基于雙聯(lián)盟鏈的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型

張利華，王欣怡*，胡方舟，黃 陽，白甲義

（1.華東交通大學(xué)軟件學(xué)院，南昌 330013；2.華東交通大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，南昌 330013）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的信息化建設(shè)，電力行業(yè)在發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度等各環(huán)節(jié)積累了海量數(shù)據(jù)［1］。例如電源管理單元每年為一個典型電力公司帶來近40 TB 的新數(shù)據(jù)［2］。電力大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為電力公司的新型資產(chǎn)［3］，對電力數(shù)據(jù)進行研究能促進電力公司的業(yè)務(wù)管理更加精細(xì)、高效。管理并利用好日益龐大的電力數(shù)據(jù)，成為電網(wǎng)企業(yè)亟須解決的問題。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，人們大規(guī)模運用數(shù)字化手段提升電力數(shù)據(jù)的存儲與共享的效率。現(xiàn)有的電力數(shù)據(jù)存儲與共享方案在不斷優(yōu)化的同時，仍存在以下問題［4-6］：1）電力數(shù)據(jù)多以區(qū)塊鏈結(jié)合云服務(wù)器的方式存儲，云服務(wù)器中心化存儲存在越權(quán)修改、惡意泄露的風(fēng)險；2）電力數(shù)據(jù)僅在電力專網(wǎng)中流轉(zhuǎn)，存在信息“孤島”現(xiàn)象，和電網(wǎng)外研究機構(gòu)間缺少安全高效的共享渠道；3）數(shù)據(jù)的可追溯性不強，面臨自然災(zāi)害、存儲主機故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N對等網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點遵從特定共識機制的分布式數(shù)據(jù)庫，具有防篡改、可追溯、去中心化的特點［7］，區(qū)塊鏈技術(shù)的逐漸成熟有望解決智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享存在的安全性低、可擴展性差等問題。本文基于區(qū)塊鏈、星際文件系統(tǒng)（Inter Planetary File System，IPFS）、跨鏈、代理重加密和安全多方計算等技術(shù)，提出以下解決方案：

1）使用分布式文件存儲系統(tǒng)IPFS 結(jié)合區(qū)塊鏈存儲電力數(shù)據(jù)［8］，將多重簽名公證人跨鏈技術(shù)［9］應(yīng)用于數(shù)據(jù)安全共享當(dāng)中，解決了智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)僅限在內(nèi)部利用導(dǎo)致的“信息孤島”現(xiàn)象，盡可能發(fā)揮電力數(shù)據(jù)的價值。

2）使用代理重加密技術(shù)解決單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)共享過程的隱私保護問題［10］。引入全同態(tài)加密，在無須解密電力數(shù)據(jù)密文的情況下，解決智能電網(wǎng)端數(shù)據(jù)重構(gòu)問題［11］。

3）將安全多方計算應(yīng)用于數(shù)據(jù)共享當(dāng)中，用以解決多節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享時的隱私保護問題。

1 相關(guān)工作

對于電網(wǎng)數(shù)據(jù)的儲存與共享，已有許多學(xué)者進行相關(guān)研究。與本文相關(guān)的研究工作可以歸納為三個方面：

1）數(shù)據(jù)存儲。Zhang等［12］提出了一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的安全數(shù)據(jù)存儲與共享系統(tǒng)方案，該方案主要解決集中存儲的安全問題，并采用拜占庭容錯共識機制對數(shù)據(jù)進行驗證；但該方案沒有描述數(shù)據(jù)如何加密，也沒有合理的成本分析。Nizamuddin等［13］提出一種基于區(qū)塊鏈的文檔共享和版本控制解決方案和框架，使用IPFS 加密存儲檔案原始數(shù)據(jù)，利用智能合約觸發(fā)、追蹤每一筆文檔共享交易；未考慮在不同的文件管理系統(tǒng)間進行文檔安全共享。López 等［14］針對智能移動數(shù)據(jù)市場多為中央服務(wù)器存儲，容易受到黑客攻擊的問題，提出了一個多層區(qū)塊鏈框架，在雙方授權(quán)的情況下才能進行數(shù)據(jù)交易；但數(shù)據(jù)存儲于個人云服務(wù)或者個人設(shè)備中，存在數(shù)據(jù)濫用的風(fēng)險。

