區塊鏈技術在電網業務數據分布式存儲管理中的應用

李 洵，衛 薇，龍 娜

（貴州電網有限責任公司信息中心，貴州 貴陽 550002）

0 引言

信息技術的快速發展，使得人工智能、互聯網、云計算以及大數據等具有代表性的新興信息技術在人們的生產和生活中得到了更加廣泛的應用，同時也為社會帶來了巨大的改變[1]。在現代化的管理體系中，區塊鏈技術已成為互聯網技術的依托，其業務主體之間的交易活動也由傳統的商務模式逐漸轉變為以網絡為交易環境的電子商務交易過程，并對其相關的信息、資金進行管理和控制。電力企業現有的電網云存儲在實際應用過程中具有集中部署、分布式應用等特征，因此對于電力企業的核心網絡而言，其數據信息的傳輸會對網絡造成巨大的壓力，進而導致網絡終端的數據存儲時間不斷增加。并且，隨著數據量的增加延時更加明顯，無法實現對數據的高速傳輸。文中基于區塊鏈技術的優勢對其在電網業務數據分布式存儲管理中的應用進行了研究。

1 基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理

區塊鏈技術是“互聯網+”思維的延伸，可以將其技術優勢應用到智能電網數據平臺的各個方面。電網數據對其平臺框架的安全性、可靠性要求較高，管理平臺要在數據采集存儲的過程中對其進行處理分析。區塊鏈技術是一種去中心化的數據處理技術，具有分布式存儲、信息可追溯、不易篡改等優點，將該項技術應用于智能電網數據系統的技術框架，能夠有效解決電網數據的多源異構、信息存儲等問題。若實現區塊鏈技術與智能電網數據平臺的無縫對接，首先要論證二者之間的兼容性。

1.1 電網業務數據分布式存儲管理整體架構

根據區塊鏈技術的優勢，構建電網業務數據分布式存儲管理的整體架構，在網絡邊緣區域利用可支持軟件定義網絡的控制器，提供網絡的拓展性，從而滿足電網業務數據不斷增長的存儲需要[2]。再采用云計算的延伸技術—霧計算技術將電網業務數據的存儲模式改變為分層存儲。通過在電網中設置大量的霧節點，實現對本地存儲設備和終端存儲設備的實時管理，降低電網核心網絡中的數據流量，提高對數據存儲和讀取的速度。圖1為電網業務數據分布式存儲管理整體結構。

圖1 電網業務數據分布式存儲管理整體結構

電網業務數據分布式存儲管理整體架構共分為三層，分別為業務數據采集層、基于區塊鏈的霧節點層以及核心云存儲層[3]。業務數據采集層主要分布在電網業務邊緣，用于對各類智能電網業務服務設備產生的實時數據進行采集，同時也負責對用戶終端的業務數據進行傳輸，再將本地形成的完整業務數據過濾，最終發送代入計算層當中，并通過請求完成數據存儲服務[4]。基于區塊鏈的霧節點層中，包含設備層中過濾獲取的原始業務數據，霧節點層的組成主要為分布式軟件定義網絡的控制器。當存儲層需要將業務數據存儲時，霧節點層立即將處理后的數據輸出到核心存儲層中。同時，霧節點層還可為電網業務提供定位服務，并由云存儲層提供對電網業務數據的監控，通過相應的算法對大規模電網事件進行實時監測和行為分析等[5]。核心云存儲層中，文中基于區塊鏈技術的安全性和低成本優勢，構建按需訪問的核心云存儲架構，通過霧節點層搜索、查詢、采集到的所有電網業務數據都可以存儲在核心云存儲層當中。由于霧節點層和云存儲層均采用區塊鏈技術，兩層中均包含分布式軟件定義網絡控制器，因此選用分布式連接方式連接。

