CN108234456A - 一种基于区块链的能源互联网可信服务管理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的能源互联网可信服务管理系统和方法，系统包括信任建立模块、交易管理模块和攻击防范模块。信任建立模块利用区块链和数字签名方法为不同的对象间建立可信服务交互，利用区块链技术为服务交互提供一个值得信赖的环境；交易管理模块利用智能合约与区块链管理服务提供者和服务请求者之间的交易，为服务提供者和服务请求者提供交易管理；攻击防范模块用来抵御外部攻击，防范网络的攻击和恶意节点的欺骗，保证了交易的可信性和安全性。本发明利用区块链技术可以实现能源互联网可信服务管理的透明化、去中心化，大大降低维护成本，能够对能源互联网的网络变化做出快速的反应，实现对区块链数据安全以及整个网络安全的保护。

Description

一种基于区块链的能源互联网可信服务管理系统和方法

技术领域

本发明属于互联网在能源技术领域的应用技术，具体涉及一种基于区块链的能源互 联网可信服务管理系统和方法。

背景技术

能源互联网是以互联网理念构建的新型信息—能源融合“广域网”，它以大电网为“主干网”，以微网、分布式能源等能量自治单元为“局域网”，以开放对等的信息—能源 一体化架构真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用，因此可以最大限度地适应新 能源的接入。能源互联网采取自下而上分散自治协同管理的模式，与目前集中大电网模 式相辅相成，符合电网发展集中与分布相结合的大趋势。

能源互联网的内涵是以互联网理念和思维变革能源基础设施。如果说智能电网还是 现有电网架构上通过信息化和智能化的手段，解决设备利用率，安全可靠性、电能质量等基本问题，能源互联网的根本不同则在于其采用互联网理念、方法和技术实现能源基 础设施架构本身的重大变革，使得能量的开放互联与交换分享可以跟互联网信息分享一 样便捷。和传统能源基础设施相比，能源互联网的本质特征是：开放、互联、对等和分 享。

区块链(Blockchain)是由网络节点参与的分布式数据库系统，它的特点是不可更改，不可伪造，也可以将其理解为账簿系统(ledger)。时间戳服务器通过对以区块(block)形式存在的一组数据，实施随机散列而加上时间戳，并将该随机散列值进行广播，就像 新闻或世界性新闻组网络(Usenet)的发帖一样。显然，该时间戳能够证实特定数据必 然于某特定时间是存在的，因为只有在该时刻存在了才能获取相应的随机散列值。每个 时间戳将前一个时间戳纳入其随机散列值中，每一个随后的时间戳都对之前的一个时间 戳进行增强(reinforcing)，这样就形成了一条链(Chain)。具体地，区块由两部分组成： (1)区块头，链接到前面的区块，并为区块链提供完整性；(2)区块主体，记录了网 络中更新的数据信息。图1给出区块链的示意图。每个区块都会通过区块头信息链接到 之前的区块，从而形成链式结构。区块链的主要特点如下：(1)去中心化(2)集体维 护(3)高度透明(4)去信任(5)匿名。

智能合约是存储在区块链上的一段代码，它们可以被区块链上的交易所出发，触发 后，这段代码可以从区块链上读取数据或者向区块链上写入数据。智能合约是代码和数据的集合，寄存于区块链中的具体的地址。智能合约更像是在区块链中的一个自动化的 代理，智能合约有自己的账户，在时间或事件的驱动下能自动执行一些功能，如可以在 相互之间传递信息，修改区块链的状态(账户信息等)，以及图灵完备计算(可以用图灵机 做到的所有事情，通俗来说就是一般编程语言可以做的所有事情)。