2）隱私保護。重視數(shù)據(jù)隱私和安全保護已成為世界性的趨勢［15］。Zhou 等［16］提出了一輪通信可驗證全同態(tài)秘密共享（Fully Homomorphic Non-interactive Verifiable Secret Sharing，F(xiàn)HNVSS）方案，引入非交互式安全多方計算技術(shù)，并結(jié)合全同態(tài)加密技術(shù)，實現(xiàn)了對用戶的數(shù)據(jù)秘密共享；但其未考慮數(shù)據(jù)的安全存儲問題。Narayanan 等［17］提出一種安全認(rèn)證與云端數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)架構(gòu)，使用SALSA20 加密算法和基于密度的帶噪應(yīng)用程序聚類算法進行加密和數(shù)據(jù)索引，能解決現(xiàn)有加密方案無法提供適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)安全保障的問題；但該方案使用信任中心進行用戶數(shù)據(jù)監(jiān)管，存在隱私泄露風(fēng)險。Guo 等［18］基于一種新穎的對稱同態(tài)加密技術(shù)，提出了一種有效的智能網(wǎng)格輕量化聚合方案，保證了用電數(shù)據(jù)的機密性、完整性和用戶隱私；但方案的計算開銷隨數(shù)據(jù)量增加成指數(shù)級增長，僅適合輕量級電網(wǎng)數(shù)據(jù)聚合。

3）數(shù)據(jù)共享。Jiang 等［19］提出一種用于安全云存儲的加密數(shù)據(jù)共享方案（Data Sharing scheme based on Conditional Proxy Broadcast Re-Encryption，CPBRE-DS），利用廣播加密實現(xiàn)廣播動態(tài)數(shù)據(jù)共享，通過使用代理重加密技術(shù)，云服務(wù)器直接將加密數(shù)據(jù)共享給目標(biāo)用戶；但是，廣播加密存在密鑰管理困難、結(jié)合云存儲平臺使用存在效率低下等問題，且該方案將數(shù)據(jù)存儲在半可信云設(shè)備中，存在數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險。Sun 等［20］提出一種用于云數(shù)據(jù)共享的代理廣播重加密（Proxy Broadcast Re-Encryption，PBRE）技術(shù)，通過提出代理廣播再加密的概念嘗試解決云數(shù)據(jù)共享問題，能抵抗共謀攻擊；但支持用戶動態(tài)加入或離開共享組，不適合電網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享場景。羅文俊等［21］提出一個基于區(qū)塊鏈的電子醫(yī)療病例安全共享方案，將分布式密鑰生成技術(shù)結(jié)合基于身份的代理重加密方案，實現(xiàn)了單對用戶間加密數(shù)據(jù)共享；但是該方案未考慮多用戶間如何進行數(shù)據(jù)共享。

為了提高智能電網(wǎng)電力數(shù)據(jù)共享的安全性、隱私性和可擴展性，解決電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息“孤島”現(xiàn)象，本文提出基于雙聯(lián)盟鏈的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模型（Data Sharing model based on Double Consortium Blockchains in smart grid，DSDCB）。該模型將聯(lián)盟鏈結(jié)合IPFS 集群高效存儲電力數(shù)據(jù)，使用多重簽名公證人實現(xiàn)數(shù)據(jù)跨鏈，基于全同態(tài)加密、代理重加密、安全多方計算技術(shù)，在保證隱私不被泄露的情況下進行數(shù)據(jù)安全共享。

2 整體框架

2.1 模型框架

DSDCB模型框架如圖1所示。

圖1 本文模型框架Fig.1 Framework of proposed model

包括以下三個部分：

1）智能電網(wǎng)聯(lián)盟鏈（Smart Grid Consortium Blockchain，SGCB）。電網(wǎng)調(diào)度中心將數(shù)據(jù)采集基站采集的電力數(shù)據(jù)文件加密上傳至私有IPFS 集群。上傳前，IPFS 自動檢測電力文件是否重復(fù)以節(jié)約寬帶，存儲未重復(fù)電力文件并返回文件指紋。電網(wǎng)調(diào)度中心將文件哈希值（Hash）、文件指紋等信息上鏈存儲。使用IPFS 結(jié)合聯(lián)盟鏈存儲的方式減輕了鏈上數(shù)據(jù)存儲和高頻訪問的壓力［22］。將Hash 與下載文件哈希值對比校驗，確保上傳文件保存完整未被篡改。

