文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190124
中文引用格式： 陳孝蓮,，徐曉海,，過(guò)烽，等. 基于Hyperledger的電力物聯(lián)網(wǎng)分布式認(rèn)證研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019,，45(5)：57-60,，65.
英文引用格式： Chen Xiaolian，Xu Xiaohai,，Guo Feng,，et al. Research on distributed authentication of power IoT based on Hyperledger blockchain[J]. Application of Electronic Technique，2019,，45(5)：57-60,，65.
0 引言
隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,，電力物聯(lián)網(wǎng)在電力生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)起到了越來(lái)越重要的作用。特別是在作為電力傳輸最后10公里的配電網(wǎng)中,，在用電計(jì)量,、售電服務(wù)、分布式發(fā)電,、新能源并網(wǎng),、智能充電樁等應(yīng)用場(chǎng)景中，電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加常見(jiàn),。
現(xiàn)有電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)大部分采用中心化的架構(gòu),，隨著分布式電源、可控負(fù)荷,、增量配電網(wǎng),、物資服務(wù)等業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，各主體之間的信息交互的頻度、復(fù)雜性和時(shí)效性要求越來(lái)越高,，集中化的信息交互手段已無(wú)法滿足源網(wǎng)荷儲(chǔ)互動(dòng),、物資精準(zhǔn)供應(yīng)等由多方參與的業(yè)務(wù)系統(tǒng)信任需求。
電力物聯(lián)網(wǎng)在廣泛應(yīng)用的同時(shí),，也帶來(lái)了愈加嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn),。一方面，電力物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,、部署范圍廣,，節(jié)點(diǎn)物理環(huán)境不可控，容易受到物理劫持,、節(jié)點(diǎn)復(fù)制,、信號(hào)截獲竊取重放、中間人攻擊等威脅,；另一方面,，電力物聯(lián)網(wǎng)終端由于體積和電量限制，其計(jì)算,、存儲(chǔ)和通信能力有限,，無(wú)法部署完整的密碼算法。此外,，信息傳遞和交互多采用集中式廣播和組播實(shí)現(xiàn)，容易出現(xiàn)單點(diǎn)失效問(wèn)題,。
區(qū)塊鏈(Blockchain)技術(shù)具有去中心化,、防篡改、高度可擴(kuò)展等特點(diǎn),，正成為繼大數(shù)據(jù),、云計(jì)算、人工智能,、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)后又一項(xiàng)將對(duì)未來(lái)產(chǎn)生重大影響的新興技術(shù),。在美國(guó)、日本和歐盟一些國(guó)家和地區(qū)已將區(qū)塊鏈發(fā)展上升為國(guó)家重要發(fā)展戰(zhàn)略,。我國(guó)政府亦高度重視區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展,，積極推動(dòng)國(guó)內(nèi)區(qū)塊鏈的相關(guān)領(lǐng)域研究、標(biāo)準(zhǔn)化制定,，大力推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用推廣,，《“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃》、《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于積極推進(jìn)供應(yīng)鏈創(chuàng)新與應(yīng)用的指導(dǎo)意見(jiàn)》及習(xí)總書(shū)記在中國(guó)科學(xué)院第十九次院士大會(huì),、中國(guó)工程院第十四次院士大會(huì)上發(fā)表的講話中,，均明確指出了區(qū)塊鏈等技術(shù)在科技強(qiáng)國(guó)中的戰(zhàn)略意義。
區(qū)塊鏈可分為公有鏈、私有鏈,、聯(lián)盟鏈,、許可鏈等類型。其中聯(lián)盟鏈?zhǔn)侵赣陕?lián)盟或行業(yè)內(nèi)若干個(gè)機(jī)構(gòu)共同參與管理的區(qū)塊鏈,，較為適合應(yīng)用于電力場(chǎng)景,。其數(shù)據(jù)只允許系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行讀取修改和訪問(wèn)等活動(dòng)，通過(guò)制定接入準(zhǔn)測(cè)和訪問(wèn)權(quán)限,，保證系統(tǒng)安全性,。聯(lián)盟鏈的典型開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Hyperledger項(xiàng)目，它提供一個(gè)模塊化的構(gòu)架,，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn),、鏈碼（智能合約）執(zhí)行以及可配置的共識(shí)和成員服務(wù)。在接入認(rèn)證方面,，通過(guò)MSP（Membership Service Provider）服務(wù),，實(shí)現(xiàn)X.509證書(shū)管理和成員身份驗(yàn)證。本文基于Hyperledger聯(lián)盟鏈架構(gòu),，研究適用于電力物聯(lián)網(wǎng)的分布式認(rèn)證策略,，改進(jìn)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議中對(duì)認(rèn)證中心節(jié)點(diǎn)的依賴，實(shí)現(xiàn)群體接入認(rèn)證,，在保證安全的前提下,，提高電力物聯(lián)網(wǎng)中大量節(jié)點(diǎn)并發(fā)接入的響應(yīng)速度。
