區(qū)塊鏈技術在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的研究

王宏延，完顏紹澎，顧舒嫻，于 佳

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000；2.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學研究院），江蘇 南京 210000；3.南京蘇逸實業(yè)有限公司科技信息網(wǎng)絡分公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

隨著電網(wǎng)智能化業(yè)務和電力物聯(lián)網(wǎng)泛在業(yè)務接入需求的增加，大量智能終端設備接入電網(wǎng)，設備信息的獲取方法、存儲形態(tài)、傳輸渠道和處理方式都發(fā)生了新的變化，迫切需求電力通信網(wǎng)支撐業(yè)務安全、可信、靈活的接入［1-2］。

從傳統(tǒng)電網(wǎng)到智能電網(wǎng)再到電力物聯(lián)網(wǎng)，接入業(yè)務的覆蓋范圍發(fā)生巨大變化［3］。電力通信網(wǎng)由傳統(tǒng)承載調度業(yè)務的專用網(wǎng)絡，發(fā)展成承載企業(yè)管理、生產(chǎn)管理、營銷、核心生產(chǎn)等多種業(yè)務的綜合通信網(wǎng)絡，覆蓋范圍已實現(xiàn)由骨干網(wǎng)向接入網(wǎng)發(fā)展，除了用于供電企業(yè)、營業(yè)廳、變電站等外，還向配用電網(wǎng)絡延伸，隨著“源－網(wǎng)－荷”互動、智能家居等業(yè)務的開展，電力物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡覆蓋和業(yè)務接入范圍逐漸向家庭延伸。

電力物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍和接入業(yè)務的增長，帶來終端種類和終端數(shù)量的爆炸式增長，特別是電力物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模建設，將大大加速這一趨勢，這將給現(xiàn)有的電力業(yè)務接入方式帶來挑戰(zhàn)［4］。首先是高效接入，泛在的電力物聯(lián)網(wǎng)是多業(yè)務綜合承載網(wǎng)絡，業(yè)務無需關注通信網(wǎng)絡組成，網(wǎng)絡高效處理海量流量，網(wǎng)絡資源充分發(fā)揮；其次是靈活接入，海量的終端數(shù)量導致每天都有大量不同類型的終端退出和接入網(wǎng)絡，要求業(yè)務接入和終端的接入方式必須是即插即用的靈活接入，無需繁瑣的接入流程［5］；最后是可信接入，網(wǎng)絡覆蓋范圍變大，終端類型和數(shù)量的增加使得網(wǎng)絡更加容易受到攻擊，通信和業(yè)務終端的安全認證需要滿足更高的要求［6］。因此提出了區(qū)塊鏈技術，區(qū)塊鏈技術可在保護用戶隱私和匿名性的前提下，提供靈活可信的接入途徑。

1 區(qū)塊鏈介紹

1.1 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈的概念是在2008 年底由Satoshi Nakamoto發(fā)表在比特幣論壇中的論文中第一次提出。區(qū)塊鏈是點對點傳輸、分布式數(shù)字存儲、共識機制等技術的應用。從狹義上講，區(qū)塊鏈是一種鏈式數(shù)據(jù)結構，按照時間順序將數(shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成。廣義而言，區(qū)塊鏈技術是一種全新的分布式基礎架構與計算范式，利用塊鏈式數(shù)據(jù)結構來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全、利用智能化合約來編程和操作數(shù)據(jù)。

1.2 Hyperledger 區(qū)塊鏈平臺

超級賬本（Hyperledger）是在2015 年，由Linux基金發(fā)起的開源區(qū)塊鏈項目［7］。主要是用來滿足行業(yè)用戶案例，簡化業(yè)務流程。具備完全共享、透明和去中心化的特征，Hyperledger 區(qū)塊鏈平臺很適合制能源、制造、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務應用。

Hyperledger 由成員服務、區(qū)塊鏈服務和鏈碼服務3 個部分構成，具有成員節(jié)點身份驗證、共識算法靈活、智能合約易于實現(xiàn)等一些優(yōu)點。Hyperledger 的架構如圖1 所示。

圖1 Hyperledger 架構

不同于以太坊等區(qū)塊鏈平臺，Hyperledger 在成員服務中，利用PKI 體系、數(shù)字證書、加解密算法等安全技術，加強了身份證書管理服務，實現(xiàn)了權限管理、交易加解密、分布式賬本機制等模塊化可拔插架構，用戶可以根據(jù)業(yè)務需要靈活部署應用［8］。

在區(qū)塊鏈中，最重要的部分是分布式賬本，Hyperledger 主要是通過P2P 網(wǎng)絡、共識機制等記錄信息。賬本記錄數(shù)據(jù)是通過發(fā)起交易來實現(xiàn)。

在基于Hyperledger 的區(qū)塊鏈認證系統(tǒng)中，電力物聯(lián)網(wǎng)終端APP 從CA 獲取合法的數(shù)字證書，使用SDK 訪問Fabric 網(wǎng)絡并發(fā)起認證請求，構造交易申請并提交給Endorser 進行背書，終端收集到足夠的背書支持后可以構造一個合法的請求，發(fā)給Orderer進行記賬處理。

