X-NegoBox: An Explainable Privacy-Budget Negotiation Framework for Secure Peer-to-Peer Energy Data Exchange

1. Enunciato del Problema

La decentralizzazione dei moderni sistemi energetici ha trasformato i consumatori in prosumer che scambiano dati energetici granulari (ad esempio, curve di carico, generazione fotovoltaica, utilizzo degli elettrodomestici) per il trading peer-to-peer (P2P), la risposta alla domanda e le previsioni. Tuttavia, questi dati rivelano modelli sensibili delle famiglie (presenza, stile di vita, routine), creando rischi significativi per la privacy.

Limitazioni delle Soluzioni Esistenti:

• Politiche Statiche: I meccanismi attuali si basano su controlli di accesso fissi o budget di Privacy Differenziale (DP) predeterminati. Mancano di adattabilità alla variabilità della sensibilità dei dati, all'intento del richiedente o ai livelli di fiducia.
• Mancanza di Trasparenza: I prosumer ricevono raramente spiegazioni sul motivo per cui una richiesta di dati viene accettata, rifiutata o modificata, erodendo la fiducia.
• Esposizione dei Dati: Molti approcci richiedono che i dati grezzi lascino il controllo dell'utente o si affidino a "stanze pulite" centralizzate, aumentando la superficie di attacco.
• Rigidità: I budget DP fissi portano a un esaurimento prematuro del budget (bloccando la condivisione utile dei dati) o a una eccessiva fuoriuscita di privacy.

2. Metodologia: Il Framework X-NegoBox

X-NegoBox è un framework distribuito che abilita la gestione adattiva del budget di privacy e il processo decisionale trasparente, mantenendo i dati grezzi confinati localmente. Opera secondo il paradigma "Esegui Codice, Non Dati".

Componenti dell'Architettura Core

1. Private DataBox: Un enclave di calcolo locale (a livello domestico o edge) dove risiedono i dati grezzi. Impone vincoli di privacy e garantisce che i dati grezzi non lascino mai la scatola.
2. Protocollo di Negoziazione Autonomo del Budget di Privacy (APBNP): Il motore centrale che calcola dinamicamente un budget DP ottimale ($\epsilon^*$) per ogni richiesta.
   • Input: Sensibilità delle caratteristiche ($S_x$), fiducia del richiedente ($T_{ij}$), compatibilità dello scopo dichiarato ($P(p)$) e budget cumulativo residuo ($H_j$).
   • Ottimizzazione: Risolve per $\epsilon^*$ massimizzando un punteggio utilità-rischio:
     $$\epsilon^* = \arg \max_{\epsilon} \left( \lambda_1 U(\epsilon) - \lambda_2 R(\epsilon) + \lambda_3 T_{ij} + \lambda_4 P(p) - \lambda_5 C(\epsilon) \right)$$
   • Esiti:
     • Approvazione: Se $\epsilon^*$ rispetta i vincoli.
     • Controproposta: Se la richiesta è troppo sensibile, l'APBNP propone modifiche (ad esempio, risoluzione temporale inferiore, durata più breve) per trovare un $\epsilon^*$ fattibile.
     • Rifiuto: Se non esiste alcuna configurazione fattibile.
3. Livello di Accordo Esplicabile (X-Contract): Genera spiegazioni leggibili da umani e macchine per ogni decisione (approvazione, rifiuto o controproposta). Traduce punteggi tecnici (sensibilità, fiducia, budget) in motivazioni attuabili (ad esempio, "Rifiutato a causa dell'alta sensibilità a livello di elettrodomestico e del basso budget residuo").
4. Sandbox di Esecuzione Sicura:
   • Il codice del richiedente viene validato ed eseguito all'interno del DataBox.
   • Il sistema applica rumore DP ($\tilde{y} = y + \text{Rumore}(\epsilon^*, S_x)$) all'output prima della pubblicazione.
   • Previene attacchi tramite canali laterali, iniezione di codice ed esfiltrazione non autorizzata di dati.
5. Condivisione Segreta a Soglia (TSS): Utilizzata per l'autorizzazione. Una chiave di firma viene suddivisa tra $n$ nodi; almeno $k$ nodi devono cooperare per ricostruire la chiave e autorizzare il rilascio di output sanificati, prevenendo la divulgazione unilaterale.

