CN113507513A - 一种基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于zk‑snark的泛在电力物联网交易数据管理方法，基于非交互式零知识证明实现了泛在电力物联网环境下，用户登录阶段使用轻量级非交互式零知识证明，在保障用户秘密信息对物联网服务器零知识的情况下，能进入到物联网服务器所在的网络内，进行后续对用电信息的验证。在“用电证明”阶段采用zk‑snark协议是利用该协议中算法对证据生成流程的严格限制，能防止拥有高算力的服务器伪造证据，通过zk‑snark协议的零知识性和形式化验证，实现泛在电力物联网中交易数据的链上链下混合存储，在保障了交易数据隐私性的同时，避免了在区块链上存储大量数据，使得最终系统支持与传统基于数据库的存储系统等同的存储能力及信息检索效率。

Description

一种基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理方法

技术领域

本发明涉及物联网技术，特别涉及物联网交易数据管理技术。

技术背景

中国电力工程作为世界一流的电力工业，为了满足用户日益增长的能源需求及电力产销者日益分散的环境，并实现电力资源在此环境下的优化配置。当前亟需推动能源配置变革以缓解能源供应压力。2019年，国家电网提出“三型两网、世界智能电网、能源网络与信息网络深度融合，促使电力系统由单一电能供应商向智慧综合能源服务提供商转变，促进电网运营部门向枢纽型、平台型、共享型企业转型”。使得泛在电力物联网的升级大势所趋。而物联网设备之间在进行交易时，存在交易数据更易受到攻击这一弊端，诸如数据篡改或隐私侵犯，且电力交易数据存在高安全性要求及大数据量的双重特点，传统的存储手段难以兼顾。如何解决泛在电力物联网场景下的海量交易数据可信存储及管理的问题，成了推进我国新型能源架构落地的当务之急。

发明内容

本发明所要解决的问题是，提供一种在区块链平台下的物联网设备注册、认证以及交易数据的可信存储方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理方法，包括以下步骤：

1)用户终端向电力物联网云服务器发送电力物联网设备的设备标识、用户标识以及注册用密钥完成设备信息注册；

2)电力物联网云服务器对接收到的设备标识进行验证，若验证通过，则保存用户上传的设备标识、用户标识以及注册用密钥到链下数据库；否则不允注册；

3)用户终端登录时使用轻量级非交互式零知识证明算法，向电力物联网云服务器证明自己持有注册密钥，若验证通过，则电力物联网云服务器向电力用户授权；否则禁止用户入网；

4)智能电力物联网设备正常工作时，将自己的交易数据发送给电力物联网云服务器进行链下数据库存储，同时将交易数据序列化，并根据序列化后交易数据计算生成非交互式零知识证明zk-snark协议需要的公共引用字符串CRS并上链存储；

5)当电力用户需要对交易数据进行查询时，由电力物联网云服务器作为证明者，根据序列化后的交易数据以及zk-snark协议生成证据；

6)区块链上搭载的智能合约作为交易数据的验证者，验证者利用存储在链上的公共引用字符串CRS(Common Reference String)并基于服务器发送的zk-snark协议的证据验证条件对电力物联网云服务器生成的证据进行验证，将验证结果作为用电证明的输出至用户终端供电力用户查看。

进一步的，步骤4)中在公共引用字符串CRS中增加周期长度T，将增加了周期长度T的公共引用字符串CRS上链存储；

步骤6)中智能合约基于zk-snark协议对周期长度T内所生成的单笔用电证明进行T次迭代运算，最终生成周期用电证明输出至用户终端。

本发明的有益效果是，基于非交互式零知识证明实现了泛在电力物联网环境下，用户登录即注册时的隐私保护方案，通过zk-snark协议的零知识性和形式化验证，实现泛在电力物联网中交易数据的链上链下混合存储，在保障了交易数据隐私性的同时，避免了在区块链上存储大量数据，使得最终系统支持与传统基于数据库的存储系统等同的存储能力即信息检索效率。

附图说明

图1为本发明基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理模型；

图2为实施例中当新用户尝试进入物联网服务器时的示意图；

图3为实施例中用户对需要查验交易数据时的示意图。

具体实施方式

一种基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理方法，包括以下步骤：

1)电力用户通过用户终端向电力物联网云服务器发送泛在电力物联网设备(如智能电表)的“设备标识”及“用户标识”，及注册用密钥进行信息注册。

2)电力物联网云服务器对接受到的电力物联网设备标识进行验证，若验证通过，则保存用户上传的标识以及注册用密钥到链下数据库；若不通过则不允注册。

3)用户尝试登录时，使用轻量级非交互式零知识证明算法，向电力物联网云服务器证明自己持有注册密钥，若验证通过，则电力物联网云服务器向用户授权；若验证未通过则禁止用户入网。

