摘要：針對電動汽車用戶在車網(wǎng)互動（V2G）網(wǎng)絡(luò)中面臨的隱私泄露與數(shù)據(jù)安全問題，文章研究了區(qū)塊鏈和新型加密算法在隱私保護中的應(yīng)用，并設(shè)計了一種多層級電動汽車充電交易隱私保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了區(qū)塊鏈、橢圓曲線加密（ECC）和Paillier同態(tài)加密，采用身份匿名認(rèn)證與交易密態(tài)計算為功能模塊，創(chuàng)新性地融合與優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵機制。通過理論分析與性能評估，驗證了該系統(tǒng)在保障V2G網(wǎng)絡(luò)運行高效的同時顯著提升了電動汽車充電交易的隱私保護水平，為V2G技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了安全可信的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；隱私保護；車網(wǎng)互動；橢圓曲線加密；同態(tài)加密；智能合約

中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0130-04

0引言

隨著大數(shù)據(jù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動汽車產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的機遇。然而，在車網(wǎng)互動（V2G）背景下，電動汽車充電交易中的隱私保護問題日益突出[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全技術(shù)依賴中心化信任模型，在面對單點故障和內(nèi)部惡意攻擊時暴露出明顯不足[2]。在此背景下，區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其去中心化、不可篡改和可追溯等特性，為解決上述挑戰(zhàn)提供了新的范式[3]。已有研究中，文獻[4]提出了基于雙區(qū)塊鏈架構(gòu)的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)聚合方法，但其高計算開銷限制了在大規(guī)模V2G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。文獻[3]提出了基于區(qū)塊鏈的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合系統(tǒng)，驗證了其在特定場景下的可行性，但對于V2G交易中敏感數(shù)據(jù)的加密保護需求，尚未進行系統(tǒng)性研究。為了進一步增強隱私保護，研究者們開始探索將先進加密算法與區(qū)塊鏈結(jié)合。ECC因其高安全性與低計算開銷，被認(rèn)為是實現(xiàn)用戶身份匿名化與強認(rèn)證的有效手段[5]。文獻[5]基于ECC提出了針對車載網(wǎng)絡(luò)的隱私保護優(yōu)化算法，展現(xiàn)出較高效率，但未能集成同態(tài)加密以支持密文數(shù)據(jù)處理。同態(tài)加密技術(shù)使得在保持?jǐn)?shù)據(jù)加密狀態(tài)下進行運算成為可能。文獻[2]采用了Paillier同態(tài)加密，有效保障了數(shù)據(jù)機密性。然而，在復(fù)雜的V2G業(yè)務(wù)場景中，其與ECC等身份認(rèn)證機制之間的協(xié)同策略尚不完善，整體效率與集成度仍有待提升。綜上所述，當(dāng)前針對V2G充電交易隱私保護的研究中存在共性短板：加密算法與區(qū)塊鏈平臺的協(xié)同性不足，未能形成覆蓋數(shù)據(jù)全生命周期的安全閉環(huán)。針對上述問題，本文提出了一種多層級隱私保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合區(qū)塊鏈的分布式架構(gòu)、ECC的身份匿名認(rèn)證機制與Paillier同態(tài)加密的動態(tài)數(shù)據(jù)處理能力，并引入智能合約實現(xiàn)自動化規(guī)則執(zhí)行，構(gòu)建身份隱匿性、數(shù)據(jù)機密性與交易完整性的協(xié)同防護體系。該方案旨在為V2G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用提供兼具高效性、安全性與可擴展性的技術(shù)支撐，填補現(xiàn)有研究在多技術(shù)深度融合與系統(tǒng)機制優(yōu)化方面的空白。

