基于區塊鏈的充電交易數據安全存儲平臺設計

李孟特，顧春華，溫 蜜

1.上海電力大學 計算機科學與技術學院，上海 200090

2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093

1 引言

據文獻[1]指出，預計到2020年末，中國國內各類電動汽車保有量將達到500 萬輛以上。隨著電動汽車行業的蓬勃發展，電動汽車將會變得越來越普遍，與此同時充電樁也成為了越來越重要的基礎設施。近年來，作為智能電網的重要入口，我國政府高度重視和積極引導充電樁建設。我國政府在2015—2020年充電基礎設施建設規劃目標指出：建成專用充電樁430 萬個，分散式公共充電樁50 萬個。在政策大力推動下，越來越多消費者選擇購買電動汽車并使用充電樁進行充電。而作為智能電網的重要組成部分，充電樁業務具有巨大的潛在市場價值。

目前，多家運營商推出的充電樁共享平臺，均采用中心化運營模式。當車輛連接到充電樁時，充電樁將收集與該車輛及其所有者有關的數據，例如位置和相關支付信息，然后上傳到一個中心節點進行存儲。但這種模式存在以下弊端[2]：（1）中心節點易面臨集中式惡意攻擊，從而導致單點失效，造成數據丟失；（2）充電樁采集的數據可能會泄露客戶的個人隱私信息；（3）數據中心的存儲數據可能會被惡意篡改釀成嚴重后果。針對以上弊端，因此需要設計一種安全的去中心化數據存儲方案以保證充電平臺的交易數據安全。

區塊鏈是一種點對點的去中心化交易賬本，自2008年由中本聰提出之后[3]，因其透明化、去中心化、可追溯性等特點一直備受國內外愛好者與研究者的關注[4]。區塊鏈在數據存儲中主要有以下優勢：（1）去中心化：區塊鏈去除了中心節點，所有交易數據采用去中心化存儲，可以有效避免單點失效問題；（2）匿名性：區塊鏈的用戶都是采用匿名方式參與交易，可有效保護用戶個人隱私；（3）安全性：區塊鏈由于采用安全系數較高的加密技術，可防止鏈上數據被惡意更改，用戶可隨時對交易數據進行驗證。區塊鏈的技術優勢與充電樁平臺數據存儲的需求具有很好的結合點，可以避免中心化模式帶來的弊端。

近年來，區塊鏈技術在數據安全存儲以及電動汽車充電平臺等領域的研究已經有了初步成果，然而很少有人關注在電動汽車充電平臺中交易數據的安全性問題，因此，本文提出了一個基于區塊鏈的電動樁數據安全存儲平臺。使得電動汽車充電平臺可以使用區塊鏈技術將充電平臺獲得的交易數據去中心化存儲在各充電站內的數據中心之中，并且用戶可通過授權機制決定是否將個人相關的交易數據分享給他人使用，以此防止個人隱私數據泄露。

