文獻標識碼： 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的電力物聯網分布式認證研究[J].電子技術應用，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
隨著智能電網和能源互聯網的發(fā)展，電力物聯網在電力生產的各個環(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公里的配電網中，在用電計量、售電服務、分布式發(fā)電、新能源并網、智能充電樁等應用場景中，電力物聯網的應用更加常見。
現有電力業(yè)務系統(tǒng)大部分采用中心化的架構，隨著分布式電源、可控負荷、增量配電網、物資服務等業(yè)務的不斷發(fā)展，各主體之間的信息交互的頻度、復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荷儲互動、物資精準供應等由多方參與的業(yè)務系統(tǒng)信任需求。
電力物聯網在廣泛應用的同時，也帶來了愈加嚴峻的安全挑戰(zhàn)。一方面，電力物聯網終端節(jié)點數量多、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，電力物聯網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，容易出現單點失效問題。
區(qū)塊鏈(Blockchain)技術具有去中心化、防篡改、高度可擴展等特點，正成為繼大數據、云計算、人工智能、虛擬現實等技術后又一項將對未來產生重大影響的新興技術。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)塊鏈技術創(chuàng)新與產業(yè)發(fā)展，積極推動國內區(qū)塊鏈的相關領域研究、標準化制定，大力推進區(qū)塊鏈技術研發(fā)和應用推廣，《“十三五”國家信息化規(guī)劃》、《國務院辦公廳關于積極推進供應鏈創(chuàng)新與應用的指導意見》及習總書記在中國科學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)塊鏈等技術在科技強國中的戰(zhàn)略意義。
區(qū)塊鏈可分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈、許可鏈等類型。其中聯盟鏈是指由聯盟或行業(yè)內若干個機構共同參與管理的區(qū)塊鏈，較為適合應用于電力場景。其數據只允許系統(tǒng)內的機構進行讀取修改和訪問等活動，通過制定接入準測和訪問權限，保證系統(tǒng)安全性。聯盟鏈的典型開發(fā)平臺是Hyperledger項目，它提供一個模塊化的構架，實現節(jié)點、鏈碼（智能合約）執(zhí)行以及可配置的共識和成員服務。在接入認證方面，通過MSP（Membership Service Provider）服務，實現X.509證書管理和成員身份驗證。本文基于Hyperledger聯盟鏈架構，研究適用于電力物聯網的分布式認證策略，改進傳統(tǒng)物聯網安全協議中對認證中心節(jié)點的依賴，實現群體接入認證，在保證安全的前提下，提高電力物聯網中大量節(jié)點并發(fā)接入的響應速度。
1 相關工作
傳統(tǒng)物聯網安全接入認證方面的研究多側重于降低安全算法的計算復雜度、存儲復雜度和通信開銷，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)點認證協議；鄒長忠等人[2]提出的基于節(jié)點ID驗證的抗DoS攻擊節(jié)點認證協議在保證良好攻擊防御性的前提下，降低了認證的時間開銷和網絡的通信負載。在去中心化的分布式認證方面，有研究者提出了采用秘密共享概念的分布式節(jié)點認證機制[3]，通過利用節(jié)點的ID生成會話密鑰或采用數字簽名算法達到安全認證的目的。
