基于區塊鏈的電力泛在業務接入網關的研究

　　摘要：電網智能化業務以及能源互聯網泛在業務接入需求的增加，產生了大量智能終端設備的接入，信息的獲取方法、存儲形態、傳輸渠道和處理方式都發生了新的變化，對信息通信技術支撐電網業務的能力提出了更高的要求。電力通信網支撐業務安全、可信、靈活接入的需求非常迫切。

　　關鍵詞：區塊鏈;分布式認證;電力物聯網;網關;終端測試

　　隨著能源互聯網的建設，這種中心化的網絡面臨著挑戰：首先，電力微電網、可再生能源、家庭用戶間的電力交易等業務的接入，使得大量終端之間直接通信的需求日益凸顯，傳統匯聚型網絡要向互聯性網絡轉變;其次，電力物聯網作為能源互聯網的互聯基礎，必將帶來終端數量的激增，過多依賴認證中心的集中式接入方式在有效性和安全性等方面滿足不了日益增長的物聯網生態體系的需求。產生以上問題的關鍵原因是存在中心節點，無法應對海量數據的處理、存儲、轉發、可靠性以及安全風險，去中心化是解決以上問題的重要思路。對于電力行業應用，雖然采用區塊鏈技術可以解決上述問題，避免集中處理設備間的大量交易信息，可在保護用戶隱私和匿名性的前提下，提供靈活可信的接入途徑;但是，從現有的應用來看，區塊鏈技術在電力系統的應用還有一些問題需要解決。為此，本文提出適用于電力物聯網的分布式認證方案，研制了基于區塊鏈的電力泛在業務接入網關，并進行了現場測試。

　　1、基于區塊鏈的分布式認證

　　1.1面向泛在業務可信接入的電力通信網特征

　　在能源互聯網環境下，電力通信網中的業務接入設計了大量的物聯網終端，引出會出現大量不同類型特征、不同接入需求、不同業務特征的物聯網節點并發申請入網的情形。物聯網節點的主要特征如下：

　　a)終端特征———各通信站點物理位置分散，變電所的傳感器數量多，各節點設備接入的業務種類多;

　　b)接入能力需求———實時性、服務質量、帶寬各不相同;

　　c)數據業務的特征———間斷通信與突發通信、實時業務與非實時業務、重負荷與輕負荷等特征，以及可靠性、安全性、及時性要求;

　　d)承載業務類型———自動化控制業務、生產調度業務、行政管理和信息化管理服務等。

　　1.2分布式認證模型和過程

　　傳統的接入認證模型所有節點接入網絡需向統一的認證中心認證，當節點數量眾多時會導致認證中心負載過大，不適于電力通信網絡中大量節點接入的場景�；�于區塊鏈的接入認證包含以下步驟：

　　步驟1，確保每個節點在出廠時通過固件確定唯一的公鑰和對應的私鑰，并使用時間戳形成區塊鏈。

　　步驟2，通過實用拜占庭容錯算法投票機制確立共識機制。

　　步驟3，定義虛擬貨幣，確立激勵懲罰機制，當節點提供了認證服務時，獲得規定數量的虛擬貨幣，當節點申請認證服務時，需要消費虛擬貨幣。

　　步驟4，所有節點可下載賬本信息，通過加密算法保證認證過程中不會泄露隱私信息。

　　根據上述步驟，建立電力通信網絡接入私有區塊鏈數據結構和智能合約，新設備被工廠組裝完成后設置唯一標識，安裝部署后轉移到一個通用的區塊鏈中注冊，在這個區塊鏈上可以與其他設備自主互動，協同認證，在認證過程中無需認證中心參與。系統中每個節點都具有高度自治的特征，節點之間彼此可以自由連接，形成新的連接單元。任何一個節點都可能成為階段性的中心，但不具備強制性的中心控制功能。節點與節點之間的影響會通過網絡而形成非線性因果關系，它可讓設備了解其他設備的功能，以及不同用戶圍繞這些設備的指令和權限，即追蹤設備之間的關系、用戶與設備之間的關系，以及在用戶同意的條件下的2個設備之間的關系。