1 相關(guān)工作
傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)安全接入認(rèn)證方面的研究多側(cè)重于降低安全算法的計(jì)算復(fù)雜度,、存儲(chǔ)復(fù)雜度和通信開(kāi)銷(xiāo),，例如CHANG Q等人[1]提出了一種基于橢圓曲線加密算法的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)認(rèn)證協(xié)議；鄒長(zhǎng)忠等人[2]提出的基于節(jié)點(diǎn)ID驗(yàn)證的抗DoS攻擊節(jié)點(diǎn)認(rèn)證協(xié)議在保證良好攻擊防御性的前提下,，降低了認(rèn)證的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)和網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)載,。在去中心化的分布式認(rèn)證方面，有研究者提出了采用秘密共享概念的分布式節(jié)點(diǎn)認(rèn)證機(jī)制[3],，通過(guò)利用節(jié)點(diǎn)的ID生成會(huì)話密鑰或采用數(shù)字簽名算法達(dá)到安全認(rèn)證的目的,。
基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)的身份認(rèn)證是目前較為成熟的認(rèn)證技術(shù)，目前的算法中為了實(shí)現(xiàn)其分布式應(yīng)用,，往往采用門(mén)限密碼機(jī)制,，需要消耗較大的計(jì)算和通信開(kāi)銷(xiāo)，不利于在電力物聯(lián)網(wǎng)中大范圍部署,。為了達(dá)到去中心化的效果,，有學(xué)者開(kāi)始研究區(qū)塊鏈技術(shù)在身份認(rèn)證領(lǐng)域的應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]基于比特幣系統(tǒng)提出了分布式PKI認(rèn)證體系,，但是存在用戶公鑰等敏感信息泄露的問(wèn)題,。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]提出了一種帶隱私保護(hù)的PKI認(rèn)證方案進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[6]基于以太坊平臺(tái)提出了提高證書(shū)撤銷(xiāo)和證書(shū)查詢效率的方案,。
在聯(lián)盟鏈方面,，佘維等人[7]針對(duì)分布式能源交易認(rèn)證中的安全問(wèn)題，探討了基于聯(lián)盟鏈的分布式能源交易認(rèn)證模型,。通過(guò)區(qū)塊鏈權(quán)益證明,、數(shù)據(jù)加密、時(shí)間戳和分布式共識(shí)的方法,，提高了分布式能源交易數(shù)據(jù)安全性,、信息透明度和自動(dòng)化認(rèn)證水平。
目前基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)接入認(rèn)證方案大多基于公共區(qū)塊鏈平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)了分布式PKI的模擬,，但未能針對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將聯(lián)盟鏈和輕量級(jí)分布式認(rèn)證協(xié)議進(jìn)行有效的整合，難以滿足智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)去中心化,、泛在接入,、廣域互聯(lián)的需求。本文基于Hyperledger架構(gòu),，設(shè)計(jì)分布式門(mén)限加密認(rèn)證算法,，提高電力物聯(lián)網(wǎng)分布式安全級(jí)別，支撐安全可靠的電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,。
2 預(yù)備知識(shí)
2.1 Hyperledger區(qū)塊鏈
超級(jí)賬本（Hyperledger）是Linux基金會(huì)于2015年發(fā)起的開(kāi)源區(qū)塊鏈項(xiàng)目,，目標(biāo)是滿足行業(yè)用戶案例，并簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程,?；谕耆蚕怼⑼该骱腿ブ行幕卣?，Hyperledger非常適合制造、能源,、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)應(yīng)用,。
Hyperledger由成員服務(wù)（Membership）、區(qū)塊鏈服務(wù)（Blockchain）和鏈碼服務(wù)（Chaincode）3個(gè)組件構(gòu)成,，具有成員節(jié)點(diǎn)身份驗(yàn)證,、共識(shí)算法靈活、智能合約易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),。Hyperledger架構(gòu)如圖1所示,。
不同于以太坊等區(qū)塊鏈平臺(tái)，Hyperledger在成員服務(wù)中,，利用PKI 體系,、數(shù)字證書(shū)、加解密算法等安全技術(shù)，加強(qiáng)了身份證書(shū)管理服務(wù),，實(shí)現(xiàn)了權(quán)限管理,、交易加解密、分布式賬本機(jī)制等模塊化可拔插架構(gòu),，用戶可以根據(jù)業(yè)務(wù)需要靈活部署應(yīng)用,。