现有专利文献中，名称为《基于区块链的可信电力网络交易平台》(申请号：201610666888.1)的专利公开了一种基于区块链技术的可信电力网络交易平台，该平台 基于区块链技术，利用加密和认证模块，构建了一个可信的电力网络交易平台，使得用 该交易平台可以安全可靠地进行各种类型的电力网络交易。其主要模块如图2所示。该 发明提供了一种基于区块链技术的可信电力网络交易平台，包括：(1)区块链数据库 节点模块，在多个节点保存电力交易数据副本；(2)区块模块，区块链数据库被划分 为多个与电力交易相关的区块，每个区块包含交易详细信息；(3)加密认证模块，通 过将共有交易详情及双方或多方独有签名合并加密获得全网认证；(4)信任核准模块， 如图3所示，与加密认证模块连接，用于建立区块链的可信电力网络交易体系；以及(5) 判定模块，如果所有节点对应的加密记录一致，则交易有效，并加入历史交易链；如果 区块无效，节点的“一致意见”将更改违规节点的信息。其目的是实现一个可以安全可 靠的进行各种类型的电力网络交易的平台，提高区块链技术的可信度。该专利的缺点是 应用只局限于电力网络，而且其对接入网络的每个设备都进行物理安全加固和繁琐的信 任核对，使得该平台具有管理成本高、反应慢的缺点。

名称为《区块链数据的访问方法和区块链管理系统》(申请号：201611062213.2)的专利文献公开了一种区块链数据的访问方法和区块链管理系统，该方法用于区块链管理系统，其主要模块如图4所示，该方法包括：区块链应用模块将数据访问请求发送至 所述区块链访问模块；区块链访问模块根据预设配置信息将所述访问请求发送至所述区 块链存储模块；区块存储模块对所述访问请求进行处理，并通过所述区块链访问模块向 所述区块链应用模块反馈根据所述请求处理后的数据。区块链管理系统包括多个区块链 节点，每一区块链节点至少包括一区块链应用模块、一区块链访问模块和/或一区块链存 储模块，其具体流程如图5所示，该系统将现有区块链数据按照功能隔离为单独的模块， 每个模块则可以设置在不同的节点中，支持跨网络访问，并且可以针对每个模块进行监 控，支持针对单一模块进行升级修复。该发明是针对区块链的一个比较底层的专利，其 缺点是未针对能源互联网这一特殊的网络提供区块链技术方案，并且其未实现对区块链 数据安全以及整个网络安全的保护，缺乏安全性。

发明内容

本发明的目的是针对当前能源互联网可信服务管理中存在的中心化程度高、交易不 透明和易受攻击等问题，提供了一种基于区块链的能源互联网可信服务管理框架和一种 基于区块链的能源互联网可信服务管理方法。该框架能够大大降低能源互联网可信服务 管理维护成本，进一步方便对能源互联网的管理和维护，同时建立去中心化、透明、安全的可信服务管理模式。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于区块链的能源互联网可信服务 管理系统，其包括信任建立模块、交易管理模块和攻击防范模块，信任建立模块利用区块链和数字签名方法为不同的对象间建立可信服务交互，利用区块链技术为服务交互提供一个值得信赖的环境，服务请求者和服务提供者可以通过区块链直接相互信任而不需要通过其他机构的第三方来达成一致进行交互；交易管理模块利用智能合约与区块链管理服务提供者和服务请求者之间的交易，为服务提供者和服务请求者提供交易管理，交 易的执行通过智能合约来实现，交易数据的存储、维护和传输由区块链负责，帮助交易 双方高效地建立和完成交易；攻击防范模块用来抵御外部攻击，防范网络的攻击和恶意 节点的欺骗，保证了交易的可信性和安全性，为此在区块链中使用非对称密码学原理对 数据进行加密，同时借助区块链中的共识机制来抵御外部攻击。

