范方俊，歐元平，劉小龍，賈瑤

（國網伊犁伊河供電有限責任公司，新疆伊犁 835000）

下一代電網[1]最為突出的特點就是其智能性，且通信能力強大?，F(xiàn)階段的智能電表能夠進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，將含有用電數(shù)據(jù)的信息通過服務器發(fā)送至電力公司。利用智能電表的實時數(shù)據(jù)，電力公司能對用戶用電量進行分析，同時也可對地區(qū)的用電量進行長期分析。除了電力公司使用外，將用電數(shù)據(jù)提供給政府機構也有助于管理層進行區(qū)域決策[2-3]。

但用戶用電數(shù)據(jù)中除了與電力相關的數(shù)據(jù)外，還包含其隱私消息。若該數(shù)據(jù)信息泄露，入侵者便可通過電力數(shù)據(jù)分析該用戶的電力使用情況及其個人消息，并了解其作息時間和生活習慣，進而引發(fā)失竊等安全問題[4]。因此，在電網信息傳輸過程中對數(shù)據(jù)進行保護具有一定的必要性。

1 電力數(shù)據(jù)泄露原因分析

1.1 電力數(shù)據(jù)傳輸架構

典型的電力數(shù)據(jù)傳輸架構如圖1 所示。電力數(shù)據(jù)傳輸架構可分為三個結構，分別是感知層、網絡層和應用層[5-6]。感知層是最底層的無線終端設備，通常指有線或無線電表，使用網絡拓撲進行組網。網絡層包括無線網絡、廣域網絡以及局域網絡等，感知層設備使用網絡設備與網絡層連接。由于無線終端眾多，此時網絡層所承擔的數(shù)據(jù)傳輸壓力較大。應用層指的是電網數(shù)據(jù)處理中心，其包括數(shù)據(jù)服務器、應用服務器等設備。

圖1 電力數(shù)據(jù)傳輸架構

1.2 電力數(shù)據(jù)泄露風險

電力數(shù)據(jù)在傳輸過程中存在海量數(shù)據(jù)流量包，其在傳輸過程中可能存在泄露風險[7]。數(shù)據(jù)被攻擊的主要手段如圖2 所示。

圖2 主要攻擊手段

從圖2 中可以看出，攻擊手段分為三種，分別是竊聽攻擊、篡改攻擊及偽裝攻擊。

1）竊聽攻擊

竊聽攻擊通常通過對智能終端的保護程序進行破解，進而對終端發(fā)出的數(shù)據(jù)包進行截取。其能夠從數(shù)據(jù)包中獲得用戶當天時段的用電數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行整理和推測，即可得到用戶的用電模式，從而判斷出該用戶是否在家等信息。

2）篡改攻擊

篡改攻擊是指對終端的程序進行修改。通過入侵終端設備并修改電表信息，然后對用戶家中的設備進行操縱。因此，該攻擊將對用戶的日常生活造成不良影響。

3）偽裝攻擊

入侵者在獲得用戶的私人信息后，通常會偽造用戶身份并進行電力竊取，從而對用戶的財產安全造成損害。

2 基于數(shù)據(jù)挖掘的電網數(shù)據(jù)保護模型

2.1 保護方案

如圖3 所示，智能電表網絡的數(shù)據(jù)傳輸保護方案應為智能電表對用戶的用電數(shù)據(jù)進行采集，同時使用匿名化過程建立智能電表匿名組。然后利用Paillier 加密算法對計量數(shù)據(jù)進行加密并簽名，且通過網絡層將數(shù)據(jù)傳輸給上級節(jié)點。上級節(jié)點沿著融合樹形結構將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，并用可信第三方對密鑰進行管理，其包括生成和分配兩個過程。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸保護方案

2.2 Paillier加密算法

Paillier 加密算法是同態(tài)加密算法的一種，旨在對用戶的隱私設備群進行加密[8-12]。該加密算法首先要選取兩個素數(shù)，假設其分別為p和q，令n=pq，設p和q的最小公倍數(shù)為LC(p,q)。假定隨機參數(shù)為g，設定為有n2個數(shù)的整數(shù)集合，有：

另設數(shù)據(jù)集Sn，其定義為：

式中，u為1 除以n所得余數(shù)，且u為數(shù)據(jù)集Sn中的元素。對任意的u，均可用下方的分式函數(shù)表示：

由以上的分析可知，該加密算法可生成密鑰，且公鑰為（n,g），私鑰為（p,q）。

假設明文為m，若m屬于全集合，則明文加密之后可得到密文c：

式中，隨機數(shù)r也為集合中的元素，使用（p,q）對其進行解密，由式（4）即可得到明文m為：

由式（5）可知，對于任意的兩個明文m1和m2，對其進行加密后即可得到：

由式（6）可以看出，該算法具有同態(tài)加密算法的性質。

2.3 系統(tǒng)初始化

首先完成系統(tǒng)初始化工作，初始化過程包括智能電表終端的注冊過程與密碼分配過程。具體步驟為：

1）密碼后臺管理中心參數(shù)選擇。首先設置密鑰和TTP 參數(shù)。然后使用rnmodn2計算方法對加密密鑰進行計算，并將所得結果記為c。

2）智能終端在電網服務器端進行注冊。智能電表終端向后臺服務器發(fā)出申請，隨后服務器向智能終端發(fā)送入網證書，并提交給第三方認證平臺。

3）電網服務器接收到證書之后，密碼管理中心根據(jù)終端的請求數(shù)量生成對應的密鑰，即按照式（4）-（6）的過程進行加密。

4）待終端得到加密密鑰之后，向電網服務器返回參數(shù)值；而生成的公鑰，則由電網服務器進行保管。

2.4 電表數(shù)據(jù)生成與聚合

假設smi為某一時刻智能電表生成的數(shù)據(jù)，則對所有智能電表數(shù)據(jù)進行網絡聚合，并對多個電表進行組網，將數(shù)據(jù)進一步規(guī)范化處理。

