CN113660226A - 一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法，包括多个用电端、区块链及其上的智能合约、中心机构和多个统计结果查询方；所述多个用电端分别与区块链及其上的智能合约相连接，所述区块链及其上的智能合约的输出端与中心机构相连接，所述中心机构的输出端分别与统计结果查询方相连接，所述统计结果查询方向中心机构提出查询结果请求，由中心机构解密并出示查询结果。本发明能够解决能源数据共享管理中的隐私保护问题。

Description

一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法

技术领域

本发明属于区块链以及能源数据技术领域，涉及能源数据可信共享系统和方法，尤其是一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法。

背景技术

区块链是一种去中心化的数字交易账本，用户可在不需要第三方的情况下进行点对点地交易，交易数据通过加密技术存储在区块中并以链式结构不断增长，并被长期保留。由于独特的链式结构和点对点交易的共识机制，区块链具备防篡改的特性，信息可在区块链中安全地存储、传输和处理。然而，由于区块链上的所有信息都是公开可见的，其上的隐私保护问题一直是亟待解决的难题。

目前基于区块链的数据隐私保护主要是将数据加密后上传到链上，然后通过区块链上的智能合约对数据进行分析计算，从链上智能合约获取分析计算结果后，通过对结果进行可信验证，从而实现数据的隐私保护以及安全可信计算。如专利CN202010150007.7公开了一种区块链数据共享加密和解密方法、设备及存储介质，该专利通过同态代理重加密对区块链隐私数据进行安全计算以实现保护数据隐私。然而，该专利所述方法无法保证数据采集之后的上链可信，且未公开具体的能源数据共享方案。另外，该专利文献没有利用同态承诺保证可信的过程，隐私保护力弱，且无法确保统计数据解密结果的可信。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法，能够解决能源数据共享管理中的隐私保护问题。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于区块链的能源数据可信共享系统，包括多个用电端、区块链及其上的智能合约、中心机构和多个统计结果查询方；

所述多个用电端分别与区块链及其上的智能合约相连接，每个用电端由智能电表设备组成，各自注册为区块链节点，用于实现能源数据采集和加密，以及将加密后的能源数据上传至区块链及其上的智能合约的功能；

所述区块链及其上的智能合约的输出端与中心机构相连接，用于展示和存储各用电端加密后的能源数据，以及通过智能合约计算加密后的统计结果并展示，并将加密后的能源数据和统计结果输出至中心机构；

所述中心机构的输出端分别与统计结果查询方相连接，用于解密原始能源数据以及解密统计能源数据的主体，并选择性的将统计数据结果解密后公开给数据统计结果查询方；

所述统计结果查询方向中心机构提出查询结果请求，由中心机构解密并出示查询结果。

而且，所述智能电表设备出厂时即搭载可信执行环境。

一种基于区块链的能源数据可信共享方法，包括以下步骤：

步骤1、各用户端采集能源数据，并对所采集的能源数据进行加密，并将加密值和同态承诺值上传至区块链及其上的智能合约；

步骤2、区块链及其上的智能合约计算加密后的统计结果，并将加密后的能源数据和统计结果输出至中心机构；

步骤3、中心机构解密原始能源数据、解密统计能源数据的主体和统计数据结果，并选择性的将统计数据结果解密后公开给数据统计结果查询方；

步骤4、统计结果查询方向中心机构提交查询解密结果的请求，由中心机构解密并交付统计结果。

而且，所述步骤1的具体步骤包括：

(1)用电端i将用户一段时间内的能源数据进行采集，记采集的原数据为m_i；

(2)用电端i采集能源数据后，用电端程序电路计算两个值，一个为Paillier加密值c_i，通过m_i和公钥pk计算得出；另一个为同态承诺值d_i，通过m_i和门限r_i计算得出；

(3)用电端i将加密值和同态承诺值c_i,d_i上传至区块链及其上的智能合约。

而且，所述步骤1第(2)步的具体步骤包括：

①在Paillier加密过程中，存在如下变量：

n＝pq，其中p，q为长度相同的大质数，公钥pk定义为为n，私钥sk定义为p和q；

②加密值c_i的计算方式为：

其中，r为随机产生的数，满足r与n互质；mod为取余计算；n，c_i，m_i如上所述；

③同态承诺值d_i采用离散对数的承诺函数计算，即：

其中，g，h为离散对数群的生成元，r_i,d_i,m_i如上所述。

而且，所述步骤2的具体步骤包括：

(1)区块链智能合约接收到c_i,d_i,i＝1,2，…，n，其中n为用电端的总数目，计算C＝c₁c₂…c_n，D＝d₁d₂…d_n并展示，此处的乘法为基于模p整数群上的运算。

