CN114374502A - 基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法，包括：多个用户单元、区块链侧链和区块链主链；所述多个用户单元分别通过对应的区块链侧链和区块链主链相连接；所述用户单元用于能源数据采集、上传，并将所生成的签名上传至区块链侧链；所述区块链侧链用于接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链；所述区块链主链用于验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。本发明能够解决能源数据上传过程中区块链储存能力和数据可信的问题。

Description

基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法
技术领域
本发明属于区块链技术领域以及能源数据技术领域，涉及一种能源数据上传和共识系统及方法，尤其是一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法。
背景技术
区块链技术简称BT(Blockchaintechnology)，也被称之为分布式账本技术。区块作为区块链的基础单元按照时间顺序相互连接。在区块链中，有许多分布式节点，每个节点都可以存储交易信息，而数字账本布置在每个节点上。节点储存的信息通过点对点(p2p)网络分享给其他节点，然后通过共识机制验证准确性后，再将其保存在节点的账本上。加密处理后，每个节点上账本保存的信息不可修改。所以区块链技术具有去中心化、公开透明等特点。
共识机制是区块链事务达成分布式共识的算法，解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性(节点间相互信任)的问题。区块链作为一种按时间顺序存储数据的数据结构，可支持不同的共识机制。基于区块链的共识机制目标是让所有诚实节点保存一致的区块链视图。
联盟链是由一群特定的群体成员组建的区块链，它具有部分去中心化、可控性较强、数据不会默认公开、交易速度快等特点，应用于能源场景可以打破数据壁垒，解决用户之间数据安全共享问题，降低数据使用成本。
链上链下数据协同技术是联盟链发展的重要方向，旨在实现区块链和所有传统的可信信息系统数据的关联性和一致性。链上数据必须是经过“共识”和“存储”的完整执行过程，达成了“分布式事务性”。不经过共识，则不能保证一致性和正确性，无法被链上所有参与者接受；共识后的数据不被多方存储，意味着数据有可能丢失或被单方篡改。链下是指不存储于区块链上的数据。真正实现链上链下的数据去中心化贯通。
但是，由于国网场景下终端用户成员众多，形成的能源数据规模巨大，建立联盟链网络规模庞大并且复杂，国网主链的系统吞吐量难以满足系统要求。在国网链“一主两侧多从”的总体结构中，由于能源互联网的数据量十分庞大，区块链本身性能的限制，导致多方参与下的能源数据共享不安全、存在区块链储存能力、计算能力不足的问题。
目前能源互联网中跨链数据通常采用“侧链存全量，主链存摘要”的方式，通过多链协同实现数据快速上链，有效提高系统吞吐量。这样的方案依赖侧链节点的可信，无法保证主链中存储的数据集摘要内容的正确性，且此类方案缺少对数据集统计信息的记录。
如专利CN201811341446.5公开了一种基于区块链的主侧链分布式存储方式，该专利根据不同的区域划分为若干条区块链侧链；各区块链主链和区块链侧链都包含有若干个区块单元；区块链侧链对该区块链侧链所对应区域的资产数据相关信息进行数据处理，并按照预设的周期T向区块链主链上报资产数据处理信息。区块链主链获取来自各区块链侧链的数据资料信息，并对全部的区域数据资料信息进行处理和存储。然而，该专利没有引用同态签名技术以及其他任何技术，无法保证数据可信，且未能解决跨链交易计算能力不足的问题。
同态签名(homomorphic signature)是2002年由Robert Johnson,David Molnar,Dawn Song和David Wagner提出的，可以允许任意人在没有签名私钥的情况下计算出两组签名消息进行联合操作后的结果数据的签名值，或者一个签名消息集合的任意消息子集的签名值等。
该签名方案与常见的签名方案的区别在于不需要对签名的原始信息进行哈希处理，以保持同态。如专利《基于零知识证明的国网数据上传机制》将采集的能源数据签名后上传至侧链，需要在侧链节点计算数据集的哈希值、平均值等信息后生成证明该描述信息为真的零知识证明，将描述/统计信息和零知识证明一并上传至主链，经主链的智能合约验证合法后，在主链上存档记录该数据集描述/统计信息。该专利方案要求每个用电终端密钥相互独立，处理逻辑较为复杂，存储数据有限，需要大量的链下计算资源和另一个可信方，并且目前最先进的零知识证明系统不能支持太大的数据集合复杂的计算逻辑，存在难以数据认证的风险。
又如专利CN112395353A公开了一种基于联盟链的智能电能表质量数据共享方法及系统，该专利采取了基于标识的链上链下存储方法，通过采集生产商侧的智能电能表生产质量数据以及电网公司侧的电表运维数据，并将数据标识上链，加密传输，并通过一般的共识算法进行排序，但该专利同样没有用同态签名技术以及其他任何技术，不算是强共识机制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法，能够解决能源数据上传过程中区块链储存能力和数据可信的问题。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统，包括：多个用户单元、区块链侧链和区块链主链；所述多个用户单元分别通过对应的区块链侧链和区块链主链相连接；所述用户单元用于能源数据采集、上传，并将所生成的签名上传至区块链侧链；所述区块链侧链用于接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链；所述区块链主链用于验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