首先每個智能電表終端均要從循環(huán)組群中產生隨機數(shù)，并將此數(shù)記為xr，則此時計算參數(shù)值為同時將該隨機數(shù)分配給組網的電表終端，然后根據(jù)式（7）計算得到：

得到參數(shù)值后，智能終端會對的值進行計算，并將計算結果保存為網格的Mask 匿名值。獲取到此值后，終端會對其進行匿名操作，最終匿名化完成后的數(shù)據(jù)C如下所示，顯然C是終端對原始數(shù)據(jù)進行掩飾后的數(shù)據(jù)：

當服務器收到終端數(shù)據(jù)后，需要對數(shù)據(jù)進行聚合操作，該操作的目的是方便數(shù)據(jù)包的傳輸且提升傳輸效率。

數(shù)據(jù)聚合的算法如式（9）所示：

式中，∑xiyi的值為0，其數(shù)學本質是加密數(shù)據(jù)的集合。數(shù)據(jù)提取完成后，服務器會將數(shù)據(jù)C發(fā)送至第三方控制服務器。在收到數(shù)據(jù)之后，第三方平臺使用私鑰對其進行解密并提取數(shù)據(jù)。解密使用Paillier解密算法進行解密，從而完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€過程。參照解密公式（5），將聚合數(shù)據(jù)代入可得式（10）：整個算法加密、解密過程如圖4 所示。

圖4 算法加密、解密過程

2.5 算法安全性分析

由上文可知，電網數(shù)據(jù)容易受到竊聽攻擊、篡改攻擊以及偽裝攻擊。因此，需要對算法安全性進行合理分析。

在上文提出的隱私方案中，其是通過智能電表終端對數(shù)據(jù)進行采集并聚合，然后將數(shù)據(jù)加密并發(fā)送到網絡服務器處。因此，若攻擊者對數(shù)據(jù)傳輸過程進行竊聽，則其獲取的是加密數(shù)據(jù)，故無法對數(shù)據(jù)進行解密，且無法獲得聚合維度的數(shù)據(jù)，從而提高了數(shù)據(jù)的安全性。

對于篡改攻擊，攻擊者顯然無法獲得聚合數(shù)據(jù)中的細粒度數(shù)據(jù)，因此也無法進行篡改攻擊。若攻擊者攻擊的是網關，但數(shù)據(jù)傳送至網關均成為了掩飾數(shù)據(jù)，其也無法對該數(shù)據(jù)進行修改。

而對于偽裝攻擊，可能會有虛假的電表終端模擬真實的電表終端進而對其終端數(shù)據(jù)進行竊取。但在該系統(tǒng)中，使用匿名化的終端系統(tǒng)可防止攻擊，保證系統(tǒng)的安全性。

3 實驗測試

3.1 系統(tǒng)環(huán)境配置

此次實驗將測試所提算法的加密能力，實驗配置分為應用層級和感知層級兩個部分。應用層級為上位機，感知層級為信息發(fā)送終端。應用層級用來模擬服務器端，感知層級用來模擬智能電表終端[13-14]。模擬服務器使用PC完成，其配置如表1所示。

表1 系統(tǒng)配置

3.2 算法性能仿真分析

首先對算法的解密和加密性能進行對比分析。選擇明文的長度為64 bit，密鑰長度為128 bit；選擇經典的加密、解密算法AES、DES 以及RC4 進行對比[15-16]，通過20 次測試后取平均算法的加密、解密時間。最終結果如表2 所示。

表2 算法加密、解密結果對比

從表2 可以看出，在所有算法中，該文算法的平均加密、解密時間分別為0.158 ms 和0.074 ms。在所有算法中，其時間均為最短。由此可見，文中算法能夠高速、有效地對明文數(shù)據(jù)進行加密和解密。

取密鑰長度為128 bit、256 bit、512 bit 以及1 024 bit，并使用不同算法對比算法所用時間。進行20次測試后取平均值，算法時間對比如表3、表4所示。

表3 不同密鑰長度算法加密時間對比（單位：ms）

表4 不同密鑰長度算法解密時間對比（單位：ms）

由表3 可以看出，該文算法在密鑰長度較高的情況下算法時間有所增加，但增速相比其他三種算法較慢。同時相比其他算法，文中算法所用加密時間是最短的。

由表4 中解密算法時間對比可以看出，由于算法的優(yōu)勢，該算法解密時間最短，且?guī)缀醣３植蛔?，這從側面說明文中算法解密速度較為穩(wěn)定。由此可知，與其他算法相比，所提算法在解密長密鑰時具有較大的優(yōu)勢。

綜合上述分析可知，該文算法有較好的安全性，能夠有效防御竊聽攻擊、篡改攻擊和偽裝攻擊。且在保障安全性的同時，其加密、解密速度也較快，相比其他算法具有顯著優(yōu)勢。由此說明，所提出的Paillier 算法應用于電網信息保護系統(tǒng)中，能夠有效防止用戶數(shù)據(jù)泄露。

4 結束語

為了保護用電數(shù)據(jù)的隱私性，文中使用Paillier算法對電表數(shù)據(jù)進行加密、解密，同時使用數(shù)據(jù)聚合和匿名化對終端集群進行管控。實驗結果表明，該文設計的算法加密、解密時間最短，同時對長密鑰的解密速度也較為穩(wěn)定，說明文中算法在保障數(shù)據(jù)安全的基礎上還擁有較好的性能。因此，該算法可以有效保護用戶數(shù)據(jù)的安全。