基于改進Raft算法的電力數據共享機制

朱紅勤，王黎明，霍雪松，張 明

(1.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司電力調度控制中心，江蘇 南京 210019；2.國網江蘇省電力有限公司 電力調度控制中心，江蘇 南京 210000)

隨著智能電網的快速建設和應用，變電站智能電表的數量快速增加。變電站智能電表可以自動采集變電站運營的各項關鍵數據，極大方便了電力公司的運營，提升了電力用戶用電的服務質量。由于電力公司需要各個變電站互相協作，才能最大化電力公司的運營收益，所以，各個變電站智能電表數據需要在電力公司內部實現共享。如何實現電力公司內部變電站智能電表之間數據的安全共享，已成為一個重要的研究內容。

由于區塊鏈技術具有去中心化、可靠性高、數據防篡改等優點，已被應用到多個領域[1]。文獻[2]將區塊鏈技術應用到物聯網體系架構中，有效提升了物聯網體系的安全能力。文獻[3]將區塊鏈技術應用到大客戶電力交易體系中，提升了電力需求方的滿意度和電力公司的收益。文獻[4]針對區塊鏈架構中存在的密鑰容易丟失、協議存在安全漏洞等問題，提出了一種新的基于區塊鏈的能源數據安全防護體系。文獻[5]將博弈論理論應用到區塊鏈環境下的電網能源交易市場，提升了電力交易各方的積極性。文獻[6]針對智能電表數據匯聚到電力調度中心時容易發送泄露的問題，采用私有鏈技術、假名策略等技術提升了數據的安全性。文獻[7]將智能合約技術與智能電網數據存儲業務需求進行關聯，優化了區塊鏈中的數據保存機制，提升了智能電網數據的安全性和隱私性。

從已有研究分析可知，區塊鏈技術已被應用到電力系統，并且在電力系統的安全架構方面取得了較多的成果。但是，電力公司內部變電站智能電表之間數據的安全共享問題并沒有被很好的解決。為解決此問題，本文采用聯盟鏈技術，提出基于區塊鏈的電力數據共享模型，將Raft算法應用到數據的安全共享機制中，設計了基于改進Raft算法的電力數據上鏈流程、領導者選擇流程、電力數據共享流程，最后通過實驗驗證了本文算法在數據安全性方面的性能。

1 基于區塊鏈的電力數據共享模型

為實現電力數據在電力公司內部的安全共享，電力公司根據地理位置及環境特點，建設多個電力調度中心。每個電力調度中心對其范圍內的電力信息采集數據進行收集和整理。考慮到區塊鏈技術具有數據的不可篡改、分布式安全存儲數據的特點，本文采用區塊鏈技術實現數據的安全管理。由于本文主要解決電力公司內部數據的安全共享問題，各個電力調度中心具有內部網絡管理的特性，所以，本文采用聯盟鏈技術去解決此問題。基于區塊鏈的電力數據共享模型如圖1所示。電力公司的各個電力調度中心構成區塊鏈節點，實現電力數據的安全管理和存儲。電力信息采集終端部署數據采集傳感器，實現電力數據的采集。

圖1 基于區塊鏈的電力數據共享模型Fig.1 Power data sharing model based on blockchain

各個電力調度中心將自己管轄范圍內的電力信息采集終端的數據采集之后，可以在自己的電力調度業務中充分利用這些數據。但是，當電力調度中心需要其他電力調度中心的數據時，需要通過安全的數據共享機制，才能保證數據的安全使用。考慮到共識機制是區塊鏈技術中實現數據安全共享的關鍵機制，本文對共識算法進行詳細研究。其中，共識機制是指區塊鏈節點之間共同協商從而實現數據的驗證工作。通過共識機制，可以有效解決各個電力調度中心賬本數據不一致的問題。

考慮到Raft算法是一種高效的基于狀態機理論的分布式數據一致性算法，具有使用方便、容易理解等優[8]。本文采用Raft算法實現各個電力調度中心數據的共識機制。Raft算法包括領導者、候選者、跟隨者3種角色。通過領導者、候選者、跟隨者3種角色的相互配合，可以實現區塊鏈賬本的一致性。但是，由于Raft算法缺少對數據內容的保密性、完整性驗證，容易導致數據被篡改的問題。為解決此問題，本文基于電力調度中心之間數據共享的需求，提出基于改進Raft算法的電力數據共享機制。該機制主要包括電力調度中心之間的領導者選擇流程、電力數據共享流程2個流程。