而且，用户单元包括智能电表，其各自注册为区块链节点。
而且，每个用户单元均包括一对私钥sk和公钥pk；私钥用于对能源数据、终端设备标识id的哈希函数、发送次数的哈希函数进行签名，公钥在区块链上公开记录，用于验证对应的签名。
一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法，，包括以下步骤：
步骤1、用户单元将用户一段时间内的能源数据进行采集，并生成签名上传至区块链侧链；
步骤2、区块链侧链接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链；
而且，所述步骤1的具体方法为：
用户单元i利用私钥sk对采集的能源数据xi，h(idi)，以及h(nonce)进行密钥共享的同态签名(h(nonce)、h(idi)、xi)上传至区块链侧链；
其中，id是终端的标识，nonce代表发送次数；对于一个统计任务，所有终端共享相同的nonce；h(·)是一个抗碰撞的哈希函数。
而且，所述步骤2的具体方法为：
区块链侧链节点通过计算统计结果
Figure BDA0003443878690000051
和附属证明
Figure BDA0003443878690000052
并通过智能合约把s和PoC发送到区块链主链。
步骤3、区块链主链将验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
而且，所述步骤3的具体方法为：
区块链主链接受到区块链侧链传来的s和PoC后，通过智能合约根据PoC验证统计结果s；
智能合约验证e(PoC，Q)＝e(h1P1，s1Q)e(h2P2，s2Q)e(sP3，s3Q)，其中h1＝n·h(nonce)、
Figure BDA0003443878690000053
e(·)为一个双线性映射函数。
若验证通过则认为该条数据合法，并于区块链主链对统计结果和签名进行存档记录。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明主要针对能源大数据体量大、挖掘价值高的特点，提出了具体的能源数据可信上传方案，能够解决能源数据上传过程中区块链储存能力和数据可信的问题。具体让智能终端设备对能源数据进行采集，通过同态签名技术实现对用户单元的能源数据以及经过用电终端标识和发送次数哈希处理后的数据可信上链，再经过区块链侧链对所有节点数据的签名计算后上传至主链，同时在主链上利用智能合约验证是否合法，待验证通过后主链将收到的描述/统计信息记录存档并展示。该能源数据可信上传方案可解决多方参与下的能源数据共享安全可信问题，让充分挖掘能源数据的统计价值成为可能，同时跨链交互时原始数据不上主链，主链只对侧链传来的所有能源终端同态签名的计算结果，有效解决了国网链的存储能力、计算能力不足问题。
2、本发明能够解决对于所有能源终端设备共享相同密钥的情况下，能源数据在上传至区块链时国网链储存能力不足和数据可信的问题。通过跨链、同态签名、智能合约等技术，实现能源数据的分布式存储以及保证区块链共享交易记录可以溯源、不可篡改，建立能源数据的可信上传机制。能源终端设备共享相同的密钥，采集能源数据后用私钥对能源数据、能源终端设备标识的哈希函数以及发送次数的哈希函数进行同态签名后，发给区块链侧链。区块链侧链收集所有能源终端设备的同态签名，并将能源数据统计结果和根据同态签名生成的附属证明传给区块链主链。经区块链主链的智能合约验证侧链上传的统计结果及对应同态签名合法后，即可在主链上存档记录，无需将原始数据储存至国网链主链，有效保证数据共享安全、提高系统吞吐量。
3、本发明所述搭载可信执行环境的智能终端设备，可实现可信的能源数据采集、上链的过程；所提出的基于非对称加密签名方案，可以保证能源数据可信上链；基于同态签名的能源数据跨链上传机制，可充分挖掘区块链的计算性能和扩展区块链储存能力；能源数据上传方案保证能源数据采集、传输、分析的全程可信，实现能源数据的可信分享。
附图说明
图1为本发明的国网链主体结构示意图；
图2为本发明的处理流程图。
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：
一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统，如图1所示，包括：多个用户单元、区块链侧链和区块链主链；所述多个用户单元分别通过对应的区块链侧链和区块链主链相连接；所述用户单元用于能源数据采集、上传，并将所生成的签名上传至区块链侧链；所述区块链侧链用于接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链；所述区块链主链用于验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
在本实施例中，用户单元包括智能电表，其各自注册为区块链节点；
在本实施例中，每个用户单元均包括一对私钥sk和公钥pk；私钥用于对能源数据、终端设备标识id的哈希函数、发送次数的哈希函数进行签名，公钥在区块链上公开记录，用于验证对应的签名。
下面对系统内各组成单元的职责作进一步说明：
用户单元由智能电表等设备组成，各自注册为区块链节点，能实现能源数据采集、上传功能。每个用户单元i包含一对私钥sk和公钥pk，私钥sk用于对能源数据、终端设备标识id的哈希函数、发送次数的哈希函数进行签名，公钥pk在区块链上公开记录，用于验证对应的签名。
