基于同态加密的智能电网安全数据融合技术

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1、基于同态加密的智能电网安全数据融合技术　　摘要：针对目前智能电网隐私保护技术尚无法提供足够的效率和安全特性这一问题，设计了一种安全有效的智能电网安全数据融合方案。该方案在确保用户的数据前向安全的前提下，采用签名融合技术减少了计算开销。研究了智能电网安全数据融合方案的实现方法并对方案进行了安全分析及性能分析，最后在SimpleWSN平台上进行了系统仿真实验，实验结果表明，该方案具有可行性，适用于智能电网中。　　关键词：智能电网；隐私保护；签名融合；密钥更新　　中图分类号：TN918.4?34；TM417文献标识码：A文章编号：1

2、004?373X（2016）09?0082?05　　Abstract：Sincetheavailableprivacyprotectiontechnologyofthesmartgridisunabletoprovideenoughefficiencyandsecurityfeature，asafeandeffectivesecuritydatafusionschemeofthesmartgridwasdesigned.Onthepremiseofensuringtheuser′sdataforwardsecurity，the

3、signaturefusiontechnologyisusedtoreducethecomputingcost.Inthispaper，theimplementationmethodofthesecuritydatafusionschemeofthesmartgridisstudied，anditssecurityanalysisandperformanceanalysisareperformed.ThesystemsimulationexperimentwasconductedonSimpleWSNplatform.Thee

4、xperimentalresultsshowthattheschemeisfeasible，andis8suitableforsmartgrid.　　Keywords：smartgrid；privacyprotection；signaturefusion；keyupdate　　0引言　　随着信息技术、通信技术、计算机技术、传感测量技术以及控制技术的快速发展，工业控制系统已经成为国家基础设施行业的重要技术平台，其中的一个重要应用便是智能电网。但随着智能电网中数据采集与监控系统[1]越来越广泛的应用，其也带来了一定的安全问题[2]

5、。另外，智能电网的庞大数据量[3]需要进行实时通信，对系统的计算能力和网络的通信能力的要求都很高。其中，基于同态加密的智能电网融合方案[4?5]无法解决数据的前向安全、密钥更新、通信和计算量、系统效率等问题；基于同态加密的批量验证方案[6?7]只能针对同一个发送节点的各个数据包的签名进行批量验证；基于同态加密的密钥更新方案[8]需要大量的计算和通信资源。　　针对上述问题，本文设计了一种安全有效的智能电网安全数据融合方案。为了保证系统的前向安全性，用户和控制中心间只需分别通过旧密钥计算出新密钥即可，而无需每次都进行交互；为了保证

6、密钥的安全性，每交互一定次数后系统就重新分配初始密钥；为了降低通信和计算开销，采用了签名融合方案。将本文提出的方案与其他方案进行了安全性和计算通信性能对比分析，证明了所提出方案的安全性和高效性。最后，在SimpleWSN硬件平台上设计并实现了该方案，通过实验验证了方案的可行性。8　　1方案概述　　智能电网的网络拓扑结构如图1所示，其由1个控制中心（CC），[n]区域网络（BAN）和[m]家庭区域网络（HAN）组成。　　在本方案中，将区域网关（BG）和控制中心（CC）作为可信机构。其中，家庭用户的注册、密钥管理和信息管理，消息的

7、完整性和不可抵赖性验证，消息融合并向控制中心传送由区域网关负责。系统初始化，网关的注册、密钥管理和信息管理，消息的完整性和不可抵赖性验证，网关传送的融合消息的解密和处理，以及发布响应消息由控制中心负责。方案的基本步骤如下：　　（1）[m]个用户将加密并签名后的用电数据和需求数据发送至区域网关；　　（2）区域网关将接收到的消息进行验证和安全融合，将签名和融合结果传送至控制中心。　　在上述步骤中，通过采用批量签名和验证的技术，控制中心和网关的计算开销得到了大幅度的降低；通过密钥的分布式管理和更新，在提高了安全性的同时，还大大减小了

8、密钥管理的开销。为了使控制中心能实现更精确的用电需求分析，需同时传送用户的实际用电数据和需求数据。　　2方案实现　　基于同态加密的智能电网安全数据融合方案由初始化、加密和签名、签名融合与验证、消息处理和密钥更新5个阶段组成，为了方便描述，本方案使用的符号含义如表1所示。　　3