2）多重簽名公證人?；诠C人創(chuàng)建投票合約，從智能電網(wǎng)聯(lián)盟鏈和數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈中選舉出一組可信節(jié)點作為公證人。公證人調(diào)用身份控制合約分別對數(shù)據(jù)共享雙方身份認(rèn)證后進行簽名，當(dāng)簽名數(shù)達到預(yù)設(shè)數(shù)量時，公證人根據(jù)請求內(nèi)容通過聯(lián)盟鏈和IPFS 集群下載相應(yīng)電力數(shù)據(jù)文件密文，使用電網(wǎng)調(diào)度中心提供的代理重加密密鑰，對密文進行重加密后鏈下傳輸電力數(shù)據(jù)文件，接收者使用自己私鑰解密獲得電力數(shù)據(jù)明文，完成數(shù)據(jù)共享。

3）數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈（Data Research Consortium Blockchain，DRCB）。該鏈節(jié)點為政府機關(guān)、高校、科研院所等電力數(shù)據(jù)研究機構(gòu)。各機構(gòu)從數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈獲得IPFS文件指紋、上傳節(jié)點ID 等信息，從公有IPFS 集群下載相應(yīng)電力數(shù)據(jù)文件。

2.2 合約架構(gòu)

DSDCB 智能合約體系由兩部分構(gòu)成：一部分是數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈中區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)備份合約（Block Data Backup Contract，BDBC），存儲共享的電力數(shù)據(jù)；另一部分是智能電網(wǎng)聯(lián)盟鏈中區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)管理合約（Block Data Manage Contract，BDMC），執(zhí)行電力數(shù)據(jù)存儲與訪問請求等相應(yīng)的合約。BDBC 和BDMC 均包括身份控制合約（Identity Control Contract，ICC）和數(shù)據(jù)管理合約（Data Manage Contract，DMC），如圖2所示。

BDBC 和BDMC 作為全局合約記錄其聯(lián)盟鏈中所有節(jié)點身份標(biāo)志（NA-ID）、對應(yīng)公鑰（PubKey）、注冊時間和對應(yīng)的ICC與DMC。

BDMC 中ICC 用于節(jié)點身份管理，包括公證人創(chuàng)建投票合約（Notary Creation Vote Contract，NCVC）和數(shù)據(jù)權(quán)限控制合約（Data Authority Control Contract，DACC）。其中：NCVC用于選舉可信節(jié)點作為公證人，DACC 用于電力數(shù)據(jù)的權(quán)限控制。

圖2 智能合約架構(gòu)Fig.2 Architecture of smart contracts

BDMC 中DMC 用于實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)保護、驗證、密文處理和共享等業(yè)務(wù)邏輯，包括數(shù)據(jù)存儲合約（Data Storage Contract，DSC）、數(shù)據(jù)共享（存儲）合約（Date Sharing（Storage）Contract，DSSC）和同態(tài)加密合約（Homomorphic Encryption Contract，HEC）。其中，DSC 用于存儲電力數(shù)據(jù)的屬性信息，包括電力數(shù)據(jù)對象的IPFS 文件指紋、Hash、創(chuàng)建時間等。DSSC用于雙聯(lián)盟鏈之間共享的檔案信息，包括電力數(shù)據(jù)標(biāo)識（Data-ID）、節(jié)點身份標(biāo)識（NA-ID）和共享時間等。如果DataID 對應(yīng)的屬性DGrade 值為0，則雙聯(lián)盟鏈內(nèi)所有節(jié)點均可訪問；如值≥1，則僅特定節(jié)點有權(quán)訪問。HEC 根據(jù)請求對電力數(shù)據(jù)進行同態(tài)運算處理。

