梁文娟

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510600）

1 當(dāng)前數(shù)據(jù)管理模式的弊端

目前，廣東電網(wǎng)電力通信專業(yè)部署傳統(tǒng)的高度中心化數(shù)據(jù)庫對通信資源進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)庫大多通過服務(wù)器構(gòu)架來實(shí)現(xiàn)?；谥匾院桶踩钥紤]，無論數(shù)據(jù)庫是否基于云服務(wù)器，仍然需要管理員對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行控制，由管理員對用戶設(shè)定相關(guān)權(quán)限，保證系統(tǒng)的安全、可靠，所有用戶必須信任數(shù)據(jù)庫管理員。當(dāng)前，成熟的數(shù)據(jù)管理模式也存在以下弊端：

（1）數(shù)據(jù)溯源困難。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫允許不斷修改、永久刪除數(shù)據(jù)，若要追溯歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫可以不斷滾動備份不同時間版本的數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)備份的周期難以設(shè)定為無限小，理論上，存在兩次備份周期內(nèi)數(shù)據(jù)變動信息丟失的可能。

（2）數(shù)據(jù)安全問題。高度中心化數(shù)據(jù)庫賦予管理員對數(shù)據(jù)維護(hù)最高的權(quán)利，用戶高度信任管理員。管理員有權(quán)對數(shù)據(jù)做任何事情，通常是企業(yè)員工或外委單位人員，難以分辨管理員惡意或失誤操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)被刪，即使用戶輸入了正確的數(shù)據(jù)，管理員還是可以進(jìn)行刪修。

（3）維護(hù)成本高。通信資源數(shù)據(jù)庫一般部署一主一備服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，以防數(shù)據(jù)丟失，如果主服務(wù)器接受了數(shù)據(jù)更改，而備用服務(wù)器數(shù)據(jù)備份失敗，還可能存在數(shù)據(jù)不一致的情況，提高了日常維護(hù)難度和成本。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力通信資源管理

“區(qū)塊鏈”已走進(jìn)大眾視野，成為社會關(guān)注的焦點(diǎn)。從應(yīng)用角度來看，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€分布式的共享賬本和數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集體維護(hù)、公開透明等特點(diǎn)，可以很好地解決上述電力通信系統(tǒng)資源管理的弊端[1]。

2.1 技術(shù)可行性分析

一般說來，區(qū)塊鏈系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成。（1）數(shù)據(jù)層，封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊以及相關(guān)的數(shù)據(jù)加密和時間戳等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基本算法。（2）網(wǎng)絡(luò)層，包括分布式組網(wǎng)機(jī)制、數(shù)據(jù)傳播機(jī)制和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制等。（3）共識層，主要封裝網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各類共識算法，是分布式網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的保障。（4）激勵層，將經(jīng)濟(jì)因素集成到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中來，主要包括經(jīng)濟(jì)激勵的發(fā)行機(jī)制和分配機(jī)制等，是區(qū)塊鏈應(yīng)用于虛擬貨幣的必要條件，但在電力企業(yè)通信資源管理的場景中不是必須的。（5）合約層，主要封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ)。（6）應(yīng)用層，封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景和案例[2]。區(qū)塊鏈的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈的分層結(jié)構(gòu)

2.2 基于區(qū)塊鏈的電力通信資源管理思路

結(jié)合目前電力系統(tǒng)通信專業(yè)的特點(diǎn)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，采用聯(lián)盟鏈與私有鏈混組類型，合理調(diào)整區(qū)塊鏈中的去中心化程度與共識機(jī)制，是基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力專業(yè)通信資源管理思路。聯(lián)盟鏈?zhǔn)怯糜跈C(jī)構(gòu)間的區(qū)塊鏈，根據(jù)聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中心化程度的不同，分化出3種不同應(yīng)用場景下的聯(lián)盟鏈[3]。

（1）全網(wǎng)公開，無用戶授權(quán)機(jī)制的區(qū)塊鏈，稱為公有鏈。（2）允許授權(quán)的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)權(quán)限查看信息，往往被用于機(jī)構(gòu)間的區(qū)塊鏈，稱為聯(lián)盟鏈或行業(yè)鏈。（3）所有網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都掌握在一家機(jī)構(gòu)手中，稱為私有鏈。

參與電力系統(tǒng)通信資源管理的成員主要是企業(yè)內(nèi)部單位部門或員工、數(shù)量有限的外企業(yè)單位，如合作單位、與電力系統(tǒng)密切相關(guān)的行業(yè)單位（氣象、水利、通信公網(wǎng)、國防、金融、司法部門單位）等，所以選用聯(lián)盟鏈與私有鏈，其各節(jié)點(diǎn)不需要彼此爭奪記賬權(quán)，彼此的基本利益立場一致，完全可以由系統(tǒng)內(nèi)的最重要節(jié)點(diǎn)持有記賬權(quán)，或者由每宗交易的發(fā)起方獲得記賬權(quán)，并通過共識機(jī)制去中心化。

