聚合所有正确的报告生成C_γ和δ_γ，同样对数据进行SHA-256哈希处理得到摘要σ_γ并利用此集中器的RSA私钥对摘要σ_γ加密生成签名sg_γ，最终集中器将加密的数据C_γ||δ_γ||TS||sg_γ上报给控制中心；

S6：控制中心收到集中器上报的数据C_γ||δ_γ||TS||sg_γ后验证数据的合法性，只有当数据有效时控制中心读取报告的密文数据C_γ和δ_γ，以获得真实和准确的用户数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，所述步骤S1中：

完成各设备密钥模块的初始化和一些参数如g、SHA-256哈希函数等，并对各设备注册并颁发证书。

3.根据权利要求1所述的一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，所述步骤S2中：

完成系统初始化后开始收集用户高频用电数据，由控制中心发起用户用电数据上报请求，选择随机数

计算ρ＝g^r，将请求和ρ发送至集中器并附上自己的签名。

4.根据权利要求1所述的一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，所述步骤S3中：

当集中器收到用电数据上报请求后，验证数据的正确性，并向所有注册用户的智能电表发送该请求和ρ。

5.根据权利要求1所述的一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，所述步骤S4中：

用户收到收集请求后，利用智能电表对其用电数据m_i进行加密处理以生成密文C_i和δ_i，同时为防止数据被篡改和伪造，智能电表对数据进行SHA-256哈希处理得到摘要σ_i并利用此智能电表的RSA私钥对摘要σ_i加密生成签名sg_i，最终智能电表将加密的数据C_i||δ_i||TS||sg_i上报给集中器。

6.根据权利要求1所述的一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，所述步骤S5中：

当集中器收到智能电表上报的数据C_i||δ_i||TS||sg_i后检查数据是否有效，集中器聚合所有正确的报告生成C_γ和δ_γ，同样对数据进行SHA-256哈希处理得到摘要σ_γ并利用此集中器的RSA私钥对摘要σ_γ加密生成签名sg_γ，最终集中器将加密的数据C_γ||δ_γ||TS||sg_γ上报给控制中心。

7.根据权利要求1所述的一种基于RSA与差分隐私的智能电网数据聚合方案，其特征在于，所述步骤S6中：

控制中心收到集中器上报的数据C_γ||δ_γ||TS||sg_γ后验证数据的合法性，只有当数据有效时控制中心读取报告的密文数据C_γ和δ_γ，以获得真实和准确的用户数据。