CN114139123A - 一种基于ecc累加器的智能电表安全准入方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法及系统，属于网络安全技术领域，为可信的智能电表生成匿名身份标识并颁发匿名身份凭证，实现其匿名安全接入；对于行为异常的智能电表，管理员可撤销其匿名身份凭证；依赖哈希函数的抗碰撞性，实现智能电表的身份隐藏；依赖ECC累加器技术的安全性，黑客难以伪造智能电表的匿名身份凭证。本发明实现了可信智能电表的匿名认证及不可信设备的安全撤销，能够提高智能电表的准入安全，便于在实际场景中展开应用。

Description

一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法及系统

技术领域

本发明属于网络安全技术领域，具体涉及一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法及系统。

背景技术

电力行业是我国经济与社会发展的坚实基础，智能电网被视为下一代能源供给网络，凭借智能化的电子设备、先进的信息技术及双向通信网络体系，全面提高了我国电网系统的稳定性、灵活性以及可靠性。在智能电网体系下，电力从发电机稳定并高效地传输到家用电器，管理中心可根据用户智能电表的实时请求来调整发电量，在满足用户用电需求的同时，还有效避免了过度发电。智能电表作为智能电网的重要组成部分，负责定期监测用户的电能使用情况并实时将请求信息发送至管理中心，是电网实现信息集成和数字化管控的基础。然而，为确保用电请求信息来自有效的用户，防止其他恶意设备接入管理中心，必须对智能电表的身份进行安全验证。另一方面，通过分析智能电表中的用电数据，可以揭示用户的用电模式，对用户的隐私安全造成极大的威胁，因而必须采取适当的隐私保护机制。

智能电表的安全准入认证机制是智能电网安全防护体系的第一道防线，目前主要形成了基于口令、证书等认证方式。基于口令的认证方式包括基于静态口令及动态口令，基于静态口令的方式操作简单但安全性较低，基于动态口令的认证方式对网络状态及通信能力具有较高的要求，并不适用于分布在偏远的郊区智能电表。基于证书的认证方式目前已经形成了较为成熟的认证体系，由证书授权中心为所有智能电表统一颁发数字证书，智能电表可凭借有效的数字证书接入管理平台。基于证书的认证方式虽然大大提高了接入认证的安全性，但证书的生成、分发、更新及撤销带来的存储及通信开销对资源受限的智能电表设备造成了很大的负担，基于证书的认证方式也并未实现设备身份的隐私保护。因此，如何采用轻量级的技术实现智能电表的安全接入及撤销是目前亟需解决的问题。

密码学累加器是一种高效的实现成员证明的技术，能够将集合中的所有成员哈希成一个短值，并为每一个成员生成一个简短的证据，成员可凭证相应的证据证明自己属于该集合。累加器具有拟交换性和证据不可伪造性，拟交换性使得累计值不依赖于累加成员的顺序，证据不可伪造性保障了集合之外的成员伪造证据证明自己属于这个集合是计算意义上困难的，从而提供了成员证明的安全性。累加器管理员只需存储私钥及一个简短的累加值，无需存储成员列表，并且成员证明所需的开销与成员数量线性无关，对于数量庞大的智能电表来说，极大地降低了存储开销及通信开销。

目前已经提出了多种具有不同性质和功能的累加器，包括静态累加器、动态累加器以及通用累加器。动态累加器支持动态地添加成员和删除成员，并可对现有成员的证据进行更新，与智能电表设备需要新增及撤销的需求相符合。动态累加器主要形成了基于强RSA假设的RSA累加器、基于q-SDH假设的ECC累加器和基于默克尔树的累加器。ECC动态累加器满足累加器安全性和功能性的同时具有更低的计算开销，适用于计算资源有限的智能电表设备。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法及系统，允许设备管理中心实现智能电表的可信认证及安全撤销，降低了设备的存储、通信等开销，同时该机制能够有效保护智能电表的身份信息，实现匿名准入认证。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法，基于一种系统，该系统包括通过通信信道连接的设备管理中心和智能电表，该方法包括以下步骤：

1)设备管理中心初始化生成相关的安全参数及元组；然后在收到智能电表的注册申请后，设备管理中心首先调用哈希算法生成该智能电表的匿名身份标识，再调用ECC累加器成员新增算法为该智能电表生成匿名身份凭证，更新当前累加值；

2)认证时，智能电表凭借所述匿名身份标识和匿名身份凭证向设备管理中心申请接入认证，设备管理中心调用ECC累加器成员验证算法进行计算验证，若验证通过，则认证成功，允许该智能电表接入，否则认证失败；