電力系統(tǒng)通信資源管理宜采用聯(lián)盟鏈和私有鏈混合形組建形式。聯(lián)盟鏈通常會選擇使用拜占庭將軍問題的實(shí)用拜占庭容錯算來進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)間的共識機(jī)制算法。首先，其優(yōu)勢在于系統(tǒng)可以跳出加密代幣的條框，算法共識各節(jié)點(diǎn)由業(yè)務(wù)的參與方或監(jiān)管方組成，安全性與穩(wěn)定性由業(yè)務(wù)相關(guān)方保證；其次，參與節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，只限于若干機(jī)構(gòu)之間，共識算法所耗時間最短，基本達(dá)到商用實(shí)時處理的要求；最后，有限的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以使交易性能提高、共識效率高，滿足高頻交易量的需求，與公有鏈的共識機(jī)制相比優(yōu)勢明顯。

2.3 資源數(shù)據(jù)錄入過程

系統(tǒng)的私有鏈由電力企業(yè)內(nèi)部各單位組成，各節(jié)點(diǎn)通過P2P網(wǎng)絡(luò)傳播機(jī)制組織等，可采取藍(lán)牙、ZigBee，WiFi、以太網(wǎng)、4G/5G等通信技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)。指定系統(tǒng)中的“電力調(diào)度機(jī)構(gòu)單位”節(jié)點(diǎn)作為記賬人，每個塊的生成由指定節(jié)點(diǎn)共同決定，只有電力調(diào)度機(jī)構(gòu)才有資格對數(shù)據(jù)賬本進(jìn)行維護(hù)。企業(yè)外部單位可以通過該區(qū)塊鏈開放的權(quán)限進(jìn)行限定數(shù)據(jù)錄入、查詢。系統(tǒng)的聯(lián)盟鏈由電力企業(yè)和外單位企業(yè)的區(qū)塊鏈組成，電力企業(yè)和外單位企業(yè)都是系統(tǒng)的共同記賬人，每個塊的生成由指定節(jié)點(diǎn)共同決定[4]。

系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)都是一個分布式儲存數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈中每條資源記錄數(shù)據(jù)包含時間戳及唯一的加密簽名，完整的記錄可供任何合法用戶進(jìn)行驗(yàn)證與審核?？稍L問到賬本的合法用戶是被授權(quán)的指定節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫劃分為電力內(nèi)網(wǎng)通信資源與競爭性業(yè)務(wù)通信資源兩部分，電力內(nèi)網(wǎng)通信資源需有權(quán)限進(jìn)行訪問和操作，而競爭性通信業(yè)務(wù)資源是公開的數(shù)據(jù)庫，不設(shè)權(quán)限。對于電力調(diào)度機(jī)構(gòu)與電力通信檢修人員，有權(quán)對兩部分?jǐn)?shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問，而對于企業(yè)外部單位，僅可訪問競爭性通信業(yè)務(wù)資源庫。

2.4 數(shù)據(jù)共享過程

當(dāng)聯(lián)盟鏈中的某個外部企業(yè)需要查看電力企業(yè)通信資源信息時，先檢索系統(tǒng)中是否存在對應(yīng)的索引（僅獲取索引目錄，不獲取真正數(shù)據(jù)內(nèi)容）。如果存在，則得到此索引對應(yīng)的全部索引信息，包括信息簡介、價格、提供企業(yè)的密匙、簽名等。外部企業(yè)將包含主要關(guān)鍵字的HASH值、密匙對、請求需求等，發(fā)送給電力企業(yè)。電力企業(yè)提取公匙信息并確認(rèn)系統(tǒng)合法角色后，將符合標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)利用公匙加密、私匙簽名后，生成數(shù)據(jù)包，發(fā)送給外單位企業(yè)。外單位企業(yè)通過提取公匙，驗(yàn)證合法后，用私匙解密記錄并核對是否為請求的HASH值，如果是，則使用數(shù)據(jù)，形成交易記錄。當(dāng)P2P交易完成后，需要對相關(guān)交易結(jié)果記錄在區(qū)塊鏈上取得共識時，外單位企業(yè)會以自己的私鑰對交易結(jié)果進(jìn)行數(shù)字簽名并進(jìn)行全網(wǎng)廣播，每一個接收到廣播的節(jié)點(diǎn)都會以發(fā)起方的公鑰來驗(yàn)證數(shù)字簽名的真?zhèn)?，再以自己的私鑰對該交易結(jié)果進(jìn)行數(shù)字簽名并全網(wǎng)廣播，如此循環(huán)往復(fù)，直到每個節(jié)點(diǎn)都收到超過總節(jié)點(diǎn)數(shù)量一半的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的帶有數(shù)字簽名的廣播交易結(jié)果，即可自行更新自己的賬本記錄，并最終實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)賬本的同步和系統(tǒng)整體一致性。