基于公鑰基礎設施(PKI)的身份認證是目前較為成熟的認證技術，目前的算法中為了實現其分布式應用，往往采用門限密碼機制，需要消耗較大的計算和通信開銷，不利于在電力物聯網中大范圍部署。為了達到去中心化的效果，有學者開始研究區(qū)塊鏈技術在身份認證領域的應用。文獻[4]基于比特幣系統(tǒng)提出了分布式PKI認證體系，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[5]提出了一種帶隱私保護的PKI認證方案進行改進。文獻[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。
在聯盟鏈方面，佘維等人[7]針對分布式能源交易認證中的安全問題，探討了基于聯盟鏈的分布式能源交易認證模型。通過區(qū)塊鏈權益證明、數據加密、時間戳和分布式共識的方法，提高了分布式能源交易數據安全性、信息透明度和自動化認證水平。
目前基于區(qū)塊鏈的物聯網接入認證方案大多基于公共區(qū)塊鏈平臺，實現了分布式PKI的模擬，但未能針對電力物聯網業(yè)務將聯盟鏈和輕量級分布式認證協議進行有效的整合，難以滿足智能電網和能源互聯網去中心化、泛在接入、廣域互聯的需求。本文基于Hyperledger架構，設計分布式門限加密認證算法，提高電力物聯網分布式安全級別，支撐安全可靠的電力物聯網應用。
2 預備知識
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，目標是滿足行業(yè)用戶案例，并簡化業(yè)務流程。基于完全共享、透明和去中心化特征，Hyperledger非常適合制造、能源、物聯網等行業(yè)應用。
Hyperledger由成員服務（Membership）、區(qū)塊鏈服務（Blockchain）和鏈碼服務（Chaincode）3個組件構成，具有成員節(jié)點身份驗證、共識算法靈活、智能合約易于實現等優(yōu)點。Hyperledger架構如圖1所示。
不同于以太坊等區(qū)塊鏈平臺，Hyperledger在成員服務中，利用PKI 體系、數字證書、加解密算法等安全技術，加強了身份證書管理服務，實現了權限管理、交易加解密、分布式賬本機制等模塊化可拔插架構，用戶可以根據業(yè)務需要靈活部署應用。
在區(qū)塊鏈服務中，分布式賬本是最核心的結構，基于前后關聯的鏈式結構，Hyperledger通過P2P網絡、數據庫和共識機制，記錄應用信息。應用則通過發(fā)起交易來向賬本中記錄數據。
智能合約部分通過鏈碼服務實現，鏈碼基于容器、狀態(tài)機等技術，可基于第三方開發(fā)語言和相應SDK實現，應用程序可以通過API實現安全的業(yè)務邏輯和功能。
超級賬本Fabric平臺采用兩種類型節(jié)點：(1)order節(jié)點，負責執(zhí)行數據的讀寫、查詢操作，借助區(qū)塊鏈共識算法、一致性協議，維護區(qū)塊鏈賬本數據庫；(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)行記入交易數據操作。
在基于Hyperledger的區(qū)塊鏈認證系統(tǒng)中，電力物聯網終端APP從CA獲取合法的數字證書，使用SDK訪問Fabric網絡并發(fā)起認證請求，構造交易申請并提交給Endorser 進行背書，終端收集到足夠的背書支持后可以構造一個合法的請求，發(fā)給Orderer進行記賬處理。
2.2 Difffe-Hellman密鑰交換
Diffe-Hellman算法是電力物聯網系統(tǒng)中常用的密鑰交換算法，該算法基于有限域中離散對數難解問題，可在公開信道中安全交換密鑰信息。假設密鑰交換雙方為Alice和Bob，算法步驟如下：
初始化階段，雙方約定隨機選取的大素數n和原始根g。
Alice產生一個秘密的隨機數x，計算X=gx mod n并通過公開信道發(fā)送給Bob。
Bob產生一個秘密的隨機數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 認證模型和算法
3.1 認證模型
身份認證技術是通過密碼學手段在計算機系統(tǒng)中確認實體對某種資源或服務是否有訪問權限的方法和機制[8]。電力物聯網中終端節(jié)點數量多、單點計算存儲能力弱，其身份認證需要采用效率高的方案?；趨^(qū)塊鏈技術的電力物聯網分布式認證過程中，從電力應用場景中選擇同屬一個應用或者覆蓋區(qū)域的終端認證組，負責對新接入的節(jié)點進行接入認證。終端認證組節(jié)點通過電力物聯網業(yè)務流程和規(guī)范對新入節(jié)點進行準入投票，獲得51%的節(jié)點通過后獲得認證區(qū)塊鏈記賬權限，調用Hpyerledger功能創(chuàng)建區(qū)塊鏈節(jié)點。具體認證模型如圖2所示。