3)对于认证失败或行为异常的智能电表，设备管理中心对该智能电表进行检测，如果该智能电表遭到攻击或篡改，则由设备管理中心调用ECC累加器成员删除算法，撤销该智能电表的匿名身份凭证。

进一步地，步骤1)中设备管理中心初始化生成相关的安全参数及元组的步骤包括：

选择安全参数l，使用双线性对实例生成器BPG生成元组t＝(p,G₁,G_M,e,P)和私钥

其中p为l长的素数，G₁是阶为p的循环加群，G_M是阶为p的乘群，双线性映射e:G₁×G_M→G_M，P为G₁的生成元，

是小于p且与p互素的所有数的集合，R代表随机选取该集合中的数；

计算元组t′＝(P,sP,…,s^qP)，其中q为累加器累加的元素的上限；在元组t,，t′定义两个函数(f,g)分别是：f:Z_p×Z_P→Z_P，

和g:Z_p→G₁，

u∈Z_p。

进一步地，步骤1)中通过对待累加的元素进行累加，得到累加值，其中待累加的元素的定义域为Z_P\{-s}，累加值的定义域是G₁；哈希算法的函数为h:{0,1}^*→Z_P\{-s}。

进一步地，步骤1)中设备管理中心根据智能电表的唯一身份标识ID计算其匿名身份标识ID^*＝h(ID)；判断ID^*是否属于集合X，若属于则该身份标识ID已经注册过；否则，调用ECC累加器成员新增算法，将智能电表的匿名身份标识添加至当前成员集合X＝{x₁,…,x_k}，其中x是已经注册的智能电表的匿名身份标识，并生成该智能电表的匿名身份凭证W＝A，A为当前累加值。

进一步地，步骤1)中ECC累加器成员新增算法为：A′＝g(f(u,X∪{ID^*}))＝(ID^*+s)A；其中A′为更新的累加值。

进一步地，步骤1)中当有新智能电表注册时，其他智能电表的匿名身份凭证更新为W′＝A+(inf_add-ID^*)W，其中inf_add表示增加的匿名身份标识；

进一步地，步骤2)中设备管理中心调用ECC累加器成员验证算法进行计算验证是指：调用ECC累加器成员验证算法计算出(ID^*+s)W，并确定其是否等于A′。

进一步地，步骤3)中ECC累加器成员删除算法为：V′＝g(f(u,X\{ID^*}))＝1/(ID^*+s)A，其中V′为更新的累加值。

进一步地，步骤3)中当有智能电表被撤销时，其他智能电表的匿名身份凭证更新为W′＝(1/(inf_del-ID^*))(W-A′)，其中inf_del表示撤销的匿名身份标识。

一种基于ECC累加器的智能电表安全准入系统，包括通过通信信道连接的设备管理中心和智能电表，其中：

设备管理中心，用于汇聚用户用电数据并负责智能电表的准入管理，包括匿名身份凭证的颁发、认证及撤销；

智能电表用于定期监测用户的用电行为并将采集的数据，通过匿名认证后传输至设备管理中心；当匿名身份凭证被撤销时，认证不通过，无法再次接入设备管理中心。

本发明为可信的智能电表生成匿名身份标识并颁发匿名身份凭证，实现其匿名安全接入；对于行为异常的智能电表，管理员可撤销其匿名身份凭证；依赖哈希函数的抗碰撞性，实现智能电表的身份隐藏；依赖ECC累加器技术的安全性，黑客难以伪造智能电表的匿名身份凭证。本发明实现了可信智能电表的匿名认证及不可信设备的安全撤销，能够提高智能电表的准入安全，便于在实际场景中展开应用。

下面从安全性及性能两方面分析本机制相比于现有方案的特点及优势：

在上述流程中，基于哈希函数生成智能电表的匿名身份标识，依赖哈希函数的抗碰撞性保障了设备真实身份的隐私保护，实现了智能电表的匿名安全。基于ECC累加器的证据不可伪造性，保障了只有合法的智能电表设备拥有匿名身份凭证，而攻击者难以伪造出有效的匿名身份凭证，实现了智能电表的安全准入。对于被撤销的智能电表，依赖ECC累加器数据结构，其匿名身份凭证将永久失效，无法被攻击者再次利用，实现了智能电表的安全撤销。

从存储、通信及计算开销三个方面分析本机制的性能如下：(1)存储开销：设备管理中心只需存储一个最新累加值及私钥a_f＝s，无需存储所有智能电表的身份标识ID，智能电表只需存储其匿名身份标识ID^*和最新匿名身份凭证W。(2)通信开销：当有新设备增加或不可信设备删除时，设备管理中心需向智能电表广播相应的辅助信息，辅助信息为简短的值，并不会带来很大的通信开销。(3)计算开销：设备管理中心的计算开销主要来自于累计值的计算、智能电表的匿名身份凭证的生成及验证，智能电表的计算开销为自身匿名凭证的更新计算。

