区块链技术在电力数据加固的应用研究

2021-01-07卢仁猛赵威扬

水电与新能源 2020年12期

卫薇，卢仁猛，赵威扬

(贵州电网公司信息中心，贵州贵阳 550000)

数据防篡改是当今社会各行各业急需解决的问题之一，在信息网络化时代，虽然大数据给人们带来了便利，但同时数据安全问题也正在困扰着人们[1]。电力行业也不例外，在实际工作中拥有用户数据、高压线位置数据等各种机密数据是电力行业目前最为关心的问题。因此，数据篡改、拦截，甚至丢失都是数据加固需要攻克的难关，区块链技术在这一方面的应用变得尤为重要[2]。

1 区块链技术概述

区块链技术主要是一种建立在密码学原理的基础上，属于分布式P2P形式的智能账本技术。在这一概念中，有两点值得注意，一是P2P网络形式，另一个理念就是智能账本[3]。什么是智能账本？我们可以假设网络数据记录就是电子账本，当数据发生改变时，那么账本上的记录内容也会自动发生变化。图1中主要向我们呈现了数据改变后，账本自动记录的全过程。当其中一个网络节点数据改变时，其他节点的对应数据也会随之变化。值得注意的是，在这一过程中，其他节点会对前置节点进行验证，这种验证就是我们经常提到的Hash认证。目前，Hash认证在数据加密领域已经得到了广泛应用，主要特点是算法相对复杂，这样的加密手段不容易被轻易破解。

Hi=(H(key)+di)MODmi=1,2,…,k(k≤m-1)

其中：H(key)代表散列函数；m代表散列表长；di代表增量序列。

在图1中，我们可以清楚看到区块链已经被成功复制，分为六个区块，并且每一个网络节点都拥有着自己的账本，并成功复制前置账本。

在图1中，有三笔数据正在发生变化，其中数据1和数据3的变化过程已经被网络节点认证通过，认证通过后就代表该数据变化属于正确的数据变更。但在网络节点4的数据变化明显和其他节点验证有所不同，这就代表这里存在数据被篡改的可能性。基于此，需要对节点数据进行修正，保证该节点数据和其他节点相同，这样就可以有效防止数据被篡改的发生。

图1 区块链数据图

例如：用电合同的生成，区块链技术在其中就发挥了较大的作用，随着科技的进步，无纸化办公已经成为主流趋势，在无纸化模式下，电网可以实现和用户的用电合同签订，但凡在此期间发生服务中断，合同签订就无法正常进行。而在现阶段，网络安全问题已经成为大家共同关心的话题，随着黑客等手段的应用，信息安全性无法得到保障，只要通过一定的技术和设备，就可以对数据库造成威胁。通过入侵数据库，可以修改合同的内容，不但安全隐患无法根除，无纸化办公的不足也得到了一定程度的放大。但是将区块链技术应用到数据加固中，就可以极大限度保证数据的可靠性以及安全性，防止数据被轻易篡改，通过相关技术可以进一步提高网络的稳定性，区块链技术的合理应用，不单单可以解决数据安全和工作效率的问题，还可以在一定程度上避免出现造假以及记错账等情况，减少人为失误，并在此基础上，区块链还具有一定的可追溯性，从源头保障数据安全。传统意义上的运维手段相对比较脆弱，安全防御系统相对薄弱，服务器很容易被攻击，在这样的情况下，泄密的可能性将会大大增加，电力系统的日常服务也将会受到影响。

2 区块链技术的应用

就目前的情况来看，在电力数据的传输过程中，依然会发生信息被篡改或者是泄密等情况，当今社会的电力市场逐渐开放，商业竞争异常激烈。很多有心之人会使用大量的逻辑炸弹以及蠕虫病毒等，攻击电力信息系统，电力安全得不到保证[4]。在这样的背景下，区块链技术得到了推广和发展，应用领域更加广阔。