2 區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的融合

2.1 物聯(lián)網(wǎng)六域模型

面對復雜的生態(tài)體系，物聯(lián)網(wǎng)在市場的自我探索力量有限，需要找到更高效的建設和運營模式，促進生態(tài)相關方有序地組織和建立協(xié)同運營體系，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)的真正融合。為此，需要從3 個方面開展物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系的頂層架構設計。一是抽取物聯(lián)網(wǎng)相關行業(yè)的共性；二是支撐各行業(yè)的可定制性和伸展性，同時不影響行業(yè)的創(chuàng)新；三是促進不同行業(yè)之間的協(xié)同和共享，突破單應用瓶頸。

傳統(tǒng)分層架構在物聯(lián)網(wǎng)中應用具有局限性，因此在物聯(lián)網(wǎng)國家標準和國際標準的制定和對十余個行業(yè)應用的長期分析和研究過程中，逐步凝練形成了新的物聯(lián)網(wǎng)“六域模型”參考架構體系。該體系為如何在特定行業(yè)應用中有效解構物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)各重要組成部分，以及如何建立業(yè)務關聯(lián)邏輯提供了頂層架構思路，以下簡要介紹基于物聯(lián)網(wǎng)“六域模型”如何指導物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同生態(tài)體系建設和運營的思路。

物聯(lián)網(wǎng)“六域模型”參考體系結構將復雜的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用關聯(lián)要素進行系統(tǒng)化梳理，并從不同角度進行了分析，以系統(tǒng)級業(yè)務功能劃分為主要原則，設定了物聯(lián)網(wǎng)用戶域、目標對象域、感知控制域、服務提供域、運維管控域、資源交換域等六大域，域和域之間再按照業(yè)務邏輯建立網(wǎng)絡化連接，從而形成單個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)生態(tài)體系。單個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)生態(tài)體系再通過各自的資源交換域形成跨行業(yè)跨領域的協(xié)同體系，如圖2 所示。

圖2 六域模型

2.2 區(qū)塊鏈架構

區(qū)塊鏈參考架構是在中國區(qū)塊鏈技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇發(fā)布的《區(qū)塊鏈參考架構》標準中提供的一個描述區(qū)塊鏈系統(tǒng)的體系框架，目的是統(tǒng)一對區(qū)塊鏈的認識，為各行業(yè)選擇和應用區(qū)塊鏈服務、建設區(qū)塊鏈系統(tǒng)等提供參考和依據(jù)。

該參考架構采用國際標準ISO／IEC／IEEE 42010—2011 中提供的系統(tǒng)架構描述方法，系統(tǒng)地描述了區(qū)塊鏈的生態(tài)系統(tǒng)，通過用戶視圖和功能視圖描述了區(qū)塊鏈的利益相關者群體、基本特征，規(guī)范了區(qū)塊鏈活動和功能組件，識別出區(qū)塊鏈設計和改進的指導原則，并明確了區(qū)塊鏈用戶視圖和功能視圖的關系，如圖3 所示。

圖3 用戶視圖和功能視圖的關系

2.3 區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)融合框架

區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的融合包括架構和相關方的融合。架構融合將六域模型和區(qū)塊鏈架構融合，以將區(qū)塊鏈的可信、共識等技術融入物聯(lián)網(wǎng)中，用來解決物聯(lián)網(wǎng)的單點故障和技術產(chǎn)業(yè)鏈條冗長的問題。相關方融合將六域模型中的相關事物看作為區(qū)塊鏈的服務客戶，促進物聯(lián)網(wǎng)各相關方建立協(xié)作體系、信任體系和價值體系。區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)應用框架如圖4所示。

圖4 區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)應用框架

3 仿真驗證

目前主流的區(qū)塊鏈系統(tǒng)可分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈3 種類型。其中聯(lián)盟鏈是指由聯(lián)盟或行業(yè)內若干個機構共同參與管理的區(qū)塊鏈，其中的數(shù)據(jù)只允許系統(tǒng)內的機構進行讀讀取修改和訪問等活動，通過制定接入準測和訪問權限，保證了系統(tǒng)的安全性。聯(lián)盟鏈中的共識過程受到預選節(jié)點控制，是介于私有鏈和公有鏈之間的一種區(qū)塊鏈，除具有一般區(qū)塊鏈的優(yōu)點外，還具有可控性強、數(shù)據(jù)默認不公開、交易速度快、可定制訪問控制策略等優(yōu)點。

聯(lián)盟鏈的這些特性特別適合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)生態(tài)。聯(lián)盟鏈的典型開發(fā)平臺是Hyperledger Fabric 項目，是由Digital Asset 和IBM 公司貢獻的、由Linux 基金會主辦的一個超級賬本項目，是目前非常流行的模塊化區(qū)塊鏈網(wǎng)絡框架實現(xiàn)方案。Hyperledger Fabric 支持認證、共識和智能合約模塊的即插即用和定制開發(fā)，并適應整個經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和高精度性。Hyperledger Fabric 利用docker容器技術運行稱為鏈碼（Chaincode）的智能合約，提供一個模塊化的構架，實現(xiàn)節(jié)點、鏈碼（智能合約）執(zhí)行以及可配置的共識和成員服務。