附图说明

图1为一种基于ECC累加器的智能电表安全准入系统模型图；

图2为一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例公开了一种基于ECC累加器的智能电表安全准入系统，该系统模型如图1所示，包括控制层的设备管理中心和设备层的智能电表，二者由网络层的通信信道连接。设备管理中心汇聚用户用电数据并负责智能电表的准入管理(包括匿名身份凭证的颁发、认证及撤销)；通信信道是设备管理中心和智能电表之间交互的桥梁；智能电表定期监测用户的用电行为并将采集的数据通过匿名认证后传输至设备管理中心；匿名身份凭证被撤销的智能电表认证不通过，无法再次接入设备管理中心。

本实施例公开一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法，方法流程如图2所示，包括注册、认证、撤销及更新四个阶段，包括智能电表及设备管理中心两方，通过安全的通信信道进行数据的传输，由设备管理中心负责智能电表的身份注册、接入认证及撤销，智能电表各自本地更新匿名身份凭证。假设设备管理中心已经配备了先进的入侵检测系统，可及时发现恶意的设备，并及时撤销其可信身份凭证，有效防止其再次接入。具体方案如下：系统初始化阶段，由设备管理中心生成相关的安全参数及数组，在收到智能电表的注册申请后，首先调用哈希算法生成该设备的匿名身份标识，在调用ECC累加器成员新增算法为其生成匿名身份凭证，更新当前累加值。在认证阶段，智能电表凭借匿名身份标识及凭证向设备管理中心申请接入认证，设备管理中心调用ECC累加器成员验证算法进行计算验证，若验证通过则该智能电表可成功接入；否则，认证失败。对于认证失败或行为异常的智能电表，设备管理中心重点观测其行为，对于遭到攻击或篡改的智能电表，由设备管理中心调用ECC累加器成员删除算法，撤销该电表的匿名身份凭证。综上，实现了智能电表的可信接入认证及安全撤销，同时保护了其身份隐私信息，实现了匿名性。

本发明方法的各个步骤具体说明如下：

系统初始化：选择安全参数l(例如选择一较大的安全常数128)，使用双线性对实例生成器BPG生成元组t＝(p,G₁,G_M,e,P)和私钥

其中p为l长的素数，G₁是阶为p的循环加群，G_M是阶为p的乘群，双线性映射e:G₁×G_M→G_M，P为G₁的生成元，

是小于p且与p互素的所有数的集合，R代表随机选取该集合中的数；计算元组t′＝(P,sP,…,s^qP)，其中q为累加器可累加的元素的上限。在元组t，t′定义两个函数(f,g)分别是：f:Z_p×Z_P→Z_P，

和g:Z_p→G₁，

u∈Z_p。

待累加的元素的定义域为Z_P\{-s}，私钥为a_f＝s，该私钥用于生成凭证。集合中的所有待累加的元素累加成一个短的累加值，用来做成员证明，累加值的定义域是G₁。

选取哈希函数h:{0,1}^*→Z_P\{-s}。

注册阶段：

假设当前累加值为A，已累加的成员集合为X＝{x₁,…,x_k}，其中x是已经注册的智能电表的匿名身份标识。

设备管理中心根据智能电表的唯一身份标识ID计算其匿名身份标识ID^*＝h(ID)；判断ID^*是否属于集合X，若属于则该身份标识ID已经注册过；否则，利用ECC累加器成员新增算法计算更新的累加值A′＝g(f(u,X∪{ID^*}))＝(ID^*+s)A，将该设备的匿名身份标识添加至当前成员集合，并生成该智能电表的匿名身份凭证W＝A。广播信息inf_add＝ID^*至其他智能电表。

在注册阶段，设备管理中心不存储智能电表的真实身份标识ID。

认证阶段：

智能电表凭借其匿名身份标识ID^*和匿名身份凭证W向设备管理中心申请计入认证，设备管理中心计算(ID^*+s)W是否等于A′，若相等则该智能电表验证通过，可成功接入设备管理中心进行数据传输；对于验证失败的设备，说明其匿名身份凭证可能发生了篡改，若该智能电表遭遇黑客攻击，设备管理中心可进一步撤销其匿名身份凭证，将该智能电表从累加器中撤销。

