区块链技术在电网业务数据分布式存储管理中的应用

李 洵，卫 薇，龙 娜

（贵州电网有限责任公司信息中心，贵州 贵阳 550002）

0 引言

信息技术的快速发展，使得人工智能、互联网、云计算以及大数据等具有代表性的新兴信息技术在人们的生产和生活中得到了更加广泛的应用，同时也为社会带来了巨大的改变[1]。在现代化的管理体系中，区块链技术已成为互联网技术的依托，其业务主体之间的交易活动也由传统的商务模式逐渐转变为以网络为交易环境的电子商务交易过程，并对其相关的信息、资金进行管理和控制。电力企业现有的电网云存储在实际应用过程中具有集中部署、分布式应用等特征，因此对于电力企业的核心网络而言，其数据信息的传输会对网络造成巨大的压力，进而导致网络终端的数据存储时间不断增加。并且，随着数据量的增加延时更加明显，无法实现对数据的高速传输。文中基于区块链技术的优势对其在电网业务数据分布式存储管理中的应用进行了研究。

1 基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理

区块链技术是“互联网+”思维的延伸，可以将其技术优势应用到智能电网数据平台的各个方面。电网数据对其平台框架的安全性、可靠性要求较高，管理平台要在数据采集存储的过程中对其进行处理分析。区块链技术是一种去中心化的数据处理技术，具有分布式存储、信息可追溯、不易篡改等优点，将该项技术应用于智能电网数据系统的技术框架，能够有效解决电网数据的多源异构、信息存储等问题。若实现区块链技术与智能电网数据平台的无缝对接，首先要论证二者之间的兼容性。

1.1 电网业务数据分布式存储管理整体架构

根据区块链技术的优势，构建电网业务数据分布式存储管理的整体架构，在网络边缘区域利用可支持软件定义网络的控制器，提供网络的拓展性，从而满足电网业务数据不断增长的存储需要[2]。再采用云计算的延伸技术—雾计算技术将电网业务数据的存储模式改变为分层存储。通过在电网中设置大量的雾节点，实现对本地存储设备和终端存储设备的实时管理，降低电网核心网络中的数据流量，提高对数据存储和读取的速度。图1为电网业务数据分布式存储管理整体结构。

图1 电网业务数据分布式存储管理整体结构

电网业务数据分布式存储管理整体架构共分为三层，分别为业务数据采集层、基于区块链的雾节点层以及核心云存储层[3]。业务数据采集层主要分布在电网业务边缘，用于对各类智能电网业务服务设备产生的实时数据进行采集，同时也负责对用户终端的业务数据进行传输，再将本地形成的完整业务数据过滤，最终发送代入计算层当中，并通过请求完成数据存储服务[4]。基于区块链的雾节点层中，包含设备层中过滤获取的原始业务数据，雾节点层的组成主要为分布式软件定义网络的控制器。当存储层需要将业务数据存储时，雾节点层立即将处理后的数据输出到核心存储层中。同时，雾节点层还可为电网业务提供定位服务，并由云存储层提供对电网业务数据的监控，通过相应的算法对大规模电网事件进行实时监测和行为分析等[5]。核心云存储层中，文中基于区块链技术的安全性和低成本优势，构建按需访问的核心云存储架构，通过雾节点层搜索、查询、采集到的所有电网业务数据都可以存储在核心云存储层当中。由于雾节点层和云存储层均采用区块链技术，两层中均包含分布式软件定义网络控制器，因此选用分布式连接方式连接。

根据分布式数据的类型，将电网业务数据划分为五种，分别为CFH、CFHL、DID、SDIR、DIDI，其中第一种类型当中包含了分布式电网业务数据的具体内容信息；第二种类型当中包含了分布式电网业务数据的长度数值；第三种类型当中包含了分布式电网业务数据在数据化处理后，获取到的源数据及记录信息；第四种类型当中包含了分布式电网业务数据在存储当中的具体结构特征；第五种类型当中包含了分布式电网业务数据的自动增长标识。将各类分布式电网业务数据，再利用压缩技术，将存储数据的磁盘占用空间进一步缩小，有利于提高电网全业务数据传输的效率。可利用压缩技术压缩的数据主要包括数据记录数量、数据长度集合等。

在电网边缘部署配备分布式软件定义网络的交换机多接口基站，多接口基站作为业务数据网管聚合从本地智能电网设备及用户终端的所有业务数据流。基于区块链技术的雾节点中存在的分布式控制器还可以为电网业务数据的管理人员提供可以编程的网络接口，从而提供更多的网络功能。通过雾节点对电网业务数据分布式存储进行访问，完成对数据存储服务的部署。当雾节点层中没有充足的计算和资源对电网业务数据处理时，可以将雾节点层中的存储负载通过分布式接口转移到核心云存储层当中，对电网业务数据进行实时处理。在网络分布式云存储环境的边缘位置，还需要部署配有软件定义网络交换机的多接口基站。软件定义网络控制器采用区块链技术形成分布式连接模式，并在每个软件定义网络控制器当中利用分析功能以及分组迁移功能对其进行授权处理，从而达到在饱和攻击期间对电网业务数据的保护。利用多接口基站实现对数据网关的聚合，并从电力企业本地智能电力网络当中发出所有原始数据流。雾节点中特有的软件定义网络控制器还可以为分布式云存储环境提供编程接口，以提供各类基本的网络操作功能。同时，雾节点还可通过电力企业的通信网络访问分布式电网业务数据，从而使数据存储服务的部署更加灵活。当雾节点中没有足够的算法以及电网业务数据时，雾节点还可将分布式云存储环境中的存储负载转移到核心云存储当中，减轻对电网业务数据的存储负担。