3 基于雙聯(lián)盟鏈的數(shù)據(jù)共享模型

將DSDCB 中各節(jié)點分為數(shù)據(jù)提供方、數(shù)據(jù)需求方、公證人三個角色。數(shù)據(jù)需求方發(fā)起申請數(shù)據(jù)共享請求；數(shù)據(jù)提供方對其進行身份驗證后提供重加密密鑰給公證人；公證人下載所請求的電力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行校驗處理后，再將電力數(shù)據(jù)加密傳輸給數(shù)據(jù)需求方。數(shù)據(jù)共享結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)共享結(jié)構(gòu)Fig.3 Data sharing structure

3.1 單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享

將代理重加密技術(shù)引入DSDCB，能有效防止半誠實公證人竊取電力數(shù)據(jù)［23］，在減輕電網(wǎng)調(diào)度中心負(fù)擔(dān)的同時，增強電力數(shù)據(jù)跨鏈傳輸?shù)陌踩院碗[私性?？紤]到數(shù)據(jù)需求方可能請求特定數(shù)據(jù)，引入全同態(tài)加密技術(shù)，在無須解密的情況下，對電力密文進行合理整合。

單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享模型設(shè)計思路如圖4 所示。數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈中某個節(jié)點請求跨鏈數(shù)據(jù)共享。電網(wǎng)調(diào)度中心利用DACC 驗證數(shù)據(jù)需求方的身份和權(quán)限。電網(wǎng)調(diào)度中心使用自己私鑰ski和數(shù)據(jù)需求方提供的公鑰pkj生成代理重加密密鑰rki→j，將代理重加密密鑰和數(shù)據(jù)需求方請求內(nèi)容提供給多重簽名公證人。當(dāng)前公證人將數(shù)據(jù)提供方的請求信息寫入DSSC 中，返回對應(yīng)的IPFS 文件指紋，通過文件指紋下載相應(yīng)加密電力數(shù)據(jù)文件，使用陷門驗證是否是數(shù)據(jù)需求方所請求電力數(shù)據(jù)。調(diào)用HEC，根據(jù)請求內(nèi)容對下載的電力數(shù)據(jù)密文進行合理整合。使用代理重加密密鑰rki→j對密文數(shù)據(jù)進行二次加密，將二次加密后的密文數(shù)據(jù)通過鏈下通道傳給數(shù)據(jù)需求方。數(shù)據(jù)需求方用自己的私鑰skj解密得到所需電力數(shù)據(jù)明文。

圖4 單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享模型Fig.4 Single-node cross-chain data sharing model

基于代理重加密的單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享模型由以下8 個算法組成：Setup、KeyGen、Encrypt、Trapdoor、Test、ReKeyGen、ReEnc和Decrypt。

1）Setup(1λ) 。輸入系統(tǒng)安全參數(shù)1λ，初始化算法輸出系統(tǒng)公共參數(shù)pp。

2）KeyGen(pp)。輸入公共參數(shù)pp，密鑰生成算法給用戶i輸出公鑰pki和私鑰ski。

3）Encrypt(pki，m)。由數(shù)據(jù)提供方執(zhí)行，輸入公鑰pki和電力數(shù)據(jù)m。輸出密文Ci，將密文Ci上傳至智能電網(wǎng)私有IPFS集群。

4）Trapdoor(Ci，pki)。輸入密文Ci，用戶的私鑰pki。根據(jù)部分密文輸出陷門td。

5）Test(Ci，Cj，tdi，tdj)。將用戶生成的陷門td和含有關(guān)鍵字的密文C上傳由IPFS 集群進行測試，利用用戶上傳的陷門對儲存的密文關(guān)鍵字進行測試，測試結(jié)果相等返回1，不相等則返回0。檢索是否搜索到用戶所需要的數(shù)據(jù)，即檢測電力數(shù)據(jù)是否mi=mj。

6）ReKeyGen(ski，pkj)。輸入數(shù)據(jù)提供方（用戶i）私鑰ski和數(shù)據(jù)需求方（用戶j）公鑰pkj，輸出重加密密鑰rki→j。

