CN116708502A - 一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法 - Google Patents

一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法，包括：构建私有链+公有链形式的区块链的查询架构，其中，私有链由电力系统中的轻节点构成，公有链由电力系统中的全节点构成；在区块链中进行全节点间的量测数据的交互时，将量测数据进行混淆处理，并将量测数据混淆规则进行非对称加密；在区块链中进行轻节点间的量测数据的交互时，根据轻节点是否相邻来采用区块链加密或共识机制进行交互。本发明在电力系统量测数据的整个生命周期中对其进行安全防护，消除了数据被篡改或泄露的隐患；可以利用不同节点间的量测数据交互，实现电力系统下不同的业务数据请求，利用区块链的智能合约保证了量测数据交互过程中数据的安全性、隐私性和准确性。

Description

一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法
技术领域
本发明涉及电力数据安全技术领域，具体涉及一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法。
背景技术
近几年来电力领域内数字化、信息化程度提高，但数据的安全性与隐私性是电力系统中创新与发展过程中最大的困扰。电力系统的量测数据包括营销数据、环境数据和电力系统状态数据，容易遭受篡改或破坏完整性的攻击，如果泄露给第三方机构会对电力系统的隐私性造成严重威胁，给电力系统带来具大的损失。并且电力系统的量测数据不同的所有者、使用者、提供者在使用数据时需要制定保护措施，管理和共享缺乏灵活统一的方式，对传输效率产生了较大的影响。
而区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点受到广泛的关注，可以为电力系统的量测数据提供一个安全、高效、可信的分布式解决方案。区块链技术与传统数据信息存储技术不同，它综合了密码学、分布式存储技术等方案的优点，是一种以分布式为基础的数据库应用技术，具有极为强大的保密性和隐私性，特别适合安全性级别要求较高的数据信息存储工作。然而传统区块链技术因其单链状数据结构使得吞吐量和可扩展性受限，并且传统共识机制如PoW等产生过大的共识延迟，这使得传统区块链结构不适用于电力系统这类数据请求频繁、快速的应用场景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法，以提高电力系统量测数据的准确性、安全性与隐私性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电力系统量测数据安全共享方法，包括：
构建私有链+公有链形式的区块链的查询架构，其中，私有链由电力系统中的轻节点构成，公有链由电力系统中的全节点构成；
在区块链中进行全节点间的量测数据的交互时，将量测数据进行混淆处理，并将量测数据混淆规则进行非对称加密；
在区块链中进行轻节点间的量测数据的交互时，根据轻节点是否相邻来采用区块链加密或共识机制进行交互。
进一步地，全节点包括生产控制系统全节点，管理信息系统全节点，互联网系统全节点，全节点包括自己系统中的全部量测数据。
进一步地，根据电力系统客户端业务访问请求，私有链根据自身需要利用智能合约创建区块，同时将区块头存储到公有链中，当电力系统的量测数据被调取时，电力系统客户端业务请求方首先检索公链数据，再通过公链数据获取元数据的所有方在验证授权证书后向申请方提供相关数据。
进一步地，当电力系统客户端业务访问需要不同全节点进行量测数据交互时，电力系统客户端向区块链提出量测数据共享请求，智能合约对量测数据共享请求对应的数据能否共享进行判断，在确定可以共享后再将量测数据共享请求至各所述区块。
进一步地，所述将量测数据进行混淆处理具体是将若干个量测数据随机组合在一起生成一个新的量测数据，包括量测数据分裂、量测数据合并、量测数据折叠和量测数据平辗；量测数据分裂是将全节点中的一个数据拆分为若干个维数相同的子量测数据；量测数据合并是将多个维数相同的量测数据合并为一个量测数据；量测数据折叠指增加量测数据的维数；量测数据平辗是减少量测数据的维数。
进一步地，在全节点进行量测数据交互的流程具体是：
第一全节点把量测数据进行数据聚合混淆，并将量测数据混淆规则中使用的公钥进行隐藏，然后发送隐身量测数据混淆规则公钥给第二全节点；
第二全节点利用该隐身量测数据混淆规则和一个随机数进行非对称加密，生成一个新的量测数据混淆规则；