区块链侧链用于接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链。
区块链主链用于验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统及方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、用户单元将用户一段时间内的能源数据进行采集，并生成签名上传至区块链侧链；
在本实施例中，记采集的能源数据为xi。
所述步骤1的具体方法为：
用户单元i利用私钥sk对采集的能源数据xi，h(idi)，以及h(nonce)进行密钥共享的同态签名(h(nonce)、h(idi)、xi)上传至区块链侧链；
其中，id是终端的标识，nonce代表发送次数(每当终端发送一条消息，nonce就加1)；
对于一个统计任务，所有终端共享相同的nonce；
h(·)是一个抗碰撞的哈希函数。
在本实施例中，其构造如下：
sk＝(s1、s2、s3)，其中si∈Fq(随机)
pk＝(P1、P2、P3、s1Q、s2Q、s3Q)，其中Pi、Q∈G(随机选择并公开)
终端i的输出为outi＝(xi，σi)，σi＝(s1·h(nonce))P1·(s2·h(idi))P2·(s3·xi)P3每个终端将outi上传至区块链侧链；
步骤2、区块链侧链接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链
所述步骤2的具体方法为：
区块链侧链节点通过计算统计结果
Figure BDA0003443878690000081
和附属证明
Figure BDA0003443878690000082
并通过智能合约把s和PoC发送到区块链主链。
步骤3、区块链主链将验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
所述步骤3的具体方法为：
区块链主链接受到区块链侧链传来的s和PoC后，通过智能合约根据PoC验证统计结果s；
智能合约验证e(PoC，Q)＝e(h1P1，s1Q)e(h2P2，s2Q)e(sP3，s3Q)，其中h1＝n·h(nonce)、
Figure BDA0003443878690000091
e(·)为一个双线性映射函数。
若验证通过则认为该条数据合法，并于区块链主链对统计结果和签名进行存档记录。
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 (7)

1.一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统，其特征在于：包括：多个用户单元、区块链侧链和区块链主链；所述多个用户单元分别通过对应的区块链侧链和区块链主链相连接；所述用户单元用于能源数据采集、上传，并将所生成的签名上传至区块链侧链；所述区块链侧链用于接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链；所述区块链主链用于验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
2.根据权利要求1所述的一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统，其特征在于：用户单元包括智能电表，其各自注册为区块链节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识系统，其特征在于：每个用户单元均包括一对私钥sk和公钥pk；私钥用于对能源数据、终端设备标识id的哈希函数、发送次数的哈希函数进行签名，公钥在区块链上公开记录，用于验证对应的签名。
4.一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、用户单元将用户一段时间内的能源数据进行采集，并生成签名上传至区块链侧链；
步骤2、区块链侧链接收并存储各用户单元的签名，把聚合后进行计算的同态签名发送至区块链主链。
5.根据权利要求4所述的一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
用户单元i利用私钥sk对采集的能源数据xi，h(idi)，以及h(nonce)进行密钥共享的同态签名(h(nonce)、h(idi)、xi)上传至区块链侧链；
其中，id是终端的标识，nonce代表发送次数；对于一个统计任务，所有终端共享相同的nonce；h(·)是一个抗碰撞的哈希函数。
6.根据权利要求4所述的一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
区块链侧链节点通过计算统计结果
Figure FDA0003443878680000021
和附属证明
Figure FDA0003443878680000022
并通过智能合约把s和PoC发送到区块链主链。
步骤3、区块链主链将验证侧链传送的同态签名信息并做最终记录。
7.根据权利要求4所述的一种基于链上和链下协同的能源数据上传和共识方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
区块链主链接受到区块链侧链传来的s和PoC后，通过智能合约根据PoC验证统计结果s；
智能合约验证e(PoC，Q)＝e(h1P1，s1Q)e(h2P2，s2Q)e(sP3，s3Q)，其中h1＝n·h(nonce)、
Figure FDA0003443878680000023
e(·)为一个双线性映射函数。
若验证通过则认为该条数据合法，并于区块链主链对统计结果和签名进行存档记录。
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