CN113468551A - 一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统及方法。该系统进行分层化设计，首先，由数据层对电表数据进行采集处理，其次，由网络层对处理后的电表数据进行传输，然后，由共识层对联盟链中的电表数据进行更新，之后，由合约层实现电表数据上链过程的自动化和智能化，最后，由应用层对家用智能电表数据进行存储和调用。该方法首先将电表数据加密后打包生成区块，其次，通过传输机制发送给每一个节点，然后，根据共识算法决定记账节点，之后，由记账节点把区块广播给其余节点，最后，其余节点验证通过后，保存到区块链网络中。此系统和方法实现了家用智能电表数据的安全、可靠存储，避免了中心服务器易受攻击和单点失效等风险。

Description

一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统及方法

技术领域

本发明是一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统及方法，主要用于存储家用智能电表的电能数据，属于电力系统信息安全领域。

背景技术

随着现代信息通信技术的不断发展，电力系统也从原来的手工或半自动化模式转变成为了网络自动化模式，生产管理的操作流程也日渐智能化，电网公司从而提出了智能电网的概念。智能电网整合了先进的信息和通信网络技术，将用于采集、传输和存储的电力设备终端通过公共网络来进行统一管理和控制。在这一基础之上，国家电网又提出了“三型两网，世界一流”的战略目标，“三型”分别指的是枢纽型、平台型和共享型，“两网”指的是坚强智能电网和泛在电力物联网。而其中泛在电力物联网是于2019年最新提出的概念，泛在电力物联网就是围绕电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度六个环节，充分应用人工智能等现代网络化技术，实现电力系统各个环节的设备物联、数据互通、架构云化和业务贯通。而在这不断推进智能电网现代化建设的过程中，电力负荷不足、电力能源短缺问题也随之增多，其中，高级计量架构作为智能电网系统的基础性架构，在整个电力系统中起着举足轻重的作用，因此，高级计量架构的应用与发展问题已成为电力系统智能化的关键性问题。在我们日常生活中，最能够直接体现高级计量架构发展的便是家用电表的变化，家用电表属于高级计量架构中面向用户侧的基础设备，其主要作用是负责采集用户的电能数据，并最终存储到电网公司的数据库中。但是，电力系统作为国家的核心基础设施之一，针对其信息物理融合系统的攻击手段层出不穷，家用智能电表数据的可靠存储已成为现阶段电网公司亟需解决的问题。现有的家用智能电表数据存储方案存在着集中式恶意攻击、中心数据库服务器单点失效以及数据中心的存储数据被恶意篡改等电力系统信息安全问题。所以一个可靠、安全的家用智能电表数据存储方案就显得尤为重要。

目前，针对于家用智能电表数据的存储方案，主要是通过电力载波通信将电能数据通过低压线路传输至对应的集中器，然后集中器再通过GPRS通信的方式，将电能数据传输到数据库服务器进行集中存储。这种方案依赖中心化存储，一旦数据库服务器出现故障或者遭受攻击者的入侵，将会导致用户的用电隐私数据受到威胁。

可以看出，现有的家用智能电表电能数据存储方案不能可靠、安全地存储用户的用电隐私数据，因此针对家用智能电表数据提出一种新的、有效的可靠存储方案对电力系统的信息安全保护意义重大。

基于联盟区块链的家用智能电表数据存储方法主要考虑两个方面的问题：

(1)如何将用户端的智能电表数据可靠有效地存储起来，使之不受攻击者的篡改风险和中心服务器失效风险。

(2)如何使电网监管部门通过联盟区块链对各个用户的电表数据进行监测和管理。

发明内容

技术问题：本发明的目的就是提供一种基于联盟区块链的家用智能电表存储方法，来对存在安全风险的智能电表数据进行可靠存储，本方法是一种策略性方法，通过使用本方法可以使得电网监管部门对家用智能电表的电能数据进行可靠存储和有效管理，保证电力系统中面向用户侧的高级计量架构安全稳定运行。

技术方案：一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统，所述系统的架构包括数据层、网络层、共识层、合约层和应用层五个层面；

