基于區塊鏈技術的電力通信網管數據應用

國網四川信通公司 趙波 馮菁 吳克

現代區塊鏈技術起源于密碼學，輝煌于數字貨幣。區塊鏈技術核心在于去中心化、互聯網技術及哈希算法等加密算法，隨著互聯網技術的迅猛發展與分布式技術的成熟得到前所未有的發展。區塊鏈技術包含三個基本概念：交易、區塊、鏈。交易在區塊鏈中代表一次性對賬本的操作，也就是單點數據發生狀態變化；區塊在區塊鏈中代表一個時間段內網絡所有交易的狀態和結果，對當前所有數據狀態的一次共識；鏈在區塊鏈中代表按照時間順序對狀態變化量的一次串聯，相當于數據變化記錄日志。整個區塊鏈是由分布式的節點構成形成分布式數據，數據在存儲、刪除、更改的過程就是區塊形成的過程，按照一致性規則在分布式各點位通過計算達成共識，并依照時間順序形成鏈狀數據結構。一旦新的區塊加入鏈狀數據串，各節點達成共識后無法被篡改。本文主要闡述了利用區塊鏈技術電力通信網中對網元網管控制數據也存在類似交易、區塊、鏈操作，實現了提升數據的一致性、不可篡改性、可追溯性等方面的性能，為支撐智能電網建設做出前沿性的試探和嘗試。

電力通信網元數據分布式存儲

電力通信網網管區塊鏈技術的應用主要在于利用區塊鏈技術中的數據一致性和數據不可篡改性，在電力通信網絡控制數據的安全性對于電網業務通信通道安全運行尤為重要，而保證數據安全可靠性可以通過建立區數據分布式存儲數據結構得以實現。利用區塊鏈技術將網絡控制數據從三個方面進行建立，分別為：“區塊+鏈”“區塊+交易”“交易+鏈”。區塊鏈是一個基于多節點全分布式數據結構的存儲結構，在一段時間內形成數據共識與一致性計算，利用哈希算子等密碼學手段保證Merkle Tree組成的數據不可逆和不可偽造的特性。

區塊相當于一個分布式的數據記錄賬本，對于電力通信網每個網元可以看作一個區塊節點，區塊數據包含原數據的數據頭以及數據增量變化的數據構成區塊體組成。后繼區數據頭由前置區塊的哈希值、隨機數、時間戳、難度目標及Merkle Tree等關鍵字組成。后繼區的數據頭都指向前一個區塊的鏈接，從時間區段開始到時間區段結束，每一個區塊代表著一次數據增量變化（交易），都會永久的保存在區塊之中。

在電力通信網中區塊鏈工作的過程，客戶端發起一項業務指令，廣播到通信網控制網絡等待節點確認。各網元節點收到等待確認的增量變更數據記錄打包在一起組成一個候選區塊。每個區塊的“前區哈希值”字段對應其一區塊頭的所有數據進行SHA256運算得到的結果，該字段使得各網元節點形成的區塊鏈接站起來，保證前后區塊鏈的關鍵字段。各網元區塊由前一塊區塊的隨機數、時間戳、難度目標字段與新區塊形成新區塊數據，區塊數據的形成是通過哈希等密碼學算子由各網元節點貢獻大量的算力資源計算而成。電力通信網管區塊數據通過區塊鏈技術，將所有增量數據變化的信息不僅完整記錄于各個網元節點，還保證了不會因單節點數據丟失而造成的數據丟失，還保證了數據不可篡改性。

電力通信網管數據一致性比對算法

電力通信網管數據區塊鏈技術應用的關鍵是建立于分布式存儲中保持全局一致性的基礎上的，增量數據變化的記錄、域名的管理、數據的上載與更改，這些狀態的改變對全局而言都需要保持一致性，而拜占庭一致性問題解決了在非安全的分布式環境下的數據一致性問題。拜占庭算法最初是由一些指數級的算法才能解決，接著在這類算法的基礎上演繹簡化成多項式級別的協議算法，極大降低了一致性比對的消耗的算力資源，利用多項式算法使實現分布式算法成為可能。

