智能电网中具有隐私保护的数据聚合协议研究

摘要

传统电网只能将电力从发电站输送到用户端，缺乏实时双向通信功能，从而无法进行合理发电管理和精确调度，导致资源浪费、以及因载荷失衡造成的严重事故。随着智能设备和无线网络的快速发展，具有双向通信功能的智能电网将成为下一代电网。智能电网中，可对区域内所有用户的实时用电量进行聚合并对聚合值分析，从而弥补传统电网中的缺陷。 何为智能电网中的数据聚合？在特定区域内，安装在用户所在建筑的智能电表采集并处理其实时用电量，然后定期地通过无线网络将处理结果发送至该区域聚合者(Aggregator,简称AG)，例如每15分钟传送一次；聚合者对接收的消息进行聚合，从而获得该区域所有用户实时用电量的聚合值。但同时，因无线网络的开放性及智能电表的资源受限，智能电网中的数据聚合面临亟待解决的问题，包括用户实时用电量的机密性（隐私性）、传送数据的完整性、不可伪造性、以及智能电表端协议的轻量性。 2012年，基于安全多方求和，孙培勇等人提出一种电子投票中的数据聚合协议，该协议可作为设计智能电网中数据聚合协议的工具。但在该协议中，恶意用户可发送伪造数据来获得期望的聚合值，这显然破坏了聚合值的正确性，并且任何人不能检测出这种恶意行为。为弥补这种缺陷，利用Pedersen承诺的同态性，设计了一种改进的数据聚合协议。 2014年，基于子群判定难题，Fan等人提出一种适用于智能电网的具有隐私保护的数据聚合协议。但是在该协议中，用户隐私性由离线可信第三方(Trusted Third Party,简称TTP)通过安全方式分发的盲因子保护。虽然离线可信第三方可被合理建立，但这无疑产生了信任瓶颈，削弱了协议的健壮性；并且Fan等人的数据聚合协议遭受破坏隐私性的人为因素了解差分聚合(Human-Factor-Aware Differential Aggregation,简称HDA)攻击。基于差分隐私，提出了一种改进协议。该协议不仅可抵抗 HDA攻击，而且移除了离线可信第三方，因此改进的数据聚合协议实现了更强的隐私性与健壮性。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景和意义

§1.2 国内外现状

§1.3 研究内容和主要创新点

§1.4 论文章节安排

第二章 密码学基础

§2.1 加密体制简介

§2.2 语义安全

§2.3 数字签名体制简介

§2.4 Hash函数

§2.5 离散对数问题

§2.6 Pedersen承诺

§2.7 椭圆曲线上的离散对数问题

§2.8 双线性映射

§2.9 子群判定问题

§2.10 间隙Diffie-Hellman群

§2.11 HDA攻击

§2.12 拜占庭攻击假设

§2.13 差分隐私

§2.14 本章小结

第三章 一种改进的基于安全多方计算的数据聚合协议

§3.1 回顾孙培勇等人的数据聚合协议

§3.2 孙培勇等人的数据聚合协议缺陷

§3.3 一种改进的基于安全多方计算的数据聚合协议

§3.4 本章小结

第四章 一种改进的基于差分隐私的数据聚合协议

§4.1 回顾Fan等人的数据聚合协议

§4.2 Fan等人的数据聚合协议分析

§4.3 一种改进的基于差分隐私的数据聚合协议

§4.4 本章小结

第五章 总结与展望

§5.1总结

§5.2未来展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果