7）ReEnc(Ci，rki→j)。輸入智能電網(wǎng)私有IPFS 集群所下載的密文Ci和代理重加密密鑰rki→j，輸出代理重加密密文Cj。

8）Decrypt()：

a）Decrypt(ski，Ci)。由數(shù)據(jù)提供方（用戶i）執(zhí)行，解密密文。輸入密鑰ski，密文Ci，輸出電力數(shù)據(jù)m。

b）Decrypt(skj，Cj)。由數(shù)據(jù)需求方（用戶j）執(zhí)行，數(shù)據(jù)提供方授權(quán)數(shù)據(jù)需求方解密密文。輸入數(shù)據(jù)需求方私鑰skj，重加密密文Cj，輸出電力數(shù)據(jù)m。

3.2 安全多方跨鏈數(shù)據(jù)共享

當(dāng)數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈中多個節(jié)點為了進行不同的數(shù)據(jù)研究，需要在保證各節(jié)點隱私的情況下，分別從智能電網(wǎng)聯(lián)盟鏈請求特定數(shù)據(jù)共享時，采用安全多方計算（Secure Multi-Party Computation，SMPC）的方式實現(xiàn)［24］。安全多方計算是n個參與者P1，P2，…，Pn，共同執(zhí)行一個計算任務(wù)：

每一方Pi只能輸入自己的xi，并且最終只能得到自己的輸出yi。通過安全多方計算可以解決不可信群體間協(xié)同工作的問題，能保證多方參與者之間共同完成計算任務(wù)而不會泄露各自的隱私信息。

在單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享模型基礎(chǔ)上，結(jié)合安全多方計算技術(shù)實現(xiàn)多節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享模型，設(shè)計思路如圖5 所示。由圖5 可知：數(shù)據(jù)需求方生成電力數(shù)據(jù)共享請求后，公證人根據(jù)數(shù)據(jù)需求方請求內(nèi)容從IPFS 集群查詢原始數(shù)據(jù)，調(diào)用HEC，計算不同節(jié)點所請求的數(shù)據(jù)集合（密文s）。將密文s其分割成多個信息塊，通過代理重加密對密文分片重加密后進行跨鏈傳輸，數(shù)據(jù)需求方根據(jù)指定重構(gòu)算法進行密文分片重構(gòu)得到密文s，將得到的電力數(shù)據(jù)集合密文s上傳至公有IPFS集群和數(shù)據(jù)研究聯(lián)盟鏈上。此過程中，每個節(jié)點均不知道智能電網(wǎng)元數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)需求方請求內(nèi)容。各節(jié)點從研究數(shù)據(jù)聯(lián)盟鏈和公有IPFS集群中自行下載所請求的電力數(shù)據(jù)。

圖5 多節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享流程Fig.5 Flowchart of multi-node cross-chain data sharing

安全多方計算模型中的秘密共享［25-27］能安全地共享某個秘密。DSDCB 的秘密共享技術(shù)基于使用拉格朗日插值法的Shamir Secret Sharing Scheme［28］實現(xiàn)。假設(shè)有t個節(jié)點分別向智能電網(wǎng)聯(lián)盟鏈請求電力數(shù)據(jù)d1，d2，…，dt。

步驟1 數(shù)據(jù)提供方將電力數(shù)據(jù)d1，d2，…，dt基于全同態(tài)加密技術(shù)轉(zhuǎn)換成密文s，生成k-1 個隨機數(shù){a1，a2，…，ak-1}，得到多項式：

步驟2 從式（4）中生成n個點。通過函數(shù)Scatter（）分發(fā)給每個參與者Pi(i∈n)，即有n個參與者共同參與密文s的共享，將s切分成n份(i，si)。

步驟3 調(diào)用函數(shù)Gather（）收集密文片段si，由式（5）得f(x)中a0=s，因此問題轉(zhuǎn)換為利用n個點中的k個點求f(x)，且已知k個點可以唯一決定一條k-1次方的曲線。使用拉格朗日插值法實現(xiàn)并得到密文片段si：

步驟4 使用Recon（）函數(shù)將密文重構(gòu)，將收集到k(k≤(n-1)/2)份以上的密文分片重構(gòu)出s，密文s為所請求的電力數(shù)據(jù)d1，d2，…，dt的集合。