1基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電交易隱私保護系統(tǒng)的需求分析

為了設(shè)計基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電交易隱私保護系統(tǒng)，首先需要了解當(dāng)前V2G網(wǎng)絡(luò)面臨的隱私安全問題。V2G網(wǎng)絡(luò)在推動能源綠色轉(zhuǎn)型及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中具有重要作用，但其雙向的信息與能量交互過程伴隨嚴(yán)重的隱私泄露風(fēng)險。用戶的身份標(biāo)識、車輛位置、充電習(xí)慣和交易詳情等敏感數(shù)據(jù)極易被泄露，攻擊者可通過分析這些數(shù)據(jù)推斷用戶的生活軌跡及經(jīng)濟狀況，嚴(yán)重威脅個人隱私安全。因此，充電交易系統(tǒng)須滿足以下關(guān)鍵需求：其一，利用區(qū)塊鏈的分布式賬本特性，實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的防篡改存儲，確保數(shù)據(jù)的真實性與完整性；其二，使用新型密碼學(xué)算法，對車主身份信息及交易敏感數(shù)據(jù)進行多層級加密，構(gòu)建“數(shù)據(jù)可用不可見”的隱私防護體系；其三，依托智能合約自動化執(zhí)行交易規(guī)則、訪問控制策略及隱私保護邏輯，確保交易流程透明可信。系統(tǒng)還需要兼顧運行效率與可擴展性，確保在大規(guī)模電動汽車接入的場景下，充電交易的確認(rèn)速度與交互體驗?zāi)軌蚱鹾蠈嶋H應(yīng)用需求，進而構(gòu)建一個安全可信、隱私無憂且高效便捷的V2G生態(tài)環(huán)境。

2基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電交易隱私保護系統(tǒng)的技術(shù)依托

2.1橢圓曲線加密（EllipticCurveCryptography，ECC）

ECC是一種基于橢圓曲線離散對數(shù)問題（ECDLP）的非對稱加密算法，具有高安全性和計算效率。該算法的核心構(gòu)成要素為橢圓曲線，通常由Weierstrass方程定義：須滿足非奇異性條件：

加解密過程如下：

生成公私鑰對，私鑰d為隨機數(shù)，公鑰Q=[d]G，其中G為橢圓曲線的基點。加密時，發(fā)送方將明文M映射為曲線點，隨機選擇k，計算密文（C1，C2）=（[k]G，M+[k]Q）。解密時，接收方利用私鑰d計算[d]C1，從而恢復(fù)明文M=C2-[d]C1。

在本系統(tǒng)中ECC用于身份認(rèn)證和簽名驗證，確保用戶身份的真實性和交易請求的合法性。

2.2同態(tài)加密（HomomorphicEncryption，HE）

Paillier是一種加法同態(tài)加密公鑰密碼方案，基于合數(shù)剩余類問題[6]，支持對密文進行加法運算，其加法同態(tài)性可表述為：

生成公私鑰對（pk，sk）=（（N，g），（λ，μ））。加密時，明文m，通過公式C=gm?rNmodN2，加密為密文C，其中r為隨機數(shù)。解密時，利用私鑰計算m=L（CλmodN2）?μmodN。在本系統(tǒng)中，Paillier用于加密交易金額，支持密文計算，確保交易隱私。

2.3智能合約技術(shù)

智能合約是部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的自動化協(xié)議程序[7]，其核心在于依靠預(yù)設(shè)的代碼邏輯，實現(xiàn)高效交易管理，無須中心化信任機構(gòu)干預(yù)。

智能合約的生命周期包括開發(fā)、部署與交互三個階段。開發(fā)階段通常采用Solidity[8]等高級語言編寫代碼，隨后編譯為可執(zhí)行的字節(jié)碼，并生成二進制接口（ABI）以支持外部交互。部署階段通過簽名交易將字節(jié)碼發(fā)布至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，獲得唯一的合約地址，并將其狀態(tài)永久記錄于分布式賬本中。在交互階段，用戶通過合約地址調(diào)用功能，所有交互請求均需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)共識機制驗證，確保記錄不可篡改。根據(jù)合約內(nèi)部邏輯，還可觸發(fā)歸檔機制，如執(zhí)行自毀指令，以永久終止合約在鏈上的活動[9]。

