基于區(qū)塊鏈的車輛到電網(wǎng)隱私保護方案

北方工業(yè)大學 徐榕鴻 楊麗紅

車輛到電網(wǎng)（Vehicle to Grid，V2G）是智能電網(wǎng)中新興的重要技術，它通過電動汽車和智能電網(wǎng)間的電力雙向流動，增加了電網(wǎng)的靈活性和彈性。然而，由于大量的電力雙向交互，V2G網(wǎng)絡面臨著嚴峻的隱私和安全挑戰(zhàn)。針對上述挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的V2G隱私保護方案，通過構建雙層區(qū)塊鏈，實現(xiàn)電力交互信息的安全存儲與共享；引入車輛假名機制實現(xiàn)電動汽車身份隱私保護；利用無證書聚合簽密技術保證數(shù)據(jù)安全和密文的高效驗證。安全性分析表明，本文所提方案具有公開驗證性和不可偽造性。

近年來，隨著大規(guī)模的電動汽車并入智能電網(wǎng)，如何通過電動汽車輔助維持電網(wǎng)均衡穩(wěn)定，是智能電網(wǎng)研究的重要方向，V2G技術應運而生，V2G是指電動汽車到電網(wǎng)的雙向電能互動技術[1]。在智能電網(wǎng)中引入V2G技術，不但可減輕電動汽車接入電網(wǎng)時造成的負荷波動，還能進行調峰調頻[2]。然而，在V2G網(wǎng)絡中仍然存在著身份盜用、中間人攻擊等各種安全問題以及V2G實體之間共享信息時的隱私泄露風險。

目前，一些研究已采用區(qū)塊鏈技術來解決智能電網(wǎng)中的安全和隱私問題。如Guan等[3]在智能電網(wǎng)中提出了一種基于區(qū)塊鏈的安全通信隱私保護和數(shù)據(jù)聚合方案，采用布隆過濾器實現(xiàn)快速認證。同樣，Wang等[4]設計了一種高效的匿名獎勵方案，采用了環(huán)簽名和區(qū)塊鏈等技術來滿足V2G網(wǎng)絡的安全要求。因此，在本文中，我們將區(qū)塊鏈和無證書聚合簽密技術[5]相結合，實現(xiàn)V2G網(wǎng)絡的隱私保護。

1 系統(tǒng)模型

在V2G網(wǎng)絡下，本文所提出的基于區(qū)塊鏈的V2G網(wǎng)絡中交互信息隱私保護網(wǎng)絡模型如圖1所示。模型中包括電動汽車（Electric Vehicle，EV）、充電站（Charging Station，CS）、區(qū)域聚合器（Regional Aggregator，RA）、電力服務供應商（Electricity Service Provider，ESP）、密鑰生成中心（Key Generation Center，KGC）和區(qū)塊鏈（BlockChain,BC）6個實體。該模型旨在達到如下設計目標：

圖1 V2G網(wǎng)絡模型Fig.1 V2G network model

(1)隱私保護：利用車輛假名機制為電動車生成假名，使其在V2G網(wǎng)絡中與各個實體交互時真實身份不被泄露；同時結合無證書聚合簽密對電動車的電力交互信息進行簽密，保證其數(shù)據(jù)隱私安全。

(2)安全高效：通過雙層區(qū)塊鏈架構在各實體間傳遞交互信息，保證了數(shù)據(jù)的完整性和不可篡改性。無證書加密體制和聚合簽密技術的結合解決了密鑰托管問題，還支持高效的密文的批量聚合與驗證。

