基于區(qū)塊鏈技術(shù)的抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系構(gòu)建

孫 勇，王卓瑜，王 磊

(國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

0 引 言

目前，我國(guó)水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電以及核電發(fā)電規(guī)模均位居全球前三，上述發(fā)電技術(shù)也是未來(lái)電力市場(chǎng)的主力技術(shù)。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)具有間歇性特性，而核電發(fā)電技術(shù)無(wú)法參與調(diào)峰，產(chǎn)生的電力商品具備一定的特殊性，不能對(duì)其進(jìn)行大量存儲(chǔ)，為電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了很多不利影響因素[1]。隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化步伐的加快，第三產(chǎn)業(yè)占比逐漸加大，導(dǎo)致電力需求量急劇增加，電力系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差值隨之加大，為電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰能力提出了更高的挑戰(zhàn)[2]。為了適應(yīng)中國(guó)綠色發(fā)展戰(zhàn)略?xún)?nèi)容，大力發(fā)展水力發(fā)電技術(shù)勢(shì)在必行。

近幾年，電力需求逐漸增加，抽水蓄能電站規(guī)模也越來(lái)越大，產(chǎn)生抽水蓄能數(shù)據(jù)體量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。抽水蓄能數(shù)據(jù)直接關(guān)系著電力系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行。若是抽水蓄能數(shù)據(jù)出現(xiàn)泄漏、篡改等現(xiàn)象，輕則數(shù)據(jù)丟失與混亂，重則影響電力供應(yīng)，威脅社會(huì)生產(chǎn)與生活的正常進(jìn)行[3]。由此可見(jiàn)，如何對(duì)抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行安全管理至關(guān)重要，并具有現(xiàn)實(shí)意義。相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系研究較晚，但也取得了一定的成果。現(xiàn)有數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系存在著一定的缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足抽水蓄能數(shù)據(jù)的管理需求，故提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系構(gòu)建研究。區(qū)塊鏈技術(shù)起源比特幣，隨著發(fā)展與升級(jí)，逐漸受到多個(gè)領(lǐng)域的重視，也廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域中，例如數(shù)據(jù)信息領(lǐng)域、能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域等。從本質(zhì)角度出發(fā)，區(qū)塊鏈技術(shù)指的是依靠自身節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、驗(yàn)證的管理方案。希望通過(guò)引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)完善數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系，以此提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全管理水平，滿(mǎn)足抽水蓄能數(shù)據(jù)管理需求，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系構(gòu)建研究

1.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系框架搭建

為了改善現(xiàn)有數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系存在的缺陷，滿(mǎn)足抽水蓄能數(shù)據(jù)管理需求，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系框架，如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系框架示意

如圖1所示，抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系框架由多個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊采集、處理以及存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)類(lèi)型具有差異性[4]。隨著抽水蓄能電站數(shù)量的增加、規(guī)模的加大，抽水蓄能數(shù)量體量與種類(lèi)都隨之加大，抽水蓄能數(shù)據(jù)向著多元性、大數(shù)據(jù)、異構(gòu)性等趨勢(shì)發(fā)展，很容易造成“信息孤島”現(xiàn)象，極大地阻礙數(shù)據(jù)資源的安全管理[5]。

將區(qū)塊鏈技術(shù)中的去中心化、可追溯、不易篡改、開(kāi)放共享、安全可靠等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系中，能夠有效解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理體系存在的問(wèn)題，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理水平提升奠定一定的理論和技術(shù)基礎(chǔ)[6]。

上述過(guò)程完成了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系框架構(gòu)建，為后續(xù)具體數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理過(guò)程設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 抽水蓄能數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)關(guān)鍵核心手段就是利用哈希算法(密碼學(xué)算法)解決數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，即通過(guò)數(shù)字加密技術(shù)提升數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全性。研究應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)抽水蓄能數(shù)據(jù)進(jìn)行加密存儲(chǔ)，以此來(lái)提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全性[7]。

哈希算法可以將任意長(zhǎng)度的明文轉(zhuǎn)換為固定長(zhǎng)度的Hash值，具有正向快速、輸入敏感、沖突避免等優(yōu)勢(shì)。采用哈希算法對(duì)抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行加密，獲得相應(yīng)的數(shù)字簽名，標(biāo)注數(shù)據(jù)資產(chǎn)的來(lái)源以及完整性，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理提供幫助[8]。