3基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電交易隱私保護系統(tǒng)的算法實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用前后端分離的分層架構(gòu)設(shè)計，旨在保障V2G場景下電動汽車充電交易的隱私安全。表示層使用流行的Vue.js框架構(gòu)建，負(fù)責(zé)呈現(xiàn)用戶交互界面，用戶可便捷發(fā)起充電請求并查看交易記錄，且內(nèi)嵌ECC加密功能。用戶的ECC私鑰存儲于本地，用于對關(guān)鍵業(yè)務(wù)請求進行數(shù)字簽名，以實現(xiàn)強身份認(rèn)證，確保操作源自合法用戶。業(yè)務(wù)邏輯層基于主流的SpringBoot框架開發(fā)，是整個系統(tǒng)的核心樞紐，負(fù)責(zé)接收并處理前端請求、查詢用戶的ECC公鑰以完成簽名驗證，并處理復(fù)雜的充電業(yè)務(wù)邏輯。數(shù)據(jù)存儲與共識層采用區(qū)塊鏈作為核心數(shù)據(jù)庫，摒棄傳統(tǒng)中心化數(shù)據(jù)庫，利用區(qū)塊鏈去中心化、不可篡改及可追溯的特性，從根本上保障交易數(shù)據(jù)的完整性與透明度。這種架構(gòu)設(shè)計通過在不同層面有機融合ECC與Paillier同態(tài)加密技術(shù)，將用戶身份的匿名認(rèn)證與交易數(shù)據(jù)的密態(tài)計算相結(jié)合，有效串聯(lián)前端用戶界面、后端業(yè)務(wù)處理與區(qū)塊鏈可信賬本，構(gòu)建了一個兼顧效率與安全的隱私保護閉環(huán)。

3.2基于橢圓曲線加密的車主身份認(rèn)證方案

在V2G網(wǎng)絡(luò)中，用戶需要頻繁與充電樁、聚合商乃至電網(wǎng)進行身份認(rèn)證以完成充電服務(wù)。直接使用真實身份會暴露大量隱私信息。ECC在此場景下，主要用于構(gòu)建一個安全且匿名的身份認(rèn)證機制。認(rèn)證流程分為注冊和登錄兩個階段。在注冊階段，用戶輸入用戶名及必要個人信息，系統(tǒng)生成ECC密鑰對，包括私鑰skecc和公鑰pkecc。公鑰與用戶名關(guān)聯(lián)，并記錄至區(qū)塊鏈，私鑰由用戶本地存儲。在登錄階段，用戶輸入用戶名，并使用私鑰skecc對用戶名進行ECC數(shù)字簽名，生成簽名σ=ECC.Sign（skecc，Hash（username））。

前端將用戶名和簽名發(fā)送至后端。后端通過區(qū)塊鏈智能合約查詢與用戶名關(guān)聯(lián)的公鑰pkecc，驗證簽名有效性，若ECC.Verify（pkecc，Hash（username），σ）為真，則認(rèn)證成功，反之認(rèn)證失敗。

3.3基于同態(tài)加密實現(xiàn)交易隱私保護

該方案旨在采用Paillier同態(tài)加密保護電動汽車充電交易中的敏感數(shù)據(jù)，確保區(qū)塊鏈存儲的機密性。以下簡述當(dāng)前用戶作為授權(quán)用戶查詢交易記錄的加解密過程，假設(shè)用戶已通過3.1節(jié)的ECC身份認(rèn)證。