在區(qū)塊鏈服務(wù)中，分布式賬本是最核心的結(jié)構(gòu),，基于前后關(guān)聯(lián)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),，Hyperledger通過(guò)P2P網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和共識(shí)機(jī)制,，記錄應(yīng)用信息,。應(yīng)用則通過(guò)發(fā)起交易來(lái)向賬本中記錄數(shù)據(jù)。
智能合約部分通過(guò)鏈碼服務(wù)實(shí)現(xiàn),，鏈碼基于容器,、狀態(tài)機(jī)等技術(shù)，可基于第三方開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和相應(yīng)SDK實(shí)現(xiàn),，應(yīng)用程序可以通過(guò)API實(shí)現(xiàn)安全的業(yè)務(wù)邏輯和功能,。
超級(jí)賬本Fabric平臺(tái)采用兩種類型節(jié)點(diǎn)：(1)order節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě),、查詢操作,，借助區(qū)塊鏈共識(shí)算法、一致性協(xié)議,，維護(hù)區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)庫(kù),；(2)Peer節(jié)點(diǎn)，用來(lái)連接用戶和鄰近的Peer節(jié)點(diǎn),，執(zhí)行查詢驗(yàn)證操作,，不執(zhí)行記入交易數(shù)據(jù)操作。
在基于Hyperledger的區(qū)塊鏈認(rèn)證系統(tǒng)中,，電力物聯(lián)網(wǎng)終端APP從CA獲取合法的數(shù)字證書(shū),，使用SDK訪問(wèn)Fabric網(wǎng)絡(luò)并發(fā)起認(rèn)證請(qǐng)求，構(gòu)造交易申請(qǐng)并提交給Endorser 進(jìn)行背書(shū),，終端收集到足夠的背書(shū)支持后可以構(gòu)造一個(gè)合法的請(qǐng)求,，發(fā)給Orderer進(jìn)行記賬處理。
2.2 Difffe-Hellman密鑰交換
Diffe-Hellman算法是電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中常用的密鑰交換算法,，該算法基于有限域中離散對(duì)數(shù)難解問(wèn)題,，可在公開(kāi)信道中安全交換密鑰信息。假設(shè)密鑰交換雙方為Alice和Bob,，算法步驟如下：
初始化階段,，雙方約定隨機(jī)選取的大素?cái)?shù)n和原始根g,。
Alice產(chǎn)生一個(gè)秘密的隨機(jī)數(shù)x，計(jì)算X=gx mod n并通過(guò)公開(kāi)信道發(fā)送給Bob,。
Bob產(chǎn)生一個(gè)秘密的隨機(jī)數(shù)y,，計(jì)算Y=gy mod n并通過(guò)公開(kāi)信道發(fā)送給Alice。
A通過(guò)計(jì)算Key=Yx mod n獲得密鑰Key,，B通過(guò)計(jì)算Key=Xy mod n獲得密鑰Key,。
3 認(rèn)證模型和算法
3.1 認(rèn)證模型
身份認(rèn)證技術(shù)是通過(guò)密碼學(xué)手段在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中確認(rèn)實(shí)體對(duì)某種資源或服務(wù)是否有訪問(wèn)權(quán)限的方法和機(jī)制[8]。電力物聯(lián)網(wǎng)中終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量多,、單點(diǎn)計(jì)算存儲(chǔ)能力弱,，其身份認(rèn)證需要采用效率高的方案?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)分布式認(rèn)證過(guò)程中,，從電力應(yīng)用場(chǎng)景中選擇同屬一個(gè)應(yīng)用或者覆蓋區(qū)域的終端認(rèn)證組，負(fù)責(zé)對(duì)新接入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接入認(rèn)證,。終端認(rèn)證組節(jié)點(diǎn)通過(guò)電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流程和規(guī)范對(duì)新入節(jié)點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)入投票,，獲得51%的節(jié)點(diǎn)通過(guò)后獲得認(rèn)證區(qū)塊鏈記賬權(quán)限，調(diào)用Hpyerledger功能創(chuàng)建區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn),。具體認(rèn)證模型如圖2所示,。
其中，認(rèn)證過(guò)程可分為3個(gè)階段：(1)終端節(jié)點(diǎn)向接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送接入請(qǐng)求,，網(wǎng)關(guān)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行應(yīng)答,，終端獲得內(nèi)網(wǎng)訪問(wèn)權(quán)限；(2)終端向認(rèn)證組中的排序節(jié)點(diǎn)發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求,，認(rèn)證組Peer節(jié)點(diǎn)發(fā)起分布式認(rèn)證,，排序節(jié)點(diǎn)結(jié)合認(rèn)證結(jié)果訪問(wèn)超級(jí)賬本系統(tǒng)并記賬，記賬完成后返回認(rèn)證結(jié)果,；(3)認(rèn)證組排序節(jié)點(diǎn),，向接入網(wǎng)關(guān)下發(fā)令牌，接入網(wǎng)關(guān)將授權(quán)令牌反饋給終端,，終端因此獲得業(yè)務(wù)接入權(quán)限,。
