一種基于區塊鏈的去中心化數據聚合模型

2025-05-27 00:00:00吳方權劉亦馳胡駿涵

粘接 2025年5期

中圖分類號：TP391.92 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）05-0151-04

Abstract：In order to solve the problems of user data privacy leakage and lowsecurityof traditional power system users，a decentralizeddata aggregation model basedon blockchain was proposed.The model appliedthe leader election algorithm to selecta smart meter from the residential area as the mining node to participate inthe blockchain network，and used the Merkle hash treeto perform security authentication and dataaggregation on the smart meter in theresidential area.Pailier encryption，short signature，and SHA-256 technology were used to ensure thetransparency of blockchain data whileachieving multiple privacy protections，which can eectivelydefendagainstthreats suchasreplayatacksandtampering.Intheexperimental stage，theproposed modelwasverified bycalculating theoverheadand communicationoverhead.Theresultsshowed thatcomparedwithother models，theproposed blockchain-based decentralized data aggregation model performed wellin both computational overhead and communication overhead.

Key words ： power system； blockchain ；data security ； privacy leakage ；encryption algorithm

智能電網是一種基于物理電網系統的全自動化輸電網絡，其有效結合了傳感器測量、計算機、信息通信和自動控制等技術[1-2]。智能電網中供應商和用戶之間的信息流是雙向的，用戶可以根據不同時段電價的浮動情況，隨時控制家電設備的智能使用；供應商可以自動監控電網、防止停電、優化電網性能等。盡管與傳統電網[3-5]相比，智能電網具有許多優異的特性。然而，在智能電網電力數據采集過程中，很容易造成用戶用電數據和身份信息的泄露。為此，大量學者對數據安全包含方案進行研究。文獻[6]提出一種基于區塊鏈技術的物聯網終端隱私數據的聚合方法。文獻[7]提出了一種可監管的電力區塊鏈交易隱私保護技術，從而防止電力交易時存在的惡意交易、無效交易等情況。文獻[8]對智能電網中數據聚合與用戶查詢隱私保護方案進行了研究與分析，從而解決電網中隱私保護與數據共享問題。上述大部分方案依賴于可信的第三方或中心機構。但事實上，可信的第三方或中心機構并不是真正可靠的，電力網絡中用戶或中心機構很容易遭受敵手惡意攻擊，從而泄露用戶的隱私數據。為改善上述問題，提出一種基于區塊鏈的智能電網去中心化隱私保護數據聚合模型。該模型用于在沒有可信第三方或智能電網操作中心情況下收集電力用戶用電數據。

1基于區塊鏈的電力系統結構

基于區塊鏈的電力系統結構由物理層、網絡層和應用層構成，系統結構如圖1所示。

其中物理層由住宅區（RA）操作中心（OC）智能電表（SM）等基礎硬件或設備組成。假定系統由L 個住宅區組成，每個住宅區包含 n 個智能電表。與傳統電力系統所有住宅區經操作中心互通互聯不同，研究主要關注刪除操作中心或可信的第三方，同時保護用戶智能電表的數據隱私。

物理層中OC通過區塊鏈讀取 L 個區域的挖掘節點聚合的實時總用電數據。OC還可以執行計費、功耗趨勢分析、發電計劃調整和動態定價等功能。然而，0C很容易受到外部對手的攻擊，因此通常情況下OC是不可信的。物理層中SM是住宅區內每個用戶站點的電表，可定期（例如，每 15min ）收集每個用戶的家用電氣設備的用電數據。

網絡層中，在每個住宅區中的所有SM之間使用點對點（Peer-to-peer，P2P）通信。每個居民區使用領導人選舉算法從智能電表中選擇一個智能電表作為挖掘節點（MN），然后每個居民區通過MN構建區塊。需注意，算法選擇的MN可以取代可信的第三方或可信的權威機構，負責生成系統參數，驗證智能電表傳輸的數據合法性，并聚合加密數據。然后，SM對收集到的各種數據進行加密，并在短時間內將其上傳到MN。SM可認為是誠實但好奇的，其根據協議執行操作而不發起主動攻擊。然而，SM可能試圖分析接收到的數據來推斷一些有價值的信息。

系統應用層具備以下功能：隱私保護、去中心化、數據的不可偽造性和不可否認性、數據安全以及保密等。隱私保護指OC和任何其他用戶都無法訪問住宅區內任意用戶的數據，即使敵手知道密文或者和OC相互勾結，敵手也無法獲得單個用戶智能電表的用電數據。去中心化指系統不需要可信的第三方或中央機構。系統中采用領導人選舉算法選擇住宅區的智能電表作為挖掘節點，負責構建區塊的Merkle樹，并聚合住宅區的用電數據。數據的不可偽造性和不可否認性指系統在區塊鏈中采用了基于雙線性對的BLS短簽名，以確保數據的不可偽造性和不可否認性。數據安全指所提出的方案可以抵御各種攻擊，即使敵手截獲了用戶用電數據的聚合密文，也無法恢復單個用戶的用電數據。保密指用電量數據屬于個人隱私，可以反映用戶家庭中的實時用電量，一旦數據泄露，就會被犯罪分子用來實施犯罪。系統通過安全的數據聚合方案來維護數據機密性，即使敵手或攻擊者竊取了密文，也無法獲得單個用戶的用電數據。