2 相關工作

隨著現代信息技術的飛速發展，電力與信息技術開始深度融合。齊林海等人[5]提出了基于區塊鏈生態系統的充電樁共享經濟模式，文中先指出了當前私人充電樁運營商在中心化運營模式下存在的不足，然后基于區塊鏈技術、閃電網絡技術提出了一種全新的充電樁共享模式，但該方案依舊是采用最初的共識算法，效率上有待提升。Kang 等人[6]提出了一種基于區塊鏈技術的智能家居能源交易平臺。文中先描述了區塊鏈的屬性特征，然后討論了基于區塊鏈的智能家居中的能源管理和使用情況測量，最后使用區塊鏈技術在微網中建立一個安全、自動化的去中心化可再生能源交易平臺。Aitzhan等人[7]通過把區塊鏈和數字簽名技術相結合，使得電能交易數據可被驗證已達到安全存儲的目的。李燕等人[8]闡述了區塊鏈技術的發展現狀和應用場景，同時總結了當前區塊鏈技術在安全、效率、隱私保護等方面所存在的不足，針對共識機制、匿名性和系統吞吐量三個方面提出了有效的改進方法。王浩然等人[9]提出了基于區塊鏈的充電權交易機制與模型。文中引入了充電權的概念，針對電動汽車的有序充電控制問題，設計了可行的以以太坊區塊鏈為基礎的充電權多邊交易智能合約技術。楊德昌等人[10]對區塊鏈技術在能源互聯網中的應用進行了分析和展望。文章首先從區塊鏈特征入手分析了區塊鏈的技術架構和交易過程，然后基于國內外的區塊鏈研究熱點，結合新興貨幣、技術產業等典型領域，對區塊鏈在能源互聯網中的應用進行了系統的總結，最后對區塊鏈技術對我國的能源互聯網建設和電力體制改革中的應用前景進行展望。Knirsch 等人[11]提出了一種基于區塊鏈技術的電動汽車充電站隱私保護協議，該協議可以根據價格和與電動汽車的距離等因素，自動尋找最佳充電站。以區塊鏈技術來構建該協議，具有較強的可靠性和透明度，同時保留電動車所有者的隱私。王麗麗等人[12]利用Python 工具建立了電動汽車行為模型，來分析北京市充電站布局的合理性。文中分析了影響充電站布局的因素，然后建立以總出行時間最短為目標函數的模型，利用Python 的Agent 仿真，分析不同區域充電樁的訪問頻率來得出最合理的布局方案。甘俊等人[13]提出了一種改進的實用拜占庭容錯（EPBFT）共識算法。文中指出了現有的PBFT算法中存在的網絡結構類型靜態、主節點選舉方式隨意、主節點可信度低、網絡開銷過大、數據同步過程不夠完善等方面的不足，并針對這些問題進行了算法上的改進。

本文針對相關學者所作的研究工作進行深入研究，對其所提方案中普遍存在共識時間過長、安全性能有所欠缺、用戶無法掌握自身信息使用權等問題，提出了電動樁數據安全存儲方案。該方案基于區塊鏈技術實現點對點交易；用戶可通過授權機制決定是否將個人相關的交易數據分享給他人使用，有效保障了用戶的信息安全，以此防止個人隱私數據泄露。

3 區塊鏈

區塊鏈是一種可信的、完全去中心化的對等數據存儲技術，一旦數據被提交到區塊鏈中，將無法對其進行隨意篡改。因此，區塊鏈可以被描述為一個去中心化的、不變的數據庫。如圖1所示。

圖1 區塊鏈結構

該數據庫是按照時間順序將數據生成區塊[14]。每個區塊記錄了一段時間內的交易信息被打包存儲于區塊體中，每個區塊的頭部塊包含了前一個區塊經過哈希函數處理后的哈希值，各區塊以此哈希值順序相連構成區塊鏈。因此，這些交易將永久鏈接到以前的一系列交易。為了提高區塊鏈中各節點驗證交易信息的效率，區塊體內交易信息以默克樹形式保存并用其根節點連接區塊頭和區塊體[15]。整個區塊鏈信息是對所有節點開放的，各節點可以通過檢查新區塊的完整性和計算哈希值來進行驗證區塊內信息是否正確。區塊鏈既可以是公開的，其中交易由一些獨立的節點組或者礦工進行驗證記錄；也可以是私有的，其中只有一組授權的個人節點可以驗證并記錄新的交易[16]。區塊鏈網絡中的各節點都擁有自身的公私密鑰對，并以此作為賬號表示自己的身份進行匿名交易，因此交易雙方可以有效保護自身隱私。

4 交易數據安全存儲平臺模型

根據當前電動汽車充電平臺運行模式，設計了一種采用P2P架構的數據存儲方案。在該方案中，電動汽車到達充電站后需要連接充電樁充電，充電樁可提供電能同時將會采集該電動汽車相關信息并記錄充電數據進行身份認證和結算。各充電樁會將記錄的數據整合到充電站節點內的數據中心中保存。該數據中心會作為一個節點與數據存儲系統通過有線網絡連接通信，將數據安全地記錄于區塊鏈平臺上。該數據存儲平臺由設置在各充電站內的數據中心構建，各數據中心作為節點相互連接組成區塊鏈系統[17]。在數據存儲平臺中，使用一個共識過程對該平臺的數據進行審核驗證，最后將這些充電樁記錄的包含充電汽車識別號、充電時間、充電地點、使用電能量等信息的交易數據記錄于該安全存儲平臺上。該存儲平臺結構如圖2所示。

