一种面向智能电网数据的完整性审计方法技术

本发明专利技术公开了一种面向智能电网数据的完整性审计方法，涉及信息安全技术领域。包括：MEC向IESO注册、SM获取IESO的认证和SM选择为其服务的移动边缘计算服务器MEC

【技术实现步骤摘要】
一种面向智能电网数据的完整性审计方法


[0001]本专利技术涉及信息安全
，具体涉及一种面向智能电网数据的完整性审计方法。

技术介绍

[0002]智能电表SM(Smart Meter)是智能电网SG(Smart Grid)数据采集的基本设备之一，承担着原始电能数据采集、计量和传输的任务。数据审计作为一种验证智能电表数据完整性的技术，利用数字签名构建一个完整的远程识别系统，以确定远程数据是否与其原始数据相同。
[0003]为了加速状态估计，从而获得更大的智能电网SG控制灵活性，独立电力系统运营商IESO(Independent power system operator)应尽快审核新收集的远程数据。然而，以下问题使得无法实现如此高的效率。首先，SM作为一种资源匮乏的物联网设备，无法承受复杂的加密计算，这使得签名生成时间延长。在这种情况下，由SM直接生成数字签名的方案必然效率极低。如果允许SM让第三方接管其签名计算，虽然每个SM的计算量可以减轻，但随着SM规模的迅速增加，这种集中式签名处理会存在性能瓶颈和单点故障的隐患。此外，第三方的引入还造成了远程数据泄露的风险，这使得怀有恶意的人更容易发现家庭用电行为。其次，SM产生的数据不断增加，会使数字签名数量激增，给签名检索带来困难，进一步延长其访问时间。为了便于检索，现有方案中设计了几种用于签名数量有限的审计场景的索引结构，例如Merkle树和Hash表，但是面对SG中快速增长的签名，它们将导致较低的检索精度和较高的存储和时间开销。最后，由于数据碎片化，IESO通常允许每个状态估计都涉及云存储中的大量数据块，这将增加审计人员的数据验证次数，从而延长验证时间。为了在某种程度上解决这个问题，基于全局采样的方案可以减少需要验证的数据块的数量，但是它们没有考虑状态估计中的数据重叠问题，这导致对相同数据块的重复审计。
[0004]另外，现有的数据审计鲁棒性和隐私保护较弱。一方面，SG的开放性使得数据审计系统有可能被老练的黑客无效或瘫痪，另一方面，数据审计系统允许半信任的第三方控制SM的数据，这本身就是一种风险。例如，黑客可以攻击无数僵尸，生成数百万个无用的数据块，从而耗尽资源来瘫痪审计系统，或者将被窃听的签名证据和数据证明伪装成下一个验证输入，从而使审计无效。此外，除了第三方云服务提供商CSP(Cloud service provider)之外，一些现有的方案，引入了第三方审计者TPA(Third Party Auditor)作为签名生成器，但它们需要是可信的，才能做正确的事情(例如，不泄露SM数据)。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供一种面向智能电网数据的完整性审计方法。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种面向智能电网数据的完整性审计方法，其特征在于，该方法包括：
[0008]步骤1：移动边缘计算服务器MEC与智能电表SM的初始化：MEC向独立电力系统运营商IESO注册、SM获取IESO的认证和SM选择为其服务的移动边缘计算服务器MEC
m
；
[0009]所述SM选择为其服务的移动边缘计算服务器MEC
m
，指的是在MEC完成注册，且SM认证成功后，IESO向具有不同需求的SM推荐其各自所需的MEC；
[0010]步骤2：数据聚合：SM生成数据块并盲化，且将SM的验证令牌标记到已经盲化过的数据块中，SM将标记了验证令牌的盲化后的数据块上传至MEC
m
，MEC
m
对SM上传的数据进行数据聚合；
[0011]步骤3：签名生成和数据存储：MEC
m
对于接收的每个数据块计算其签名后将数据块转发至云服务器Cloud进行存储；当签名达到预设数量时，MEC
m
构建签名索引数据结构，将所述签名存储在所述签名索引数据结构中；
[0012]步骤4：审计挑战：IESO向MEC
m
与Cloud发起审计挑战；
[0013]步骤5：数据验证：Cloud与MEC
m
检索被挑战的数据块的签名证据和数据证明并发送给IESO，IESO验证数据块的完整性；
[0014]进一步地，根据所述的面向智能电网数据的完整性审计方法，所述MEC向独立电力系统运营商IESO注册的方法为：首先由IESO维护的证书颁发机构CA生成一个公钥私钥对{PK