2隱私數據保護模型

為提升基于區塊鏈的電力系統中用戶用電數據隱私安全性，提出了一種基于區塊鏈的去中心化智能電網隱私保護數據聚合模型，該模型由5個階段組成：系統初始化、數據生成、數據聚合、密文解密和數據讀取。

在基于區塊鏈的電力系統結構基礎上，系統中的每個智能電表（SM）都充當一個節點，基于領導人選舉算法，每個節點有3種狀態：跟隨節點、MN和候選節點。首先，所有節點初始狀態均為跟隨節點。其次，每屆任期都以一次選舉開始，一名或多名候選節點試圖成為MN。如果一位候選節點贏得了選舉，那么在其剩余任期內，該候選節點將是MN。基于領導人選舉算法流程圖如圖2所示。

圖2基于領導人選舉算法流程圖 Fig.1Flowchart based on the algorithm for theelectionofleaders

2.1 系統初始化

初始化時，OC收集 L 個住宅區智能電表的用電量數據，令第 j 個住宅區中有 n 個智能電表。從中的 n 個SM中選擇一個作為挖掘節點，然后構造第 j 個區塊，其中為第 j 個區塊中Merkle樹的根。接著，通過Merkle樹將中 SM的用電數據聚合到 0

運行雙線性參數生成器 G 生成（，，其中和是2個階為素數 q 的雙線性群，有和 e 為雙線性配對運算符。可基于Paillier密碼系統[9]生成公鑰，并對應于私鑰，其中 N，λ 和 μ 為相關參數。需注意，研究中假定采用SHA-256哈希函數和安全密碼哈希函數。最終，發布系統初始化公共參數。

2.2 數據生成

首先，第個智能電表選擇一個隨機數作為私鑰，并計算出相應的公鑰。其次，采集時間戳 T 處的用電數據，并計算哈希值，選擇隨機數 W 來生成密文：

接著，生成BLS短簽名，具體操作如下：

式中：為級聯運算符；為防止重播攻擊的當前時間戳。

經過上述過程，第 i 個智能電表的密文生成完畢，并通過Merkle樹向MN發送數據

2.3 數據聚合

接收到智能電表的數據后，執行以下步驟進行隱私保護數據聚合：

步驟在接收到之后驗證 n 個簽名，并判斷下式是否成立：

如果上式成立，則驗證成功，表明簽名是有效的，并且將接受的密文；否則驗證失敗。為了提高驗證效率，可采用批量驗證處理。

步驟聚合密文，具體過程如下：

式中： c 為聚合后的密文； n 為智能電表的數量；

為第個用戶的用電數據。

2.4 密文解密

使用私鑰對聚合數據進行解密，以獲得第 j 個住宅區的聚合用電數據：

2.5 數據讀取

最后，生成第 j+1 個區塊，并在第 j-1 個塊之后將第 j 個塊添加到區塊鏈。與此同時，OC可通過公鑰讀取區塊鏈獲取用戶耗電數據。

2.6 安全性分析

對于第 i 個用戶的用電數據的隱私保護，研究主要考慮外部攻擊和內部攻擊2種情況。首先，假設外部敵手可能竊聽智能電表（SM）和挖掘節點（MN）之間的通信，以獲得用電數據。在所提隱私保護數據聚合模型中，以（2號的形式向報告。令 r= ，則密文表達式將變為：

式中：密文仍然是Paillier密碼系統的合法密文。

由于敵手不知道Paillier加密算法的解密密鑰λ ，敵手無法解密密文，以獲得單個用戶的用電數據；因此單個智能電表的用電數據將受到保護，不被外部敵手獲取。其次，假設內部敵手包括，，，并且所有敵手串通以獲得的用電數據。對于 n 個智能電表，有：

對于 n-1 個用戶，有：

式（7）和式（8）表明，如果沒有Paillier的密鑰λ ，內部敵手將無法獲得。為此，可以得出結論：無論有多少智能電表被串通，內部敵手都無法獲取其他用戶的用電數據。此外，智能電表之間采用P2P網絡實現去中心化，區塊鏈可以在沒有可信的第三方或中央機構的情況下實現，數據挖掘節點的選舉保證了數據的可用性和可靠性。

3 仿真與分析

從計算開銷和通信開銷2個方面對所提基于區塊鏈的去中心化智能電網隱私保護數據聚合模型進行了仿真與分析，從而評估系統性能。

3.1 仿真環境

仿真時共部署了1臺服務器和多臺虛擬機用來模擬電力網絡系統。其中服務器配置如下：2塊Intel（R）Xeon（R）金牌 CPU，3.00GHz ，內存64G，硬盤1T；虛擬機配置如下：CPU3.00GHz1塊，內存8G，硬盤20G，操作系統均為ubuntu18.04。模擬系統采用CPABE-0.11加密方案。

3.2計算開銷對比與分析

所提模型中計算開銷主要包括乘法運算、冪運算、領導者選舉、哈希運算以及數據聚合過程。其中，數據聚合過程中的計算主要包括3個階段：數據加密、批量驗證以及聚合和解密。需注意，與其他過程計算開銷相比，領導者選舉和哈希運算過程計算時間可忽略不計。為驗證所提模型計算開銷，在相同的運行環境下，將所提基于區塊鏈的去中心化智能電網隱私保護數據聚合模型與基于物聯網[6]、分布式[7]和數據聚合[8]3個模型進行相比。圖3所示為不同模型計算開銷對比結果。