Meccanismi di Punteggio Chiave

• Sensibilità delle Caratteristiche ($S_x$): Aggrega i pesi di rischio delle caratteristiche richieste (ad esempio, posizione = 1.0, utilizzo elettrodomestici = 0.7, carico aggregato = 0.2).
• Punteggio di Fiducia ($T_{ij}$): Basato sul successo storico dei contratti, sulla qualità dell'output e sull'allineamento con lo scopo dichiarato.
• Compatibilità dello Scopo ($P(p)$): Un punteggio statico (0–1) basato sulla necessità normativa (ad esempio, Fatturazione = 1.0, Profilazione Comportamentale = 0.1).

3. Contributi Chiave

1. Negoziazione Autonoma Esplicabile: Un framework che permette ai prosumer di negoziare dinamicamente i budget di privacy con giustificazioni trasparenti, sostituendo le politiche statiche.
2. Protocollo APBNP: Un algoritmo di ottimizzazione che assegna budget DP per richiesta basandosi su un sistema di punteggio multifattoriale (sensibilità, fiducia, scopo, costo).
3. Livello X-Contract: Un modulo dedicato per generare spiegazioni interpretabili per le decisioni contrattuali, migliorando la fiducia e la conformità normativa.
4. Sandbox Sicura "Esegui Codice, Non Dati": Un ambiente di esecuzione locale che valida il codice, impone la DP e garantisce che i dati grezzi non lascino mai il controllo del prosumer.
5. Valutazione Completa: Validazione su carichi di lavoro realistici del mercato energetico che dimostrano un miglioramento nella preservazione della privacy e nei tassi di accettazione.

4. Risultati Sperimentali

Il framework è stato valutato utilizzando dataset reali (UCI Household, carichi nazionali DE/FR/IT) e simulazioni sintetiche di smart grid (100 prosumer).

• Stabilità dell'Accettazione: In 48 scenari che coinvolgono diversi dataset e modelli di negoziazione, il tasso medio di accettazione è rimasto stabile al ~60% ($\sigma = 0.013$). Ciò indica che il sistema evita il comportamento "tutto o niente" e si adatta bene all'eterogeneità dei dati.
• Efficienza del Budget di Privacy:
  • Rispetto a una baseline a $\epsilon$ fisso (che esauriva i budget dopo circa 80 richieste), l'APBNP ha sostenuto la condivisione a lungo termine.
  • In una simulazione con 100 prosumer, il sistema ha raggiunto un tasso di accettazione dell'87,49% con un budget residuo medio di 0,765 per prosumer, dimostrando di non esaurire prematuramente le risorse di privacy.
• Sensibilità del Budget:
  • Regime di Scarsità ($\epsilon_0 \le 2$): Tassi di rifiuto elevati per proteggere la privacy.
  • Regime Stabile ($4 \le \epsilon_0 \le 7$): L'accettazione si satura vicino al 99%.
  • Regime di Eccesso ($\epsilon_0 \ge 8$): L'accettazione raggiunge il 100%, mostrando rendimenti decrescenti nell'aumento dei budget oltre un certo punto.
• Sovraccarico Prestazionale:
  • Tempo di negoziazione: 0,32 ms per richiesta.
  • Generazione di spiegazioni: 0,006 ms.
  • Sovraccarico di esecuzione della sandbox: ~121% relativo, ma tempo assoluto < 0,02 ms, rendendolo adatto al deployment edge in tempo reale.
• Robustezza: Le spiegazioni sono rimaste stabili (97,25% invariate) anche quando i punteggi di input sono stati perturbati di ±5%.

5. Significato e Impatto

• Costruzione di Fiducia: Fornendo spiegazioni chiare e attuabili per le decisioni di condivisione dei dati, X-NegoBox affronta il problema della "scatola nera" nei sistemi di preservazione della privacy, incoraggiando la partecipazione dei prosumer.
• Privacy Adattiva: Supera i budget DP rigidi e standardizzati per un modello consapevole del contesto che bilancia utilità e rischio in base a chi chiede, cosa vuole e perché.
• Scalabilità: Il basso sovraccarico computazionale e il modello di esecuzione locale lo rendono fattibile per il deployment su dispositivi edge con risorse limitate (ad esempio, contatori intelligenti, gateway domestici).
• Conformità Normativa: Il livello di esplicabilità e i registri di audit supportano la conformità a normative come il GDPR, che richiedono trasparenza nel processo decisionale automatizzato.
• Futuro dell'Energia P2P: Abilita uno scambio sicuro e granulare di dati necessario per il trading energetico P2P avanzato e il bilanciamento della rete senza compromettere la privacy delle famiglie.

In conclusione, X-NegoBox colma con successo il divario tra la necessità di dati energetici granulari e l'imperativo della protezione della privacy, offrendo una soluzione scalabile, esplicabile e adattiva per il futuro panorama energetico decentralizzato.