所述数据层，将家用智能电表数据以特定的数据结构加密存储在链式区块结构中；

所述网络层，将不同区域内用来存储家用智能电表的分布式数据库服务器通过P2P组网的方式进行连接，以实现彼此之间的信息传递机制；

所述共识层，利用分布式节点共识算法实现各个分布式数据库服务器共同维护一个一致的数据库；

所述合约层，通过编写具有不同功能的智能合约实现不同区域的数据库服务器自动地进行信息传递，并为应用层提供调用接口，来对不同区域内的家用智能电表数据进行查询和调度；

所述应用层，层为电网监管部门提供家用智能电表电能数据的存储和调度功能。

进一步的，所述数据层包括链式区块结构和状态数据库，其中，区块链是用来存储分布式服务器之间的电表数据事务日志，而状态数据库则用来存储用户的智能电表数据的状态值，区块链结构分为区块和链，区块又分为区块头和区块体，区块体中由Merkle树组成，Merkle树分为根节点、中间节点和叶子节点，叶子节点用来存储分布式服务器之间的电表数据事务日志，而其它节点的哈希值都是由其子节点进行哈希运算所得到的，当叶子节点的事务日志发生变化，最终都会引起根节点的哈希值的变化，其保证了分布式数据库之间传递电能数据过程的不可篡改性，区块头则用来存储Merkle树的根哈希值、时间戳、区块序号、版本号以及前一个区块的哈希值，区块之间通过哈希指针进行连接，形成链式结构，最终构成区块链。所述事务日志记载的就是电表示数的变化数据，即日志记录，t时刻是15，t+1时刻是20，这个事务日志指的就是(15→20)这条数据。

进一步的，所述网络层包含了用来存储家用智能电表数据的分布式服务器之间的组网方式和通信协议的联盟区块链底层要素，每个参与维护电能数据的全节点地位平等，通过gPRC消息和Gossip协议进行数据交互，相互之间既可以发送所存储的本区域家用智能电表数据，又可以进行接收。

进一步的，所述共识层将不同数据库服务器的家用智能电表的电能数据按照采集时间的先后进行排序，并通过相关的分布式一致性算法把这些电能数据打包成区块，并分发给各个代表分布式服务器的节点进行统一存储。

进一步的：所述合约层通过编写安装在各个分布式服务器的链码，即编写智能合约，通过执行智能合约中的逻辑代码，自动执行电网公司及用户对于智能电表数据的调度和查询操作。

本发明还提出一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储方法，包括以下步骤：

步骤1：家用智能电表将电能数据通过RS-485协议或者Modbus协议传输到对应的集中器，进入步骤2；

步骤2：集中器将电能数据通过GPRS通信的方式传输到本区域内的基站，即分布式数据库服务器S_i中，进入步骤3；

步骤3：分布式数据库服务器S_i用对称密钥将本区域内的电能数据进行加密，并进行数字签名，进入步骤4；

步骤4：分布式数据库服务器S_i利用非对称加密算法对对称密钥进行加密，同时将电能数据密文和加密后的对称密钥一起发送到P2P组网方式下的其余分布式数据库服务器S_j，进入步骤5；

步骤5：各个分布式服务器S_j在收到电能数据后，首先用各自的私钥对对称密钥进行解密，然后再用对称密钥解密电能数据密文，进入步骤6；

步骤6：分布式服务器S_j对此次请求上链的电能数据明文进行背书验证，验证通过后，将背书结果签名后返回给分布式数据库服务器S_i，进入步骤7；

步骤7：收到所有背书结果后的分布式数据库服务器S_i验证背书结果的签名信息，并比较背书结果是否相同，比较通过后将背书结果进行封装，并发送给各个分布式服务器的排序节点，进入步骤8；

步骤8：排序节点将电表数据按照时间顺序进行排序，并打包生成区块，当区块体内事务日志数量达到预先设定的上限值后，添加版本号、时间戳、Merkle树的根哈希值以及前一个区块的哈希值等信息作为区块头数据，最终生成区块，进入步骤9；

步骤9：各个分布式数据库服务器的排序节点通过共识机制争夺这个区块的记账权，进入步骤10；

步骤10：抢夺到这次记账权的分布式数据库服务器的排序节点将步骤8中生成的区块通过哈希指针链接到联盟区块链网络中的前一个区块，同时改变本地智能电表状态数据库的值，进入步骤11；

步骤11：步骤9中抢夺到记账权的分布式数据库服务器把本次生成的区块在整个联盟区块链网络中进行广播，进入步骤12；

步骤12：其余分布式数据库服务器在收到这个区块后，对区块的合法性进行验证，包括但不限于签名信息、加密信息、版本信息等，进入步骤13；

步骤13：此次生成的区块通过验证后，其余分布式数据库服务器将此区块也通过哈希指针链接到联盟区块链网络中的前一个区块，同时改变本地智能电表状态数据库的值。至此，每一个分布式服务器都维护了一个一致的数据库，进入步骤14；