进一步，上述信任建立模块采用非对称加密算法解决能源互联网中节点间的信任问 题。

上述信任建立包含数字密钥的分发和验证。

进一步，上述交易管理包括：交易的执行，交易数据的验证、记账、存储、维护和 传输。

本发明还进一步提出一种利用上述基于区块链的能源互联网可信服务管理系统进 行能源互联网可信服务管理的方法，包括如下步骤：

步骤1：对象接入能源互联网，产生专属的公钥和私钥，其中专属公钥公布给能源互联网全网的对象，全网对象采用相同的加密或解密算法，而只用对象自己拥有自己的 私钥；

步骤2：根据接入对象的请求，若对象请求与能源互联网中其他对象建立信任，则信任建立模块为其与能源互联网中其他对象建立信任联系；

步骤3：接入设备与能源互联网中其他对象建立信任联系后，交易管理模块根据是否有交易产生来决定是否进行交易的管理，并将产生的交易信息发送至攻击防范模块；

步骤4：攻击防范模块依据收到的交易信息，识别交易中的攻击行为，随后更新交易信息，并将结果返回给交易管理模块做出相应的修改；

步骤5：交易管理模块收到来自攻击范芳模块返回的结果后，若确认为虚假交易则取消，若确认为真实交易则确认，并将交易信息写入到区块链中，随后向全网各个节点 进行广播，更新区块记录。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)该发明利用区块链技术实现能源互联网可信服务管理的透明化、去中心化。

(2)该发明能够大大降低能源互联网可信服务管理的维护成本，使得整个网络的部署更加容易，并能够对能源互联网的网络变化做出快速的反应。

(3)该发明实现了对区块链数据安全以及整个网络安全的保护，提升了能源互联网的安全性和可靠性。

附图说明

图1为区块链的组织示意图。

图2为基于区块链的可信电力网络交易平台示意图。

图3为信任核准模块示意图。

图4为区块链数据的访问方法流程图。

图5为区块链管理系统的流程图。

图6为一种基于区块链的能源互联网可信服务框架示意图。

图7为去中心化的信任建立过程图。

图8为融合区块链和智能合约的能源互联网中的交易管理示意图。

图9为共识机制防范恶意攻击的过程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于区块链的能源互联网可信服务管理框架包括信任建立、交易管理和攻击防 范三个模块。如图6所示，框架内容如下：

信任建立模块：利用区块链为能源互联网中不同的对象间提供可信服务交互方法， 采用非对称加密算法解决能源互联网中节点间的信任问题，信任建立主要是数字密钥的 分发和验证。

交易管理模块：用于管理服务提供者和服务请求者之间的交易，为服务提供者和服 务请求者提供交易数据的验证、记账、存储、维护和传输等功能，帮助交易双方高效地建立和完成交易。

攻击防范模块：用于抵御外部攻击，防范网络的攻击和恶意节点的欺骗，保证了内容的可信性且具有较高的安全性。

针对以上三个层面，具体研究内容阐述如下：

(1)信任建立模块：信任建立模块为不同的对象间提供可信服务交互方法，信任建立包括：数字密钥的分发和验证。在不需要信任任何实体的情况下，区块链技术为服 务交互提供了一个值得信赖的环境。服务请求者和服务提供者可以通过区块链直接相互 信任而不需要通过其他机构的第三方来达成一致进行交互，区块链取代这个可信的第三 方，负责对象之间的信任问题，具体去中心化的信任建立过程，如图7所示。其中区块 记录是整个区块链系统的节点，每个节点保存了整个区块链中的全部数据信息，包括节 点的交易状态。能源互联网服务提供者和能源互联网服务请求者是接入能源互联网中的 实体，可以是发电设备和用电设备，也可以是发电厂和用户。

数字密钥的分发和验证：区块链采用非对称加密算法解决能源互联网中节点间的信 任问题。非对称加密算法需要两个密钥：公开密钥(public key)和私有密钥(privatekey)。 公开密钥与私有密钥是一对，如果用公开密钥对数据进行加密，只有用对应的私有密钥 才能解密；如果用私有密钥对数据进行加密，那么只有用对应的公开密钥才能解密。

区块链中每个参与的对象都拥有专属的公钥和私钥，其中专属公钥公布给全网对象，全网对象采用相同的加密或解密算法，每个对象掌握自己的私钥。对象用私钥加密 信息，其他对象用公钥解密信息。对象可用私钥在数据尾部进行数字签名，其他对象通 过公钥解密可验证数据来源的真实性。

所以在对象收到对方的数据后，利用公布的公钥可以对数据进行解密，若能正确解 密则建立信任，否则不建立信任关系。

(2)交易管理模块：用于管理服务提供者和服务请求者之间的交易，为服务提供者和服务请求者提供交易数据的验证、记账、存储、维护和传输等功能，帮助交易双方 高效地建立和完成交易。交易管理包括：交易的执行，交易数据的验证、记账、存储、 维护和传输。