電力通信網管區塊數據一致性比對通過兩種方法實現，分別是單節點一致性驗證和混合節點一致性驗證。單節點一致性驗證算法是通過通信網管網絡數據通過兩階段提交協議保持區塊數據一致性而設計的一種算法。兩個階段在電力通新網管數據一致性比對中分別是將一個數據增量變化的分發過程分為審核和下發2個階段，區塊鏈服務器向所有網元節點廣播審核請求，當區塊鏈服務器收到了所有參與區塊變化的網元節點同意消息；服務器廣播提交請求，當服務器收到所有網元節點反饋完成區塊變化同意消息后，一致性驗證結束。混合節點一致性驗證是通過改進版拜占庭容錯協議（Practical Byzantium Fault Tolerance，PBFT），規定主從模式和參與網元數，規定人數為2m+1，其中m為出錯網元的數量，總網元個數為3m+1。當網關網元收到網元控制的請求后，向所在區域受控網元節點發送預準備信號，并收集區域內其他網元節點的信號，當區域內網元節點收到預準備信號后，如果達成共識，那么向網絡中其他網元節點發送預準備信號，剩余節點向服務器反饋同意信號，如果服務器收到超過2m個網元節點發送的同意信號，則向全網下發執行信息。同樣如果服務器收到超過2m個網元節點發送的執行信號，那么這個網元開始執行數據變更。綜上所述，PBFT協議對于容錯網元節點為1/3的錯誤網元，且對于數據一致性確認需要兩輪的交互。

電力通信網管區塊鏈技術通信方案

電力通信網區塊鏈技術的實現是建立于網元分布式存儲、共識機制、哈希加密算法及點對點傳輸的模式基礎上的，核心在于網元的分布式存儲、傳輸與加密及一致性計算。在整個網絡中對于每個網元相當于彼此對等的計算機，采用點對點的傳輸網絡結構具有極高的隱秘性及去中心化程度。對于每個網元具備傳播、路由、驗證、新建節點信息變更等功能，用以保障區塊變化后，由網元節點傳播至整個網絡的功能。電力通信網管區塊鏈系統對于網元信息數據傳播協議結構，如圖所示。

電力通信網管區塊鏈系統的網元數據傳播協議包括以下步驟：

1.網元數據變更利用電力通信網絡以點對點的形式廣播至每個網元節點。

2.每個網元收到廣播數據首先進行合法性驗證，對發出數據的非對稱加密機制下的網元數據變更信息的簽名與數據本身進行驗證。如果合法則保存該數據并以Merkle Tree的形式加入區塊，同時將時間戳與通過哈希加密算法計算過后的區塊頭寫入區塊并進行封裝，若該數據不合法則驗證無效直接丟棄。

3.每個網元節點進行哈希計算后，提供自身為解決本次區塊哈希算子而使用的計算資源的工作量證明。

區塊鏈網元數據傳播協議結構圖

4.在規定時間內每個網元節點完成區塊計算，將區塊數據重新封裝打包，通過下一個網元節點廣播至整個網絡。同樣其他網元節點進行相應的合法性驗證及工作量證明驗證，并計算每個區塊頭的哈希值。

5.整個網絡的所有網元在完成區塊鏈數據驗證后，利用Merkle Tree進行數據一致性比對驗證數據的正確性。對于電力通信網管區塊鏈數據變更，通常利用區域內8個節點進行區塊確認，并能保證50%網元收到攻擊后仍能進行區塊數據恢復，同時增加節點確認數目，能增加網絡抵抗力，但是同時計算資源的耗費也會增加。

6.按照時間戳先后順序，網元在下一次區塊計算時是以上一次的哈希值為父節點，而下一次區塊計算與上一次計算緊密相關。

電力通信網管區塊鏈技術是基于電力通信網絡去中心化結構，每個網元數據均存在獨立且對等的存儲結構，且網絡均可實現點對點的傳輸功能這三點之上，具備實現區塊鏈技術的基本條件。對電力通信網管數據管理需要一種更為安全可信且不可篡改的管理技術對未來智能電網的安全運行起到更為有力的支撐。本文基于以上考慮，對區塊鏈技術在電力通信網管數據方面的數據一致性、加密算法做了初步的探索，下一步打算進對電力通信網管數據去中心化管理作更為深入的研究，進一步開拓區塊鏈技術在電力通信網管數據管理方面的應用。