[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出PA-Bill，一种用于对等能源市场的隐私保护且可问责的计费协议，采用同态加密保障数据机密性，利用区块链实现防篡改的可审计性。该协议通过通用成本分摊机制，在能源交付出现偏差时仍能确保计费准确，并实现较低的计算开销，在500户家庭的仿真中，每个结算周期的平均执行时间低于250毫秒。

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.

研究动机与目标

• 解决现有对等能源计费系统中隐私、可问责性和偏差处理整合不足的问题。
• 在确保计费准确的同时，防止因个体能源偏差数据泄露而导致的隐私泄露。
• 在不损害数据机密性的前提下，建立防篡改的计费计算审计记录。
• 在半去中心化环境中实现可扩展且安全的计费，避免单点故障。
• 支持大规模对等能源社区（最多500户家庭），实现高效、可验证且私密的计费操作。

提出的方法

• 采用通用成本分摊机制，聚合所有用户的总偏差而非个体偏差，最大限度减少间接隐私泄露。
• 使用Paillier同态加密，在加密的真实能源用量和对等能源交易量数据上安全计算账单，确保计算过程中的用户隐私。
• 仅将关键计费数据（如偏差、账单）的哈希值存储在区块链上，以确保数据完整性和不可否认性。
• 集成争议解决机制，由仲裁人解决账单计算中的分歧，仅在出现差异时触发。
• 在半去中心化架构中，大部分计费计算在本地完成，降低对集中式服务器的依赖，提升系统韧性。
• 利用基于以太坊的智能合约强制执行可问责性，并提供公开、不可篡改的计费相关哈希日志。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在准确核算承诺与实际交付能源量之间偏差的同时，确保对等能源计费系统的用户隐私？
• RQ2 哪些机制能够同时在去中心化能源计费系统中提供强可问责性并防止数据泄露？
• RQ3 结合同态加密与区块链的半去中心化计费协议能否在大规模场景下实现低计算开销？
• RQ4 使用总偏差而非个体偏差对隐私和计费准确性分别产生何种影响？
• RQ5 在真实对等能源市场环境下，隐私保护且可问责的计费协议的计算性能如何？

主要发现

• PA-Bill在最佳情况下，个体偏差计算的平均执行时间为23.84毫秒，500名用户总偏差计算的平均执行时间为69.25毫秒。
• 在最坏情况下（所有家庭提交错误计算），总偏差计算的最大耗时为246.23毫秒，仍处于实际应用的可接受范围内。
• 协议通过使用2048位密钥的Paillier同态加密，对敏感数据（如实际用电量和对等交易量）进行加密，从而保障隐私。
• 仅将哈希数据存储在区块链上，确保原始用户数据不被暴露，同时支持可验证的审计和争议解决。
• 系统支持最多500户家庭，结算周期为一小时，在真实场景仿真条件下展现出良好的可扩展性和效率。
• 通过区块链实现可审计性，结合同态加密保障隐私，最终形成无单点故障的、安全、可验证且高效的计费机制。