葉 青，鄭路攀，祝 勇，柳青山，王鍵賓

（1.衢州光明電力工程有限公司，浙江衢州 324000；2.西南交通大學(xué)，四川成都 610031）

現(xiàn)階段，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信科學(xué)[1-2]快速發(fā)展，一大批新的技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐，這些技術(shù)推動(dòng)著電力系統(tǒng)朝著智能化和信息化的方向發(fā)展，當(dāng)前各種電力工程項(xiàng)目的管理逐漸實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)代化信息技術(shù)的深度融合；但這也帶來了諸多問題，海量數(shù)據(jù)的傳輸效率低是當(dāng)前發(fā)展的瓶頸。因此如何高效地實(shí)現(xiàn)電力工程不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的共享及傳輸，已成為了當(dāng)前電力工程[3]領(lǐng)域亟需解決的熱點(diǎn)問題。

在電力工程領(lǐng)域，不同的電力系統(tǒng)之間存在著大量的共享數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)間還存在數(shù)據(jù)的多重交叉共享?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)共享體系缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸效率低、應(yīng)用效果差。分布式區(qū)塊鏈[4]技術(shù)憑借其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)去中心化、設(shè)置加密[5]及防篡改算法[6]等多重突出優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)共享平臺(tái)的搭建。在電力工程的不同系統(tǒng)之間引入基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，并設(shè)計(jì)一種高效的信息加密算法，可以充分保證電力相關(guān)數(shù)據(jù)的有效共享與傳輸。因此，基于區(qū)塊鏈和加密技術(shù)，文中提出了一種新的電力工程數(shù)據(jù)共享策略。首先，采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈[7]結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架；其次，引入代理重加密算法[8]用于上傳到區(qū)塊中的共享數(shù)據(jù)的加密處理，從而保障共享數(shù)據(jù)的安全；最終，通過哈希指紋技術(shù)實(shí)現(xiàn)了共享前后數(shù)據(jù)的一致性驗(yàn)證。

1 電力工程數(shù)據(jù)共享策略設(shè)計(jì)

1.1 分布式區(qū)塊鏈技術(shù)

分布式區(qū)塊鏈技術(shù)以區(qū)塊[9]作為基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)。在不同的區(qū)塊節(jié)點(diǎn)之間，采用一致性算法生成新的數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)原有數(shù)據(jù)的更新。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的安全傳輸和穩(wěn)定共享，通常會(huì)引入加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。分布式區(qū)塊鏈整體框架如圖1 所示，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、共識(shí)機(jī)制層[10]和實(shí)際應(yīng)用層四個(gè)主要組成部分。

圖1 分布式區(qū)塊鏈整體框架

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)區(qū)塊的完整性表示；網(wǎng)絡(luò)傳輸層能確保不同分布式區(qū)塊節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸與對(duì)等驗(yàn)證；共識(shí)機(jī)制層通過選取不同的共識(shí)機(jī)制算法，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)在不可信的情況下也能達(dá)成共識(shí)；而實(shí)際應(yīng)用層則體現(xiàn)了區(qū)塊鏈技術(shù)在實(shí)際場景中的具體應(yīng)用。

1.2 代理重加密算法

現(xiàn)階段，代理重加密算法憑借其安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)和部署靈活等優(yōu)勢在共享數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。在文中基于區(qū)塊鏈的共享數(shù)據(jù)策略方案設(shè)計(jì)中，選用代理重加密算法對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，下面對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行描述。

代理重加密算法以重加密密鑰和密文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，完成加密操作。步驟如下所示：

1）初始化。確定安全系數(shù)記為k，并應(yīng)用此系數(shù)生成一個(gè)屬性矩陣記為S，此時(shí)公共的系統(tǒng)參數(shù)為GP，系統(tǒng)的密鑰為MSK，公鑰為PK。

2）密鑰生成?；谏鲜鰳?gòu)造出的隨機(jī)矩陣和密鑰對(duì)，確定具體的加密規(guī)則，可表示如下：

式（1）中，SA、SB分別為用戶A 和B 的屬性集合，代指電力工程數(shù)據(jù)傳遞的雙方；SKA、PKA分別為用戶A 的私鑰和公鑰；SKB、PKB分別為用戶B 的私鑰和公鑰。

