基于區塊鏈的電力數據共享技術研究

閔思凱

（華北電力大學，北京，102206）

隨著電網信息化的建設及深化應用，各類業務數據急劇增長，電力數據表現出類別多、規模大、價值高但稀疏等特征。因此，如何對電力數據進行高效的管理，實現電力數據的安全共享與交易是推進電力行業發展的重要元素之一。現階段的電力數據面臨許多問題，主要概括為以下兩點：電力數據集中存儲在電網公司、電力生產企業、能源數據商的數據庫中，各主體間數據不共享導致信息孤島問題；電力數據中存在大量敏感數據，涉及到設備信息、運營機密、客戶隱私等，不宜對外部開放。因此需要提出一個僅限于電網公司、可信的發電企業、能源數據服務商等主體間共享電力數據的可行方案。傳統電力數據共享平臺是以中心化的存儲方式對數據進行管理[1]。陰皓等[2]圍繞電力數據跨部門統一、集中管控的理念搭建數據資源平臺，實現了數據管理的流程化、規范化;胡如一等[3]進行電力數據融合共享平臺研究，對電網各渠道的數據進行集中接入與整合。上述研究解決了對電力數據進行集中式管理解決共享問題，但這種管理模式存在數據流向不明、單點失效等問題。

而區塊鏈技術的出現，為電力數據共享帶來了可行方案，其去中心化，可溯源，不可篡改等特性能很好的解決上述傳統電力數據共享方案中存在的數據確權難、敏感數據保護、數據溯源難等問題。目前，基于區塊鏈進行數據共享與交易的研究逐漸出現。張學旺等[5]結合區塊鏈與可信計算技術提出一種數據共享方案，利用區塊鏈技術實現數據確權與數據溯源，利用可信計算技術實現在不泄露數據明文的狀態下共享數據。周正強等[6]提出基于聯盟鏈的醫療數據安全共享方案，結合智能合約和屬性基加密技術實現了具有時間維度訪問控制的醫療數據共享。王柯元等[1]以Hyperledger Fabric為框架搭建電力數據資產化與交易系統，解決敏感數據濫用問題。上述文獻對電力數據共享的研究提供了參考，但仍存在數據存儲、共享與交易規范、敏感數據保護的問題。

本文針對電力數據的共享與交易問題提出了一種基于區塊鏈的電力數據共享方案，并根據業務需求設計了基于聯盟鏈的電力數據共享平臺。

1 區塊鏈技術及IPFS

(1)區塊鏈技術起源于比特幣[7]，比特幣是一種完全去中心化的電子代幣系統，系統中能由一方不通過中間機構直接發起并支付給另一方。而區塊鏈技術并不是全新的技術，而是由塊鏈式結構、點對點通信、共識機制、智能合約等一系列計算機技術結合使用誕生的。

區塊鏈技術采用塊鏈式數據結構，將版本號、時間戳、Merkle數等信息存儲在區塊頭中、交易數存儲在區塊體中，并將前一區塊的哈希值索引保存在當前區塊的區塊頭中形成鏈式鏈接，區塊鏈利用這一數據結構來存儲并驗證數據。同時，區塊鏈技術構建P2P網絡并利用密碼學技術實現數據安全傳輸和訪問，使得每個節點的信息都能擴散到整個網絡中，且每個節點都存儲完整的網絡信息。在區塊鏈系統運行過程中，每個節點都根據共識算法，參與執行、驗證和記錄相同的交易。因此，區塊鏈技術能夠在沒有任可信的中間機構背書的情況下，使匿名節點間進行交易，建立一個去中心化、去信任化的網絡。

(2)星際文件系統（Inter Planetary File System,IPFS）是由一個全球性的點對點分布式文件系統。不同于傳統云存儲平臺基于域地址尋址，IPFS基于內容尋址。將任何格式的數據存儲在IPFS前，都會先進行哈希運算，并生成數據內容對應的Hash值，每個文件的Hash值都是其唯一的地址，通過對應的Hash地址即可返回原文件。基于內容尋址的方式有以下優點：防篡改，通過對比Hash值是否改變，可以直接確認數據是否被篡改;節省存儲空間，相同內容的數據塊Hash值是相同的，通過對比Hash值可以去除重復數據。

2 電力數據共享方案

電力數據共享的應用場景中涉及電力數據的安全存儲、敏感數據保護、可信共享以及授權訪問等問題，傳統的數據共享方案無法有效解決上述問題，而本文基于區塊鏈技術不可篡改、去信任化、可溯源等特性提出一種全新的數據共享方案。

(1)業務需求分析。目前，電網公司、發電企業、能源數據商等不同主體的電力數據都存儲在各自企業的數據庫中，由于電力數據的敏感性導致各主體間數據共享業務流程復雜，效率低下。本文基于區塊鏈的數據共享方案核心需求是在監管部門的監管下，實現各個實體之間點對點的數據共享。數據擁有者可以將數據資源發布到區塊鏈網絡中，數據請求者可以篩選數據資源并向數據擁有者發出共享請求，在數據擁有者以及監管部門同意請求后，數據請求者獲取數據資源訪問權。

(2)應用場景分析。本文方案涉及以下兩種應用場景:第一個應用場景是電力數據的存儲和發布，涉及到數據所有者這一角色，數據所有者需要將加密后的共享數據上傳到存儲中心，并將描述數據資源的元數據上傳到區塊鏈網絡中。第二個應用場景是電力數據的共享，該場景涉及到兩三個角色，分別是監管部門、數據擁有者和數據使用者，數據使用者通過智能合約向數據擁有者請求共享，數據擁有者以及監管部門審核通過后數據共享請求后，數據使用者獲取并訪問數據。