步骤14：循环结束。

本发明达到的有益效果为：本发明提出了一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统及方法，主要用于解决传统中心化抄表服务器无法安全、可靠地存储用户的智能电表电能隐私数据，通过使用本发明中提出的方法可以对智能电表数据进行数字签名并加密，并通过哈希算法和链式区块结构对智能电表数据进行分布式存储，使各个区域的抄表服务器都维护一个一致且不可篡改的数据库。

附图说明

图1是联盟区块链结构图。

图2是基于联盟链的家用智能电表数据存储系统架构图。

图3是基于联盟链的家用智能电表数据存储方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

由图2可以看出，一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统架构可以分为5个层级，从上至下分别是：应用层、合约层、共识层、网络层和数据层，每一层级都有其核心功能，层级之间相互配合，共同构成了基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统。

由图3所述，一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储方法，包括如下步骤：

步骤1：家用智能电表数据通过RS-485或者Modbus协议将电能数据传输到集中器，进入步骤2；

步骤2：集中器将家用智能电表的电能数据通过GPRS通信的方式传输到对应的基站，即分布式的抄表服务器，进入步骤3；

步骤3：抄表服务器的客户端请求将本地智能电表数据存储到联盟区块链网络中，进入步骤4；

步骤4：提出上链请求的抄表服务器用对称密钥对采集的智能电表数据进行加密，进入步骤5；

步骤5：抄表服务器用非对称加密算法对对称密钥进行加密，即用P2P组网方式下的其余抄表服务器的公钥对对称密钥进行加密，同时进行数字签名，进入步骤6；

步骤6：抄表服务器将家用智能电表的密文数据及加密后的对称密钥广播给P2P组网方式下的其余抄表服务器，进入步骤7；

步骤7：其余抄表服务器在收到加密后的数据后，首先用自己的私钥对非对称加密的对称密钥进行解密，然后再用对称密钥对电能数据的密文数据进行解密，并进行背书验证，验证不通过则由电网监管部门进行阻塞，验证通过则进入步骤8；

步骤8：其余抄表服务器将背书结果返回给提出数据上链请求的抄表服务器客户端，进入步骤9；

步骤9：收到背书结果的抄表服务器客户端对背书结果进行验证，验证不通过由电网监管部门进行阻塞，验证通过则进入步骤10；

步骤10：提出上链请求的抄表服务器客户端将验证通过的背书结果封装后发给其余抄表服务器的排序节点，进入步骤11；

步骤11：其余抄表服务器的排序节点收到封装后的背书结果后，按照时间顺序，同时根据我们预先设定的区块大小上限值来打包生成区块，但区块并不保存在本地数据库，进入步骤12；

步骤12：各个抄表服务器通过共识机制和共识算法来竞争此次生成的区块的记账权，竞争失败的抄表服务器则继续打包剩余的智能电表数据，竞争成功的抄表服务器，则进入步骤13；

步骤13：获得记账权的抄表服务器在联盟区块链的最后一个区块后面，通过哈希指针，添加上此次新生成的区块，同时改变本地状态数据库的实际值，进入步骤14；

步骤14：添加完毕后，由获得记账权的抄表服务器将此次生成的区块在整个联盟区块链网络中广播，进入步骤15；

步骤15：收到这个区块的其余抄表服务器会对区块合法性进行验证，如果此区块中包含非法信息，则进行丢弃，如果确认该区块有效，则进入步骤16；

步骤16：其余抄表服务器接收该区块，并在联盟区块链尾部链接上新的区块，最终将提出上链请求的抄表服务器的家用智能电表数据存储到联盟区块链网络中，同时改变本地状态数据库的值，进入步骤17；

步骤17：循环结束。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统，其特征在于，所述系统的架构包括数据层、网络层、共识层、合约层和应用层五个层面；