如图1所示，基于zk-snark(zero knowledge Succinct Non-interactiveARgument of Knowledge，零知识证明的一个变体，它使得证明者能够简洁地使任何验证者相信给定论断的有效性，并且实现计算零知识，而不需要证明者与任何验证者之间进行交互)的泛在电力物联网交易数据管理模型中主要包含以下几个角色，以智能电表为代表的智能物联网设备，主要负责电力交易数据的感知与生成；物联网云服务器主要负责对智能电表等产生的交易数据进行记录，并负责维护一个存储由海量物联网交易数据及用户注册信息的数据库；用户终端与物联网服务器同在一个区块链网络中，往往运行在手机等算力较弱的个人设备上，负责注册及登录，登录后可拥有区块链上数据的读写权限，在物联网服务器作为证明者对其所保存在数据库中的内容做出证明后，直接从区块链中读取验证结果。

本发明中在用户登录阶段使用轻量级非交互式零知识证明，是为了在保障用户秘密信息对物联网服务器零知识的情况下，能进入到物联网服务器所在的网络内，进行后续对用电信息的验证。而在“用电证明”阶段采用zk-snark协议是利用该协议中算法对证据生成流程的严格限制，能防止拥有高算力的服务器伪造证据，且直接使用区块链存储海量电力物联网交易数据存在严重的效率问题，链上数据不不支持复杂查询的问题也会限制物联网服务器对电力数据的管理。

非交互式零知识证明的具体过程为：

用户与电力物联网云服务器在进行验证前，先通过协商共同进行算法的setup步骤，选定大素数p，以p为阶的群G，群G的一个生成元g，及证明者生成挑战时需要使用到的散列函数H()；用户在登录时向电力物联网云服务器证明自己持有注册密钥x，在

上选择安全参数v，并基于v经过同态加密后算出承诺t；之后用户作为证明者，利用散列函数的不可预测性，向自己发出挑战c＝H(g,Y,t)，其中Y为用户注册时密钥的同态加密后结果；之后用户基于v和c对注册密钥进行保护，求出r＝v-cx mod p，并将(t，r)作为证据对发送给验证者，即电力物联网云服务器。且由于非交互式零知识证明的特性，在求出证明后用户即可下线，证明者可随时对证据进行验证，而不用保持双方长时间在线等待。

电力物联网云服务器在收到证据对后，使用setup阶段协商得到的生成元等参数，重新计算挑战c的值，之后代入t、r的值，验证等式t＝g^ry^c是否成立，若成立，则说明本次验证通过，用户确实持有身份标识所对应的注册密钥。

正常工作时，智能电力物联网设备将自己的交易数据发送给服务器进行链下存储，同时将交易数据序列化，交易数据的所有者根据序列化后交易数据内容计算生成CRS(Common Reference Strings)，即公共引用字符串，并将后续执行zk-snark协议需要使用到的CRS链上存储。

当用户需要对数据库中保存的数据进行查询时，由服务商作为证明者，根据序列化后的交易数据求出待验证多项式h(x)，和一系列带验证参数，并将他们同态加密后，合并为证据π。

区块链上搭载的智能合约作为交易数据的验证者，使用预先存储在链上的CRS，基于服务器发送的证据验证各多项式限制条件，最后对操作有限性进行验证，将验证结果作为链上一笔交易的输出，称为“用电证明”。

在“用电证明”的基础上，由用户在CRS中新增周期长度T，可将基于zk-snark的用电证明协议拓展为周期用电证明。用户与预设参数如用电证明阶段，由用户将新增周期长度T上链。

由电力物联网云服务器作为证明者，基于zk-snark协议对T时间内所生成的单笔用电证明进行T次迭代运算，最终生成周期用电证明P。

以区块链上搭载的智能合约作为验证者，对上述证明P进行T次迭代的验证，最终将结果作为用户用电周报(若T为一周)输出，供用户查看，实现周期性交易数据可信报告。

本实施例基于以太坊和MQTT协议的物联网实施上述方案，使用省电网用户智能电表作为物联网设备，EMQ服务器作为物联网服务器，安卓系统智能手机作为用户终端，采用Fiat-Shamir作为非交互式零知识证明算法，网络中需要用到的消息包括：

CONNECT：仅限从客户端到服务器流动，负责发起链接；

CONNACK：仅限从服务器端到客户端流动，负责对发起的链接进行确认；

PUBLISH：通信用消息类型；

ACTIVE：对节点进行激活，仅限从服务器到客户端。

如图1所示，基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理模型中主要包含以下几个角色，以智能电表为代表的智能物联网设备，主要负责电力交易数据的感知与生成；物联网云服务器主要负责对智能电表等产生的交易数据进行记录，并负责维护一个存储由海量物联网交易数据及用户注册信息的数据库；用户终端与物联网服务器同在一个区块链网络中，往往运行在手机等算力较弱的个人设备上，负责注册及登录，登录后可拥有区块链上数据的读写权限，在物联网服务器作为证明者对其所保存在数据库中的内容做出证明后，直接从区块链中读取验证结果。