模型中實體的具體介紹如下：

(1)電動汽車：具有與電網(wǎng)進行充放電交互能力的電動汽車。

(2)充電站：為電動汽車與電網(wǎng)進行電力交互配備了足夠資源的實體。

(3)區(qū)域聚合器：負責匯總所屬區(qū)域所有電動汽車的雙向電力交互信息。

(4)電力服務供應商：負責對電動汽車的雙向電力交互信息進行分析，以便為智能電網(wǎng)實現(xiàn)準確、靈活的電力調控。

(5)區(qū)塊鏈：負責V2G網(wǎng)絡中電力交互信息的安全存儲和共享。

(6)密鑰生成中心：負責生成系統(tǒng)參數(shù)并為各實體分發(fā)部分私鑰。

2 方案的詳細描述

方案主要包括系統(tǒng)初始化、實體注冊、電力雙向交互和電網(wǎng)分析4個步驟。

2.1 系統(tǒng)初始化

KGC選擇一個安全參數(shù)λ，生成兩個大素數(shù)p、q，且滿足q|p-1。G為橢圓曲線上的一個循環(huán)群，階為q，生成元為P。定義3個安全的哈希函數(shù)：H1:{0,1}*×G×G→Zq*，H2:{0,1}*→Zq*，H3:{0,1}*×G→Zq*。KGC隨機選擇x∈Zq*作為系統(tǒng)主密鑰，并保密x ,系統(tǒng)公鑰Ppub=xP，公開系統(tǒng)參數(shù)para ms={p,q,P,Q,Ppub,G,H1,H2,H3}。

2.2 實體注冊

所有加入V2G網(wǎng)絡的電動汽車都需要在KGC處進行登記注冊。電動汽車通過安全信道將自己的真實身份發(fā)送給KGC，對于真實身份為RIDi(1≤i≤n)的EV，KGC為其生成匿名身份AIDi來保護身份隱私，具體步驟如下:

(1)KGC選擇哈希函數(shù)H4:{0,1}*→G，計算AIDi=H4(RIDi)，KGC秘密保存注冊信息表registry={RIDi,AIDi}，并將注冊假名表list={AIDi}發(fā)送給RA和CS，便于與EV交互時進行認證。

(2)KGC根據(jù)EV車輛匿名身份AIDi，隨機選擇計算EV電動汽車的部分公鑰RAIDi=rAIDiP，部分私鑰sAIDi=rAIDi+hAIDix，其中hAIDi=H(AIDi,RAIDi,Ppub)并經(jīng)安全信道將AIDi和(RAIDi,SAIDi)發(fā)送給EV。

(3)電動汽車密鑰設置。EV收到KGC發(fā)來的匿名身份和部分密鑰后，首先驗證等式sAIDiP=RAIDi+PpubhAIDi是否成立，若成立，說明KGC發(fā)送的部分密鑰有效，然后隨機選擇作為秘密值，設置其私鑰計算設置其公鑰為PKAIDi=(RAIDi,PAIDi)。

(4)如果參與V2G網(wǎng)絡的EV出現(xiàn)任何違規(guī)或非法行為，KGC可以根據(jù)EV匿名身份AIDi，查詢注冊假名表來追溯該EV的真實身份以進行追查。

2.3 電力雙向交互

2.3.1 電動汽車簽密

EV在開始與CS交互前，CS向RA申請檢查注冊假名表確認車輛是否已加入V2G網(wǎng)絡，驗證通過后方可進行電力雙向交互。完成交互后，EV將把電力交互信息簽密后上傳至ESP，以保證與其他實體的交互中是安全可靠的。EV對將要上傳至電力服務供應商IDESP的消息mi執(zhí)行如下操作。

(1)EV隨機選擇ui∈Zq*，計算Ui=uiP 。

(3)EV生成簽密密文σi=(Ui,ci,si) 。

2.3.2 區(qū)域鏈的生成

為了匯聚區(qū)域信息、降低節(jié)點存儲壓力以及通信開銷，簽密密文首先需要上傳至電動汽車所屬區(qū)域的RA。RA收到密文后，首先通過已有的注冊假名表確認電動汽車假名合法性；隨后，RA將聚合該區(qū)域所有車輛的電力交互信息，進行無證書聚合簽密，生成聚合密文；最后RA將構筑區(qū)域區(qū)塊鏈，并將聚合密文上傳至區(qū)域鏈。具體過程如下:

(1)聚合簽密：RA在收到n個密文σi=(Ui,ci,si)后，計算則聚合密文為σ=〈{Ui,ci}i=1n,S〉。聚合密文不僅降低了計算與通信開銷并且匯聚了一個區(qū)域的電力交互信息，能幫助ESP更好地調控電網(wǎng)。

(2)添加至區(qū)域鏈：RA將生成的聚合密文σ=〈{Ui,ci}i=1n,S〉記錄在一個新的區(qū)塊中，并向所屬區(qū)域所有電動汽車處廣播，新區(qū)塊將根據(jù)共識算法驗證正確性，如果通過，則將信息傳遞給其他節(jié)點。