(3)基于區塊鏈的電力數據共享方案設計。方案涉及到以下四個角色:管理員、數據擁有者、數據使用者以及監管部門。管理員負責分配角色賬戶信息；數據所有者是數據的共享者，擁有數據的絕對訪問控制權，通過授予其他角色數據訪問權限實現數據共享；數據使用者是數據的需求方，通過向數據所有者申請共享數據獲得訪問權限；監管部門是電網總部，電力數據的敏感性決定了數據共享必須在管控下進行，監管部門需要對數據請求者的共享請求進行審核。本方案主要分為兩個部分，分別是數據的存儲發布、數據的訪問授權。

首先是電力數據的存儲與發布，由于電力數據文件通常占用數百至上千兆字節的存儲空間，考慮到區塊鏈網絡的區塊大小以及處理事務的效率，本文采用云存儲平臺IPFS來存儲原始的電力數據。為防止存放在IPFS中的數據受不法分子的惡意盜用，數據所有者首先通過非對稱加密算法加密數據，再將上傳到云存儲平臺IPFS上，IPFS會產生原始數據的哈希地址（即數據獲取方式）。數據擁有者將描述數據資源的元數據、原始數據獲取路徑以及秘鑰上傳區塊鏈網絡中進行共享資源的發布。

然后是電力數據的共享與授權訪問。數據共享過程如圖1，初始狀態下只有數據擁有者可以查看區塊鏈中數據資源的獲取路徑及秘鑰的明文，區塊鏈中的其他節點智能看到獲取路徑及秘鑰的密文顯示。若要訪問并查看數據，需要和數據擁有者請求共享數據的訪問權限，數據使用者登錄系統后可以篩選系統中可共享的數據，數據使用者可以選擇需要的數據向數據擁有者發起共享請求，該共享請求包括發起時間，及數據使用者的信息。該請求將被上傳至區塊鏈賬本中，數據擁有者有權同意或者拒絕該共享請求，若同意該請求，監管部門節點將審核該請求，只有當監管部門審核通過時，數據使用者才能獲得查看數據獲取方式及秘鑰明文的權限。最后是數據的訪問，數據使用者經過上述步驟獲得訪問權限后，可根據數據獲取方式從IPFS中下載原數據，并使用獲取的秘鑰解密原始數據。

3 電力數據共享平臺設計

通過對上述電力數據共享方案的分析，系統架構設計如圖2所示。本系統主要包括以下四個模塊:用戶信息管理模塊、數據存儲模塊、數據共享模塊以及授權訪問模塊，下文將分別介紹四個模塊的設計。

圖2 系統架構圖

用戶信息管理模塊:該模塊功能是負責監管部門、數據所有者及數據使用者的身份驗證及用戶信息管理。管理員擁有最高權限，對用戶進行身份驗證，為用戶創建賬號并進行信息管理，該賬戶包含身份標識以及公私鑰，身份標識用來關聯真實身份與權限，公私鑰用于數據交易的簽名。

數據存儲模塊：平臺的功能之一就是存儲電力數據，實現數據的安全存儲。各種類型的電力數據通常需要占用百兆字節的存儲空間。而聯盟鏈中單個區塊的存儲峰值只有六十兆字節，若采用切片鏈上存儲的方式區塊鏈網絡處理事務的效率將大幅下降。因此本文存儲模塊采用脫鏈存儲的設計，通過AES–256算法對電力數據進行加密后存儲在IPFS平臺上，IPFS平臺采用基于內容尋址的存儲方式，數據的存儲地址為哈希值，能有效防止數據篡改問題。存儲完成后，數據所有者生成描述電力數據資源的元數據。

數據共享模塊：平臺的主要功能是實現數據所有者與數據使用者間的數據共享，數據共享主要分為數據使用者檢索數據、數據使用者向數據所有者申請共享、數據所有者處理請求、監管部門審核申請這四個階段。數據使用者檢索數據：為便于數據使用者獲取所需數據，提供關鍵字檢索功能，檢索的關鍵字內容包括數據標題、數據所有者、數據描述等。數據使用者發起共享請求：檢索到所需數據后，數據使用者向數據所有方發起共享請求，系統將該共享請求寫入區塊鏈賬本中。數據所有者處理共享請求：數據所有者查看申請信息，申請信息中包含數據與數據使用者的相關信息，數據所有者若拒絕請求，則本次共享申請被駁回。若所有者接受請求，則需要監管部門對本次共享請求進行審核。監管部門審核申請：監管部門登錄系統，查看需要審核的共享請求，查看數據共享雙方的相關信息，若審核駁回，本次共享失敗，若審核通過，則通過智能合約賦予數據使用者數據訪問權限。

訪問授權模塊：根據業務需求，僅有通過共享申請的數據所有者才能獲得數據訪問權限，基于智能合約設計了訪問授權模塊。數據所有者將描述數據資源的元數據與存儲在IPFS上原始數據的地址與秘鑰上傳到區塊鏈中，寫入分布式賬本中。為限制僅允許擁有訪問權限的用戶查看數據存儲地址與秘鑰，首先通過SHA–256算法對存儲地址與秘鑰進行運算生成哈希值密文，并通過智能合約限制僅向擁有訪問權限的用戶顯示明文，其余用戶顯示密文。

4 總結

本文針對電力數據的特征與面臨的問題，分析電力數據共享的業務需求和應用場景，提出了基于區塊鏈的電力數據共享方案，并設計了基于聯盟鏈的電力數據共享平臺，包括用戶管理、數據存儲、數據共享、訪問授權四個模塊，可在監管下實現用戶管理、數據共享、數據共享溯源等功能。