電網區塊鏈多層次日志數據分布式存儲方法

蔡璽，張文軒

（甘肅同興智能科技發展有限責任公司，甘肅蘭州 730000）

電力行業日志數據存儲的主要結構特征是集中式部署和分布式應用，這一方式為核心網絡帶來了巨大的通信壓力，造成了端到端的數據存儲時間增長。隨著智能電網、新型電力設備的不斷更新以及電網信息化的不斷發展，電力系統分布式計量已經成為電力系統的一種重要手段。為了安全、可靠、高效地存儲和分享電力數據，相關的電網數據存儲方法引起了學者的重視和研究。文獻[1]提出了基于預分區策略的存儲方法，該方法首先構建了電網數據存儲模型，該模型在預分區機制下結合數據快速存儲方法，將負載均衡存儲到數據庫中；文獻[2]提出了基于K-距離拓撲的存儲方法，該方法通過尋找K-距離拓撲子結構來實現數據的安全存儲，優先選擇距離最近的節點，結合K-距離計算實現總體存儲性能的提升。上述兩種方法使用過程中，存在數據存儲過程容易被外界入侵的風險，因此，提出了電網區塊鏈多層次日志數據分布式存儲方法。

1 數據分布式存儲模型構建

區塊鏈技術是將一種數據區塊按照時間順序依次相連的結構，結合加密算法來保證數據分布式存儲的安全。因此，在數據存儲和點對點傳送方面，通過共識機制使各個區塊結構達到一致性[3-4]。基于該原理構建的分布式存儲模型如圖1 所示。

由圖1 可知，該模型主要用于對存儲的告警日志進行加密，并利用報警記錄對存儲的結果進行校驗[5-6]。將本地告警日志轉入到區塊鏈上，將存儲系統與區塊鏈技術相結合，將報警記錄存儲在分布式數據庫中，然后通過關鍵字進行查詢，從而實現了對日志數據的安全存儲。

2 基于區塊鏈的多層次日志數據分布式存儲

以電網公司為核心的區塊鏈結構模式，當電網節點加入區塊鏈之后，它就會生成一種加密的密鑰，并將其發送給電網公司用于儲存。

2.1 多層次日志數據分布式寫入

將日志數據采集節點預先發送給采集基站，該基站的第i個數據采集節點Ki通過無線通信向多個基站傳輸數據，可表示為：

2.2 分布式加密存儲

2.2.1 源地址對目的地址威脅程度分析

將多層次日志數據分布式寫入到客戶端，計算日志數據對目的主機造成的威脅程度的公式為：

公式（2）中，N表示第N次告警；ωi表示告警權重；ni表示告警出現的次數[12]。在相同的警報系統中，統計不同級別的報警次數，并將其轉換成統一格式，從而得到相同警報系統中，源地址對目標的威脅程度[13]。

2.2.2 區塊鏈密文索引結構構建

通過對報警數據的預處理，提取出具有重要意義的數據屬性，組成告警向量，并通過日志索引構建一個文件，從而形成該文件的索引結構，如圖2所示。

圖2 密文索引結構

將日志元數據、日志索引結構、日志對稱密鑰和日志上傳方的身份認證信息一起打包，并將打包數據傳輸至區塊鏈節點。

2.2.3 數據加密處理

在區塊鏈中，所有的有效操作都會被記錄在一個以分享為載體的區塊上。在該區塊上使用隱私加密保護機制，利用共享技術實現了網絡節點之間的數據交換[14]。在這種基礎上，設計一種加密方法，即抽取數據中的密鑰，并利用數據查詢的私有密鑰對其進行加密，從而生成一種密碼：

公式（3）中，SCi表示區塊鏈中每個節點都對應的私鑰。將密文存儲到數據庫中，并使用哈希函數映射到關鍵字過濾器中，由此得到密文存儲位置：

公式（4）中，Wi表示映射位置，H(·)表示映射函數。將密文存儲位置傳送到區塊鏈中，方便數據安全存儲。

2.2.4 基于PoW共識算法的數據安全存儲

在收到密碼驗證信息后，將由區塊鏈節點進行解密，獲取身份信息[15]。在確認日志上的身份信息后，將記錄元數據存儲到區塊中，由此構建的索引結構便于找到告警記錄。同時將記錄對稱密鑰存儲在區塊中，完成搜索后，將其提交給日志分析員，利用PoW 一致性算法競爭區塊生成權限[16]。由于PoW 一致性算法總是選擇最長的鏈路，所以攻擊者要使用雙重攻擊，其偽造的區塊鏈長度必須比真實區塊更長。因為攻擊者必須要在真實交易得到確認后，才能展開攻擊，而交易確認通常需要若干個區塊。所以假設攻擊開始時，攻擊區塊落后真實區塊h個，這種假設是合理的。那么有：

當攻擊方的運算量不比受信任節點低時，攻擊方就會獲得成功；當攻擊方的運算能力低于受信任節點時，攻擊者的攻擊成功率會以指數形式遞減。在此過程中，獲授權的節點會將新的區塊與其所維護的區塊鏈相關聯，并對該區塊的索引進行更新，以實現對該區塊數據的分布式存儲。