3）重加密密鑰生成。假設(shè)當(dāng)前是用戶A 向用戶B發(fā)送信息，則重加密密鑰的生成過程如式（2）所示：

可以看到，式（2）中新加入了M’和ρ’兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)可看作一個(gè)共享結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)作為重加密算法的新參數(shù)使得加密系數(shù)更高，最終生成為重加密密鑰。

4）加密。加密過程如式（3）所示：

通過步驟（2）生成的公共密鑰PKA和參數(shù)GP，可以將明文m加密為密文CTA。

5）重加密。對(duì)步驟（4）中的密文進(jìn)行加密，如式（4）所示：

可以看到，密文CTA可通過RKA→B轉(zhuǎn)換為CTB。

6）一次解密。由公鑰、密文及用戶A 的私鑰即可解密得到明文，如式（5）所示：

7）重解密。對(duì)重加密后的密文使用用戶B 的私鑰SKB進(jìn)行解密，如式（6）所示：

通過上述具體加密的實(shí)現(xiàn)原理可知，在對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的過程中，代理重加密算法進(jìn)行了兩次加密操作，第一次加密是針對(duì)于數(shù)據(jù)源的擁有者而言的，是擁有者對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行的加密；而第二次加密是代理者以密文轉(zhuǎn)換為目的的重新加密。

在代理重加密的實(shí)現(xiàn)方式中，依靠一個(gè)第三方的代理服務(wù)器作為中介，將一方加密后的數(shù)據(jù)再次加密成另一方能解密的數(shù)據(jù)。在整個(gè)加密過程中，雙方的私鑰與原始數(shù)據(jù)信息均不被泄露，因此具有優(yōu)異的加密性能表現(xiàn)。

1.3 區(qū)塊鏈系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證

在區(qū)塊鏈技術(shù)廣泛應(yīng)用之前，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享由于中心化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)上傳前后的數(shù)據(jù)完整性得不到統(tǒng)一，第三方機(jī)構(gòu)可能會(huì)對(duì)中心存儲(chǔ)區(qū)域的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改，從而導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)信任危機(jī)[11]。文中在進(jìn)行電力工程共享數(shù)據(jù)策略設(shè)計(jì)時(shí)，依托于分布式區(qū)塊鏈技術(shù)，并引入SHA-256[12]哈希指紋算法，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享前后的完整性驗(yàn)證。

下面將對(duì)文中提出的基于區(qū)塊鏈和哈希指紋算法的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證原理進(jìn)行介紹，具體原理如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證原理

上述數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證流程可簡要概括成三個(gè)主要的實(shí)現(xiàn)步驟。首先，共享數(shù)據(jù)源的提供者采用SHA-256 算法作用于需要上傳的共享數(shù)據(jù)，從而得到共享數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的哈希指紋；其次，基于1.2 節(jié)中引入的代理重加密技術(shù)，共享數(shù)據(jù)的提供者對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作，并將加密處理后的數(shù)據(jù)上傳到私有的網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊中，從而得到一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，再將第一步中得到的哈希指紋與文件存儲(chǔ)地址存入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)中；最終，共享數(shù)據(jù)的請(qǐng)求者采用代理重加密技術(shù)對(duì)加密后的密文進(jìn)行解密操作，并基于SHA-256 算法再次對(duì)解密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的哈希指紋。將其與區(qū)塊鏈中存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)共享數(shù)據(jù)上傳前后的完整性驗(yàn)證工作。

1.4 電力工程數(shù)據(jù)共享策略設(shè)計(jì)

為確保電力工程數(shù)據(jù)共享過程中的高可靠性及易用性，同時(shí)解決共享數(shù)據(jù)安全問題，文中設(shè)計(jì)的共享策略以分布式區(qū)塊鏈作為基礎(chǔ)架構(gòu)，通過引入代理重加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)共享過程中的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全共享。同時(shí)，對(duì)共享前后數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希指紋比對(duì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高度一致性。文中整體電力工程共享數(shù)據(jù)策略設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 文中整體電力工程共享數(shù)據(jù)策略設(shè)計(jì)