CA
,SK
CA
}；然后当某一个移动边缘计算服务器MEC
m
试图加入智能电网SG时，MEC
m
向证书颁发机构CA发送注册请求其中为MEC
m
的IP地址，为MEC
m
的编号，为MEC
m
的公钥；再然后接收方CA收到MEC
m
的注册请求后，分别计算数字证书及证书相应的签名并将它们返回给MEC
m
。
[0015]进一步地，根据所述的面向智能电网数据的完整性审计方法，所述SM获取IESO的认证的方法包括SM的注册和SM的验证；
[0016]所述SM的注册为：首先某个智能电表SM
i
向CA发送注册请求其中是SM
i
的IP地址，S1表示中间变量，H(*)表示对*进行哈希加密操作，表示SM
i
的编号，表示异或操作，||表示连接操作，w是SM
i
的登录密码，T1是SM
i
向CA发送请求的时间；假设CA预先知道所有SM
i
的CA收到注册请求后，对于新鲜的消息，CA计算中间变量T2为CA当前计算时间，CA将{S2,T2}返回给SM
i
，SM
i
收到消息后，计算时，SM
i
注册成功；
[0017]所述SM的验证为：为了使得MEC能够验证SM
i
发送的数据块，CA向MEC
m
发送
[0018]其中ρ表示中间变量，其中表示使用MEC
m
的公钥对*进行加密，表示使用CA的私钥对*进行签名，s0和r1是随机值；接下来，CA向SM
i
发送其中S3与S4表示中间变量，T3表示当前计算时间；SM
i
在接收到消息后，如果计算并且则SM
i
存储H(s0)和H(r1)，其中H(s0)作为原始验证令牌将被携带在每个数据块中，并用于促进MEC对SM
i
发送的数据块进行正确验证，H(r1)是致盲因子的加密密钥；且
[0019]SM和MEC同时使用单向散列链来更新验证令牌，每隔一段时间，通过计算一个新的令牌，其中F
a
表示第a次计算的验证令牌，当a＝1时，有F1＝H(H(s0))，其中F1＝H(s0)是原始验证令牌。
[0020]进一步地，根据所述的面向智能电网数据的完整性审本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向智能电网数据的完整性审计方法，其特征在于，该方法包括：步骤1：移动边缘计算服务器MEC与智能电表SM的初始化：MEC向独立电力系统运营商IESO注册、SM获取IESO的认证和SM选择为其服务的移动边缘计算服务器MEC
m
；所述SM选择为其服务的移动边缘计算服务器MEC
m
，指的是在MEC完成注册，且SM认证成功后，IESO向具有不同需求的SM推荐其各自所需的MEC；步骤2：数据聚合：SM生成数据块并盲化，且将SM的验证令牌标记到已经盲化过的数据块中，SM将标记了验证令牌的盲化后的数据块上传至MEC
m
，MEC
m
对SM上传的数据进行数据聚合；步骤3：签名生成和数据存储：MEC
m
对于接收的每个数据块计算其签名后将数据块转发至云服务器Cloud进行存储；当签名达到预设数量时，MEC
m
构建签名索引数据结构，将所述签名存储在所述签名索引数据结构中；步骤4：审计挑战：IESO向MEC
m
与Cloud发起审计挑战；步骤5：数据验证：Cloud与MEC
m
检索被挑战的数据块的签名证据和数据证明并发送给IESO，IESO验证数据块的完整性。2.根据权利要求1所述的面向智能电网数据的完整性审计方法，其特征在于，所述MEC向独立电力系统运营商IESO注册的方法为：首先由IESO维护的证书颁发机构CA生成一个公钥私钥对{PK
CA
,SK
CA
}；然后当某一个移动边缘计算服务器MEC
m
试图加入智能电网SG时，MEC
m
向证书颁发机构CA发送注册请求其中为MEC
m
的IP地址，为MEC
m
的编号，为MEC
m
的公钥；再然后接收方CA收到MEC
m
的注册请求后，分别计算数字证书及证书相应的签名并将它们返回给MEC
m
。3.根据权利要求2所述的面向智能电网数据的完整性审计方法，其特征在于，所述SM获取IESO的认证的方法包括SM的注册和SM的验证；所述SM的注册为：首先某个智能电表SM
i
向CA发送注册请求其中是SM
i
的IP地址，S1表示中间变量，H(*)表示对*进行哈希加密操作，表示SM
i
的编号，表示异或操作，||表示连接操作，w是SM
i
的登录密码，T1是SM
i
向CA发送请求的时间；假设CA预先知道所有SM
i
的CA收到注册请求后，对于新鲜的消息，CA计算中间变量T2为CA当前计算时间，CA将{S2,T2}返回给SM
i
，SM
i
收到消息后，计算时，SM
i
注册成功；所述SM的验证为：为了使得MEC能够验证SM