交易的执行：在给定的区块链中，智能合约通过赋予资产一些代码并在区块链上运 行，成为全网共享资源和共识算法，再通过外部数据触发合约执行，决定网络中智能资产分配或转移。如图8所示，智能合约以程序代码的形式预置在智能设备中，智能合约 由预置响应条件、预置响应规则、合约状态和合约值组成，智能合约根据预置响应条件 和预置响应规则执行相应的动作、改变合约状态和合约值，并完成对区块链数据的操作。 在能源互联网中不同类型的设备内置实现不同操作的智能合约，实现设备之间点对点的 自动化交易，将通过验证后的交易记录存入区块链。

交易数据的验证、记账、存储、维护和传输：服务请求者和服务提供者通过智能合约完成交易后，智能合约将产生的交易验证后写入到区块链中，随后区块链负责交易数 据的存储、维护和传输。

(3)攻击防范模块：能源互联网的欺骗行为主要在服务交易过程中发生，区块链可以采用非对称密码学原理对数据进行加密，同时借助去中心化中各节点的工作量证明等共识算法来抵御外部攻击。

共识机制是区块链中实现不同节点之间建立信任、获取权益的数学算法，能保证分 布式系统中所有节点均可参与区块的验证过程，并通过共识算法来选择特定的节点将新 数据添加到区块链中。因此，本发明在能源互联网中利用区块链的共识机制来验证并防范恶意攻击，共识机制防范恶意攻击的过程如图9所示。

具体防范过程如下：

A、B、C、D、E是能源互联网中四个节点，其中A是交易方，B是恶意节点，试图 破坏该交易，C、D和E是可信节点。A将交易信息广播给其它节点，命令为“1”，B、 C、D、E都会收到A发来的命令“1”，每个节点把收到的命令签名再发给其他节点。恶 意节点B为了混淆视听，转发给C、D和E的不是“1”，而是“0”，但为了不暴露自己， 发给A的仍然是“1”。可信节点C、D和E收到命令后签名并按照原样发出去。各节点收 到的命令如图9中表格所示，C、D和E收到的是“1011”，根据共识算法，按“多数裁 决”方式确定正确的命令，即C、D和E同意命令“1”。因此，尽管有恶意节点B，但A 仍然可以和C、D、E一起确定命令，将交易写入区块链中。

只有当全网大部分节点都同时认为这个记录正确时，记录的真实性才能得到全网认 可，从而被允许写入区块链中，恶意欺骗行为与数据无法通过共识机制写入区块链中，且无法篡改区块链中的数据。因此，在能源互联网中利用区块链的共识机制来防范网络 的攻击和恶意节点的欺骗，保证了内容的可信性且具有较高的安全性。

一种基于区块链的能源互联网可信服务管理方法，包括如下步骤：

步骤1：对象接入能源互联网，产生专属的公钥和私钥，其中专属公钥公布给能源互联网全网的对象，全网对象采用相同的加密或解密算法，而只用对象自己拥有自己的 私钥。

步骤2：根据接入对象的请求，若设备请求与能源互联网中其他对象建立信任，则信任建立模块为其与能源互联网中其他对象建立信任联系。

步骤3：接入对象与能源互联网中其他对象建立信任联系后，交易管理模块根据是否有交易产生来决定是否进行交易的管理，并将产生的交易信息发送至攻击防范模块。

步骤4：攻击防范模块依据收到的交易信息，识别交易中的攻击行为，随后更新交易信息，并将结果返回给交易管理模块做出相应的修改(取消虚假交易，确认真实交易)。

步骤5：交易管理模块收到来自攻击范芳模块返回的结果后，若确认为虚假交易则取消，若确认为真实交易则确认并将交易信息写入到区块链中，随后向全网各个节点进 行广播，更新区块记录。

在一个包含各种物理设备，一个云数据中心，多个雾数据中心，工业无线网络， 智能控制设备，智能生产、包装、运输设备等的工业生产场景下，该场景中的工业设备 都是智能设备，集成了智能传感器能实时收集工业生产中能源数据信息，并且这些设备 还具有连网功能，能将这些信息共享出去。