電能交易平臺運行于一個微電網公有的區塊鏈服務器上，其內有若干個區塊鏈節點，用戶使用儲能裝置連接去中心化應用（DApp）接入區塊鏈交易平臺來參與電能交易。

4.1 用戶注冊

充電站面向廣大電動汽車用戶開放，電動汽車用戶是交易數據生產者。為保護用戶數據隱私，用戶第一次加入充電站平臺時，需要先在交易平臺進行注冊。具體注冊流程如圖3所示。

圖2 交易數據安全存儲平臺

圖3 注冊過程

希望對自身的交易數據進行保護的用戶首先在該平臺相關部門進行注冊申請，在對其信息核實之后，該平臺將給予新加入的成員注冊許可。

在獲得注冊許可之后，注冊先設置其個人私鑰，也就是通常意義上的密碼，然后采用高效安全的secp256k1橢圓曲線加密算法由該私鑰生成對應的公鑰，并以此獲得一個該交易系統使用的專屬賬戶配發相應的個人證書，每個用戶的公鑰將保存在該區塊鏈平臺上。而用戶個人則保管自己的私鑰，通過非對稱加密算法可保證惡意用戶無法推算出該用戶的個人私鑰，從而無法偽造某個參與用戶竊取其個人交易數據。

用戶每次使用充電樁之后，可使用公鑰對該次相關交易數據進行加密，自主掌控數據所有權，然后由充電樁留存在數據存儲平臺上。若后續需要使用相關數據，則需要用戶進行授權之后才可共享相關數據。

4.2 數據區塊

本文中所提充電樁類似智能電表功能，除可向電動汽車輸送電能之外，還集成了相關傳感器節點及通信系統。充電樁可收集電動汽車充電時相關的交易數據，車主在充電完成支付電費時可審核該次交易數據，確認無誤后使用生成的個人公鑰對該數據進行加密，確保數據安全。

經用戶加密的交易數據將傳送到該充電站數據中心之中進行審計，審計通過之后，全網節點達成共識。之后將數據打包成一個區塊，并在區塊頭加入上一個數據區塊的哈希值與之相連，進而去中心化地存儲于數據存儲平臺的各數據中心內。

5 數據存儲平臺運行過程

充電數據存儲平臺的電動汽車充電站內設置的數據中心中存儲各用戶所產生的數據。該充電數據由充電樁收集并上傳到數據中心，用戶對該數據審核后進行加密，以此保護數據安全。下文詳細表述以上運行過程，其中所使用符號及其含義見表1。

表1 各符號對應意義

（1）系統初始化和密鑰分發：系統初始化時，各充電樁被系統管理員設為區塊鏈節點，并將各節點對應的亂序編號和公私鑰發放給各充電樁，表示為。

（2）上傳充電數據：充電樁CS1在采集數據被用戶確認加密后，將向充電站內的數據中心DC1請求交易數據上傳，該請求消息包含CS1的數字簽名Sig1，以此證明該交易數據有效。DC1在接收到該消息后，進行驗證核實，確認無誤后允許該CS1上傳加密后的充電數據。用戶U首先對CS1的充電數據Data進行驗證后使用其個人公鑰加密，然后CS1使用當前代號假名的公鑰加密，并使用自身私鑰對其簽名，最后由DC1的使用自身公鑰PKDC1對該記錄消息加密得到可被寫入區塊鏈的最終數據FR_data，以上所述具體過程如下：

其中：

（3）充電站數據中心聚集充電樁上傳數據：DC1對所有充電樁上傳的FR_data驗證之后，如若數據Data安全有效，即可儲存到DC1中；如果驗證未通過，則直接丟棄該數據。