哈希算法具體步驟為：

(1)確定數(shù)字簽名對(duì)象(抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn))的摘要，表達(dá)式為

(1)

式中，hm為數(shù)據(jù)資產(chǎn)的摘要；α為數(shù)據(jù)資產(chǎn)x(m)占全部數(shù)據(jù)資產(chǎn)的比重?cái)?shù)值；β⊕為抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)的平均權(quán)重系數(shù)。

(2)基于RFC6979協(xié)議，隨機(jī)生成系數(shù)k。

(3)依據(jù)步驟(1)及步驟(2)獲得數(shù)據(jù)生成數(shù)字簽名的一部分，計(jì)算公式為

(2)

式中，s為數(shù)字簽名的一部分；r為數(shù)字簽名的另一部分；pk為私鑰。

(4)依據(jù)步驟(3)計(jì)算結(jié)果即可獲得數(shù)據(jù)資產(chǎn)x(m)的數(shù)字簽名，記為Sigm=〈r，s〉。

(5)以步驟(4)生成的數(shù)據(jù)資產(chǎn)數(shù)字簽名Sigm=〈r，s〉為基礎(chǔ)，采用對(duì)應(yīng)公鑰P對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證條件如下式所示

s·R=hm·G+r·P

(3)

若式(3)成立，表明數(shù)字簽名驗(yàn)證通過(guò)；若式(3)不成立，表明數(shù)字簽名驗(yàn)證未通過(guò)。依據(jù)上述過(guò)程對(duì)抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)進(jìn)行加密、驗(yàn)證與存儲(chǔ)，能夠防止數(shù)據(jù)被篡改，極大地提升了數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全性[9]。

1.3 抽水蓄能數(shù)據(jù)權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制

在中心化共享背景下，現(xiàn)有抽水蓄能數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)控制效果較差，威脅著數(shù)據(jù)資產(chǎn)的安全，故制定基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制[10]。此種機(jī)制將權(quán)能作為一種特殊令牌，具有權(quán)限更新便捷、權(quán)限撤回等優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)數(shù)據(jù)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的抽水蓄能數(shù)據(jù)環(huán)境[11]。

數(shù)據(jù)權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制功能如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制功能

在數(shù)據(jù)權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制過(guò)程中，權(quán)能信息呈現(xiàn)為實(shí)時(shí)交互狀態(tài)。權(quán)能交互信息流情況如圖2所示。

圖2 權(quán)能交互信息流示意

為了方便權(quán)能交互信息流的說(shuō)明及其交互，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化定義，具體如表2所示。

表2 交互信息流符號(hào)定義

獲取用戶(hù)的權(quán)能交互信息流，以權(quán)能信息為基礎(chǔ)，判斷其是否具備抽水蓄能數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，判斷規(guī)則表示為

(4)

式中，DSTi為第i個(gè)權(quán)能交互信息流；DST*為抽水蓄能數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限。

通過(guò)上述過(guò)程完成了抽水蓄能數(shù)據(jù)權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制，進(jìn)一步限制了非法用戶(hù)的進(jìn)入，更加能夠提升抽水蓄能數(shù)據(jù)的安全性[12]。

1.4 抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源

抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源也是區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系中的關(guān)鍵應(yīng)用之一，主要由兩個(gè)階段構(gòu)成，分別為抽水蓄能數(shù)據(jù)主要溯源及次要溯源，具體流程為：

(1)階段一，抽水蓄能數(shù)據(jù)粗溯源。假設(shè)區(qū)塊鏈為B={B1，B2，…，Bn}，索引信息為χi，構(gòu)造布隆濾波器BFi，其長(zhǎng)度記為li。將抽水蓄能數(shù)據(jù)Hash值G映射到布隆濾波器上，初始位置設(shè)置為1[13]。依此類(lèi)推，將全部Hash值映射到布隆濾波器上需要運(yùn)算次數(shù)為

Insertnum=GiDSTiBFiχiB

(5)

數(shù)據(jù)追溯主要以數(shù)據(jù)時(shí)間屬性與時(shí)間戳對(duì)應(yīng)特征，在對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)塊內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)追溯與查詢(xún)。即應(yīng)用BFi中哈希函數(shù)計(jì)算位置屬性的映射結(jié)果，表示為

BFi[y]=δj(y)Insertnum

(6)