在交易加密階段，前端利用公鑰pkpaillier=（N，g）對明文金額m進行加密，隨機選取r∈Z*N，生成密文C=gm?rNmodN2，并通過安全API將密文發(fā)送至后端。后端構(gòu)建包含用戶匿名標(biāo)識、時間戳、充電樁信息及密文C的交易記錄TxRecord，通過智能合約上傳至區(qū)塊鏈。在交易查詢階段，用戶通過前端輸入用戶名觸發(fā)查詢請求，后端根據(jù)用戶匿名標(biāo)識從區(qū)塊鏈檢索關(guān)聯(lián)的TxRecord，提取密文C。作為授權(quán)用戶，后端使用私鑰skpaillier=（λ，μ）解密密文，計算m=L（CλmodN2）?μmodN，其中L（u）=u-1n，并將解密后的明文金額及相關(guān)信息返回前端展示。

4基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電交易隱私保護系統(tǒng)的性能評估與安全驗證

4.1性能測試

本節(jié)的性能測試旨在量化關(guān)鍵操作的計算開銷，測試在特定運行環(huán)境中進行，具體配置如表1所示。所有報告的耗時數(shù)據(jù)為1000次獨立操作的平均值。

1）身份認(rèn)證效率評估。

為評估ECC身份認(rèn)證機制相較于傳統(tǒng)RSA方案的實際效能差異，本節(jié)建立等效密碼強度測試基準(zhǔn)（ECC-256K1與RSA3072位模塊對等匹配），并設(shè)計多維性能驗證方案。測試流程涵蓋密鑰對生成、數(shù)字簽名執(zhí)行周期及簽名驗證執(zhí)行周期，同時在不同大小的數(shù)據(jù)載荷場景下進行橫向?qū)Ρ确治?。所有驗證實驗均基于SHA-256散列值構(gòu)建的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集展開，確保評估結(jié)果的科學(xué)性與可復(fù)現(xiàn)性。

從圖6中的數(shù)據(jù)可見，ECC在簽名操作上顯著優(yōu)于RSA?？紤]到簽名操作通常在資源相對受限的用戶端高頻發(fā)生，ECC的高效率能帶來更好的交互體驗。雖然RSA在驗證簽名方面速度更快，但ECC的驗證延遲對于計算能力較強的服務(wù)端而言完全在可接受范圍內(nèi)。因此，綜合V2G場景的特點，ECC在身份認(rèn)證方面展現(xiàn)出更高的適用性。

2）同態(tài)加密計算開銷評估。

為衡量Paillier同態(tài)加密對系統(tǒng)性能的影響，本節(jié)測試了加密與解密的耗時。

通過圖7所示實驗數(shù)據(jù)可觀察到，采用單核CPU執(zhí)行4096位密鑰的加密與解密任務(wù)耗時分別為30000ms與20000ms，而四核CPU憑借并行架構(gòu)使運算時間顯著壓縮，相應(yīng)作業(yè)時長降至12000ms與6000ms，性能優(yōu)化幅度約為4倍，充分表明多核技術(shù)對密集型計算任務(wù)具有顯著效率增益。研究顯示，密鑰長度與算法耗時呈線性正相關(guān)；在密鑰規(guī)格低于4096位時，四核設(shè)備仍可將運算時間控制在毫秒級（2048位密鑰加密/解密時長僅為8000ms/4000ms），能夠滿足普通桌面終端在中低密鑰強度場景下的實時處理需求。

4.2隱私保護效果驗證

本節(jié)通過模擬中間人攻擊（MITM），檢驗系統(tǒng)的安全防護效果，測試結(jié)果如表2所示。

MITM攻擊結(jié)果顯示，ECC簽名機制能有效阻止身份冒充，Paillier加密保護了傳輸與存儲數(shù)據(jù)的機密性，同時，Nonce和時間戳機制有效防御了重放攻擊。

5結(jié)論與展望

本文針對V2G網(wǎng)絡(luò)中電動汽車用戶隱私泄露與數(shù)據(jù)安全問題，提出了一種融合區(qū)塊鏈、ECC及Pail?lier同態(tài)加密技術(shù)的創(chuàng)新隱私保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實施匿名身份認(rèn)證與動態(tài)數(shù)據(jù)處理，在保障用戶隱私的同時確保數(shù)據(jù)安全，表現(xiàn)出較高的工程實用價值。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】