i
发送的数据块，CA向MEC
m
发送其中ρ表示中间变量，其中表示使用MEC
m
的公钥对*进行加密，表示使用CA的私钥对*进行签名，s0和r1是随机值；接下来，CA向SM
i
发送其中S3与S4表示中间变量，T3表示当前计算时间；SM
i
在接收到消息后，如果计算并且则SM
i
存储H(s0)和H(r1)，其中H(s0)作为原始验证令牌将被携带在每个数据
块中，并用于促进MEC对SM
i
发送的数据块进行正确验证，H(r1)是致盲因子的加密密钥；且SM和MEC同时使用单向散列链来更新验证令牌，每隔一段时间，通过计算一个新的令牌，其中F
a
表示第a次计算的验证令牌，当a＝1时，有F1＝H(H(s0))，其中F1＝H(s0)是原始验证令牌。4.根据权利要求3所述的面向智能电网数据的完整性审计方法，其特征在于，所述SM选择为其服务的MEC的方法包括：步骤I：定义MEC
m
的服务属性集MSA
m
，对于给定的一个ISP，MEC
m
服务属性集表示为MSA
m
＝{u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7}，其中u
c
,c∈[1,7]表示属性集MSA
m
中的任一属性，u1表示允许MEC
m
的最大计算时间，所述计算时间包括计算签名时间，u2表示MEC
m
为SM
i
进行服务的价格，u3表示MEC
m
当前允许的最大SM连接数，u4表示MEC
m
允许的最大存储开销，u5表示SM
i
到MEC
m
的网络延迟，u6表示MEC
m
到云服务器Cloud的网络延迟，u7表示云服务器Cloud到由IESO所维护的审计者Auditor的网络延迟；步骤II：SM
i
对MSA
m
中的属性进行归一化处理，并对归一化处理后的属性值按照从大到小排序AS
i
＝x1≥x2≥...≥x7，其中x
j
,j∈[1,7]表示属性集MSA
m
中的归一化后的任一属性；步骤III：建立多属性决策矩阵，并根据SM
i
需求对属性进行排序；首先给定注册的SM
i
及SM
i
的候选MEC服务集得到对应的多属性决策矩阵是其中n表示候选MEC服务集中MEC的总数；表示SM
i
对MEC
m
进行归一化的属性；就每个属性而言，它的权重w
mc
表示SM
i
对它的偏好，然后依据IESO提供的根据SM
i
属性偏好进行的排序BS
i
＝y1≥y2≥...≥y7，获得SM
i
的对MEC
m
属性偏好的权重排序这里的y
c
,c∈[1,7]表示属性集MSA
m
中的任一属性，表示排序后的SM
i
对MEC
m
属性的权重；步骤IV：给定一个SM
i
和将SM
i
选择MEC
m
问题转化为求SM
i
选择综合评价最高的MEC
m
的问题：对于每个集合，SM
i
使用来计算SM
i
对集合中的所有MEC
m
的综合评价，SM
i
最终选择综合评价值最高的MEC，也就是求max{z
m
}，具体表述如下：}，具体表述如下：}，具体表述如下：}，具体表述如下：}，具体表述如下：其中，式(1)为所求对象；式(2)表示MEC服务属性；式(3)表示标准化条件；式(4)表示SM
i
对MEC
m
属性偏好的权重排序；式(5)列出了与对应的权重变量步骤V：计算属性y
c
的距离系数
所述所述表现为属性偏好排序BS
i
中的相邻属性和的在属性值排序AS
i
中的重要程度；参照SM
i
对MEC
m
的属性值排序AS
i
＝x1≥x2≥...≥x7和SM
i
属性偏好排序BS
i
＝y1≥y2≥...≥y7计算计算<
·
>
NUM
表示从到在AS
i
的属性个数；步骤VI：通过距离系数计算权重利用G1法给定其中，d表示中间计数变量；根据进行归一化处理后得到权重集合步骤VII：SM
i
通过权重集合与属性集合计算SM
i
对MEC
m
的综合评价；根据n个MEC，计算n次权重集合通过计算得出每个MEC
m
的综合评价，SM
i
从中选择综合评价最高的MEC
m
。5.根据权利要求1所述的面向智能电网数据的完整性审计方法，其特征在于，所述SM生成数据块并盲化且将SM的验证令牌标记到已经盲化过的数据块中的内容为：每隔一段时间，智能电表SM
i
会上传收集到的家庭用电数据至选定的MEC
m
，定义为SM
i
在T
j
时间生成的数据块，表示为其中c
e
...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷井利，刘明曦，鲁宁，史闻博，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：