根據分布式數據的類型，將電網業務數據劃分為五種，分別為CFH、CFHL、DID、SDIR、DIDI，其中第一種類型當中包含了分布式電網業務數據的具體內容信息；第二種類型當中包含了分布式電網業務數據的長度數值；第三種類型當中包含了分布式電網業務數據在數據化處理后，獲取到的源數據及記錄信息；第四種類型當中包含了分布式電網業務數據在存儲當中的具體結構特征；第五種類型當中包含了分布式電網業務數據的自動增長標識。將各類分布式電網業務數據，再利用壓縮技術，將存儲數據的磁盤占用空間進一步縮小，有利于提高電網全業務數據傳輸的效率。可利用壓縮技術壓縮的數據主要包括數據記錄數量、數據長度集合等。

在電網邊緣部署配備分布式軟件定義網絡的交換機多接口基站，多接口基站作為業務數據網管聚合從本地智能電網設備及用戶終端的所有業務數據流。基于區塊鏈技術的霧節點中存在的分布式控制器還可以為電網業務數據的管理人員提供可以編程的網絡接口，從而提供更多的網絡功能。通過霧節點對電網業務數據分布式存儲進行訪問，完成對數據存儲服務的部署。當霧節點層中沒有充足的計算和資源對電網業務數據處理時，可以將霧節點層中的存儲負載通過分布式接口轉移到核心云存儲層當中，對電網業務數據進行實時處理。在網絡分布式云存儲環境的邊緣位置，還需要部署配有軟件定義網絡交換機的多接口基站。軟件定義網絡控制器采用區塊鏈技術形成分布式連接模式，并在每個軟件定義網絡控制器當中利用分析功能以及分組遷移功能對其進行授權處理，從而達到在飽和攻擊期間對電網業務數據的保護。利用多接口基站實現對數據網關的聚合，并從電力企業本地智能電力網絡當中發出所有原始數據流。霧節點中特有的軟件定義網絡控制器還可以為分布式云存儲環境提供編程接口，以提供各類基本的網絡操作功能。同時，霧節點還可通過電力企業的通信網絡訪問分布式電網業務數據，從而使數據存儲服務的部署更加靈活。當霧節點中沒有足夠的算法以及電網業務數據時，霧節點還可將分布式云存儲環境中的存儲負載轉移到核心云存儲當中，減輕對電網業務數據的存儲負擔。

1.2 建立基于區塊鏈技術的管理機制

采用工作量證明作為文中基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理的管理機制，保障在區塊鏈之間發生的所有業務數據交換能夠被大量加密節點通過。傳統區塊鏈技術中通常采用工作量證明的方式建立一種單跳協議，利用該協議保證在存儲管理過程中各個區塊鏈之間發生的令牌交換會大量被加密處理的節點所批準。在文中基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理方法中，除利用區塊鏈之外還需要更多的處理操作，例如存儲性能、文件傳輸以及數據采集等，上述處理操作都會造成成員之間的令牌發生交換，因此還需要另一種協議對區塊鏈的令牌交換進行證明，并準確判斷其正確性。同時在區塊鏈以外還要對云存儲性能、文件傳輸以及業務數據的采集等均涵蓋在管理機制當中[6]。因此，還需要另一種機制保證管理機制的準確性評估，并證明區塊鏈之間電網業務數據的準確交換。選擇權益證明和工作量證明兩種構成完整的管理機制，圖2是基于區塊鏈技術的管理機制示意圖。

圖2 基于區塊鏈技術的管理機制示意圖

圖2中N-1和N0表示為成熟區塊鏈；N1、N2、N3、N4表示為工作證明協議的塊鏈；M1、M2、M3表示為權益證明協議的塊鏈。虛線部分表示第一個躍點，實線部分表示第二個躍點。所有N區塊都是由第一個躍點中的工作證明協議節點生成，而所有M區塊都是由第二個躍點中的權益證明協議節點生成[7]。由圖2中各個區塊的連接方式可以看出，工作證明協議與權益證明協議在每個時間步驟中自動編排成由，并且工作證明協議與權益證明協議之間的區塊鏈是交替擴展的。為了使各個區塊鏈之間的編織更加緊密，在圖2的基礎上，對每個工作證明協議區塊映射一個權益證明協議，保證兩個協議之間的關聯性。通過這種映射方式可以使所有有效的工作證明協議鏈具備與其對應的權益證明協議鏈的相同長度，實現對電網業務數據分布式存儲的有效管理。