2.5 智能合約的應(yīng)用

智能合約是一種構(gòu)建在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上的可自動執(zhí)行的程序，當(dāng)智能合約的啟動條件被觸發(fā)后、即按照事先預(yù)設(shè)的條款實(shí)施，不受外界人為影響。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上使用智能合約是安全的、可信任和去中心化、點(diǎn)對點(diǎn)式的。因此，在合約層里可以結(jié)合電力企業(yè)通信資源管理需要設(shè)計幾個應(yīng)用場景的智能合約激發(fā)機(jī)制和腳本代碼。例如，聯(lián)盟鏈上各企業(yè)節(jié)點(diǎn)有償共享有價值的資源數(shù)據(jù)，通信公網(wǎng)企業(yè)向電網(wǎng)企業(yè)請求共享競爭性資源數(shù)據(jù)，當(dāng)滿足雙方約定的要求后，系統(tǒng)自動生成數(shù)字化智能合約，促成雙方有償數(shù)據(jù)共享的交易，若通信公網(wǎng)企業(yè)有意向進(jìn)一步租用電力通信資源，同樣，當(dāng)滿足雙方約定要求的條件觸發(fā)后，系統(tǒng)自動生成數(shù)字化智能合約，促成雙方資源租賃的交易，區(qū)塊鏈智能合約不僅快速高效，節(jié)約企業(yè)成本，而且也處在電網(wǎng)企業(yè)向服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型，放開非管制性業(yè)務(wù)的大背景下，不失為一種理想可靠的技術(shù)手段。

有關(guān)電力通信運(yùn)行方式風(fēng)險分析的應(yīng)用場景，一條光傳輸段的信息通過共識機(jī)制，并且按時間順序儲存在聯(lián)盟鏈的每一個區(qū)塊里，數(shù)據(jù)不可被銷毀或修改，區(qū)塊鏈不可篡改的特點(diǎn)恰好保存了該光傳輸段的創(chuàng)建、投運(yùn)、變更、退運(yùn)等信息，具有可溯源性，真正意義上實(shí)現(xiàn)了通信資源的全生命周期管理，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫通信資源溯源困難的問題迎刃而解。進(jìn)一步挖掘應(yīng)用場景，假設(shè)過去某一時間點(diǎn)該光傳輸段的運(yùn)行方式為A狀態(tài)，被寫進(jìn)一區(qū)塊a中經(jīng)過共識算法保存至每一節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過一段時間后，資源管理人員將該光傳輸段的運(yùn)行方式修改為B狀態(tài)，寫進(jìn)一區(qū)塊z中并保存至每一節(jié)點(diǎn)，通過預(yù)先設(shè)計好的算法和規(guī)則，系統(tǒng)識別到鏈上兩個區(qū)塊中同一個光傳輸段的狀態(tài)發(fā)生變化，無論該變化發(fā)生是否合理，是否由資源管理人員有意安排或失誤安排，是否現(xiàn)場檢修人員正常錄入或誤操作引起，系統(tǒng)均作為觸發(fā)條件，生成智能合約，不是傳統(tǒng)意義上的合約，而是相當(dāng)于“運(yùn)行風(fēng)險揭示單據(jù)”同等效果的合約，向資源管理人員和資源使用單位發(fā)起確認(rèn)請求，雙方收到智能合約后再考慮后續(xù)是否需要重新安排運(yùn)行方式以達(dá)到化解風(fēng)險的效果。該場景同樣適用于通信資源長時間處于臨時運(yùn)行方式的風(fēng)險提示，假設(shè)一條光傳輸段因施工需將原方式A更改為方式B，只要設(shè)定同一條資源的運(yùn)行方式發(fā)生改變的允許時長（通常與施工時間相當(dāng)），映射至區(qū)塊鏈為兩區(qū)塊的時間戳之差，超過時限的，系統(tǒng)自動觸發(fā)合約生成條件，自動生成風(fēng)險揭示合約，未超時限的不觸發(fā)生成合約條件，視作施工未完成，無需恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

3 系統(tǒng)尚待解決的問題

（1）聯(lián)盟鏈實(shí)用的拜占庭容錯算法存在擴(kuò)展性較弱的缺陷，計算效率依賴于參與協(xié)議的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，不適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量過大的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)不宜大量增加外企業(yè)節(jié)點(diǎn)，不利于電網(wǎng)企業(yè)競爭性業(yè)務(wù)在市場上的推廣。（2）區(qū)塊鏈的共識算法中規(guī)定，系統(tǒng)的失效節(jié)點(diǎn)數(shù)量不得超過全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的1/3，由于聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，容錯率相對較低，不排除多個節(jié)點(diǎn)聯(lián)合欺詐作惡的可能。