2.1 架设P2P网络

随着时代的进步，目前的电力数据分布主要呈现高度中心化的趋势，但同时这样的分布方式也会间接影响服务器的分布，高度集中也成为了服务器的分布方式。部分数据主要分布在信息机房中，如果想要保证数据交易的效果，采用高度集中的分布方式显然存在明显的缺点，需要进一步完善和改进。通过P2P 网络架设(如图2所示)可以实现去中心化，并在此基础上起到保护隐私和均衡负载的作用。现实网络的特征主要表现为：第一，路径平均较小。第二，聚合系数大。候选节点记账是区块链记账的一种表现方式，另外一种是非记账节点。其中候选节点主要是为了争夺记账权限，想要实现这一目标需要参照一定的原则，并采用共识算法，如果有记账节点产生，那么该节点就不会再进行记账节点的竞争，从而变成验证节点，并在此基础上将验证信息传送给记账节点，接收到信息之后，记账节点会将相关数据进行打包，并生成区块，再将这些区块加入系统中，扩充区块链内容。通过P2P网络架设可以实现整个网络的动态维持，保证网络的健壮性，从而确保交易的一致性和安全性。

图2 P2P网络架设图

2.2 分布式共享总账

在实际的电力数据加固中，为了避免信息不被篡改，提升数据的可靠性和安全性，在区块链数据中添加了新的功能。过去的数据分布主要有两种，一种是集中式；另一种是分布式。其中分布式数据的主要职能是为了有效解决集中式存储而产生的安全问题，主要表现为通过备份多地数据，可以有效提高数据的安全指数。利用分布式存储，其存储类别可以分为许多种，分别是分割、复制以及混合。而混合式最典型的代表就是区块链，在实际操作中，首先需要根据时间属性对数据进行有效分割，并在此基础上打包成块，接下来执行全复制，复制完成后将数据块分发到全部的网络节点中，如图3所示。与此同时，配合P2P网络，通过分布式共享总账可以提高数据的安全性和一致性，从源头降低数据在进行交易时被篡改的可能性，确保电力数据的安全、可靠，如图4所示。

图3 分布式共享图

2.3 共识问题

在电力数据分布问题解决之后，如何让计算结果节点达成共识是目前的首要问题。通过区块链技术的基本原则就是少数要尽可能服从多数[5]。其核心问题是通过有效的手段，规避电力系统服务器错误的发生。当电力数据产生交易行为或者是存在一定的变更时，需要严格参照分布式原则，对节点变动轨迹进行全过程记录，当其中一个节点信息被篡改时，需要发挥节点账本的自动更新功能，所谓自动更新，就是账本内容也会随之发生变化，在此基础上和其他节点对照计算结果，进行科学有效分析，当数据不符时，需要做到少数服从多数，以此作为判断依据，完成对账本的修改，并达到共识。

图4 分布式共享总账图

3 存在的局限

3.1 性能问题

性能问题主要是由于大数据量带来的，在实际工作中，大量节点计算、查找以及存储等性能问题，都是目前急需解决的主要问题，是实现技术大范围推广的阻碍。由于每个节点都拥有自己的一个账本，并对每一个账本记录进行追溯，在电力系统中，大量数据更新每天都会发生，并且会伴随大量的数据交易，在区块链中只存在增加和查询的功能，这会在一定程度上造成性能方面的困扰。一方面节点需要记账，并在记账的同时传递账本信息，最终达到共识[6]。但是在这一过程中，存在多个节点竞争记账权的问题，导致多个分支节点的产生，当出现这种情况时，需要等待下一个周期的到来，最终的决定权在区块链较长的分支身上，耗费时间过多。

3.2 生态圈不成熟

区块链想要得到长足发展，需要合适的生长环境，但从现阶段的情况来看，生态圈不成熟是阻碍区块链发展的主要因素，不成熟的表现是基础设施不健全。虽然在现阶段，区块链技术在时间效率和高冗余方面还比较欠缺，但是相信随着科技的不断创新，所有目前困扰的问题都会迎刃而解，为电力系统的平稳、高效运行，以及电力信息安全打下坚实基础，并提供技术支撑。