基于上述分析，要實現電力調度中心之間數據的安全共享，需要實現電力數據上鏈流程、領導者選擇流程、電力數據共享流程3個基本流程。

2 電力數據的上鏈流程

基于本文提出的基于區塊鏈的電力數據共享模型，電力數據的上鏈流程包括電力信息采集終端生成密鑰信息、電力信息采集終端向電力調度中心注冊、電力調度中心為電力信息采集終端生成標識、電力信息采集終端向電力調度中心提交數據上鏈申請、電力數據上鏈5個過程。詳細流程如圖2所示。

本欄目主要刊載反映臨床醫學各學科的研究結果、方法技術、新發現、新進展等方面的學術論文，旨在提供臨床經驗學習與交流的平臺。按不同的論文格式和內容分為論著、臨床分析、療效觀察、病例報告、誤診誤治、實驗研究、診療體會、綜述等子欄目。

圖2 電力數據上鏈流程Fig.2 Power data on-chain process

(1)電力信息采集終端使用密鑰生成工具生成私鑰、公鑰。

(2)電力信息采集終端采用私鑰對身份信息進行數字簽名后，提交給電力調度中心進行注冊。

(3)電力調度中心審核電力信息采集終端的身份后，為其創建身份標識，便于數據的上鏈存儲。

(4)電力信息采集終端將自己的身份信息以及數據的哈希值提交給電力調度中心，并包含詳細的數據上鏈申請的信息。

(5)電力調度中心根據智能合約的規則，自動實現電力信息采集數據的上鏈操作。

3 領導者選擇流程

電力調度中心之間的領導者選擇過程中，為提升區塊鏈系統的容錯能力，本文將候選者收到的投票數量提升到2/3節點數量，這樣可以有效避免網絡惡意攻擊導致的領導者欺騙攻擊。領導者選擇流程如圖3所示。

圖3 領導者選擇流程Fig.3 Leader selection process

由圖3可知，該流程包括候選者節點發出申請領導者角色請求、身份認證并制定投票決策、收到超過2/3贊成票的候選者提交聚合簽名消息、跟隨者對聚合簽名信息進行確認、最先收集到2/3贊成票的候選者成為領導者5個過程。詳細的電力調度中心之間的領導者選擇流程如下。

(2)跟隨者收到候選者的加密信息后，根據候選者的身份信息查找其公鑰，并對申請信息解密，如解密成功，投票對當前的候選者進行支持。否則，放棄投票或投拒絕票。

(3)當候選者收到超過2/3贊成票后，使用聚合簽名算法將贊成票進行聚合簽名，從而生成聚合簽名消息。為防止聚合簽名消息被篡改或竊取，發送前使用自己的私鑰對消息進行簽名。

(4)跟隨者收到候選者的聚合簽名信息后，按照收集到的消息順序，逐個進行身份認證。身份認證的過程中，使用候選者的公鑰信息進行解密，如解密成功，向候選者返回認證通過，并反饋同意其成為領導者的回復。

(5)候選者集合中的所有候選者對其接收到的候選者確認信息進行匯總，當收集到超過2/3的其他節點贊成其為領導者的投票后，觸發智能合約的領導者選擇規則，立刻成為本次競爭中的領導者。

4 電力數據共享流程

電力數據共享中存在的數據安全風險包括領導者篡改或竊取其他電力調度中心的數據、數據共享參與方篡改或竊取其他電力調度中心的數據2種。對于領導者篡改或竊取其他電力調度中心的數據的風險，預防措施為數據共享各方之間采用數據簽名技術和數據哈希值技術，實現數據的真實性認證。如發現數據被領導者篡改，采取罷免領導者措施，重新選擇新的領導者。對于數據共享參與方篡改或竊取其他電力調度中心數據的風險，預防措施同樣為數據共享各方之間采用數據簽名技術和數據哈希值技術，實現數據的真實性認證。如發現數據共享參與方篡改或竊取其他電力調度中心的數據，采取踢出區塊鏈節點的措施，將其從區塊鏈中刪除。

