[发明专利]一种基于雾计算的轻量级隐私保护数据多级聚合方法

说明书

本发明公开了一种基于雾计算的轻量级隐私保护数据多级聚合方法，先将电网覆盖区域分成子区域，子区域下存在一个雾节点，雾节点下存在多个智能电表，智能电表实时采集用户的用电信息，并将加密后的数据生成报告上传到该子区域内的唯一雾节点，雾节点收集来自该子区域内所有智能电表的用电数据进行一级聚合并生成报告后上传到云服务器，云服务器对来自所有雾节点的数据进行二级聚合并生成报告，随后利用密钥解密，读取聚合数据，进而控制用电量，可信机构在前述数据聚合过程中用于系统参数的生成以及智能电表和雾设备注册。该方法具有灵活性高、计算成本低、解析速度快、精度高、等优点。

技术领域

本发明涉及物联网数据处理领域，特别涉及一种基于雾计算的轻量级隐私保护数据多级聚合方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，各种智能传感设备应运而生，智能设备可以通过收集数据并将数据传输到云中心，以进行实时观察和智能决策。于是智能家居、智能医疗、智能城市，智能电网等概念也被相继提出，而智能电网作为下一代电网受到了越来越多的关注。在智能电网系统中，分布式的智能电表生成数据报告，并通过互联网传输到远程云服务器以进行进一步分析，云服务器可以定期监控电力输送和用电信息，以便进行实时决策。但是这些智能电表会生成大量数据，这将为云中心带来极大的负担；同时在智能电表到云服务器的数据存储和数据传输过程中，智能电网必须确保这些数据的隐私性、可靠性、安全性、灵活性和可扩展性。而随着连接到智能电网的用户数量的增加，解决这些问题将变得更加困难。

目前关于智能电网中隐私数据聚合的研究主要有两种方法，第一种方法是通过屏蔽用户的真实身份来掩盖其隐私信息，但这种匿名性导致了控制中心无法对数据来源的有效性进行认证；除此之外，基于屏蔽身份的数据聚合方案中想要寻找一个可靠的第三方来保证匿名的安全性是很困难的。第二种方法是通过屏蔽用户的实时用电数据来保护用户的隐私信息，该方法又主要集中在以下三类。第一类是将智能电表连接到硬件设备，例如将智能电表连接到电池上，智能电网和家用电池同时为用户提供电力。当用户的用电量明显增加时，电池放电，反之，为电池充电，以此来隐藏用户的实时电力消耗，但是电池频繁的放电与充电会缩短电池的使用寿命。换言之，这些操作虽然减轻了智能电网在计算和通信上的负担，却需要频繁地进行维护，这种代价是非常昂贵的。第二类是在智能电表处添加噪声并在控制中心将其除去来掩盖智能电表的真实读数，这些方法虽然可以实现对隐私数据的保护，但是由于添加噪声的操作，导致控制中心无法准确地重建智能电表的真实读数，对于某些对精度要求较高的场景，这些方法并不适用。第三类是采用加密方法，近来的一些研究主要利用公钥加密方法的同态性来汇聚特定区域的电力消耗，在这个过程中，用户的个人读数一直处于加密状态，并不会被其它实体获知，从而实现保护用户隐私信息的目的。但这类研究方案大部分都无法实现更加细粒度的聚合，无法满足智能电网所需的灵活性，应用范围受限，同时采用了昂贵的加密算法和配对操作，导致它们在计算成本，通信开销，数据完整性验证，以及灵活性等方面存在不足。

雾计算是一种很有前途的分布式模型，它可以在网络边缘存储和处理数据，这不仅可以减少系统的传输开销，还可以提高其实时处理能力。尤其是在智能电网这种生成报告频率较高的基础设施中，雾计算设备可以首先在网络边缘预处理要报告的数据，然后将预处理结果转发到云服务器，从而大大地节省带宽。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于雾计算的轻量级隐私保护数据多级聚合方法，该方法的主要特点是利用改进的Paillier加密系统结合多级聚合模型实现隐私数据的细粒度聚合，同时利用哈希函数的单向性在网络边缘和云端进行轻量级认证。