[论文解读] Load Control and Privacy-Preserving Scheme for Data Collection in AMI Networks

Hawzhin Mohammed, Syed Rafay Hasan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2018

Smart Grid Security and Resilience参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文提出了一种轻量级、隐私保护的数据采集方案，用于高级计量基础设施（AMI）网络，采用对称密钥密码学和哈希技术对单个智能电表读数进行模糊化处理。通过使用共享秘密遮罩对覆盖后的用电量数据进行聚合，电力公司可在不访问个体数值的情况下获得总用电量的洞察，与同态加密或非对称方法相比，显著降低了计算开销和通信成本。

ABSTRACT

In Advanced Metering Infrastructure (AMI) systems, smart meters (SM) send fine-grained power consumption information to the utility company, yet this power consumption information can uncover sensitive information about the consumers' lifestyle. To allow the utility company to gather the power consumption information while safeguarding the consumers' privacy, different methods that broadly utilize symmetric key and asymmetric key cryptography operation have been generally utilized. In this paper, we propose an effective method that uses symmetric key cryptography and hashing operation to gather power consumption information. Moreover, provide the utility company with an overview of the type of the appliances used by its power consumer and range of power use. The idea is based on sending cover power consumption information from the smart meters and removes these covers by including every one of the smart meters' messages, with the goal that the utility can take in the accumulated power consumption information, yet cannot take in the individual readings. Our assessments show that the cryptographic operations required in our scheme are substantially more effective than the operations required in other schemes.

研究动机与目标

• 解决AMI网络中细粒度用电量数据可能暴露敏感用户行为所导致的隐私泄露问题。
• 降低现有隐私保护方案中因过度依赖非对称密码学或同态加密而带来的计算与通信开销。
• 使电力公司能够获取总用电量及电器使用模式的聚合信息，而无需访问单个电表读数。
• 设计一种在抵御共谋攻击方面具备强安全性的同时，最大限度减少智能电表资源消耗的系统。
• 在实际AMI网络环境中，评估隐私级别与系统开销之间的性能权衡。

提出的方法

• 每个智能电表使用共享对称密钥和通过密码哈希生成的保密遮罩值对其用电量进行加密。
• 电力公司对所有覆盖后的读数进行聚合，通过减去所有共享遮罩值的总和，计算出总用电量。
• 仅在周期性地更新密钥时使用基于非对称密码学的密钥管理机制，以最小化频繁执行的重负载操作。
• 该方案依赖点加法和向量聚合来合并覆盖后的读数，确保在传输过程中个体数值保持隐藏。
• 该方法确保只有聚合结果向电力公司暴露，从而在保护个体隐私的同时支持负荷控制和需求响应。
• 在MATLAB中基于树形拓扑AMI网络对系统进行评估，与同态加密在时间、数据大小和传输开销方面进行性能对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保护电力公司无法访问个体智能电表用电量数据的前提下，实现对总负荷的监控？
• RQ2 AMI网络中，隐私保护程度提升与系统资源开销之间的性能权衡如何？
• RQ3 对称密钥密码学与哈希技术能否有效实现AMI数据采集中的隐私与效率兼顾？
• RQ4 与现有基于同态加密的方案相比，所提出的方案在效率和安全性方面表现如何？
• RQ5 网络规模对所提方案可扩展性与性能有何影响？

主要发现

• 与同态加密相比，所提方案显著降低了密码学开销，点加法的计算时间几乎不随智能电表数量变化而改变。
• 同态加密的计算时间随智能电表数量线性增长，而点加法保持稳定，因此在大规模网络中更具可扩展性。
• 通过使用共享秘密遮罩和对称密钥操作，该方案对共谋攻击具备强安全性。
• 仿真结果表明，与现有方案相比，传输数据量更小、数据包发送更少、延迟更低。
• 系统在隐私级别与系统开销之间展现出有利的权衡关系，可通过增加密钥和遮罩大小来实现更高隐私，而不会影响功能。
• 在二叉树和三叉树拓扑结构中的性能评估证实，系统在不同网络结构下均保持一致的高效性，点加法在收敛时间上优于同态加密。