所述数据层，将家用智能电表数据以特定的数据结构加密存储在链式区块结构中；

所述网络层，将不同区域内用来存储家用智能电表的分布式数据库服务器通过P2P组网的方式进行连接，以实现彼此之间的信息传递机制；

所述共识层，利用分布式节点共识算法实现各个分布式数据库服务器共同维护一个一致的数据库；

所述合约层，通过编写具有不同功能的智能合约实现不同区域的数据库服务器自动地进行信息传递，并为应用层提供调用接口，来对不同区域内的家用智能电表数据进行查询和调度；

所述应用层，层为电网监管部门提供家用智能电表电能数据的存储和调度功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统，其特征在于，所述数据层包括链式区块结构和状态数据库，其中，区块链是用来存储分布式服务器之间的电表数据事务日志，而状态数据库则用来存储用户的智能电表数据的状态值，区块链结构分为区块和链，区块又分为区块头和区块体，区块体中由Merkle树组成，Merkle树分为根节点、中间节点和叶子节点，叶子节点用来存储分布式服务器之间的电表数据事务日志，而其它节点的哈希值都是由其子节点进行哈希运算所得到的，当叶子节点的事务日志发生变化，最终都会引起根节点的哈希值的变化，其保证了分布式数据库之间传递电能数据过程的不可篡改性，区块头则用来存储Merkle树的根哈希值、时间戳、区块序号、版本号以及前一个区块的哈希值，区块之间通过哈希指针进行连接，形成链式结构，最终构成区块链。

3.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统，其特征在于：所述网络层包含了用来存储家用智能电表数据的分布式服务器之间的组网方式和通信协议的联盟区块链底层要素，每个参与维护电能数据的全节点地位平等，通过gPRC消息和Gossip协议进行数据交互，相互之间既可以发送所存储的本区域家用智能电表数据，又可以进行接收。

4.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统，其特征在于：所述共识层将不同数据库服务器的家用智能电表的电能数据按照采集时间的先后进行排序，并通过相关的分布式一致性算法把这些电能数据打包成区块，并分发给各个代表分布式服务器的节点进行统一存储。

5.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储系统，其特征在于：所述合约层通过编写安装在各个分布式服务器的链码，即编写智能合约，通过执行智能合约中的逻辑代码，自动执行电网公司及用户对于智能电表数据的调度和查询操作。

6.一种基于联盟区块链的家用智能电表数据存储方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：家用智能电表将电能数据通过RS-485协议或者Modbus协议传输到对应的集中器，进入步骤2；

步骤2：集中器将电能数据通过GPRS通信的方式传输到本区域内的基站，即分布式数据库服务器S_i中，进入步骤3；

步骤3：分布式数据库服务器S_i用对称密钥将本区域内的电能数据进行加密，并进行数字签名，进入步骤4；

步骤4：分布式数据库服务器S_i利用非对称加密算法对对称密钥进行加密，同时将电能数据密文和加密后的对称密钥一起发送到P2P组网方式下的其余分布式数据库服务器S_j，进入步骤5；

步骤5：各个分布式服务器S_j在收到电能数据后，首先用各自的私钥对对称密钥进行解密，然后再用对称密钥解密电能数据密文，进入步骤6；

步骤6：分布式服务器S_j对此次请求上链的电能数据明文进行背书验证，验证通过后，将背书结果签名后返回给分布式数据库服务器S_i，进入步骤7；

步骤7：收到所有背书结果后的分布式数据库服务器S_i验证背书结果的签名信息，并比较背书结果是否相同，比较通过后将背书结果进行封装，并发送给各个分布式服务器的排序节点，进入步骤8；

步骤8：排序节点将电表数据按照时间顺序进行排序，并打包生成区块，当区块体内事务日志数量达到预先设定的上限值后，添加版本号、时间戳、Merkle树的根哈希值以及前一个区块的哈希值等信息作为区块头数据，最终生成区块，进入步骤9；

步骤9：各个分布式数据库服务器的排序节点通过共识机制争夺这个区块的记账权，进入步骤10；

步骤10：抢夺到这次记账权的分布式数据库服务器的排序节点将步骤8中生成的区块通过哈希指针链接到联盟区块链网络中的前一个区块，同时改变本地智能电表状态数据库的值，进入步骤11；

步骤11：步骤9中抢夺到记账权的分布式数据库服务器把本次生成的区块在整个联盟区块链网络中进行广播，进入步骤12；

步骤12：其余分布式数据库服务器在收到这个区块后，对区块的合法性进行验证，包括但不限于签名信息、加密信息、版本信息等，进入步骤13；

步骤13：此次生成的区块通过验证后，其余分布式数据库服务器将此区块也通过哈希指针链接到联盟区块链网络中的前一个区块，同时改变本地智能电表状态数据库的值。至此，每一个分布式服务器都维护了一个一致的数据库，进入步骤14；

步骤14：循环结束。

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