[논문 리뷰] A Privacy-Preserving and Accountable Billing Protocol for Peer-to-Peer Energy Trading Markets

Kamil Erdayandı, Lucas C. Cordeiro외 1명|Research Explorer (The University of Manchester)|2023. 07. 10.

Blockchain Technology Applications and SecurityComputer Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 히든된 암호화를 통해 데이터 기밀성을 확보하고 블록체인을 통해 위변조 방지 감사 기능을 제공하는 프라이버시 보장 및 책임 있는 청구 프로토콜인 PA-Bill을 제안한다. 에너지 공급 편차가 발생하더라도 보편적인 비용 분배 메커니즘을 통해 정확한 청구를 보장하며, 500가구 시뮬레이션에서 평균 실행 시간이 250ms 이내로 낮은 계산 오버헤드를 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 P2P 에너지 청구 시스템에서 통합된 프라이버시, 책임성 및 편차 대응 기능의 부재를 해결한다.
• 개별 에너지 편차 데이터로부터의 프라이버시 泄露를 방지하면서도 정확한 청구를 확보한다.
• 데이터 기밀성을 훼손하지 않은 채 위변조 방지 감사 기록을 확보한다.
• 단일 장애 지점이 발생하지 않도록 반분산형 환경에서 확장 가능하고 안정적인 청구를 가능하게 한다.
• 최대 500가구에 이르는 대규모 P2P 에너지 공동체를 대상으로 효율적이고 검증 가능하며 프라이버시 보장된 청구 운영을 지원한다.

제안 방법

• 개별 편차가 아닌 모든 사용자 전체의 편차를 집계하는 보편적인 비용 분배 메커니즘을 사용하여 간접적 프라이버시 泄露를 최소화한다.
• Paillier 히든된 암호화를 활용해 암호화된 실질 소비량 및 P2P 에너지 거래량 데이터를 기반으로 청구를 안전하게 계산함으로써 사용자 프라이버시를 계산 중에도 유지한다.
• 중요한 청구 데이터(예: 편차, 청구 금액 등)의 해시 버전만 블록체인에 저장하여 데이터 무결성과 비부인성(Non-repudiation)을 확보한다.
• 모순이 발생할 경우에만 작동하는 중재자(Referee)가 청구 계산의 분쟁을 해결하는 분쟁 해결 메커니즘을 통합한다.
• 대부분의 청구 계산을 반분산형 아키텍처에서 로컬로 수행하여 중심화된 서버 의존도를 낮추고 시스템의 내성 강화를 도모한다.
• Ethereum 기반 스마트 계약을 활용해 책임성을 강화하고, 청구와 관련된 해시의 공개적이고 불변의 로그를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 P2P 에너지 청구 시스템은 기록된 공급량과 실제 공급량 간의 편차를 정확히 반영하면서도 사용자 프라이버시를 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ2 탈중앙화된 에너지 청구 시스템에서 강력한 책임성과 데이터 유출 방지를 동시에 달성할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 히든된 암호화와 블록체인을 활용한 반분산형 청구 프로토콜이 대규모 환경에서도 낮은 계산 오버헤드를 달성할 수 있는가?
• RQ4 개별 편차가 아닌 총 편차를 사용할 경우 프라이버시와 청구 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 P2P 에너지 거래 환경에서 프라이버시 보장 및 책임 있는 청구 프로토콜의 계산 성능은 어떠한가?

주요 결과

• PA-Bill은 500명의 사용자에서 개인 편차 계산에 대해 최고 성능 기준 평균 실행 시간 23.84ms, 총 편차 계산에 대해 69.25ms를 기록한다.
• 모든 가구가 잘못된 계산을 제출하는 최악의 경우, 총 편차 계산에 대해 최대 246.23ms의 오버헤드가 발생하나, 여전히 실용적 한계 내에 유지된다.
• 2048비트 키를 사용하는 Paillier 히든된 암호화를 통해 민감한 데이터(예: 실질 소비량 및 P2P 거래량)를 암호화함으로써 프라이버시를 유지한다.
• 블록체인에 저장되는 것은 오직 해시 데이터뿐이므로 원시 사용자 데이터가 폭로되지 않으면서도 검증 가능한 감사 및 분쟁 해결 기능을 확보한다.
• 1시간의 정산 주기로 최대 500가구를 지원하며, 실제 시나리오에서의 시뮬레이션 조건에서 확장성과 효율성을 입증한다.
• 감사 기능을 위한 블록체인과 프라이버시 보장을 위한 히든된 암호화의 통합은 단일 장애 지점 없이도 안전하고 검증 가능하며 효율적인 청구 메커니즘을 제공한다.