　　電力物聯網的終端在接入認證時，第1步是先發送認證請求，主節點根據認證結果將請求封包，再檢索接入認證區塊鏈中的合適的節點。合適的節點必須滿足合法性和認證性，還需要滿足功能要求。合法性是指節點已經成功接入系統，認證性是指節點的節點屬于同種業務，功能要求是指有足夠的處理能力和電量來運行算法。最后，請求會通過組播方式發送給認證組。整個認證過程可以分成請求階段和確認階段。

　　a)請求階段：電力終端發起認證申請，在申請中包含了終端的注冊信息，主節點收到認證申請

　　后，用終端公鑰對終端簽名進行確認，最后形成認證協議請求報文。

　　b)確認階段：主節點收到認證申請后，檢索認證區塊鏈;再進行綜合匹配，主要是根據節點的類型、運行狀態、業務類型等進行匹配;最后選擇最滿足條件的節點，形成認證組G={P1，P2，…，Pt｝，在G中發送認證協議請求報文，節點通過共識算法完成認證，生成區塊，終端收到確認信息。

　　2、電力通信網泛在業務接入網關的設計

　　2.1網關系統的硬件組成

　　系統硬件組成包括區塊鏈認證服務器、可編程交換機和配置終端3部分。區塊鏈認證服務器采用X86架構的工控機、8GB內存、CentOS7操作系統、千兆以太網口。運行區塊鏈認證系統，存儲超級賬本。交換機具有遠程配置功能，可接收認證服務器傳來的控制指令。當指令為通過時，建立連接鏈路;當指令為阻斷時，切斷相應接口的網絡訪問權限。

　　2.2網關系統的軟件體系

　　軟件系統通過界面左邊導航欄可以進入主頁、系統配置、系統管理等功能界面，主界面中可以看到所有終端的狀態。狀態分為3種：紅色表示拒絕接入，藍色表示可以接入，灰色表示設備不在線。當處于藍色狀態時，對應設備可以接入業務系統，否則無法接入業務系統�？梢酝ㄟ^手動方式對設備的通斷進行控制，相應顯示紅色或藍色。

　　3、電力通信網泛在業務接入網關的測試分析

　　3.1測試場景

　　測試場景為配電自動化系統，該系統是典型的電力物聯網應用場景�，F場配電終端主要通過光纖、無線網絡等通信方式接入配電自動化系統，目前安全防護措施相對薄弱以及黑客攻擊手段的增強，致使點多面廣、分布廣泛的配電自動化系統面臨來自公網或專網的網絡攻擊風險，進而影響配電系統對用戶的安全可靠供電。同時，當前國際安全形勢出現了新的變化，攻擊者通過配電終端誤報故障信息等方式迂回攻擊主站，進而造成更大范圍的安全威脅。為了保障電網安全穩定運行，配電自動化系統的安全防護至關重要。

　　3.2網關部署的系統拓撲

　　區塊鏈認證服務器通過匯聚交換機與電力通信網連接，對終端設備的接入請求進行驗證。演示驗證系統分為2個分片，其中分片1中DTU通過接入交換機在2層與匯聚交換機互通，分片2中終端通過4G專網與匯聚交換機互通。物聯終端接入骨干通信網之前，需要通過區塊鏈認證服務器認證，并獲得通信令牌，否則將不能建立網絡層(3層)通信鏈路。

　　電力論文投稿刊物：《南方能源建設》是2014年6月經由國家新聞出版廣電總局批準、由南方電網傳媒有限公司主管、中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司和南方電網傳媒有限公司聯合主辦的能源行業科技類學術期刊，刊號為CN44-1715/TK，ISSN 2095-8676，國際期刊刊名代碼CODEN為NFNYJK;國內外公開發行，季刊，2014年12月25日發行首刊。

　　結束語

　　利用區塊鏈去中心化的技術，結合電力通信網的特征，本文提出適用于電力物聯網的分布式認證方案，研制了基于區塊鏈的電力泛在業務接入網關，在有線環境和無線環境下進行了終端測試，實現了配電自動化、新能源等典型泛在電力物聯網系統的終端接入認證。針對信息通信基礎中電力通信網絡技術開展深入研究，引入區塊鏈技術，并對該技術進行跨領域拓展、實用化改造以及適應性優化，通過必要的研究和開發將該技術應用到各類電力業務接入的應用場景中，以提升電力通信網絡的數據傳遞性能，解決電力業務信息通信基礎支撐平臺的網絡性能瓶頸問題。下一步將繼續挖掘區塊鏈在信息安全方面的獨特優勢，結合泛在電力物聯網的具體應用場景，研究基于區塊鏈技術實現泛在電力物聯網終端高效接入和細粒度訪問控制的方法。

　　參考文獻：

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　　作者：李國棟

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