1.2 建立基于区块链技术的管理机制

采用工作量证明作为文中基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理的管理机制，保障在区块链之间发生的所有业务数据交换能够被大量加密节点通过。传统区块链技术中通常采用工作量证明的方式建立一种单跳协议，利用该协议保证在存储管理过程中各个区块链之间发生的令牌交换会大量被加密处理的节点所批准。在文中基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理方法中，除利用区块链之外还需要更多的处理操作，例如存储性能、文件传输以及数据采集等，上述处理操作都会造成成员之间的令牌发生交换，因此还需要另一种协议对区块链的令牌交换进行证明，并准确判断其正确性。同时在区块链以外还要对云存储性能、文件传输以及业务数据的采集等均涵盖在管理机制当中[6]。因此，还需要另一种机制保证管理机制的准确性评估，并证明区块链之间电网业务数据的准确交换。选择权益证明和工作量证明两种构成完整的管理机制，图2是基于区块链技术的管理机制示意图。

图2 基于区块链技术的管理机制示意图

图2中N-1和N0表示为成熟区块链；N1、N2、N3、N4表示为工作证明协议的块链；M1、M2、M3表示为权益证明协议的块链。虚线部分表示第一个跃点，实线部分表示第二个跃点。所有N区块都是由第一个跃点中的工作证明协议节点生成，而所有M区块都是由第二个跃点中的权益证明协议节点生成[7]。由图2中各个区块的连接方式可以看出，工作证明协议与权益证明协议在每个时间步骤中自动编排成由，并且工作证明协议与权益证明协议之间的区块链是交替扩展的。为了使各个区块链之间的编织更加紧密，在图2的基础上，对每个工作证明协议区块映射一个权益证明协议，保证两个协议之间的关联性。通过这种映射方式可以使所有有效的工作证明协议链具备与其对应的权益证明协议链的相同长度，实现对电网业务数据分布式存储的有效管理。

对于动态业务数据的存储机制可采用多级访问控制的方式，为业务数据信息在相邻实体之间提供动态修改，图3为动态业务数据对应的所有权转移过程。

图3 动态业务数据对应的所有权转移过程

图3中PKn表示为各层实体生成的密钥，可用于相邻层之间的沟通，并允许相邻实体间沟通[8]。以实体n层和实体n+1层为例，实体n作为发送方，实体n+1作为接收方，设置实体n的动态数据编码为Xn。当对完整的电网业务数据进行签名时，双方可能会出现存储完整信息量大或非对称加密技术造成计算量大，处理速度减缓的现象，因此，当相邻层实体在通信的过程中采用文中提出的动态业务数据存储机制——二次分散迭代机制，将发送方的公钥与消息同时作为动态数据输入，并通过获取到的运算消息认证码完成对动态业务数据存储的管理。

基于区块链技术对电网业务数据存储负载层面分析，引入Redis技术，依照分布式存储搭建模式，将统一格式处理后的数据按照标准管理方式对电网业务数据管理流程进行设计，传统管理模式采用中央处理器或内存的使用评估代价，但存在管理不够全面的问题[9]。因此，文中基于区块链技术的管理机制中还需要增加负载代价思路，将响应时间作为评估管理效率的关键依据，从多个角度对电网业务数据的管理精准化进行定位和分析。在文中机制实际运用过程中，完成对多类电网业务数据存储效果的实时统计。当完成对执行处理任务管理质量评价后，再将结果作为基础，确定各个影响数据管理有效性的影响因素，通过基于区块链技术的管理机制，实现对分布式电网业务数据的管理监督。

1.3 分布式存储管理安全策略

文中基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理在区块链中使用匹配算法，并根据存储的电网业务数据请求将业务数据请求链接到存储资源上，为其提供节点。在核心云存储层中，匹配算法可以保证为存储的业务数据提供基本要素，当业务数据存储出现问题时可通过相应的安全策略实现对业务数据的安全管理。为了保证精准识别到业务数据分布式存储时的异常行为，首先要对每个电网业务数据进行捕获，为了使配置终端的节点之间相互连接，文中设置受信任的控制器使用流量模型消息指导转发设备，攻击者使用网络通信协议控制消息的子集[10]。利用数据包解析设备对业务数据在传输过程中进行实时的动态监测，并将检测结果传输到数据包中。

解析后的数据包以构建或修改连接的方式接入到电网当中，再将拓扑交换元数据的改写过程对应的数据内容与安全策略中的攻击区域划分。分布式软件定义网络域中包含的三个元素可以对电网中每个业务数据进行精准概述。