第一全节点借助隐身量测数据混淆规则私钥对第二全节点新生成的量测数据混淆规则进行解密，获取量测数据混淆规则的私钥，再根据非对称加密算法解得混淆规则，实现全节点间量测数据交互。
进一步地，轻节点间量测数据的共享包括相邻两个轻节点的量测数据交互和不相邻的两个轻节点的量测数据交互。
进一步地，相邻两个轻节点的量测数据交互的流程如下：
第一轻节点对量测数据采用公钥加密，并将加密后的量测数据发送到第二轻节点；
第二轻节点采用自己的私钥对所述量测数据解密；
在量测数据的传输过程中只有在区块中共同计算的轻节点的哈希值是唯一的，由此保证量测数据的安全性和不可篡改性。
进一步地，不相邻两个轻节点的量测数据交互的流程如下：
全节点将量测数据共享请求发送至各个轻节点；
每个轻节点对所述量测数据共享请求进行回复，如果超过预设比例的轻节点同意所述量测数据共享请求，则按相邻两个轻节点的量测数据交互流程进行交互；否则本次交互失败，轻节点需要再次向全节点发出量测数据共享请求。
进一步地，所述预设比例为三分之二。
实施本发明具有如下有益效果：本发明在电力系统量测数据的整个生命周期中对其进行安全防护，由数据所有者完全掌握数据信息，消除了数据被篡改或泄露的隐患；本发明可以利用不同节点间的量测数据交互，实现电力系统下不同的业务数据请求，而且利用区块链的智能合约保证了量测数据交互过程中数据的安全性、隐私性和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法的流程示意图。
图2是本发明实施例一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法的实施流程示意图。
图3是本发明实施例中电力系统量测数据授权使用流程图。
图4是本发明实施例中电力系统的量测数据区块的结构图。
图5是本发明实施例中一全节点间量测数据交互示意图。
图6是本发明实施例中相邻的两个轻节点间量测数据交互示意图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
请参照图1所示，本发明实施例提供一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法，包括：
步骤S1，构建私有链+公有链形式的区块链的查询架构，其中，私有链由电力系统中的轻节点构成，公有链由电力系统中的全节点构成；
步骤S2，在区块链中进行全节点间的量测数据的交互时，将量测数据进行混淆处理，并将量测数据混淆规则进行非对称加密；
步骤S3，在区块链中进行轻节点间的量测数据的交互时，根据轻节点是否相邻来采用区块链加密或共识机制进行交互。
具体地，请结合图2所示，步骤S1中，将电力系统下的量测数据所有者服务器中的数据发送到区块链服务器中建立数据记录，由于区块链自身具有防篡改的特性，因此可保证发送到电力系统云端服务器中的数据与元数据相同；在将本地量测数据上传到电力系统云端服务器的过程中，电力系统云端服务器所接收的每一条本地量测数据经过非对称加密技术进行加密，如果入侵者试图发动攻击，破解所需的计算量极其庞大，批量破解几乎不可能实现。使用电力系统客户端的用户在智能合约的模式下对电力系统中的数据进行访问，根据智能合约在既定规则下与系统进行交互，系统只给用户返回其所申请业务的结果，由此保证系统中的数据既开放又安全。
区块链的查询架构以“私有链+公有链”的形式搭建，私有链是由电力系统中的轻节点所构成的，轻节点不具备很高的算力和存储容量，无法保存区块链的全部信息，但轻节点个数很多，可以互相交互，进行量测数据的传输；公有链是由电力系统中的全节点构成的，全节点包括生产控制系统全节点，管理信息系统全节点，互联网系统全节点，全节点包括自己系统中的全部量测数据。电力系统量测数据的授权使用流程如图3所示。在电力系统具体的业务流程中，根据电力系统客户端业务访问请求，私有链根据自身需要利用智能合约创建区块，同时将区块头存储到公有链中，当电力系统的量测数据被调取时，电力系统客户端业务请求方需要首先检索公链数据，再通过公链数据获取元数据的所有方在验证授权证书后向申请方提供相关数据。
电力系统的量测数据所创建区块的结构如图4所示，在对每个节点进行量测数据交互的过程中都要同时建立公链区块和私链区块，此外交互过程中还包括密钥、标识、操作权限等属性因素。
全节点包括生产控制系统主节点，管理信息系统主节点，互联网系统主节点，全节点中包括自己系统中的全部量测数据。当电力系统客户端业务访问需要不同全节点进行量测数据交互时，需要对不同全节点间的量测数据进行安全防护，消除量测数据被篡改或泄露的隐患。当某个全节点想要获得其他全节点的量测数据时，需要得到这个全节点的同意。当全节点间进行量测数据交互时，通过混淆技术并将混淆规则进行加密，确保量测数据的安全和可靠性。