基于上述分析，本文提出的電力數據安全共享流程包括數據請求方向領導者提出數據使用請求、領導者對數據請求方的身份和數據是否可用進行驗證、領導者向數據提供方提出數據使用請求、數據提供方對領導者身份進行驗證并回復數據是否可用、領導者轉發數據提供方屬性信息給數據請求方、數據請求方與數據提供方協商通信模式并建立連接6個過程(圖4)。詳細的電力數據安全共享流程如下。

圖4 電力數據安全共享流程Fig.4 Electricity data security sharing process

(1)數據請求方向領導者發送自己的身份信息、請求數據的標識信息、使用時長和用途信息。

(2)領導者基于數據請求方提供的信息，驗證數據請求方的身份信息，以及該身份對數據是否具有訪問權限。如數據請求者對數據具有訪問權限，領導者進一步查找數據提供方信息。

(3)領導者將數據請求信息發送給數據提供方，并等待數據提供方的回復信息。

(4)數據提供方基于領導者的公鑰信息，對領導者的身份信息進行驗證。驗證通過后通過分析數據提供方的身份信息和數據使用方法，給領導者回復數據是否可用。如回復數據可用，領導者將數據提供方的身份屬性發送給領導者。

(5)領導者收到數據提供方的身份屬性信息后，將其轉發給數據請求方。

(6)數據請求方基于數據提供方基本信息，在區塊鏈中查找數據提供方并取得連接權限。數據請求方與數據提供方協商通信模式包括加密方式、通信策略、數據格式等內容。協商成功后，建立的連接可實現數據的安全共享。

5 性能

為驗證本文算法對數據共享性能的影響，使用虛擬化技術部署了6個虛擬機集群。每個虛擬機模擬一個電力調度中心。在算法比較方面，將本文的基于改進Raft算法的電力數據共享機制(power data sharing mechanism based on improved Raft algorithm，PDSMoIRA)與基于Raft的電力數據共享機制(Raft-based power data sharing mechanism，RPDSM)進行比較。算法指標方面，從數據存儲時延、數據讀取時延兩個方面對算法性能進行評價。

數據存儲時延比較結果如圖5所示，X軸表示不同電力終端數據采集設備數量，從50個增加到500個，Y軸表示這些數據采集設備的數據從采集結束到存儲在區塊鏈中的時間開銷。從圖5可知，隨著電力終端數據采集設備數量的增加，兩個算法下數據存儲時延都在快速增加。兩個算法的性能比較方面，本文算法下數據存儲的時延都高于比較算法。但是，隨時數據采集設備數量的增加，兩個算法的數據存儲時延區別較小，說明本文算法的性能與比較算法性能類似。實驗結果表明，在保證數據安全共享的前提下，本文算法的數據存儲時延較小。

圖5 數據存儲時延比較Fig.5 Data storage latency comparison

數據讀取的時延比較結果如圖6所示。

X軸表示不同電力終端數據采集設備數量，從50個增加到500個，Y軸表示電力調度中心提出數據請求到獲得數據的時間開銷。從圖6可知，隨時電力終端數據采集設備數量的增加，2個算法下數據讀取的時延增加較快。2個算法的性能分析方面，本文算法的數據讀取的時延都高于比較算法，這是因為本文算法相對于比較算法需要較多的時長用于數據防篡改處理。

從上述實驗結果分析可知，本文算法PDSMoIRA比算法RPDSM在數據存儲和數據讀取方面都消耗了較多的時間。但是，增加的時長在可控的范圍內。隨著服務器性能的提升和虛擬化技術的成熟應用，可通過提升電力調度中心服務器性能等措施來提升算法性能。

6 結語

為提升電力公司內部變電站數據的安全共享能力，本文采用聯盟鏈技術去解決此問題，提出了基于區塊鏈的電力數據共享模型，基于改進的Raft算法，設計了電力數據的上鏈流程、領導者選擇流程、電力數據共享流程。通過實驗，驗證了本文算法在保證數據安全共享的前提下，較小的增加了數據讀取和存儲的時延，較好的解決了數據安全共享問題。為進一步降低數據存儲和讀取的時間開銷，下一步工作中，通過采用提升運行環境性能、優化數據共享模型等措施，降低數據存儲和數據讀取的時間消耗。