其次在电网业务数据分布式存储前还需对其进行验证。验证步骤分为两步：离线生成路径、在线生成匹配规则。离线生成路径是利用传统的符号算法对可能存在的路径进行导航，并采集所有符合条件的路径信息。为了防止在业务数据存储过程中增加对存储系统的开销，因此选用离线生成[11]。在线生成匹配规则用于对全局变量进行监督，并根据当前数值对不同状态的路径分配，在已生成的路径条件中，输入变量并将变量符号化，使其能够在匹配数据规则时完成对每个状态路径的解析。

根据不同的存储问题，设置迁移代理。当接收到报警信息时，迁移代理可以快速识别攻击类型并做出正确的决策。当攻击期间出现饱和时，迁移代理可触发解析设备中的旧规则并生成新的规则，当业务数据处于缓存状态时，迁移代理还可以将数据包中丢失的数据找回。在数据新规则生成的过程中，迁移代理将所有缺失的数据迁移到数据包中并对数据缓存，保证数据包不会被其他业务数据淹没或造成存储系统出现过载现象[12]。

在分布式云存储环境当中，通过调度策略可将一组电网业务数据任务分配到存储资源上运行。由于存储管理方法的性能主要取决于其效率大小，因此对于任何一种分布式存储方式而言，调度策略都是十分关键的分布式存储管理安全策略。在调度策略当中，主要包含用于调度电网业务数据的存储任务以及选择需要进行存储资源的若干策略计算方法。例如，当用户端希望获取最佳的存储性能时，会造成存储的成本增加，但用户端还希望在最佳存储性能的同时，保证成本的最小化[13]。因此，文中提出的基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理方法，结合CLOUDRB技术，可以有效实现对云存储环境中各项资源的高效管理以及安全调度。在实际存储电网业务数据调度的应用过程中，还应当根据业务数据的可靠性以及资源置信度等众多影响因素，对调度策略的偏好进行设置，从而找出符合用户偏好的调度策略。

在电网业务数据分层式存储管理框架的核心存储层中设置数据缓冲带，并将其作为数据的临时存放区，用于当核心存储层发生饱和或受到攻击期间缓存可能丢失的数据包。当核心存储层出现泛洪攻击或数据量突增时，通常情况，泛洪数据包或过载数据包会被转移到定向缓存区域中[14]。当数据缓存接收到迁移的业务数据包时，通过对数据包的标头进行解析，并使用生成设备和分类设备将其存储在相应的缓存区队列中，保证存储在核心存储层的电网业务数据的完整性[15]。

2 实验论证分析

2.1 实验准备

针对文中提出的基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理方法，建立相同的实验环境，将其与传统管理方法进行仿真实验。实验通过使用吞吐量性能指标对两种管理方式的仿真模拟进行评价。为准确模拟出实际电网运行过程中，大量智能电网设备以及用户输入终端与网络边缘的连接，形成基于区块链技术的分布式云存储环境，用于两种管理方法执行各类数据采集、传输以及存储任务。文中对比实验的实验环境选用5台计算机设备组成的模拟实验环境，每台计算机的功能及配置如表1所示。

表1 各计算机功能及配置参数对应表

当计算机运行时使用TFN2K设备工具作为攻击方，对电网业务数据进行随机的攻击。分别选用文中提出的基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理方法与传统管理方法对电网业务数据存储进行管理，设文中管理方法为实验组，传统管理方法为对照组，对两种方法的数据吞吐量进行比较。

2.2 实验结果及分析

根据上述实验准备，完成对比实验，并将实验过程中产生的数据信息进行记录，绘制成如图4所示的实验结果对比图。

图4 实验组与对照组实验结果对比图

由图4中的实验结果的数据对比可以看出，在完成3 000个存储服务时，实验组的数据吞吐量明显高于对照组。在实验进行中，文中管理方法在分布式云环境中采用智能调度装置，实现了对电网业务数据存储的负载均衡处理，将不同的应用程序以及相关一系列任务在最近的雾节点服务器当中执行，有效减少了核心云存储服务器上执行所有任务的开销。因此，通过实验证明，与传统的网络业务数据存储管理方法相比，文中提出的基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理方法可为存储系统提供更高的吞吐量，同时因为网络边缘具有服务可用性。因此，文中方法也进一步实现了对存储效率的提升，从业务数据存储到网络边缘时存储系统的执行时间更短，更符合当前电力企业的运行模式需求。同时，文中在进行仿真实验的过程中还利用测量可以检测并减轻网络边缘饱和度以及攻击速度，对两种管理方法进行评估，进一步验证文中管理方法的准确性。

3 结语

综上所述，文中提出了一种基于区块链技术的电网业务数据分布式存储管理方法，基本上满足了当前电力企业中对电网业务数据存储的安全性和高效性需要。随着互联网技术的普及，区块链技术也将得到更广泛的应用，电网业务数据存储管理体系也将结合云计算、物联网以及大数据等新兴技术，将传统以业务为中心的管理模式逐渐转向为以数据信息为中心的管理模式，从而实现更加高效的电网运行。同时区块链技术的安全性也可实现业务信息的安全管理，防止客户重要信息的泄露。