具体来说，当电力系统客户端业务访问需要全节点间进行量测数据交互时，电力系统客户端业务向区块链提出量测数据共享请求，智能合约对量测数据共享请求对应的数据能否共享进行判断，在确定可以共享后再将量测数据共享请求至各所述区块。在全节点直接量测数据共享中采用数据混淆技术保障量测数据的不可篡改和安全可靠性。数据混淆技术将全节点间进行量测数据加密重组，使经过混淆处理过后的量测数据无法被判别直接源头，从而实现量测数据隐私的目的。
在区块链中进行量测数据的交互时，将量测数据进行混淆处理，混淆处理主要是对量测数据中的关键数据进行保护，通过一定的规则改变量测数据中的数据格式和数据结构来混淆原数据，但同时也保证了量测数据的准确性不受影响。在本实施例中采用聚合混淆处理电力系统下的量测数据，聚合混淆是将若干个量测数据随机组合在一起生成一个新的量测数据，包括量测数据分裂、量测数据合并、量测数据折叠和量测数据平辗。量测数据分裂是将全节点中的一个数据拆分为若干个维数相同的子量测数据；量测数据合并是将多个维数相同的量测数据合并为一个量测数据；量测数据折叠指增加量测数据的维数，如将一维量测数据变换为二维量测数据；量测数据平辗是减少量测数据的维数，根据电力系统客户端业务访问需求的不同采用不同的聚合数据混淆类型。
如图5所示，在全节点进行量测数据交互时为了不暴露自己的全部量测数据，保护数据的隐私性，全节点A把量测数据进行数据聚合混淆，并将量测数据混淆规则中使用的公钥进行隐藏，然后发送隐身量测数据混淆规则公钥给全节点B。隐身的量测数据混淆规则公钥，会对全节点的节点地址进行隐身，全节点B不知道节点地址在哪里，可以防止全节点B对量测数据进行回溯，保护了量测数据的隐私性。全节点B利用该隐身量测数据混淆规则和一个随机数进行非对称加密，生成一个新的量测数据混淆规则。全节点A可借助隐身量测数据混淆规则私钥对全节点B新生成的量测数据混淆规则进行解密，获取量测数据混淆规则的私钥，再根据非对称加密算法可以解得混淆规则，最后可以实现全节点间量测数据交互。采用对量测数据进行混淆，并对混淆规则进行加密，对节点地址进行隐身，这样使接收到量测数据的全节点无法得知其他全节点量测数据的全部内容，且全节点无法进行量测数据回溯，只有量测数据过程可以进行追溯，保护了不同全节点量测数据的隐私性与安全性，减轻了量测数据进行交互时节点间的压力，提升影响业务用户体验、提高了量测数据交互效率。
如前所述，全节点包括生产控制系统主节点，管理信息系统主节点，互联网系统主节点，全节点中的主节点包括自己系统中的全部量测数据，三个主系统内都包含很多个轻节点，轻节点是区块链网络中的量测数据发送者，这些设备往往不具备很高的算力和存储容量，无法保存区块链的全部信息，只有相邻两个轻节点间包含彼此的量测数据，因此轻节点间量测数据的共享可以分为两种形式：
如图6所示，当电力系统客户端业务访问需要相邻两个轻节点进行量测数据交互时，量测数据的交互过程如下：
每个轻节点都有密钥对，包括公钥和私钥，当相邻的两个轻节点A和B进行量测数据交互时，轻节点向全节点发出量测数据共享请求，区块中的智能合约对量测数据共享请求能否共享进行判断，在确定可以共享后，轻节点A发送量测数据到轻节点B，此时采用公钥加密。轻节点A从自己的公钥中获取到轻节点B的公钥，并对量测数据加密，得到密文发送给轻节点B。密文S的获取如下公式：
S＝H(PKi,Si)
其中，PKi为公钥，Si为量测数据，H为哈希函数。
而轻节点B用自己的私钥解密。因为区块中的hash值是随机数，在区块链网络中会建立一个只有在区块中才有的hash组成的区块网式结构，在量测数据的传输过程中只有在区块中共同计算的轻节点的哈希值是唯一的，可以保证在区块链加密网络设备中形成固定的不可从外界拦截的加密网络传输，保证量测数据的安全性和不可篡改性。
当电力系统客户端业务访问需要不相邻的两个轻节点进行量测数据交互时，量测数据的交互过程如下：
不相邻的两个轻节点进行量测数据交互时，轻节点向全节点发出量测数据共享请求，区块中的智能合约对量测数据共享请求能否共享进行判断，在确定可以共享后，全节点接收发送所述量测数据共享请求至各个轻节点，每个轻节点对这一请求进行回复，在本实施例中轻节点达成共识的要求是大于三分之二的轻节点都同意量测数据共享请求，若大于三分之一的轻节点不同意量测数据共享请求，则此次不相邻的两个轻节点进行量测数据交互失败，轻节点需要再次向全节点发出量测数据共享请求。在区块链中允许进行量测数据的数据交互时，加密过程与相邻两个轻节点进行量测数据交互相同。