對于動態業務數據的存儲機制可采用多級訪問控制的方式，為業務數據信息在相鄰實體之間提供動態修改，圖3為動態業務數據對應的所有權轉移過程。

圖3 動態業務數據對應的所有權轉移過程

圖3中PKn表示為各層實體生成的密鑰，可用于相鄰層之間的溝通，并允許相鄰實體間溝通[8]。以實體n層和實體n+1層為例，實體n作為發送方，實體n+1作為接收方，設置實體n的動態數據編碼為Xn。當對完整的電網業務數據進行簽名時，雙方可能會出現存儲完整信息量大或非對稱加密技術造成計算量大，處理速度減緩的現象，因此，當相鄰層實體在通信的過程中采用文中提出的動態業務數據存儲機制——二次分散迭代機制，將發送方的公鑰與消息同時作為動態數據輸入，并通過獲取到的運算消息認證碼完成對動態業務數據存儲的管理。

基于區塊鏈技術對電網業務數據存儲負載層面分析，引入Redis技術，依照分布式存儲搭建模式，將統一格式處理后的數據按照標準管理方式對電網業務數據管理流程進行設計，傳統管理模式采用中央處理器或內存的使用評估代價，但存在管理不夠全面的問題[9]。因此，文中基于區塊鏈技術的管理機制中還需要增加負載代價思路，將響應時間作為評估管理效率的關鍵依據，從多個角度對電網業務數據的管理精準化進行定位和分析。在文中機制實際運用過程中，完成對多類電網業務數據存儲效果的實時統計。當完成對執行處理任務管理質量評價后，再將結果作為基礎，確定各個影響數據管理有效性的影響因素，通過基于區塊鏈技術的管理機制，實現對分布式電網業務數據的管理監督。

1.3 分布式存儲管理安全策略

文中基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理在區塊鏈中使用匹配算法，并根據存儲的電網業務數據請求將業務數據請求鏈接到存儲資源上，為其提供節點。在核心云存儲層中，匹配算法可以保證為存儲的業務數據提供基本要素，當業務數據存儲出現問題時可通過相應的安全策略實現對業務數據的安全管理。為了保證精準識別到業務數據分布式存儲時的異常行為，首先要對每個電網業務數據進行捕獲，為了使配置終端的節點之間相互連接，文中設置受信任的控制器使用流量模型消息指導轉發設備，攻擊者使用網絡通信協議控制消息的子集[10]。利用數據包解析設備對業務數據在傳輸過程中進行實時的動態監測，并將檢測結果傳輸到數據包中。

解析后的數據包以構建或修改連接的方式接入到電網當中，再將拓撲交換元數據的改寫過程對應的數據內容與安全策略中的攻擊區域劃分。分布式軟件定義網絡域中包含的三個元素可以對電網中每個業務數據進行精準概述。

其次在電網業務數據分布式存儲前還需對其進行驗證。驗證步驟分為兩步：離線生成路徑、在線生成匹配規則。離線生成路徑是利用傳統的符號算法對可能存在的路徑進行導航，并采集所有符合條件的路徑信息。為了防止在業務數據存儲過程中增加對存儲系統的開銷，因此選用離線生成[11]。在線生成匹配規則用于對全局變量進行監督，并根據當前數值對不同狀態的路徑分配，在已生成的路徑條件中，輸入變量并將變量符號化，使其能夠在匹配數據規則時完成對每個狀態路徑的解析。

根據不同的存儲問題，設置遷移代理。當接收到報警信息時，遷移代理可以快速識別攻擊類型并做出正確的決策。當攻擊期間出現飽和時，遷移代理可觸發解析設備中的舊規則并生成新的規則，當業務數據處于緩存狀態時，遷移代理還可以將數據包中丟失的數據找回。在數據新規則生成的過程中，遷移代理將所有缺失的數據遷移到數據包中并對數據緩存，保證數據包不會被其他業務數據淹沒或造成存儲系統出現過載現象[12]。

