智能电网中的安全数据聚合方案

基于秘密分享实现

参考：基于秘密共享和同态加密的隐私数据融合方案-陈信

系统模型

三层架构：

• 电力供应商（PS）
• 基站（BS）
• 智能电表（SM）
• 第三方聚合器（TPA）
• 可信第三方机构（TA）：生成和分发随机数
• 控制中心（CC）

敌手模型

• 可信：可信第三方机构（TA）、控制中心（CC）、电力供应商（PS）
• 半诚实：基站（BS）、智能电表（SM）、第三方聚合器（TPA）
• 不可靠情况：智能电表和聚合器宕机或网络断连
• 攻击：家庭局域网攻击、冒充智能电表发送伪数据等

安全目标

1. 保密性：数据全程（传输和聚合）保密
2. 完整性：传输和聚合中可端对端验证数据一致性，且能抵御重放攻击。
3. 容错性，可定位错误方便后续重传。

具体方案

基于Shamir秘密共享的数据安全聚合方案

方案分为四个阶段：

1. 初始化：可信第三方将随机数分配给每个智能电表
2. 分发：智能电表将数据发送给第3方聚合器
3. 聚合：聚合器计算收到的秘密分片总和，控制中心恢复所有数据的总和。
4. 更新：控制中心和智能电表更新随机数。

假设：一个电力供应商负责\(z\)个基站，第\(t\)个基站\(BS_t\)负责\(n\)个智能电表，每个基站需要\(m\)个聚合器，总共\(N\)个智能电表。

基于Shamir的秘密分享算法

参考：https://www.cnblogs.com/pam-sh/p/17750476.html

初始化

分发

1. 每个智能电表使用的门限方案的多项式最大幂次是相同的，即\(k-1\)，但系数均不同，并对其他电表保密。

2. 不同聚合轮次中应该函数（多项式系数更换）。

聚合

1. 若聚合器没有收到所有份额或收到的数据错误而没有得到分片和，就不会向控制中心发送数据。
2. 若基站在一个聚合时间间隔内未收集满分片，会遍历查询已收到的数据包，并向本轮为发送数据的聚合器请求重传。
3. 聚合器收到请求后，若本地已有结果，则重发该结果，若本地没有，则向未发送的电表请求重传。
4. 若聚合器还未收集满分片，则返回失败响应结果。

更新

每轮数据聚合后，智能电表和聚合器的轮数+1，且控制器会更新随机数，更新函数系数值。

总结

1. 门限方案，可以有一定的容错性。
2. 使用秘密分享+随机数，实现动态增删。
3. 通信开销：初始化（\(N+1\) ）+ 分发和聚合（\(z（nm+k)\)）= \(N+1+z(nm+k)\)次连接。