当新用户终端A尝试进入物联网服务器B所在的区块链网络时，系统进行如图2所示步骤：

1)由A所属的用户所有的智能电表E将自己的设备标识Ide发送给客户终端A；

2)客户终端A收到后，在Ide后拼接上自己的身份信息Id以及注册新账号所使用的密钥pw，向B发送PUBLISH消息，在Payload字段中存入{Ide，Id，pw}；

3)EMQ服务器B收到A发来的CONNECT信息后，向A发送CONNACK消息，确认连接建立；

4)B确认连接后对其中的设备号syn有效性进行检查后，将物联网设备标识Ide、所属用户身份标识Id、注册密钥pw作为一簇保存在数据库中；

5)在完成注册后，当用户尝试进入到EMQ服务器所在区块链网络内时，与EMQ服务器根据Fiat-Shamir协议，共同执行setup()步骤，生成后续同态加密所需的大素数阶群G、散列函数H()、以及注册密钥的同态加密后结果g^pw；

6)在公共应用参数生成完毕后，由客户端A作为证明者，运行proofgen()步骤，生成包含一个声明sta、一个挑战的证据π，并将用户自身的身份标识Id拼接后作为证据对{π||Id}发送给EMQ服务器B；

7)B收到证明对后，先对证明对中的用户身份标识Id进行验证，若数据库中存在该名用户已注册的记录，则进入下一步骤，否则返回步骤1)进行注册；

8)验证身份合法后，B基于Fiat-Shamir算法，在本地调用协议verify()步骤对证据π的正确性进行验证，返回布尔型验证结果，若通过则认为用户登录成功，开放给用户区块链上数据的读写权限；否则回退到步骤1)。

在完成对电力物联网用户设备A的授权后，采用Groth16算法作为发明内容中zk-snark协议的实例，在用户对需要查验由服务商所保存在数据库中的交易数据的正确性时，系统内的流程如图3所示：

1)由智能电表为代表的智能泛在电力物联网设备将交易数据原文x发送给电力物联网云服务器；

2)电力物联网云服务器收到交易数据x后，将x与用户设备信息Ide拼接{x||Ide}后序列化到链下数据库中存储；

3)智能泛在电力物联网设备将交易数据x发送给设备所属用户终端；

4)用户终端基于Groth16算法的setup阶段，在A上计算后续证明验证所需要的CRS，包括双线性映射关系e：G×G＝G_T，G群生成元g，偏移量α，β，γ，参数集合g’，g’包括系数多项式l(s),r(s),o(s)和目标多项式t(s)；并基于同态加密函数和序列化后的交易数据x生成同态加密后交易数据y，并将CRS上链；

5)B调用以太坊智能合约账户，在区块链上读取CRS；

6)B基于CRS和数据库中保存的交易数据x，在本地调用Groth16的proofgen()方法分别生成同态加密后交易数据上传到链上；

7)用户A调用负责证明的智能合约，输入证据π，利用以太坊上的智能合约作为验证者，通过计算证据是否合法正确，并将布尔型验证结果作为交易输出供用户查看，1为通过，0为不通过；

8)在具备基本的单笔交易记录验证功能后，由用户新增验证周期T到CRS中，并保存到链上；

9)B从以太坊私有链上读取周期长度T，并调用调用区块链上序列化后的交易数据x以及CRS进行T次迭代在链下生成周期用电证明p；

10)用户A以及调用周期验证智能合约，对电力物联网云服务器生成的用电证明p进行验证，并返回本周期交易验证结果。

Claims (2)

1.一种基于zk-snark的泛在电力物联网交易数据管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)用户终端向电力物联网云服务器发送电力物联网设备的设备标识、用户标识以及注册用密钥完成设备信息注册；

2)电力物联网云服务器对接收到的设备标识进行验证，若验证通过，则保存用户上传的设备标识、用户标识以及注册用密钥到链下数据库；否则不允注册；

3)用户终端登录时使用轻量级非交互式零知识证明算法，向电力物联网云服务器证明自己持有注册密钥，若验证通过，则电力物联网云服务器向电力用户授权；否则禁止用户入网；

4)智能电力物联网设备正常工作时，将自己的交易数据发送给电力物联网云服务器进行链下数据库存储，同时将交易数据序列化，并根据序列化后交易数据计算生成非交互式零知识证明zk-snark协议需要的公共引用字符串CRS并上链存储；

5)当电力用户需要对交易数据进行查询时，由电力物联网云服务器作为证明者，根据序列化后的交易数据以及zk-snark协议生成证据；

6)区块链上搭载的智能合约作为交易数据的验证者，验证者利用存储在链上的公共引用字符串CRS并基于服务器发送的zk-snark协议的证据验证条件对电力物联网云服务器生成的证据进行验证，将验证结果作为用电证明的输出至用户终端供电力用户查看。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4)中在公共引用字符串CRS中增加周期长度T，将增加了周期长度T的公共引用字符串CRS上链存储；

步骤6)中智能合约基于zk-snark协议对周期长度T内所生成的单笔用电证明进行T次迭代运算，最终生成周期用电证明输出至用户终端。

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