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明带来的有益效果在于：本发明在电力系统量测数据的整个生命周期中对其进行安全防护，由数据所有者完全掌握数据信息，消除了数据被篡改或泄露的隐患；本发明可以利用不同节点间的量测数据交互，实现电力系统下不同的业务数据请求，而且利用区块链的智能合约保证了量测数据交互过程中数据的安全性、隐私性和准确性。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种基于区块链的电力系统量测数据安全共享方法，其特征在于，包括：
构建私有链+公有链形式的区块链的查询架构，其中，私有链由电力系统中的轻节点构成，公有链由电力系统中的全节点构成；
在区块链中进行全节点间的量测数据的交互时，将量测数据进行混淆处理，并将量测数据混淆规则进行非对称加密；
在区块链中进行轻节点间的量测数据的交互时，根据轻节点是否相邻来采用区块链加密或共识机制进行交互。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，全节点包括生产控制系统全节点，管理信息系统全节点，互联网系统全节点，全节点包括自己系统中的全部量测数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据电力系统客户端业务访问请求，私有链根据自身需要利用智能合约创建区块，同时将区块头存储到公有链中，当电力系统的量测数据被调取时，电力系统客户端业务请求方首先检索公链数据，再通过公链数据获取元数据的所有方在验证授权证书后向申请方提供相关数据。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当电力系统客户端业务访问需要不同全节点进行量测数据交互时，电力系统客户端向区块链提出量测数据共享请求，智能合约对量测数据共享请求对应的数据能否共享进行判断，在确定可以共享后再将量测数据共享请求至各所述区块。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将量测数据进行混淆处理具体是将若干个量测数据随机组合在一起生成一个新的量测数据，包括量测数据分裂、量测数据合并、量测数据折叠和量测数据平辗；量测数据分裂是将全节点中的一个数据拆分为若干个维数相同的子量测数据；量测数据合并是将多个维数相同的量测数据合并为一个量测数据；量测数据折叠指增加量测数据的维数；量测数据平辗是减少量测数据的维数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在全节点进行量测数据交互的流程具体是：
第一全节点把量测数据进行数据聚合混淆，并将量测数据混淆规则中使用的公钥进行隐藏，然后发送隐身量测数据混淆规则公钥给第二全节点；
第二全节点利用该隐身量测数据混淆规则和一个随机数进行非对称加密，生成一个新的量测数据混淆规则；
第一全节点借助隐身量测数据混淆规则私钥对第二全节点新生成的量测数据混淆规则进行解密，获取量测数据混淆规则的私钥，再根据非对称加密算法解得混淆规则，实现全节点间量测数据交互。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，轻节点间量测数据的共享包括相邻两个轻节点的量测数据交互和不相邻的两个轻节点的量测数据交互。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，相邻两个轻节点的量测数据交互的流程如下：
第一轻节点对量测数据采用公钥加密，并将加密后的量测数据发送到第二轻节点；
第二轻节点采用自己的私钥对所述量测数据解密；
在量测数据的传输过程中只有在区块中共同计算的轻节点的哈希值是唯一的，由此保证量测数据的安全性和不可篡改性。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，不相邻两个轻节点的量测数据交互的流程如下：
全节点将量测数据共享请求发送至各个轻节点；
每个轻节点对所述量测数据共享请求进行回复，如果超过预设比例的轻节点同意所述量测数据共享请求，则按相邻两个轻节点的量测数据交互流程进行交互；否则本次交互失败，轻节点需要再次向全节点发出量测数据共享请求。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述预设比例为三分之二。
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