（4）充電站數據中心工作流程：經過一段時間后，本地數據中心DC1將這段時間中所有合格的FR_data打包為一個數據集表示為：

（5）充電站內數據中心之間的區塊共識過程：該共識過程采用EPBFT共識算法[17]，該數據存儲平臺可將任一數據中心指定為主節點（不妨設為DC1，標記為Leader），其余m個數據中心將成為從節點。具體共識過程如圖4所示。

圖4 EPBFT算法流程圖

步驟1某一從節點數據中心向區塊鏈平臺中所有節點廣播發送一個Dataset，各共識節點（包括主節點）收到交易后驗證交易的合法性，若合法，則緩存起來。主節點待收到足夠的數據或者到一段時間間隔以后，生成一個區塊Block。

步驟2DC1為產生的區塊生成提案消息M，分配一個編號n，并附加上DC1的簽名信息SignSKDC1以及該區塊經哈希之后的哈希值HashBlock以用于其他節點審核驗證其內容。之后向區塊鏈中設置的所有從節點廣播該消息，該消息的格式為＜n,SignSKDC1,HashBlock,Block,timestamp＞，其中Block是需要共識的區塊。從節點i∈{0,1,…,m}在接收到提案消息后對其進行檢驗，如果同意提案消息，則進入快確認階段。以上所述具體過程如下：

其中：

步驟3快確認階段。該數據存儲平臺在進入快確認階段后，各數據中心將把它們的審計結果及各自的數字簽名廣播給其他數據中心從節點，以達到互相監督及查驗的目的。快確認消息格式為＜Fast_Confirm,n,j＞，其中j是其他數據中心自身編號。快確認階段完成的標志為DC1收到2f+1 個從其他不同數據中心收到的與M一致的快確認消息，若到時間超時為止未收到足夠快確認消息，則將該區塊丟棄。其具體表述如下：

其中：

步驟4當數據中心DC1完成快確認階段后，將該區塊連同所有相對應的數字簽名發送給區塊鏈上的從節點。此后，該數據區塊將以區塊內時間戳順序被寫入區塊鏈平臺中。以上所述具體過程如下：

其中：

（6）用戶數據授權共享過程

數據存儲平臺上數據的真正持有者是運營平臺和相關用戶，各用戶在數據產生時便使用其個人私鑰已對其進行加密，用戶有權控制其個人數據是否與他人共享。本文中數據共享通過用戶授權寫入區塊鏈保證使用該數據的合法性和公平性。

數據共享主要包括以下流程：當該運營平臺向用戶請求使用數據并取得用戶同意后，需要用戶接入該數據存儲平臺使用私鑰對其數據揭秘并寫入區塊鏈。各數據中心首先需要驗證用戶身份，達成共識后，該用戶將相應數據解密后，重新使用平臺數據中心的公鑰進行加密寫入該存儲平臺中。具體表述如下：

其中：

6 充電交易平臺實驗仿真

本文實驗使用計算機配置為Interi7-8550U 1.8 GHz處理器和16 GB 內存，Windows10 64 位操作系統，采用Java語言編寫程序模擬讀取電動車充電數據，模擬界面如圖5所示。

圖5 模擬充電

圖5 中顯示的是使用Java 語言編程模擬CAN 協議讀取充電樁充電時電能數據。

本實驗中私有區塊鏈平臺采用Pyhthon3.6 編程語言使用Flask網絡框架搭建，在本地部署區塊鏈后，采用Git-Bash模擬用戶轉賬支付。模擬交易內容如圖6所示。

圖6 交易等待確認

圖6中，正使用賬戶：1d6f36cc1c9d41 05ac72a0c8f7 b39ede（即圖中代碼sender部分所示）向賬戶：8f7b39ede（即圖中代碼recipient部分所示）支付10單位貨幣（即圖中代碼amount 部分所示）的交易。圖中顯示正在等待取得共識完成交易，其中Time spent部分顯示的是等待取得共識的時間，圖中表示已等待了4 s。當取得共識后，該交易數據存儲于區塊鏈中，如圖7所示。