2.3.3 聚合鏈的生成

各區(qū)域的RA生成區(qū)域鏈后，會將其發(fā)送至根據(jù)各個RA的資源空閑情況選擇的聚合節(jié)點，在聚合節(jié)點處將構筑聚合鏈。和區(qū)域鏈處類似，聚合節(jié)點將各區(qū)域的聚合密文封裝成塊添加至聚合鏈中，并將聚合鏈發(fā)送至電力服務供應商。

2.4 電網(wǎng)分析

ESP收到聚合鏈后，會根據(jù)鏈上的聚合密文，解密以獲取電力交互信息mi，便于掌控各區(qū)域電力交互狀況，實時分析智能電網(wǎng)，具體步驟如下:

(1)IDESP收到聚合鏈后，首先要讀取事務信息，獲得聚合密文

(3)IDESP通過計算hi=H2(ci,IDi,Ui,RIDi,PIDi,PIDi,RIDESP,PIDESP,Ppub)來驗證等式是否成立判斷聚合密文是否有效。驗證通過后，電力供應服務商可以獲知各區(qū)域電力交互情況，以便電網(wǎng)靈活調控電力，維持電網(wǎng)平衡。

3 安全性分析

本節(jié)將從正確性、公開驗證性和不可偽造性三方面對本文所提方案進行分析。

3.1 正確性

3.1.1 密文的正確性驗證

區(qū)域聚合器RA需要對車輛AIDi提供的密文中的簽名進行正確性驗證，以確保提供密文車輛的身份是合法的，提供的密文是有效的。具體證明如下:

驗證等式成立，即該車輛身份合法，密文有效。區(qū)域聚合器RA將區(qū)域內合法車輛的密文聚合起來形成新的聚合密文發(fā)送給電力服務供應商ESP，ESP同樣需要驗證聚合密文的簽名是否有效。具體證明如下：

當驗證等式成立，即聚合密文有效。

3.1.2 記錄密文解密正確性驗證

電力服務供應商ESP在收到聚合密文后，通過以下等式驗證記錄明文mi的正確性：

并根據(jù)W`i=H3(IDB,Ti`)=H3(IDB,Ti)=Wi，能夠確保ESP通過IDi||mi=ci⊕Wi`解得正確mi，即本文方案的記錄密文解密正確。

3.2 公開驗證性

3.3 不可偽造性

本方案利用無證書聚合簽密和區(qū)塊鏈技術，保證了電力交互信息的不可偽造性。只要車輛上傳的交互信息密文被記錄在區(qū)塊鏈上，就不會被輕易地偽造和篡改。

4 結語

V2G網(wǎng)絡中，電動汽車與智能電網(wǎng)的雙向電力交互可維持智能電網(wǎng)平衡，為應對雙向交互帶來的安全和隱私挑戰(zhàn)，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的車輛到電網(wǎng)隱私保護方案。通過車輛假名機制、無證書聚合簽密以及區(qū)塊鏈技術，本方案保證了V2G網(wǎng)絡雙向電力交互的隱私安全。此外，安全性分析表明,本方案具有公開驗證性和不可偽造性。

引用

[1] 董龍昌,陳民鈾,李哲,等.基于V2G的電動汽車有序充放電控制策略[J].重慶大學學報,2019,42(1):1-15.

[2] 蔡黎,高樂,徐青山,等.電動汽車V2G關鍵技術研究及應用進展[J].電池,2020,50(1):87-89.

[3] GUAN Z,SI G,ZHANG X,et al.Privacy-preserving and Efficient Aggregation Based on Blockchain for Power Grid Communications in Smart Communities[J].IEEE Communications Magazine,2018,56(7):82-88.

[4] WANG H,WANG Q,HE D,et al.BBARS:Blockchain-Based Anonymous Rewarding Scheme for V2G Networks[J].IEEE Internet of Things Journal,2019:3676-3687.

[5] 陳虹,周沫,侯宇婷,等.可公開驗證無對運算的無證書聚合簽密方案[J/OL].計算機科學與探索:1-13[2022-02-01].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5602.TP.20210615.1751.012.html.