3.2 認(rèn)證算法
認(rèn)證算法分為注冊(cè)階段、密鑰協(xié)商階段和認(rèn)證階段三個(gè)過(guò)程：注冊(cè)階段生成公鑰和私鑰,，排序節(jié)點(diǎn)公布系統(tǒng)參數(shù)，認(rèn)證組節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)公布的參數(shù)生成自己的秘密多項(xiàng)式,；密鑰協(xié)商階段,，排序節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求報(bào)文，認(rèn)證組Peer節(jié)點(diǎn)通過(guò)電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯選擇對(duì)新接入節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)入結(jié)果,，如果同意節(jié)點(diǎn)接入,，則向排序節(jié)點(diǎn)提交簽名,，排序節(jié)點(diǎn)得到多于門(mén)限數(shù)量份簽名后可以形成認(rèn)證許可，發(fā)送給電力物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)作為認(rèn)證依據(jù),；認(rèn)證階段,，網(wǎng)關(guān)可通過(guò)公開(kāi)參數(shù)中的群公鑰驗(yàn)證簽名的合法性。
得到群密鑰Sk,，說(shuō)明滿足門(mén)限數(shù)量的合法終端已經(jīng)確認(rèn)對(duì)新入終端的認(rèn)證,。排序節(jié)點(diǎn)將認(rèn)證信息提交記賬節(jié)點(diǎn)，生成新的區(qū)塊,，同時(shí),，用Sk加密令牌，將結(jié)果發(fā)送給網(wǎng)關(guān),。
網(wǎng)關(guān)用公鑰Pk解密令牌,，發(fā)送給請(qǐng)求入網(wǎng)的電力物聯(lián)網(wǎng)終端，認(rèn)證結(jié)束,。
4 仿真驗(yàn)證
本節(jié)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室部署Hyperledger和鏈碼來(lái)模擬電力物聯(lián)網(wǎng)接入認(rèn)證過(guò)程,，用于驗(yàn)證本文所提算法的有效性。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel CoreTM i7-7700HQ [email protected] GHz,，8 GB內(nèi)存,，CentOS 7操作系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí),，模擬終端發(fā)起接入認(rèn)證請(qǐng)求,，用docker模擬認(rèn)證組節(jié)點(diǎn)和排序節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在鏈碼上部署認(rèn)證算法進(jìn)行接入認(rèn)證仿真,。所有仿真數(shù)據(jù)為運(yùn)行10次的平均值,。
圖3 是不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下接入認(rèn)證時(shí)間的曲線圖，可以看出,，認(rèn)證時(shí)間隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加呈增大趨勢(shì),，但是增大幅度有所降低，這是因?yàn)殡S著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,，基于區(qū)塊鏈的接入認(rèn)證方案通過(guò)分布式認(rèn)證降低了系統(tǒng)總體開(kāi)銷(xiāo),，效率較集中式接入認(rèn)證有所提高。
圖4是系統(tǒng)并發(fā)數(shù)量與認(rèn)證網(wǎng)關(guān)CPU負(fù)載的關(guān)系圖,，數(shù)據(jù)顯示,，并發(fā)數(shù)量增加會(huì)導(dǎo)致接入網(wǎng)關(guān)CPU負(fù)載增高，這是因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)需要處理更多的認(rèn)證信息,，但是負(fù)載總體情況在可接受的范圍內(nèi),。
5 結(jié)論
電力物聯(lián)網(wǎng)是信息通信技術(shù)和電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的有效融合，對(duì)電網(wǎng)發(fā),、輸,、變,、配、用電等環(huán)節(jié)提供了重要技術(shù)支撐,。本文基于超級(jí)賬本區(qū)塊鏈技術(shù),，提出了適用于電力物聯(lián)網(wǎng)的分布式接入認(rèn)證系統(tǒng)，可提高電力物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全性和有效性,。下一步將在電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,，研究基于區(qū)塊鏈的高并發(fā)的電力物聯(lián)網(wǎng)終端接入技術(shù)。
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作者信息:
陳孝蓮1，徐曉海2,，過(guò) 烽1,，李 洋3，蔡世龍3,，高 雪3
（1.國(guó)網(wǎng)無(wú)錫供電公司,，江蘇 無(wú)錫214002；2.國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司,，江蘇 鎮(zhèn)江212050,；
3.南瑞集團(tuán)有限公司（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211106)