電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)屬于行業(yè)應用，因此采用基于Hyperledger Fabric 的聯(lián)盟鏈進行實驗環(huán)境的搭建。實驗環(huán)境為5 臺工作站組成的計算集群，每臺工作站搭載Intel i7-7700HQ CPU，主頻2.80 GHz，16 GB DDRⅢ內存，256 GB SSD 硬盤。操作系統(tǒng)為CentOS 7，系統(tǒng)運行Docker 容器級虛擬化系統(tǒng)模擬P2P 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡，容器編排工具為kubernetes 1.9。5 臺工作站中1 臺工作站為集群管理器，其余4 臺為計算節(jié)點。

物聯(lián)網(wǎng)終端由樹莓派和平板電腦組成。其中，樹莓派采用3b 版本，配置為博通BCM2837B0 SOC，集成4 核ARM Cortex-A53 64 位CPU，主頻1.4 GHz，1 GB LPDDR2 SDRAM。平板智能終端采用華為M5平臺，搭載麒麟960 ARM 架構芯片，集成4 個主頻2.4 G 處理核心，4 GB 內存，64 GB 存儲器。

仿真系統(tǒng)包含泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端運行的客戶端軟件、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關軟件、泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端可信配置軟件組成，仿真系統(tǒng)架構如圖5 所示。其中，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關部署在計算集群中，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端通過網(wǎng)絡控制器與業(yè)務網(wǎng)絡和認證服務器集群相連。

圖5 仿真平臺組成結構

圖6 顯示了泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端可信接入從申請到接入完成所需要的時間，對比曲線是傳統(tǒng)秘鑰中心集中式管理中的時間。所有數(shù)據(jù)均是10 次實驗平均值。從數(shù)據(jù)結果可以看出，傳統(tǒng)的集中式接入認證方案中，認證中心計算和網(wǎng)絡開銷隨物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量的增加而增大，導致認證效率降低，直接反映為認證時間的迅速增長。而基于區(qū)塊鏈的分布式認證方案中，當物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點數(shù)量較少時，認證效率較集中式認證低，這是因為區(qū)塊鏈方案中運行分布式認證協(xié)議開銷在網(wǎng)絡規(guī)模較小時占比較大，當物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模增大時，認證效率有明顯提高。

圖6 認證效率曲線

圖7 為相同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點規(guī)模下，認證組節(jié)點閾值分別在3、5、7 下的認證時間對比。根據(jù)拜占庭容錯原理可知，認證組節(jié)點數(shù)量增加會帶來安全性的增加，但信息交互次數(shù)增加使認證時間相應增大，降低了認證效率。

圖7 認證組規(guī)模對認證效率的影響

圖8 為相同物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點規(guī)模下，認證組節(jié)點不同閾值下的認證時間對比。根據(jù)拜占庭容錯原理可知，認證組節(jié)點數(shù)量增加會帶來安全性的增加，但信息交互次數(shù)增加使認證時間相應增大，降低了認證效率。圖9 為并發(fā)接入時單節(jié)點CPU 負載隨節(jié)點數(shù)量的增加情況，由于采用了kubernetes 的彈性調度算法，CPU 增加情況在可接收范圍之內。

區(qū)塊鏈應用中，并發(fā)數(shù)量為重要指標。通過對仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析表明，隨著區(qū)塊鏈長度的增加，新區(qū)塊生成時間相應增加，但總體性能下降不明顯，因此所提方案適用于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中接入終端大量并發(fā)的情況。

圖8 認證組規(guī)模對認證效率的影響

圖9 并發(fā)請求時CPU 性能

圖10 區(qū)塊生成曲線

圖10 為新區(qū)塊生成時間跟已有區(qū)塊鏈規(guī)模的關系，數(shù)據(jù)顯示，隨著區(qū)塊鏈長度的增加，新區(qū)塊生成時間相應增加，但總體性能下降不明顯，因此可適用于大規(guī)模并發(fā)接入的情景，符合智能化電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用需求。

4 結語

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)各類業(yè)務中的廣泛運用，電力物聯(lián)網(wǎng)終端的可信性成為制約電力系統(tǒng)安全可靠的關鍵因素。將區(qū)塊鏈的去中心化分布式信任用于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)終端可信研究中，提出了一種具有實用性的方案，相比于傳統(tǒng)集中式的密鑰方案，本方案基于區(qū)塊鏈的可驗證性，避免了驗證時運行解密算法所帶來的系統(tǒng)開銷。通過基于hyperledger 平臺的仿真實驗顯示，所提方案比傳統(tǒng)集中式認證方案在認證效率上有顯著提升。進一步研究將側重于在實際電力業(yè)務應用場景中，通過試點應用，測試系統(tǒng)在海量接入情況下的接入認證性能。