4 安全性分析

4.1 單節(jié)點跨鏈安全性分析

定理1在數(shù)據(jù)共享中，設(shè)電網(wǎng)調(diào)度中心A 和公證人S 均可信，且數(shù)據(jù)提供方B 私鑰skB未被泄露。則攻擊者C 無法獲得電力數(shù)據(jù)明文。

證明

情況一 C給A發(fā)送電力數(shù)據(jù)共享請求。

A 接收C 發(fā)送的電力數(shù)據(jù)共享請求，由于C 沒有節(jié)點信息，無法通過DACC 的節(jié)點身份與權(quán)限校驗，因此C 請求失敗，無法得到電力數(shù)據(jù)明文。

情況二 C 攔截B 已發(fā)出的電力數(shù)據(jù)共享請求再次發(fā)送給A。

A 將C 視為B，因為B 擁有節(jié)點身份能通過DACC 校驗，A使用自己私鑰結(jié)合B公鑰生成代理重加密密鑰。將代理重加密密鑰提供給S。S 根據(jù)請求內(nèi)容下載相應(yīng)電力數(shù)據(jù)文件，并使用代理重加密密鑰生成重加密密文發(fā)送給C。由于C 沒有私鑰skB，仍無法得到電力數(shù)據(jù)明文。

定理2在數(shù)據(jù)共享中，設(shè)電網(wǎng)調(diào)度中心A 可信，公證人S 半可信，且數(shù)據(jù)提供方B 私鑰skB未被泄露，則公證人S 無法獲得電力數(shù)據(jù)明文。

證明

情況一 重加密前，S嘗試獲得電力數(shù)據(jù)明文。

S根據(jù)文件指紋從智能電網(wǎng)私有IPFS 集群下載相應(yīng)加密電力數(shù)據(jù)文件，此時，S 嘗試解密得到電力數(shù)據(jù)明文。由于A的私鑰僅由自己保管與使用，且A是可信的，因此，S無法獲取到A的私鑰，無法解密得到電力數(shù)據(jù)文件明文。

情況二 重加密后，S嘗試獲得電力數(shù)據(jù)明文。

下載得到相應(yīng)加密電力數(shù)據(jù)文件后，S使用A提供的代理重加密密鑰得到電力數(shù)據(jù)重加密密文，此時，S 嘗試獲得電力數(shù)據(jù)明文。由于數(shù)據(jù)提供方B 的私鑰僅由自己保管與使用，且私鑰未被泄露，因此，S 無法獲取到B 的私鑰，S 無法解密得到電力數(shù)據(jù)文件明文。

由定理1 和定理2，DSDCB 能抵抗51%攻擊、女巫攻擊、重放攻擊和中間人攻擊：

1）51%攻擊。實驗結(jié)果表明進行51%攻擊是非常困難的［29］，且如果發(fā)生51%攻擊，由于區(qū)塊鏈存儲的是IPFS 集群文件指紋，并未存儲電力數(shù)據(jù)文件，因此不會對元數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。因此，DSDCB能抵抗51%攻擊。

2）女巫攻擊。由于電網(wǎng)調(diào)度中心A 在接收到電力數(shù)據(jù)共享請求時，首先校驗節(jié)點身份權(quán)限再進行數(shù)據(jù)共享。即攻擊者無法通過偽造多個無效身份，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余機制造成影響，因此，DSDCB能抵抗女巫攻擊。

3）重放攻擊。模型中鏈下傳輸?shù)氖请娏?shù)據(jù)重加密密文，且密鑰均由節(jié)點保管而不在模型中流通。攻擊者攔截節(jié)點共享請求但無法獲取相應(yīng)節(jié)點私鑰，即無法對接收到的電力數(shù)據(jù)重加密密文解密，因此，DSDCB能抵抗重放攻擊。

