[論文レビュー] A Privacy-Preserving and Accountable Billing Protocol for Peer-to-Peer Energy Trading Markets

Kamil Erdayandı, Lucas C. Cordeiro+1 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Jul 10, 2023

Blockchain Technology Applications and SecurityComputer Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、同定されたエネルギー量と実際の配給量のずれを正確に処理しつつ、データ機密性のための同型暗号と改ざん防止のためのブロックチェーンを用いる、プライバシー保護型で責任追及可能なピアツーピアエネルギー市場向けの課金プロトコルPA-Billを提案する。全500戸のシミュレーションにおいて、1回の決済サイクルあたり平均250ms未塔の計算オーバーヘッドを達成し、低遅延を実現している。

ABSTRACT

This paper proposes a privacy-preserving and accountable billing (PA-Bill) protocol for trading in peer-to-peer energy markets, addressing situations where there may be discrepancies between the volume of energy committed and delivered. Such discrepancies can lead to challenges in providing both privacy and accountability while maintaining accurate billing. To overcome these challenges, a universal cost splitting mechanism is proposed that prioritises privacy and accountability. It leverages a homomorphic encryption cryptosystem to provide privacy and employs blockchain technology to establish accountability. A dispute resolution mechanism is also introduced to minimise the occurrence of erroneous bill calculations while ensuring accountability and non-repudiation throughout the billing process. Our evaluation demonstrates that PA-Bill offers an effective billing mechanism that maintains privacy and accountability in peer-to-peer energy markets utilising a semi-decentralised approach.

研究の動機と目的

• 既存のピアツーピアエネルギー課金システムにおける統合的プライバシー、責任追及性、ずれの取り扱いの欠如に対処する。
• 個々のエネルギーずれデータからのプライバシー漏洩を防ぎつつ、正確な課金を保証する。
• データ機密性を損なわずに改ざん防止のための監査証跡を確立する。
• 単一障害点を回避するため、スケーラブルで安全な半分散環境での課金を可能にする。
• 最大500戸のピアツーピアエネルギーコミュニティを対象とし、効率的で検証可能かつプライベートな課金運用を支援する。

提案手法

• 個々のずれではなく、全ユーザーの合計ずれを集約するユニバーサルコストスプリットメカニズムを採用し、間接的プライバシー漏洩を最小限に抑える。
• パイルier同型暗号を用いて、暗号化された実際の消費量およびピアツーピアエネルギー量データ上で安全に課金を計算し、計算中におけるユーザーのプライバシーを保持する。
• 改ざん防止のため、ブロックチェーン上に重要な課金データ（例：ずれ、課金額）のハッシュ値のみを保存する。
• 紛争解決メカニズムを統合し、計算に差異が生じた場合にのみ、第三者が介入して紛争を解決する。
• 半分散アーキテクチャにおいて、大部分の課金計算をローカルで実行することで、中央集権サーバーへの依存を低減し、レジリエンスを向上させる。
• イーサリアムベースのスマートコントラクトを用いて、責任追及性を強化し、課金関連のハッシュ値を公開かつ改ざん不能なログとして提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ピアツーピアエネルギー課金システムは、承認されたエネルギー量と実際の配給量のずれを正確に処理しつつ、ユーザーのプライバシーをどのように保証できるか？
• RQ2 分散型エネルギー課金システムにおいて、強力な責任追及性とデータ漏洩の防止を同時に実現するメカニズムは何か？
• RQ3 同型暗号とブロックチェーンを用いた半分散型課金プロトコルは、スケーリングに伴って低計算オーバーヘッドを達成できるか？
• RQ4 個々のずれではなく合計ずれを用いることで、プライバシーと課金の正確性にどのような影響が生じるか？
• RQ5 現実的なピアツーピアエネルギー市場環境下で、プライバシー保護型かつ責任追及可能な課金プロトコルの計算パフォーマンスはどの程度か？

主な発見

• PA-Billは、500人のユーザーに対して、個々のずれ計算で最良ケース平均23.84ms、合計ずれ計算で69.25msを達成した。
• 最悪ケースでは全戸が誤った計算を提出した場合でも、合計ずれ計算の最大遅延は246.23msにとどまり、実用的な範囲内に収束している。
• 2048ビット鍵を用いたPaillier同型暗号を用いて、機微なデータ（例：実際の消費量、ピアツーピア量）を暗号化することで、プライバシーを維持している。
• ブロックチェーン上には、ユーザーの生データが一切露出しないように、ハッシュ値のみを保存している。これにより、検証可能な監査と紛争解決が可能である。
• 1時間の決済サイクルで最大500戸の家庭をサポートでき、実世界のシミュレーション環境下でスケーラビリティと効率性を実証した。
• 監査性のためのブロックチェーンとプライバシー保護のための同型暗号の統合により、単一障害点のない安全で検証可能かつ効率的な課金メカニズムが実現された。