式中，BFi[y]為位置屬性映射結(jié)果；δj(y)為追溯數(shù)據(jù)的位置屬性信息。

由于布隆濾波器具有一定的假正態(tài)概率，導(dǎo)致抽水蓄能數(shù)據(jù)粗溯源結(jié)果存在著錯(cuò)誤，故對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)溯源[14]。

(2)階段二，抽水蓄能數(shù)據(jù)細(xì)溯源。在抽水蓄能數(shù)據(jù)細(xì)溯源過(guò)程中，有效地融合多個(gè)布隆濾波器，并采用公鑰編碼方式對(duì)數(shù)據(jù)位置屬性y進(jìn)行處理，則數(shù)據(jù)位置屬性y寫(xiě)入哈希運(yùn)算次數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

Insert(y)num=∑Insertnumηi(f+1)

(7)

式中，ηi為第i個(gè)數(shù)據(jù)位置屬性對(duì)應(yīng)公鑰編碼所占比例；(f+1)為公鑰編碼。

假設(shè)每個(gè)編碼位假正態(tài)概率為p，則抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源成功概率計(jì)算公式為

(8)

式中，Pr為抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源成功概率；ε為誤差因子，用來(lái)調(diào)整公式精度。

調(diào)整誤差因子ε，直至式(8)達(dá)到90.59%以上，即可滿(mǎn)足抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源需求，獲取相應(yīng)的布隆濾波器數(shù)量與融合模式[15]。

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能數(shù)據(jù)資源的安全管理，完成了抽水蓄能數(shù)據(jù)的加密存儲(chǔ)、權(quán)能訪(fǎng)問(wèn)控制與溯源，為抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全性提升貢獻(xiàn)了新的支撐方法，為抽水蓄能電站的穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的幫助，也為數(shù)據(jù)安全管理相關(guān)研究提供一定的理論參考。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證構(gòu)建體系的應(yīng)用性能，選取基礎(chǔ)電信企業(yè)數(shù)據(jù)安全管理體系[16]作為對(duì)比體系，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

選取某個(gè)抽水蓄能電站作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，獲取某10 d抽水蓄能數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 抽水蓄能數(shù)據(jù)

如表3所示，每日的抽水蓄能數(shù)據(jù)均維持在一定的范圍內(nèi)，保持著動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，表明選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象——某個(gè)抽水蓄能電站運(yùn)行較為穩(wěn)定，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的需求。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容為基礎(chǔ)，進(jìn)行抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理實(shí)驗(yàn)。為了直觀顯示構(gòu)建體系的應(yīng)用性能，選取抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率與抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析過(guò)程如下。

2.2.1 抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率分析

抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率直接反映著數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系的安全性。一般情況下，抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率越小，表明數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系安全性越好；反之，抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率越大，表明數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系安全性越差。

抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率計(jì)算公式為

(9)

式中，P為抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率；k為攻擊次數(shù)；λ為數(shù)據(jù)攻擊者區(qū)塊鏈延伸長(zhǎng)度期望值；p與q為真實(shí)節(jié)點(diǎn)與攻擊節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的概率；n為抽水蓄能數(shù)據(jù)區(qū)塊的總數(shù)量。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率數(shù)據(jù)

從圖3可以看出，相較于對(duì)比體系，應(yīng)用構(gòu)建體系獲得的抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率較小，最小值可以達(dá)到0.16%，表明構(gòu)建體系安全性較好。

2.2.2 抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延分析

抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延指的是抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源請(qǐng)求到結(jié)果反饋之間的時(shí)間。抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源界面如圖4所示。

圖4 抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源界面

對(duì)圖4數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，即可獲得抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延數(shù)據(jù)

如圖5數(shù)據(jù)所示，相較于對(duì)比體系，應(yīng)用構(gòu)建體系獲得的抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延較短，表明構(gòu)建體系抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源效率更高。

綜上所述，相較于對(duì)比體系來(lái)看，應(yīng)用構(gòu)建體系獲得的抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率較小，抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延較短，充分證實(shí)了構(gòu)建體系具備較好的應(yīng)用性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

此研究引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了新的抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理體系，極大地降低了抽水蓄能數(shù)據(jù)成功篡改概率，縮短了抽水蓄能數(shù)據(jù)溯源時(shí)延，為抽水蓄能數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理提供更有效的體系支撐，證實(shí)了區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用效果，為數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全管理水平提升提供理論參考。