4）中間人攻擊。DSDCB 中的“中間人”為多重簽名公證人。多重簽名公證人機制需要由多位公證人在各自賬本上簽名達成共識后才能完成跨鏈共享；且密鑰由本人保管不在模型中流通，公證人無法獲取電網(wǎng)調(diào)度中心A 或數(shù)據(jù)提供方B私鑰，即公證人在數(shù)據(jù)共享各環(huán)節(jié)均無法獲得電力數(shù)據(jù)文件明文。因此，DSDCB能抵抗中間人攻擊。

4.2 安全多方跨鏈安全性分析

安全多方跨鏈數(shù)據(jù)共享模型主要通過安全多方計算計算實現(xiàn)，安全多方計算模型一般分為半誠實模型和惡意模型［30］。半誠實模型中的半誠實參與方會忠實執(zhí)行模型，但會嘗試獲得模型執(zhí)行結(jié)果和更多參與者的隱私信息；惡意模型中的惡意參與方會違背模型命令或者惡意傳輸錯誤數(shù)據(jù)。

定理3在惡意模型下，若惡意參與方數(shù)量不超過k個，則電力數(shù)據(jù)密文s不會被泄露。

證明 假設(shè)惡意攻擊者的數(shù)量為k-1，即惡意攻擊者只知道“f1(x)，f2(x)，…，ft(x) 是k-1 次多項式”。其中，f1(x)，f2(x)，…，ft(x)可以被表示為如下形式：

設(shè)k-1個惡意攻擊者分別為SC1，SC2，…，SCk-1，其他的參與方都是誠實者。其中，SCi的分片為f1(xi)，f2(xi)，…，ft(xi)。為求各分片的系數(shù)，將k-1個惡意攻擊者建立如下形式的t個方程組：

在第i個方程組中，由于r(A)≠r(A|Xi)，線性方程組式（8）無解，類比得到其他方程組均無解。對i∈[1，t]，si為自由變量，因此當(dāng)惡意攻擊者的數(shù)量為k-1時，s無法被確定。

對惡意攻擊者的數(shù)量逐次遞減進行類比分析，得證，惡意攻擊者的數(shù)量不超過k的情況下，均不能得到電力數(shù)據(jù)密文s。

定理4在半誠實模型下，若誠實參與方數(shù)量超過1 個，則電力數(shù)據(jù)密文s不會被泄露。

證明 令參與方的數(shù)量為j，j個參與方P1，P2，…，Pj請求電力數(shù)據(jù)內(nèi)容為x1，x2，…，xj，則密文s可表示為：

設(shè)誠實參與方的數(shù)量為2，令P1和P2是兩個誠實參與方，而其他都是半誠實攻擊者。在計算得到密文s后，半誠實攻擊者可聯(lián)合得到：

由于P1和P2不會暴露自己的電力數(shù)據(jù)請求內(nèi)容x1和x2，因此半誠實攻擊者無法從式（10）解出x1和x2。得證，半誠實攻擊者僅能得到自己所請求的電力數(shù)據(jù)，無法獲取其他參與者的隱私信息。

綜上所述，在DSDCB 中，誠實參與方請求的秘密是安全且保密的充要條件是：惡意參與方不超過k個，誠實參與方的數(shù)量超過1個。

5 方案性能分析

DSDCB 以Remix-IDE［13］作為以太坊智能合約的開發(fā)工具，使用Solidity 0.4.7 編寫，在以太坊測試網(wǎng)Ropsten-Test Network 上運行，運行在Ubuntun 18.04 LTS 電腦上，測試電腦的配置是：ryzen 1700 3.0 GHz 8C16T、16 GB DDR4 2 666 MHz。本章將通過3 個指標(biāo)評估此模型：1）單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享計算成本；2）安全多方跨鏈數(shù)據(jù)共享的運行時間；3）電力數(shù)據(jù)索引值上鏈區(qū)塊同步時間。

5.1 計算成本

將DSDCB 與Sun 等的PBRE 方案［20］和Jiang 等的CPBRE-DS 方案［19］比較，分析DSDCB 的單節(jié)點跨鏈數(shù)據(jù)共享計算成本。為了便于理解，定義了以下符號：ta和tm分別是點加法和點乘法，tb是雙線性對計算，在算法中點乘法比點加法復(fù)雜，雙線性配對計算比點乘法復(fù)雜，即ta＜tm＜tb。另外，n表示完整用戶集大小，r表示一次共享一個文件的目標(biāo)用戶集大小。計算成本對比結(jié)果如表1所示。