(2)根据Paillier的同态性，对密文进行相乘后，得到的C和D分别为针对所有能源数据之和的加密值和承诺值。

而且，所述步骤3的中心机构解密原始能源数据、解密统计能源数据的主体和统计数据结果的具体步骤包括：

(1)中心机构从区块链上获取C，D后，于本地用私钥sk对C进行解密，解密结果记为M；

在Paillier解密过程中，存在的变量与数据加密过程一致，即n＝pq，其中p，q为长度相同的大质数，公钥pk定义为为n，私钥sk定义为p和q；

解密值M的计算方式为

M＝(C^(p-1)(q-1)mod n²-1)/(n(p-1)(q-1))mod n

其中mod为取余计算，n,p,q,M如上所述；

(2)根据同态性质，解密结果M满足

同时，中心机构计算

其中r_i为第i个用电端的门限。

而且，所述步骤4的具体步骤包括：

(1)中心机构接收到查询方的查询请求后，向查询方提供M和R；

(2)统计结果查询方验证：

commit(M，R)＝D，即D＝g^Mh^R

是否成立，其中commit()为计算同态承诺的函数，g，h为之前所述的离散对数群的生成元，保证统计结果的可信。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明为解决能源数据共享管理中的隐私保护问题，提出一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法，给出具体的能源数据共享管理方案。通过搭载可信执行环境的智能终端设备对能源数据进行采集并上传到区块链实现数据可信上链，并通过基于同态加密和同态承诺的密码学相关技术对上链数据进行密态计算，在保护能源数据隐私的前提下挖掘能源数据的统计价值，实现能源数据共享的全过程安全可信。

2、本发明提出一种基于区块链的能源数据可信共享系统和方法，通过同态加密和同态承诺相关密码学技术，结合搭载可信执行环境的智能终端设备，实现了数据上链到共享的全过程隐私保护，并在隐私保护的前提下实现能源数据的安全可信共享，可充分挖掘能源数据的统计价值。

3、本发明利用搭载可信执行环境的智能终端设备，结合区块链技术智能合约，可实现可信的能源数据采集、加密和上链的过程。

4、本发明采用基于同态加密和同态承诺的密码学方案，其中，基于同态加密的能源数据隐私保护，可实现能源数据的明文计算与密态计算结果一致；基于同态承诺的技术保证统计数据解密结果的可信。本发明可以在无需披露任何隐私数据明文的前提下计算出统计结果，且能保证统计数据解密结果的可信，实现更强力的隐私保护。

附图说明

图1为本发明的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种基于区块链的能源数据可信共享系统，如图1所示，包括多个用电端、区块链及其上的智能合约、中心机构和多个统计结果查询方；

所述多个用电端分别与区块链及其上的智能合约相连接，每个用电端由智能电表设备组成，各自注册为区块链节点，用于实现能源数据采集和加密，以及将加密后的能源数据上传至区块链及其上的智能合约的功能；

所述区块链及其上的智能合约的输出端与中心机构相连接，用于展示和存储各用电端加密后的能源数据，以及通过智能合约计算加密后的统计结果并展示，并将加密后的能源数据和统计结果输出至中心机构；

所述中心机构的输出端分别与统计结果查询方相连接，用于解密原始能源数据以及解密统计能源数据的主体，并选择性的将统计数据结果解密后公开给数据统计结果查询方；

所述统计结果查询方向中心机构提出查询结果请求，由中心机构解密并出示查询结果。

在本实施例中，所述智能电表设备出厂时即搭载可信执行环境。

下面对各组成部分的功能和作用作进一步说明：

(1)中心机构是数据的实际控制方，是唯一能够解密原始能源数据以及解密统计能源数据的主体。中心机构可以选择性的将统计数据解密后公开给数据查询方。

中心机构拥有一对Paillier加密公私钥，公钥记为pk，私钥记为sk。

(2)用电端由智能电表等设备组成，各自注册为区块链节点，能实现用电数据采集、加密以及上传功能。该过程通过可信执行环境全程保证真实性，任何第三方无法篡改。同时，针对每个用电端i，将公钥pk以及门限r_i写入智能电表电路供之后加密所用。r_i由中心机构记录存档。