2.3 基于區塊共識的存儲完整性校驗

在特定容忍范圍內，區塊鏈具有一定不可篡改和不可復制性。為了確保數據的真實性、可靠性和完整性，采用了密碼學算法。數據的發送端簽署了一個散列值，并完成了數據區塊共識。

假設數據區塊共識過程中存在m個節點，則使用區塊鏈技術提供的容錯能力為：

公式（6）中，m表示惡意節點個數。在共識過程中失效節點不超過全部節點的。為了證明數據分布式存儲的安全性，將全部節點分成三部分：

公式（7）中，a1、a2均表示可信節點集合；S表示惡意節點組成的集合。如果惡意節點要破壞一致進程，就必須嘗試修改電網實際運行狀態，即便是出現了“分叉”，也會偽造一個區塊鏈。如果一個惡意節點希望“分叉”，則其會與受信任的節點達成一致，然后發布一個新的區塊。在不通知被信任的節點前提下，與其進行二次協商，從而取消和信任節點之間的一致性。為了撤銷與可信節點的共識，必須符合公式（8）的條件：

通過上述公式，使得電網區塊鏈多層次日志數據在分布式存儲過程中，惡意節點數量達到了最小值，因此該方法在共識過程中能夠起到有效阻止惡意破壞的目的，避免數據庫中出現虛假廣播惡意數據。

3 實驗

為了驗證基于區塊鏈技術存儲日志數據的合理性，部署了3 臺裝有官方客戶端的服務器，并在該服務器上部署區塊鏈節點。選擇我國某地區電網有限責任公司的2019 年-2021 年碼表記錄作為實驗數據，由此完成實驗模擬系統的搭建。

3.1 實驗過程

客戶機節點向IPFS 請求發送電力數據，IPFS 會將該數據散列值作為IPFS 的唯一標識，它的主要存取碼和功能顯示如下：

Func (Power grid) query(The client node issues a request for uploading electrical energy data to the whole block chain)peer.

{

fmt.Write formatted output“(/n”)

fmt.The federation chain node requests to invoke the keyword“(node name/n”)

fmt.The federation chain node requests to invoke the keyword“(Hash ID/n”)

Return shim.Success(nil)

}

客戶端節點發送電力數據下載請求，由聯盟節點請求調用密鑰，以散列值和信息類型作為輸入。在各個節點達成共識后，將智能合同的執行情況寫入到一個區塊鏈賬簿中，并將其反饋到采集節點中，以存儲客戶的數據。

3.2 實驗數據分析

在00:00-24:00 訪問過程中，每隔4 h 采集一次數據，得到如下三種日志數據：

種類1：在交流混合配電網中，交流電壓在220 kV以上，直流電壓在300 kV 以上，此時得到的功率數據為：70 kW、90 kW、110 kW、95 kW、75 kW、60 kW。

種類2：在交流混合配電網中，交流電壓在110 kV以上，直流電壓在200 kV 以上，此時得到的功率數據為：40 kW、60 kW、80 kW、65 kW、60 kW、35 kW。

種類3：在交流混合配電網中，交流電壓在110 kV以上，直流電壓在50 kV 以上，此時得到的功率數據為：20 kW、45 kW、70 kW、50 kW、40 kW、25 kW。

在數據采集過程中發現，電網產生數據的高峰期在每天08:00-12:00。

3.3 實驗指標

對于日志數據存儲的完整性校驗，設定了如下實驗指標：

公式（9）中，α表示隨機數；χ表示密鑰參數；n表示需要待存儲的分塊參數；j表示表示參數分塊數量。將該公式計算結果發送給實驗模擬系統，當系統接收到應答信息后，將其與預先設定的閾值D′進行對比。如果D=D′，則說明數據存儲完整，反之則不完整。

3.4 實驗結果與分析

將基于預分區策略的存儲方法、基于K-距離拓撲的存儲方法作為所提方法的對照方法，分別利用三種方法存儲上述三種日志數據，并驗證對應方法的存儲完整性，即存儲的數據是否與實際數據一致，如圖3 所示。

圖3 三種方法存儲數據對比分析

由圖3 可知，對于種類1：使用基于預分區策略的存儲方法、基于K-距離拓撲的存儲方法在00:00-24:00 期間，與實際功率數據分別存在25～35 kW 的誤差。所提方法在00:00-24:00 期間，與實際功率數據一致；對于種類2：使用基于預分區策略的存儲方法、基于K-距離拓撲的存儲方法在00:00-24:00 期間，與實際功率數據分別存在9～17 kW 的誤差。所提方法在00:00-24:00 期間，與實際功率數據一致；對于種類3：使用基于預分區策略的存儲方法、基于K-距離拓撲的存儲方法在00:00-24:00 期間，與實際功率數據均存在25 kW 的誤差。所提方法在00:00-24:00 期間，與實際功率數據存在最大為2 kW 的誤差。綜合數據結果可知，所提方法存儲的數據與實際數據基本一致，說明使用該方法存儲結果具有完整性。

4 結束語

針對電網日志數據存儲結果不完整的問題，提出了電網區塊鏈多層次日志數據分布式存儲方法。實驗結果表明，使用區塊鏈技術分布式存儲電網日志數據方法有效解決了存儲不完整問題，并結合加密算法實現了日志數據加密存儲。