其中，認證過程可分為3個階段：(1)終端節(jié)點向接入網關發(fā)送接入請求，網關對請求進行應答，終端獲得內網訪問權限；(2)終端向認證組中的排序節(jié)點發(fā)送認證請求，認證組Peer節(jié)點發(fā)起分布式認證，排序節(jié)點結合認證結果訪問超級賬本系統(tǒng)并記賬，記賬完成后返回認證結果；(3)認證組排序節(jié)點，向接入網關下發(fā)令牌，接入網關將授權令牌反饋給終端，終端因此獲得業(yè)務接入權限。
3.2 認證算法
認證算法分為注冊階段、密鑰協商階段和認證階段三個過程：注冊階段生成公鑰和私鑰，排序節(jié)點公布系統(tǒng)參數，認證組節(jié)點根據系統(tǒng)公布的參數生成自己的秘密多項式；密鑰協商階段，排序節(jié)點廣播發(fā)送認證請求報文，認證組Peer節(jié)點通過電力物聯網業(yè)務邏輯選擇對新接入節(jié)點的準入結果，如果同意節(jié)點接入，則向排序節(jié)點提交簽名，排序節(jié)點得到多于門限數量份簽名后可以形成認證許可，發(fā)送給電力物聯網接入網關作為認證依據；認證階段，網關可通過公開參數中的群公鑰驗證簽名的合法性。
得到群密鑰Sk，說明滿足門限數量的合法終端已經確認對新入終端的認證。排序節(jié)點將認證信息提交記賬節(jié)點，生成新的區(qū)塊，同時，用Sk加密令牌，將結果發(fā)送給網關。
網關用公鑰Pk解密令牌，發(fā)送給請求入網的電力物聯網終端，認證結束。
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網接入認證過程，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內存，CentOS 7操作系統(tǒng)。仿真實驗時，模擬終端發(fā)起接入認證請求，用docker模擬認證組節(jié)點和排序節(jié)點，通過在鏈碼上部署認證算法進行接入認證仿真。所有仿真數據為運行10次的平均值。
圖3 是不同節(jié)點數量下接入認證時間的曲線圖，可以看出，認證時間隨節(jié)點數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)點數量的增加，基于區(qū)塊鏈的接入認證方案通過分布式認證降低了系統(tǒng)總體開銷，效率較集中式接入認證有所提高。
圖4是系統(tǒng)并發(fā)數量與認證網關CPU負載的關系圖，數據顯示，并發(fā)數量增加會導致接入網關CPU負載增高，這是因為網關需要處理更多的認證信息，但是負載總體情況在可接受的范圍內。
5 結論
電力物聯網是信息通信技術和電力系統(tǒng)基礎設施的有效融合，對電網發(fā)、輸、變、配、用電等環(huán)節(jié)提供了重要技術支撐。本文基于超級賬本區(qū)塊鏈技術，提出了適用于電力物聯網的分布式接入認證系統(tǒng)，可提高電力物聯網系統(tǒng)安全性和有效性。下一步將在電網實際應用場景中，研究基于區(qū)塊鏈的高并發(fā)的電力物聯網終端接入技術。
參考文獻
[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.線傳感器網絡中基于節(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].電子技術應用，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)塊鏈網絡的虛擬電廠運行與調度模型[J].中國電機工程學報，2017，37(13)：3729-3736.
[8] 徐琳，溫蜜，李晉國.智能配電網中具有隱私保護的數據安全認證方案[J].電子技術應用，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.國網無錫供電公司，江蘇 無錫214002；2.國網鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江212050；
3.南瑞集團有限公司（國網電力科學研究院），江蘇 南京211106)