可选的，r_i可以是由伪随机生成器生成的序列

其中k_i为秘钥，nonce为固定递增的数字，每次加密采用不同的r_i，以实现更高的安全性。

(3)区块链用于展示和存储各用电端加密后的能源数据，以及通过智能合约计算加密后的统计结果并展示。

(4)统计结果查询方向中心机构提出查询结果请求，中心机构解密并出示查询结果。

一种基于区块链的能源数据可信共享方法，包括以下步骤：

步骤1、各用户端采集能源数据，并对所采集的能源数据进行加密，并将加密值和同态承诺值上传至区块链及其上的智能合约；

所述步骤1的具体步骤包括：

(1)用电端i将用户一段时间内的能源数据进行采集，记采集的原数据为m_i。

(2)用电端i采集能源数据后，用电端程序电路计算两个值，一个为Paillier加密值c_i，通过m_i和公钥pk计算得出；另一个为同态承诺值d_i，通过m_i和门限r_i计算得出；

所述步骤1第(2)步的具体步骤包括：

①在Paillier加密过程中，存在如下变量：

n＝pq，其中p，q为长度相同的大质数，公钥pk定义为为n，私钥sk定义为p和q，由于质因数分解问题针对现有技术是困难的，已知公钥n难以推断出私钥p，q的值。

②加密值c_i的计算方式为

其中，r为随机产生的数，满足r与n互质；mod为取余计算；n,c_i,m_i如上所述。

③同态承诺值d_i采用离散对数的承诺函数计算，即

其中，g，h为离散对数群的生成元，r_i，d_i，m_i如上所述。

(3)用电端i将加密值和同态承诺值c_i，d_i上传至区块链及其上的智能合约。

步骤2、区块链及其上的智能合约计算加密后的统计结果，并将加密后的能源数据和统计结果输出至中心机构；

所述步骤2的具体步骤包括：

(1)区块链智能合约接收到c_i，d_i，i＝1，2，…，n，其中n为用电端的总数目，计算C＝c₁c₂…c_n，D＝d₁d₂…d_n并展示，此处的乘法为基于模p整数群上的运算。

(2)根据Paillier的同态性，对密文进行相乘后，得到的C和D分别为针对所有能源数据之和的加密值和承诺值。

步骤3、中心机构解密原始能源数据、解密统计能源数据的主体和统计数据结果，并选择性的将统计数据结果解密后公开给数据统计结果查询方；

所述步骤3的中心机构解密原始能源数据、解密统计能源数据的主体和统计数据结果的具体步骤包括：

(1)中心机构从区块链上获取C，D后，于本地用私钥sk对C进行解密，解密结果记为M；

在Paillier解密过程中，存在的变量与数据加密过程一致，即n＝pq，其中p，q为长度相同的大质数，公钥pk定义为为n，私钥sk定义为p和q；

解密值M的计算方式为

M＝(C^(p-1)(q-1)mod n²-1)/(n(p-1)(q-1))mod n

其中mod为取余计算，n,p，q,M如上所述；

(2)根据同态性质，解密结果M满足

同时，中心机构计算

其中r_i为第i个用电端的门限。

步骤4、统计结果查询方向中心机构提交查询解密结果的请求，由中心机构解密并交付统计结果。

所述步骤4的具体步骤包括：

(1)中心机构接收到查询方的查询请求后，向查询方提供M和R；

(2)统计结果查询方验证，

commit(M,R)＝D，即D＝g^Mh^R

是否成立，其中comm5t()为计算同态承诺的函数，g，h为之前所述的离散对数群的生成元，保证统计结果的可信。

在本实施例中，所述请求内容可以包括多个时间段的统计数据。

在本实施例中，所述交付统计结果方过程可区块链上完成，需要将M用查询方的公钥进行加密。

在本实施例中，交付的统计结果可以包含多个时间段。

在本实施例中，对同态加密和同态承诺的原理说明如下：

同态加密，本发明主要使用加减同态加密，能保证多个密文相加或相乘后得到的结果解密后等于其对应的多个明文相加，即

Dec(Enc(m₁)+(×)Enc(m₂))＝m₁+m₂

其中m₁，m₂表示两个明文，Enc()为加密函数，Dec()为解密函数。本专利采用的同态加密方案为Paillier加密¹，其实现过程见具体实施方式。

同态承诺，是用于给某个数据进行加密封装的技术。如果原数据为m，其承诺记作C。同时，计算承诺需要一个随机数r，称作门限。计算方式为

C＝commit(m，r)

其中commit()为某固定函数。任何知道原数据m和门限r的人，能够通过计算函数commit()证实C确实是对于m的承诺。

常用的有基于离散对数的承诺函数，即commit(m，r)＝h^mg^r，其中h，g为离散对数群的生成元。

承诺的性质保证，光给出C无法计算出m和r。同时对于任何一个不知道m和r的人，他高概率难以找出另外一组数字(m’，r’)，m′≠m，使得commit(m’，r’)＝commit(m，r)。