此外，这些智能工业设备具有一定计算能力，多个智能设备通过网络组合在一起，形成工业雾，工业雾可提供本地能源管理服务对这些设备进行本地控制。多个工业雾之 间可以相互通信，也可以与工业云通信。

因此，工业云了解整个工业场景运作状态和能源消耗情况，并对整个场景进行全局 能源管理，监督控制发生在工业雾中的局部能源管理。用户通过该工业场景中的智能计算机，参与到能源管理系统中，不仅可以直观的查看该场景能源消耗状况，还可以下达 能源管理指令，完成特定的能源管理功能。

在这样的工业场景中比较传统能源管理架构与基于云雾融合的工业物联网能源管 理架构的能源管理效果，1、对工业设备每小时能源消耗成本进行对比，基于云雾融合的能源管理架构下工业设备各时段能源消耗成本较少，且相对于传统架构而言，各时段 能源消耗成本波动较小，整个工业场景耗能稳定。具体而言，该架构下工业设备的总能 源消耗成本约为13200元，远远小于传统架构下21538元的总成本，更加高效，能源管 理效果更好。2、对工业设备每小时污染物排放量进行对比，基于云雾融合的能源管理 架构下大部分时段污染物排放量较少，且总排放量1208kg小于传统架构下1759kg，更 加绿色，环保。

需要说明的是，本发明所提供的上述实施例仅具有示意性，不具有限定本发明的具 体实施的范围的作用。本发明的保护范围应包括那些对于本领域的普通技术人员来说显 而易见的变换或替代方案。

Claims (5)

1.一种基于区块链的能源互联网可信服务管理系统，其特征在于包括信任建立模块、交易管理模块和攻击防范模块，信任建立模块利用区块链和数字签名方法为不同的对象间建立可信服务交互，利用区块链技术为服务交互提供一个值得信赖的环境，服务请求者和服务提供者可以通过区块链直接相互信任而不需要通过其他机构的第三方来达成一致进行交互；

交易管理模块利用智能合约与区块链管理服务提供者和服务请求者之间的交易，为服务提供者和服务请求者提供交易管理，交易的执行通过智能合约来实现，交易数据的存储、维护和传输由区块链负责，帮助交易双方高效地建立和完成交易；

攻击防范模块用来抵御外部攻击，防范网络的攻击和恶意节点的欺骗，保证了交易的可信性和安全性，为此在区块链中使用非对称密码学原理对数据进行加密，同时借助区块链中的共识机制来抵御外部攻击。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的能源互联网可信服务管理系统，其特征在于所述信任建立模块采用非对称加密算法解决能源互联网中节点间的信任问题。

3.根据权利要求2所述的基于区块链的能源互联网可信服务管理系统，其特征在于所述信任建立包含数字密钥的分发和验证。

4.根据权利要求1所述的基于区块链的能源互联网可信服务管理系统，其特征在于所述交易管理包括：交易的执行，交易数据的验证、记账、存储、维护和传输。

5.一种利用权利要求1所述的基于区块链的能源互联网可信服务管理系统进行能源互联网可信服务管理的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：对象接入能源互联网，产生专属的公钥和私钥，其中专属公钥公布给能源互联网全网的对象，全网对象采用相同的加密或解密算法，而只用对象自己拥有自己的私钥；

步骤2：根据接入对象的请求，若对象请求与能源互联网中其他对象建立信任，则信任建立模块为其与能源互联网中其他对象建立信任联系；

步骤3：接入设备与能源互联网中其他对象建立信任联系后，交易管理模块根据是否有交易产生来决定是否进行交易的管理，并将产生的交易信息发送至攻击防范模块；

步骤4：攻击防范模块依据收到的交易信息，识别交易中的攻击行为，随后更新交易信息，并将结果返回给交易管理模块做出相应的修改；

步骤5：交易管理模块收到来自攻击范芳模块返回的结果后，若确认为虚假交易则取消，若确认为真实交易则确认，并将交易信息写入到区块链中，随后向全网各个节点进行广播，更新区块记录。