從圖3 可以看出，文中提出的電力工程數(shù)據(jù)共享策略采用了聯(lián)盟區(qū)塊鏈，并以此作為數(shù)據(jù)共享策略的基礎(chǔ)框架。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于代理重加密技術(shù)的共享數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)，并進(jìn)行共享前后數(shù)據(jù)的一致性驗(yàn)證。在該方案設(shè)計(jì)中，提供電力數(shù)據(jù)的不同機(jī)構(gòu)作為共享數(shù)據(jù)源的提供者和數(shù)據(jù)擁有者，該聯(lián)盟內(nèi)的其他機(jī)構(gòu)對(duì)共享數(shù)據(jù)源具有共享權(quán)限。

2 仿真測試

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在PC 機(jī)平臺(tái)基于Python 編程語言進(jìn)行仿真驗(yàn)證，軟硬件環(huán)境配置如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)軟硬件環(huán)境配置

在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建時(shí)，文中將設(shè)計(jì)的聯(lián)盟區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)部署到單機(jī)上，同時(shí)基于Docker 技術(shù)[13]自動(dòng)分配多個(gè)節(jié)點(diǎn)用于部署。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證文中提出的方案具有高可靠性和易用性，對(duì)提出的基于分布式區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享方案進(jìn)行性能測試，測試的內(nèi)容主要針對(duì)數(shù)據(jù)共享成功率、系統(tǒng)運(yùn)行吞吐量和數(shù)據(jù)查詢效率等方面?；谝汛罱ㄍ瓿傻姆植际絽^(qū)塊鏈[14]數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，其中Write 操作代表發(fā)布者向系統(tǒng)中寫入共享數(shù)據(jù)的操作，Query 操作代表請(qǐng)求者從系統(tǒng)中讀取共享數(shù)據(jù)的操作。表2 和表3 給出了所提方案的Write 與Query 操作成功率測試結(jié)果，表中TPS（Transactions Per Second）表示每秒鐘傳輸?shù)恼?qǐng)求數(shù)量。

表2 Write操作成功率測試結(jié)果

表3 Query操作成功率測試結(jié)果

通過表1、表2 可知，對(duì)于Write 操作與Query 操作，當(dāng)請(qǐng)求的速度增大時(shí)，交易的成功率仍穩(wěn)定在100%保持不變。

為了更直觀地展示W(wǎng)rite 操作與Query 操作的交易時(shí)延和系統(tǒng)吞吐量[15-16]狀況，文中以上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ)，繼續(xù)進(jìn)行吞吐量[17-18]及交易時(shí)延的測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖4、圖5 所示。

通過觀察圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)Write 操作而言，隨著請(qǐng)求速度的增加，操作時(shí)延逐漸增加。系統(tǒng)的平均時(shí)延時(shí)間由1.3 s 增加到了10.5 s，但該時(shí)延仍處于系統(tǒng)可接受范圍之內(nèi)。此外由圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，文中搭建的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的整體吞吐量峰值達(dá)到了150 TPS，具有良好的吞吐量性能表現(xiàn)。

圖4 Write操作交易時(shí)延和吞吐量折線圖

通過觀察圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)請(qǐng)求速度低于300 TPS 時(shí)，Query 操作的時(shí)延較低，基本維持在0.4 s之下，具有優(yōu)異的共享數(shù)據(jù)查詢效率。當(dāng)請(qǐng)求速度達(dá)到400 TPS 時(shí)，Query 操作的時(shí)延發(fā)生了驟變，但仍保持在可接受范圍之內(nèi)。此外由圖5（b）可發(fā)現(xiàn)，在Query 操作下，系統(tǒng)吞吐量的峰值達(dá)到了290 b/s。

圖5 Query操作交易時(shí)延和吞吐量折線圖

3 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種電力工程數(shù)據(jù)共享策略，以分布式區(qū)塊鏈為基本架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上引入了代理重加密技術(shù)用于對(duì)共享數(shù)據(jù)的加密處理，并增加整個(gè)系統(tǒng)的安全性與隱私保護(hù)。同時(shí)，基于哈希指紋進(jìn)行數(shù)據(jù)共享前后的一致性驗(yàn)證，進(jìn)一步保障共享數(shù)據(jù)的高可靠性和易用性。對(duì)文中搭建的電力工程數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)進(jìn)行性能驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定進(jìn)行數(shù)據(jù)共享操作，且具有較低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及較高的系統(tǒng)吞吐量。