如果某承诺满足commit(m₁，r₁)·commit(m₂，r₂)＝commit(m₁+m₂，r₁+r₂)，其中m₁，m₂为两个的原数据，则该承诺为同态承诺。基于离散对数的承诺函数为同态承诺。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于区块链的能源数据可信共享系统，其特征在于：包括多个用电端、区块链及其上的智能合约、中心机构和多个统计结果查询方；

所述多个用电端分别与区块链及其上的智能合约相连接，每个用电端由智能电表设备组成，各自注册为区块链节点，用于实现能源数据采集和加密，以及将加密后的能源数据上传至区块链及其上的智能合约的功能；

所述区块链及其上的智能合约的输出端与中心机构相连接，用于展示和存储各用电端加密后的能源数据，以及通过智能合约计算加密后的统计结果并展示，并将加密后的能源数据和统计结果输出至中心机构；

所述中心机构的输出端分别与统计结果查询方相连接，用于解密原始能源数据以及解密统计能源数据的主体，并选择性的将统计数据结果解密后公开给数据统计结果查询方；

所述统计结果查询方向中心机构提出查询结果请求，由中心机构解密并出示查询结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的能源数据可信共享系统，其特征在于：所述智能电表设备出厂时即搭载可信执行环境。

3.一种基于区块链的能源数据可信共享方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、各用户端采集能源数据，并对所采集的能源数据进行加密，并将加密值和同态承诺值上传至区块链及其上的智能合约；

步骤2、区块链及其上的智能合约计算加密后的统计结果，并将加密后的能源数据和统计结果输出至中心机构；

步骤3、中心机构解密原始能源数据、解密统计能源数据的主体和统计数据结果，并选择性的将统计数据结果解密后公开给数据统计结果查询方；

步骤4、统计结果查询方向中心机构提交查询解密结果的请求，由中心机构解密并交付统计结果。

4.根据权利要求3所述的一种基于区块链的能源数据可信共享方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤包括：

(1)用电端i将用户一段时间内的能源数据进行采集，记采集的原数据为m_i；

(2)用电端i采集能源数据后，用电端程序电路计算两个值，一个为Paillier加密值c_i，通过m_i和公钥pk计算得出；另一个为同态承诺值d_i，通过m_i和门限r_i计算得出；

(3)用电端i将加密值和同态承诺值ci,di上传至区块链及其上的智能合约。

5.根据权利要求4所述的一种基于区块链的能源数据可信共享方法，其特征在于：所述步骤1第(2)步的具体步骤包括：

①在Paillier加密过程中，存在如下变量：

n＝pq，其中p，q为长度相同的大质数，公钥pk定义为为n，私钥sk定义为p和q；

②加密值c_i的计算方式为：

其中，r为随机产生的数，满足r与n互质；mod为取余计算；n，c_i，m_i如上所述；

③同态承诺值d_i采用离散对数的承诺函数计算，即：

其中，g，h为离散对数群的生成元，r_i,d_i,m_i如上所述。

6.根据权利要求3所述的一种基于区块链的能源数据可信共享方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤包括：

(1)区块链智能合约接收到c_i,d_i,i＝1,2，…，n，其中n为用电端的总数目，计算C＝c₁c₂…c_n，D＝d₁d₂…d_n并展示，此处的乘法为基于模p整数群上的运算；

(2)根据Paillier的同态性，对密文进行相乘后，得到的C和D分别为针对所有能源数据之和的加密值和承诺值。

7.根据权利要求3所述的一种基于区块链的能源数据可信共享方法，其特征在于：所述步骤3的中心机构解密原始能源数据、解密统计能源数据的主体和统计数据结果的具体步骤包括：

(1)中心机构从区块链上获取C，D后，于本地用私钥sk对C进行解密，解密结果记为M；

在Paillier解密过程中，存在的变量与数据加密过程一致，即n＝pq，其中p，q为长度相同的大质数，公钥pk定义为为n，私钥sk定义为p和q；

解密值M的计算方式为M＝(C^(p-1)(q-1)mod n²-1)/(n(p-1)(q-1))mod n

其中mod为取余计算，n,p，q,M如上所述；

(2)根据同态性质，解密结果M满足

同时，中心机构计算

其中r_i为第i个用电端的门限。

8.根据权利要求3所述的一种基于区块链的能源数据可信共享方法，其特征在于：所述步骤4的具体步骤包括：

(1)中心机构接收到查询方的查询请求后，向查询方提供M和R；

(2)统计结果查询方验证：

commit(M，R)＝D，即D＝g^Mh^R

是否成立，其中commit()为计算同态承诺的函数，g，h为之前所述的离散对数群的生成元，保证统计结果的可信。

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