圖7 區塊鏈

圖7 所示區塊鏈內記錄了交易的內容、時間戳、節點簽名等內容，并顯示了該條鏈上的區塊3 以及區塊4的交易內容。Block_number 表示區塊的序號、power表示模擬充電的電能、previous_hash 表示前一個區塊的hash值、sign表示對應數據中心的簽名、transaction則表示發生交易的具體信息，如圖7 區塊4 中則顯示了圖6中所使用的賬戶：1d6f36cc1c9d4105ac72a0c8f7b39ede向賬戶：8f7b39ede支付10單位貨幣的交易信。

此外，為檢驗該平臺使用EPBFT 共識算法的共識效率，將其與PBFT算法進行吞吐量性能比較。將一個塊中包含的交易數固定為10 個。測試了在4、5、6、7 個共識節點下的三組對照實驗。多次測試取平均值，得出統計結果如圖8所示。

圖8 吞吐量性能比較

從圖8 可以看出，實驗中隨著節點數增加，采取兩種共識算法的系統吞吐量逐漸減少，但是采用EPBFT算法吞吐量相對更高，隨著共識節點不斷增多，EPBFT吞吐量優勢更加明顯。由此可見，該方案是可行的。

7 安全性能分析

本文所提基于區塊鏈的充電數據存儲平臺利用成熟的密碼學技術，對傳統的安全攻擊具有良好的抵御能力。且與相關研究所提方案在信息安全保護特點上有所不同，相關比較由表2列出，其中部分性能由下文詳細說明。

表2 安全性能對比

（1）交易數據去中心化存儲。與傳統的數據存儲方式不同，本文所設計的交易數據存儲平臺采用基于區塊鏈架構的去中心化方式存儲交易數據，來保證數據安全，去除了第三方中心化存儲中心。各數據中心之間使用P2P的通信方式，可以有效防止中心化模式下出現的計算資源不足的問題；而若該區塊鏈存儲平臺中部分數據中心節點遭遇到DDOS攻擊時，而其他正常的數據中心節點中依舊可以正常工作并保存著所有的充電數據，可有效避免該存儲平臺全面崩潰。

（2）用戶身份匿名。本文設計的存儲平臺中用戶以及充電樁均采用匿名方式通信，用戶身份信息只是由一串數字表示不記錄真實身份信息，充電樁由平臺分發的代號表示。僅通過充電數據根本無法獲知用戶身份；而且，相關數據在存儲時使用了用戶和充電平臺各自的密鑰加密數據，最大限度地保證了數據安全。

（3）用戶掌握充電數據使用權。用戶在平臺注冊后會得到自己的個人密鑰，每次使用完充電樁后可使用個人公鑰使用加密技術對產生的充電數據加密存儲。若無用戶授權則無法使用該數據，從而保證數據信息安全。

（4）充電交易數據防篡改。對于該充電站內的普數據中心節點而言，即便某個數據中心節點被攻擊者控制來篡改部分數據，但通過共識機制，這些被篡改的數據也會被其他數據中心節點驗證哈希值時發現問題，保證數據的合法性與真實性。

8 結束語

隨著電動汽車保有量的快速增長，充電平臺數據量勢必會大幅增加。傳統的中心化數據存儲方法將越來越難以應對日益增加的海量數據，數據存儲方式將會向去中心化的模式轉變。而區塊鏈技術天然具備去中心化的存儲模式，本文所提的充電數據存儲平臺可將充電站數據實現去中心化存儲，且具有較小成本，解決了交易數據在中心化模式存儲下面臨的安全問題。且由于用戶可使用自己非對稱公鑰加密交易數據，通過授權機制允許他人使用自己的交易數據，可有效限制不法分子私自使用該數據。通過安全性能分析，表明本文所提設計方案安全有效。在未來工作中，可考慮提升底層設備安全防護性能、改進平臺共識機制提高共識效率以及探究實現在線電能交易的方法。