文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190124
中文引用格式： 陳孝蓮，徐曉海，過烽，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)的各個環(huán)節(jié)起到了越來越重要的作用。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)用場景中，電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用更加常見。
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)雜性和時效性要求越來越高，集中化的信息交互手段已無法滿足源網(wǎng)荷儲互動、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，也帶來了愈加嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。一方面，電力物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點數(shù)量多、部署范圍廣，節(jié)點物理環(huán)境不可控，容易受到物理劫持、節(jié)點復(fù)制、信號截獲竊取重放、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，其計算、存儲和通信能力有限，無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現(xiàn)，容易出現(xiàn)單點失效問題。
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，正成為繼大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)后又一項將對未來產(chǎn)生重大影響的新興技術(shù)。在美國、日本和歐盟一些國家和地區(qū)已將區(qū)塊鏈發(fā)展上升為國家重要發(fā)展戰(zhàn)略。我國政府亦高度重視區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，積極推動國內(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”國家信息化規(guī)劃》、《國務(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》及習(xí)總書記在中國科學(xué)院第十九次院士大會、中國工程院第十四次院士大會上發(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)行讀取修改和訪問等活動，通過制定接入準(zhǔn)測和訪問權(quán)限，保證系統(tǒng)安全性。聯(lián)盟鏈的典型開發(fā)平臺是Hyperledger項目，它提供一個模塊化的構(gòu)架，實現(xiàn)節(jié)點、鏈碼（智能合約）執(zhí)行以及可配置的共識和成員服務(wù)。在接入認(rèn)證方面，通過MSP（Membership Service Provider）服務(wù)，實現(xiàn)X.509證書管理和成員身份驗證。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)議中對認(rèn)證中心節(jié)點的依賴，實現(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算復(fù)雜度、存儲復(fù)雜度和通信開銷，例如CHANG Q等人[1]提出了一種基于橢圓曲線加密算法的無線傳感節(jié)點認(rèn)證協(xié)議；鄒長忠等人[2]提出的基于節(jié)點ID驗證的抗DoS攻擊節(jié)點認(rèn)證協(xié)議在保證良好攻擊防御性的前提下，降低了認(rèn)證的時間開銷和網(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)點認(rèn)證機(jī)制[3]，通過利用節(jié)點的ID生成會話密鑰或采用數(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現(xiàn)其分布式應(yīng)用，往往采用門限密碼機(jī)制，需要消耗較大的計算和通信開銷，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題。針對這個問題，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]基于以太坊平臺提出了提高證書撤銷和證書查詢效率的方案。
在聯(lián)盟鏈方面，佘維等人[7]針對分布式能源交易認(rèn)證中的安全問題，探討了基于聯(lián)盟鏈的分布式能源交易認(rèn)證模型。通過區(qū)塊鏈權(quán)益證明、數(shù)據(jù)加密、時間戳和分布式共識的方法，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，實現(xiàn)了分布式PKI的模擬，但未能針對電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將聯(lián)盟鏈和輕量級分布式認(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)計分布式門限加密認(rèn)證算法，提高電力物聯(lián)網(wǎng)分布式安全級別，支撐安全可靠的電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
2 預(yù)備知識
2.1 Hyperledger區(qū)塊鏈
超級賬本（Hyperledger）是Linux基金會于2015年發(fā)起的開源區(qū)塊鏈項目，目標(biāo)是滿足行業(yè)用戶案例，并簡化業(yè)務(wù)流程。基于完全共享、透明和去中心化特征，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個組件構(gòu)成，具有成員節(jié)點身份驗證、共識算法靈活、智能合約易于實現(xiàn)等優(yōu)點。Hyperledger架構(gòu)如圖1所示。
不同于以太坊等區(qū)塊鏈平臺，Hyperledger在成員服務(wù)中，利用PKI 體系、數(shù)字證書、加解密算法等安全技術(shù)，加強(qiáng)了身份證書管理服務(wù)，實現(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P2P網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和共識機(jī)制，記錄應(yīng)用信息。應(yīng)用則通過發(fā)起交易來向賬本中記錄數(shù)據(jù)。
智能合約部分通過鏈碼服務(wù)實現(xiàn)，鏈碼基于容器、狀態(tài)機(jī)等技術(shù)，可基于第三方開發(fā)語言和相應(yīng)SDK實現(xiàn)，應(yīng)用程序可以通過API實現(xiàn)安全的業(yè)務(wù)邏輯和功能。
超級賬本Fabric平臺采用兩種類型節(jié)點：(1)order節(jié)點，負(fù)責(zé)執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀寫、查詢操作，借助區(qū)塊鏈共識算法、一致性協(xié)議，維護(hù)區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)庫；(2)Peer節(jié)點，用來連接用戶和鄰近的Peer節(jié)點，執(zhí)行查詢驗證操作，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，使用SDK訪問Fabric網(wǎng)絡(luò)并發(fā)起認(rèn)證請求，構(gòu)造交易申請并提交給Endorser 進(jìn)行背書，終端收集到足夠的背書支持后可以構(gòu)造一個合法的請求，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數(shù)難解問題，可在公開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)選取的大素數(shù)n和原始根g。
Alice產(chǎn)生一個秘密的隨機(jī)數(shù)x，計算X=gx mod n并通過公開信道發(fā)送給Bob。
Bob產(chǎn)生一個秘密的隨機(jī)數(shù)y，計算Y=gy mod n并通過公開信道發(fā)送給Alice。