對于DSDCB 和CPBRE-DS 方案，所有算法的計算代價與完整用戶集的大小無關(guān)，其中DSDCB 和CPBRE-DS 方案的“Encrypt”和“Decrypt-Ⅱ”與目標(biāo)用戶集的大小成線性關(guān)系。另一方面，除了DSDCB 的“Decrypt-Ⅱ”的效率略低于CPBREDS 方案外，DSDCB 的其他算法都明顯比CPBRE-DS 的效率高，而DSDCB 的所有算法都比PBRE 的效率高。在整體計算成本上，所提出的DSDCB 優(yōu)于CPBRE-DS 方案，遠優(yōu)于PBRE方案。

表1 不同算法的計算成本對比Tab.1 Computational cost comparison of different algorithms

5.2 運行時間

將DSDCB與FHNVSS方案［16］進行對比，測試DSDCB的安全多方跨鏈數(shù)據(jù)共享的算法運行時間。將算法核心部分分割為秘密s分片函數(shù)Fragment 和秘密恢復(fù)函數(shù)Recover，分發(fā)者使用Fragment算法產(chǎn)生核心分片，接收者使用Recover恢復(fù)請求的結(jié)果。在實際使用中，由于兩個算法屬于不同的參與方，因此，在電腦上模擬分別執(zhí)行，令k表示請求可以處理的多項式最大次數(shù)，設(shè)置k從4 到10，測試函數(shù)Fragment 和Rcover 的運行效率，測試結(jié)果分別如圖6～7所示。

圖6 基于最大可尋址請求度的算法性能（Fragment）Fig.6 Algorithm performance based on tmaximum addressable request degree（Fragment）

圖7 基于最大可尋址請求度的算法性能（Recover）Fig.7 Algorithm performance based on maximum addressable request degree（Recover）

從圖6～7 可以得到函數(shù)Fragment 和函數(shù)Recover 均只需消耗非常少的時間，函數(shù)Recover 消耗的時間高于函數(shù)Fragment。DSDCB 的運行時間略低于FHNVSS 方案算法運行時間，且DSDCB 比FHNVSS 方案有更好的安全性，因此，DSDCB更符合實際需求。

5.3 同步時間

通過測試子節(jié)點區(qū)塊同步時間，評估DSDCB 的鏈上存儲網(wǎng)絡(luò)性能。設(shè)置1 個主節(jié)點，當(dāng)主節(jié)點完成電力數(shù)據(jù)索引值上鏈后，分別測試4～10 個子節(jié)點的同步時間，每個節(jié)點進行10 次測試計算平均同步時間。分別對200 組、400 組、600 組電力數(shù)據(jù)索引值上鏈同步時間測試進行對比，實驗結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果表明，DSDCB模型能正常運行，在較理想的情況下，節(jié)點平均同步時間小于10 ms。隨著子節(jié)點數(shù)量增加，平均同步時間逐漸增加；隨著存儲的電力數(shù)據(jù)索引值增大，平均同步時間逐漸增加，但漲幅較小。因此，DSDCB 模型基本滿足電力數(shù)據(jù)存儲所需的處理速度。

圖8 聯(lián)盟鏈區(qū)塊同步時間Fig.8 Block synchronization time of consortium blockchain

6 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于雙聯(lián)盟鏈的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全共享模型（DSDCB），使用分布式文件存儲系統(tǒng)IPFS 結(jié)合聯(lián)盟鏈實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)高效存儲；通過多重簽名公證人技術(shù)實現(xiàn)電力數(shù)據(jù)跨鏈；引入全同態(tài)加密對電力數(shù)據(jù)進行合理整合；結(jié)合代理重加密與安全多方計算技術(shù)，實現(xiàn)了單節(jié)點與多節(jié)點分別進行跨鏈電力數(shù)據(jù)安全共享。實驗結(jié)果表明，DSDCB 是有效的。未來研究工作中，將進一步研究更安全高效的跨鏈方法，進一步提高系統(tǒng)效率。