撤销阶段：

对于行为异常的智能电表，设备管理中心可撤销其匿名身份凭证，假设该智能电表的匿名身份标识为ID^*，利用ECC累加器成员删除算法计算更新的累加值V′＝g(f(u,X\{ID^*}))＝1/(ID^*+s)A，使得该设备的匿名身份凭证失效，并将该设备的匿名身份标识从当前成员集合中删除。广播信息inf_del＝ID^*至其他智能电表。

更新阶段：

当有新智能电表注册或不可信智能电表撤销时，累加值由A更新为A′，其他智能电表需相应更新其匿名身份凭证。对于身份标识为ID、匿名标识为ID^*、匿名身份凭证为W的智能电表：

(1)当有新智能电表注册时，其他智能电表的匿名身份凭证更新为W′＝A+(inf_add-ID^*)W；

(2)当有不可信设备撤销时，其他智能电表的匿名身份凭证更新为W′＝(1/(inf_del-ID^*))(W-A′)。

虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的适当修改或者等同替换，均应涵盖于本发明的保护范围内，本发明的保护范围以权利要求所限定者为准。

Claims (10)

1.一种基于ECC累加器的智能电表安全准入方法，基于一种系统，该系统包括通过通信信道连接的设备管理中心和智能电表，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)设备管理中心初始化生成相关的安全参数及元组；然后在收到智能电表的注册申请后，设备管理中心首先调用哈希算法生成该智能电表的匿名身份标识，再调用ECC累加器成员新增算法为该智能电表生成匿名身份凭证，更新当前累加值；

2)认证时，智能电表凭借所述匿名身份标识和匿名身份凭证向设备管理中心申请接入认证，设备管理中心调用ECC累加器成员验证算法进行计算验证，若验证通过，则认证成功，允许该智能电表接入，否则认证失败；

3)对于认证失败或行为异常的智能电表，设备管理中心对该智能电表进行检测，如果该智能电表遭到攻击或篡改，则由设备管理中心调用ECC累加器成员删除算法，撤销该智能电表的匿名身份凭证。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中设备管理中心生成相关的安全参数及元组的步骤包括：

选择安全参数l，使用双线性对实例生成器BPG生成元组t＝(p,G₁,G_M,e,P)和私钥

其中p为l长的素数，G₁是阶为p的循环加群，G_M是阶为p的乘群，双线性映射e:G₁×G_M→G_M，P为G₁的生成元，

是小于p且与p互素的所有数的集合，R代表随机选取该集合中的数；

计算元组t′＝(P,sP,…,s^qP)，其中q为累加器累加的元素的上限；在元组t，t′定义两个函数(f,g)分别是：f:Z_p×Z_P→Z_P，

和g:Z_p→G₁，

u∈Z_p。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1)中通过对待累加的元素进行累加，得到累加值，其中待累加的元素的定义域为Z_P\{-s}，累加值的定义域是G₁；哈希算法的函数为h:{0,1}^*→Z_P\{-s}。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1)中设备管理中心根据智能电表的唯一身份标识ID计算其匿名身份标识ID^*＝h(ID)；判断ID^*是否属于集合X，若属于则该身份标识ID已经注册过；否则，调用ECC累加器成员新增算法，将智能电表的匿名身份标识添加至当前成员集合X＝{x₁,…,x_k}，其中x是已经注册的智能电表的匿名身份标识，并生成该智能电表的匿名身份凭证W＝A，A为当前累加值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中ECC累加器成员新增算法为：A′＝g(f(u,X∪{ID^*}))＝(ID^*+s)A；其中A′为更新的累加值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1)中当有新智能电表注册时，其他智能电表的匿名身份凭证更新为W′＝A+(inf_add-ID^*)W，其中inf_add表示增加的匿名身份标识。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2)中设备管理中心调用ECC累加器成员验证算法进行计算验证是指：调用ECC累加器成员验证算法计算出(ID^*+s)W，并确定其是否等于A′。

8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)中ECC累加器成员删除算法为：V′＝g(f(u,X\{ID^*}))＝1/(ID^*+s)A，其中V′为更新的累加值。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)中当有智能电表被撤销时，其他智能电表的匿名身份凭证更新为W′＝(1/(inf_del-ID^*))(W-A′)，其中inf_del表示撤销的匿名身份标识。

10.一种基于ECC累加器的智能电表安全准入系统，用于实现权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，该系统包括通过通信信道连接的设备管理中心和智能电表，其中：

设备管理中心用于汇聚用户用电数据并负责智能电表的准入管理，包括匿名身份凭证的颁发、认证及撤销；

智能电表用于定期监测用户的用电行为并将采集的数据，通过匿名认证后传输至设备管理中心；当匿名身份凭证被撤销时，认证不通过，无法再次接入设备管理中心。

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