[論文レビュー] Zone-Based Privacy-Preserving Billing for Local Energy Market Based on Multiparty Computation

Eman Alqahtani, Mustafa Mustafa|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2023

Smart Grid Security and Resilience被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、エネルギー量の約束からの逸脱を考慮しつつ、参加者のプライベートデータ（入札数量やメーター読み取り値など）を保護するため、複数者間計算（MPC）を用いたゾーンベースのプライバシー保護型課金プロトコルを提案する。このプロトコルは、約束からの逸脱が生じても、個々の課金を安全に計算可能であり、5,000人のユーザーに対してオンライン実行時間が9秒未塔の分散型課金を実現する。これは、誠実多数派および不誠実多数派の両方のセキュリティモデルにおいて、実世界での展開が可能であることを示している。

ABSTRACT

This paper proposes a zone-based privacy-preserving billing protocol for local energy markets that takes into account energy volume deviations of market participants from their bids. Our protocol incorporates participants' locations on the grid for splitting the deviations cost. The proposed billing model employs multiparty computation so that the accurate calculation of individual bills is performed in a decentralised and privacy-preserving manner. We also present a security analysis as well as performance evaluations for different security settings. The results show superiority of the honest-majority model to the dishonest majority in terms of computational efficiency. They also show that the billing can be executed for 5000 users in less than nine seconds in the online phase for all security settings, demonstrating its feasibility to be deployed in real local energy markets.

研究の動機と目的

• 入札約束からのエネルギー量の逸脱を考慮するが、参加者のプライベートデータ（例えば、入札数量や実際のメーター読み取り値）を露出させない、プライバシー保護型課金メカニズムの欠如を是正すること。
• 個々の参加者のプライベートデータ（入札数量や実際のメーター読み取り値など）を保護しつつ、ゾーンごとの逸脱に応じたコスト配分を反映する分散型で安全な課金を可能にすること。
• 誠実多数派および不誠実多数派の両方のセキュリティモデルをサポートするプロトコルを設計し、大規模なローカルエネルギーマーケットにおけるリアルタイム展開に適したパフォーマンスを実現すること。
• さまざまなセキュリティ設定下でのプロトコルの計算効率と実用可能性を評価すること、特にオンラインフェーズのパフォーマンスに注目すること。

提案手法

• プロトコルは、被動および能動的セキュリティを満たす、誠実多数派および不誠実多数派の仮定の下で動作する、算術回路を用いた複数者間計算（MPC）を用いて、個々の課金を安全に計算する。
• 参加者のグリッド上の位置を用いてゾーンベースのコスト配分を実施し、同じゾーンに属するユーザー間で逸脱コストを割合的に配分することで、公平性と正確性を確保する。
• 計算をオフラインフェーズとオンラインフェーズに分離する：オフラインフェーズでは相関乱数（例えば、Beaverの三つ組）を生成し、オンラインフェーズでは安全な関数評価を用いて実際の課金計算を実行する。
• オーバーヘッドを低減するため、個々の逸脱状況（例：ユーザーが逸脱コストを負担するか否か）を明示的に公開する影響を評価する。これにより、比較演算の回数が削減され、パフォーマンスが向上するが、入札数量やメーター読み取り値といった機密データは露呈しない。
• 暗号的プリミティブ（MAC、オブlivious transferの相関チェック、犠牲プロトコルなど）を用いてセキュリティを強化し、悪意ある行動に対しても正しさとプライバシーを保証する。
• 実装では、課金関数（逸脱コストの計算とゾーンベースの配分を含む）を安全に算術回路で計算し、1,000〜5,000人のユーザーを対象にパフォーマンスを測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローカルエネルギーマーケットにおいて、エネルギー量の逸脱を考慮しつつ、参加者のプライベートデータを保護するプライバシー保護型課金メカニズムを設計できるか？
• RQ2 MPCベースの課金の計算パフォーマンスは、ユーザー数の増加や、誠実多数派／不誠実多数派の異なるセキュリティモデル下でどのようにスケーリングするか？
• RQ3 個々の逸脱状況を公開することがパフォーマンスに与える影響は何か？また、プライバシーを損なうことはないか？
• RQ4 本プロトコルは、大規模なローカルエネルギーマーケットにおける実世界展開に実用的であるか、特にオンラインフェーズの実行時間の観点から評価できるか？

主な発見

• すべてのセキュリティ設定下で、5,000人のユーザーに対してオンラインフェーズの実行時間が9秒未塔を達成しており、ローカルエネルギーマーケットにおけるリアルタイム展開の強力な実現可能性を示している。
• 誠実多数派モデルは不誠実多数派モデルよりも計算効率に優れており、能動的セキュリティ設定下でもオンラインフェーズの実行時間が9秒未塔に収まっている。
• 個々の逸脱状況（例：ユーザーが逸脱コストを負担するか否か）を公開することで、計算時間が顕著に短縮され、5,000人のユーザーに対して23秒未塔にまで短縮されるが、入札数量やメーター読み取り値といった機密データは露呈しない。
• 主な計算オーバーヘッドは、逸脱チェックフェーズにおける比較演算に起因しており、比較の結果のみを公開することで最適化されている。
• 不誠実多数派モデルでは、公開鍵暗号プリミティブおよび追加のチェック（例：MAC生成、オブlivious transferの相関チェック）により、著しく高いコストが発生し、5,000人のユーザーでは能動的モデルで最大6分を要する。
• オフラインフェーズが総計算時間の大部分を占め、特に不誠実多数派モデルでは顕著であるが、オンラインフェーズは依然として効率的であり、実用的利用に適している。