在分布式云存儲環境當中，通過調度策略可將一組電網業務數據任務分配到存儲資源上運行。由于存儲管理方法的性能主要取決于其效率大小，因此對于任何一種分布式存儲方式而言，調度策略都是十分關鍵的分布式存儲管理安全策略。在調度策略當中，主要包含用于調度電網業務數據的存儲任務以及選擇需要進行存儲資源的若干策略計算方法。例如，當用戶端希望獲取最佳的存儲性能時，會造成存儲的成本增加，但用戶端還希望在最佳存儲性能的同時，保證成本的最小化[13]。因此，文中提出的基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理方法，結合CLOUDRB技術，可以有效實現對云存儲環境中各項資源的高效管理以及安全調度。在實際存儲電網業務數據調度的應用過程中，還應當根據業務數據的可靠性以及資源置信度等眾多影響因素，對調度策略的偏好進行設置，從而找出符合用戶偏好的調度策略。

在電網業務數據分層式存儲管理框架的核心存儲層中設置數據緩沖帶，并將其作為數據的臨時存放區，用于當核心存儲層發生飽和或受到攻擊期間緩存可能丟失的數據包。當核心存儲層出現泛洪攻擊或數據量突增時，通常情況，泛洪數據包或過載數據包會被轉移到定向緩存區域中[14]。當數據緩存接收到遷移的業務數據包時，通過對數據包的標頭進行解析，并使用生成設備和分類設備將其存儲在相應的緩存區隊列中，保證存儲在核心存儲層的電網業務數據的完整性[15]。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

針對文中提出的基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理方法，建立相同的實驗環境，將其與傳統管理方法進行仿真實驗。實驗通過使用吞吐量性能指標對兩種管理方式的仿真模擬進行評價。為準確模擬出實際電網運行過程中，大量智能電網設備以及用戶輸入終端與網絡邊緣的連接，形成基于區塊鏈技術的分布式云存儲環境，用于兩種管理方法執行各類數據采集、傳輸以及存儲任務。文中對比實驗的實驗環境選用5臺計算機設備組成的模擬實驗環境，每臺計算機的功能及配置如表1所示。

表1 各計算機功能及配置參數對應表

當計算機運行時使用TFN2K設備工具作為攻擊方，對電網業務數據進行隨機的攻擊。分別選用文中提出的基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理方法與傳統管理方法對電網業務數據存儲進行管理，設文中管理方法為實驗組，傳統管理方法為對照組，對兩種方法的數據吞吐量進行比較。

2.2 實驗結果及分析

根據上述實驗準備，完成對比實驗，并將實驗過程中產生的數據信息進行記錄，繪制成如圖4所示的實驗結果對比圖。

圖4 實驗組與對照組實驗結果對比圖

由圖4中的實驗結果的數據對比可以看出，在完成3 000個存儲服務時，實驗組的數據吞吐量明顯高于對照組。在實驗進行中，文中管理方法在分布式云環境中采用智能調度裝置，實現了對電網業務數據存儲的負載均衡處理，將不同的應用程序以及相關一系列任務在最近的霧節點服務器當中執行，有效減少了核心云存儲服務器上執行所有任務的開銷。因此，通過實驗證明，與傳統的網絡業務數據存儲管理方法相比，文中提出的基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理方法可為存儲系統提供更高的吞吐量，同時因為網絡邊緣具有服務可用性。因此，文中方法也進一步實現了對存儲效率的提升，從業務數據存儲到網絡邊緣時存儲系統的執行時間更短，更符合當前電力企業的運行模式需求。同時，文中在進行仿真實驗的過程中還利用測量可以檢測并減輕網絡邊緣飽和度以及攻擊速度，對兩種管理方法進行評估，進一步驗證文中管理方法的準確性。

3 結語

綜上所述，文中提出了一種基于區塊鏈技術的電網業務數據分布式存儲管理方法，基本上滿足了當前電力企業中對電網業務數據存儲的安全性和高效性需要。隨著互聯網技術的普及，區塊鏈技術也將得到更廣泛的應用，電網業務數據存儲管理體系也將結合云計算、物聯網以及大數據等新興技術，將傳統以業務為中心的管理模式逐漸轉向為以數據信息為中心的管理模式，從而實現更加高效的電網運行。同時區塊鏈技術的安全性也可實現業務信息的安全管理，防止客戶重要信息的泄露。