A通過計算Key=Yx mod n獲得密鑰Key，B通過計算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)是通過密碼學(xué)手段在計算機(jī)系統(tǒng)中確認(rèn)實體對某種資源或服務(wù)是否有訪問權(quán)限的方法和機(jī)制[8]。電力物聯(lián)網(wǎng)中終端節(jié)點數(shù)量多、單點計算存儲能力弱，其身份認(rèn)證需要采用效率高的方案。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力物聯(lián)網(wǎng)分布式認(rèn)證過程中，從電力應(yīng)用場景中選擇同屬一個應(yīng)用或者覆蓋區(qū)域的終端認(rèn)證組，負(fù)責(zé)對新接入的節(jié)點進(jìn)行接入認(rèn)證。終端認(rèn)證組節(jié)點通過電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流程和規(guī)范對新入節(jié)點進(jìn)行準(zhǔn)入投票，獲得51%的節(jié)點通過后獲得認(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。具體認(rèn)證模型如圖2所示。
其中，認(rèn)證過程可分為3個階段：(1)終端節(jié)點向接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送接入請求，網(wǎng)關(guān)對請求進(jìn)行應(yīng)答，終端獲得內(nèi)網(wǎng)訪問權(quán)限；(2)終端向認(rèn)證組中的排序節(jié)點發(fā)送認(rèn)證請求，認(rèn)證組Peer節(jié)點發(fā)起分布式認(rèn)證，排序節(jié)點結(jié)合認(rèn)證結(jié)果訪問超級賬本系統(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，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)證算法分為注冊階段、密鑰協(xié)商階段和認(rèn)證階段三個過程：注冊階段生成公鑰和私鑰，排序節(jié)點公布系統(tǒng)參數(shù)，認(rèn)證組節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)公布的參數(shù)生成自己的秘密多項式；密鑰協(xié)商階段，排序節(jié)點廣播發(fā)送認(rèn)證請求報文，認(rèn)證組Peer節(jié)點通過電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)邏輯選擇對新接入節(jié)點的準(zhǔn)入結(jié)果，如果同意節(jié)點接入，則向排序節(jié)點提交簽名，排序節(jié)點得到多于門限數(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)可通過公開參數(shù)中的群公鑰驗證簽名的合法性。
得到群密鑰Sk，說明滿足門限數(shù)量的合法終端已經(jīng)確認(rèn)對新入終端的認(rèn)證。排序節(jié)點將認(rèn)證信息提交記賬節(jié)點，生成新的區(qū)塊，同時，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)送給請求入網(wǎng)的電力物聯(lián)網(wǎng)終端，認(rèn)證結(jié)束。
4 仿真驗證
本節(jié)通過在實驗室部署Hyperledger和鏈碼來模擬電力物聯(lián)網(wǎng)接入認(rèn)證過程，用于驗證本文所提算法的有效性。實驗環(huán)境為Intel CoreTM i7-7700HQ CPU@2.80 GHz，8 GB內(nèi)存，CentOS 7操作系統(tǒng)。仿真實驗時，模擬終端發(fā)起接入認(rèn)證請求，用docker模擬認(rèn)證組節(jié)點和排序節(jié)點，通過在鏈碼上部署認(rèn)證算法進(jìn)行接入認(rèn)證仿真。所有仿真數(shù)據(jù)為運行10次的平均值。
圖3 是不同節(jié)點數(shù)量下接入認(rèn)證時間的曲線圖，可以看出，認(rèn)證時間隨節(jié)點數(shù)量的增加呈增大趨勢，但是增大幅度有所降低，這是因為隨著節(jié)點數(shù)量的增加，基于區(qū)塊鏈的接入認(rèn)證方案通過分布式認(rèn)證降低了系統(tǒng)總體開銷，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)量增加會導(dǎo)致接入網(wǎng)關(guān)CPU負(fù)載增高，這是因為網(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)實際應(yīng)用場景中，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)。
參考文獻(xiàn)
[1] CHANG Q，ZHANG Y G，QIN L L.A node authentication protocol based on ECC in WSN[C].International Conference on Computer Design And Appliations(ICCDA 2010)，NJ United States：IEEE Computer Society，2010，2：606-609.
[2] 鄒長忠.線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點ID驗證的防御DOS攻擊策略[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2012，33(3)：486-491.
[3] HAIMABATI D，RAJA D.Monitoring threshold cryptography based wireless sensor networks with projective plane[C].5th International Conference on Computers and Devices for Communication(CO-DEC)，Kanyakumari，India，Washington DC United States：IEEE Computer Society,2012：1-4.
[4] SUN Y，YU Y，LI X，et al.Batch verifiable computation with public verifiability for outsourcing polynomials and matrix computations[C].Proceedings of the 21st Australasian Conference on Information Security and Privacy：Part I，LNCS 9722.Cham:Springer，2016：293-309.
[5] 張昕偉，張華，郭肖旺，等.基于區(qū)塊鏈的電子投票選舉系統(tǒng)研究分析[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(11)：132-135.
[6] GARG S，GENTRY C，HALEVI S.Candidate multilinear maps from ideal lattices[C].EUROCRYPT 2013：Proceedings of the2013 Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques，LNCS 7881.Berlin：Springer，2012：1-17.
[7] 佘維，胡躍，楊曉宇，等.基于能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的虛擬電廠運行與調(diào)度模型[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2017，37(13)：3729-3736.
[8] 徐琳，溫蜜，李晉國.智能配電網(wǎng)中具有隱私保護(hù)的數(shù)據(jù)安全認(rèn)證方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(12)：98-101.
作者信息:
陳孝蓮1，徐曉海2，過 烽1，李 洋3，蔡世龍3，高 雪3
（1.國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫214002；2.國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江212050；
3.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），江蘇 南京211106)