發布時間：2020-02-06所屬分類：計算機職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：區塊鏈是近年來出現的分布式計算技術。區塊鏈可以提供無中心的數據共識功能，并且區塊鏈所保存的數據具有不可篡改的特性，因此區塊鏈可用于多系統之間的數據交換與共享。在電力系統中，經常存在多業務系統協同處理流程的需求，各業務系統的處理時間均
摘要：區塊鏈是近年來出現的分布式計算技術。區塊鏈可以提供無中心的數據共識功能，并且區塊鏈所保存的數據具有不可篡改的特性，因此區塊鏈可用于多系統之間的數據交換與共享。在電力系統中，經常存在多業務系統協同處理流程的需求，各業務系統的處理時間均有嚴格要求。區塊鏈可以提供去中心化可信的信息交換功能，同時因為其不可篡改性可提供可靠的日志時間留存。上海電力公司組織研發了基于區塊鏈技術的多系統信息交換平臺，初步測試表明可以滿足系統間信息交換的需要，同時提高了信息系統的安全性。
關鍵詞：區塊鏈;信息交換;不可篡改
1背景
1.1電力系統對信息交換的需求
隨著現今電力企業的迅速發展，信息通信技術對電力系統各項環節的運行有極大的推動作用，保證了電力系統的高效運行，目前信息通信在電力系統中的應用[11]主要包括搭建信息調度平臺、快速提高電網的運行效率、利用電力通信的功能檢測系統的硬件結構、對電力系統進行檢測等，但就目前情況來看，信息通信技術在電力企業中的運用還處于前期發展階段，因而在某些方面還存在著一些問題。所以，針對這些問題，需要加強信息通信在電力系統的作用研究，以促進信息通信技術與電力系統更好的融合。電力通信網絡需要具有可靠性[12]、靈活性、實時性、抗擊性、復雜性和分散性。近年來，我國電力系統的信息化建設得到了快速發展，電力系統的主要業務流程均有了信息系統的支撐，電力系統的業務流轉依賴于信息系統的數據交換與共享。傳統上電力系統信息通信主要依賴于兩種方式[1]：
(1)特定系統間點對點通信
早期信息系統間的數據交換通常基于系統的具體業務需求，在需要交換的信息系統間建立數據通信邏輯通道。這種方式對業務系統改造影響較大，開發效率較低。
(2)基于通信中間件的數據交換
通信中間件[7]以集中服務的方式為不同的信息系統提供通信接口，所有的數據交換以標準的接口訪問形式實現。此種方式可靠性以及開發的便利性均有較大的提高。但是通信中間件擁有的權限較高，可獲取所有通信內容，同時如果通信中間件出現故障，則整個系統將會失效存在單點故障的風險。
在很多應用場景，通常需要多部門與多系統協作完成一項業務流程，在此過程中信息交換的可靠與可信尤為重要。例如在故障報修流程中，涉及到熱線電話接入、營銷系統查詢以及維修派工單簽發等流程。為了提高服務質量，整個流程有響應時間要求，一旦響應超時應分析超時原因追查超時責任。流程中時間節點的分析依賴于信息系統的日志記錄，一旦各個系統修改本地日志整個流程的時間分析將失去作用。如何在實現信息可靠流轉同時保證日志的不可篡改是電力系統數據交換的現實需求。
1.2區塊鏈技術的特性與進展
區塊鏈是近年來出現的新型分布式計算技術[3]。區塊鏈技術首先用于以比特幣為代表的密碼貨幣系統中[2]，以實現一個去中心化的數字貨幣體系。區塊鏈技術可提供的安全特性包括[5]：
(1)數據共識
在無中心節點的環境中，數據通過分布式協議在參與節點間實現共識。所有節點處于平等地位，避免了單獨節點或者用戶控制系統數據的寫入。
(2)數據防篡改
假設系統中誠實節點占大多數，數據一旦寫入區塊鏈則無法修改，避免因為利益驅動篡改數據。
(3)數據防擦除
數據一旦寫入區塊鏈，則該數據自動被所有共識節點同步與保存，此數據也無法被擦除，做的所有數據可追蹤。
區塊鏈提供的安全特性保證了它能夠使不同主體之間相互信任，進而極大減少了重塑或者維護信任的成本，這就使得可以將區塊鏈應用到除貨幣以外的其他需要信任的領域，比如選舉、醫療、公正、版權、學歷鑒定等。具體來說,文獻[8]提出了一種基于區塊鏈技術的去中心化個人數據管理系統，用于應對第三方采集大量用戶信息而導致的個人隱私泄漏問題，文獻[9]則提出了基于區塊鏈技術的傳感數據保障方法，它能夠保證采樣機器人在完成任務的同時，不受惡意行為干擾，文獻[10]對區塊鏈在能源互聯網中的應用進行了初試。由此可見，區塊鏈不僅是一項涉及到金融、互聯網行業的技術，也可以將其觸角伸入到傳統行業中，改變傳統行業的運作模式，提高效率，降低成本。
當前的區塊鏈主流應用場景可分為公有鏈與聯盟鏈兩大類。其中公有鏈主要用于完全無中心化的密碼數字貨幣的發行與流通，其擴展性好但是吞吐率較低。聯盟鏈用于行業用戶及系統之間的無中心數據共識，其運行支持用戶與節點的身份認證，對系統實體提供更嚴格的安全防護，其吞吐率也可達到較高的水平。
聯盟鏈的實現主要包括兩種技術路線：
(1)基于拜占庭協議的共識[6]。此類協議由拜占庭將軍問題而來，協議具有較高的安全等級，但是參與節點數量受限，性能較弱。
(2)基于排序-背書協議的共識[4]。此類協議由一個弱中心的排序節點實現對數據的排序預處理，共識節點通過背書投票實現共識。此類協議擴展性較高，性能較好。
本文所設計的多系統信息交換平臺將支持多種信息系統的數據共享與交換，需要較高的擴展性與吞吐率。綜合考慮性能及安全性，本文選用排序-背書協議的共識算法，如圖1.所示。
2系統設計
系統設計采用層次化的思想，有效實現了區塊鏈共識、數據存儲層與應用層之間的邏輯隔離。層次之間通過便于使用的標準接口實現數據訪問。
2.1系統整體架構
系統架構主要分為基礎層與應用層兩個核心部分，兩個部分之間采用多種標準接口連接，如圖2所示。其中主要功能描述如下：
基礎層實現基于區塊鏈的數據共識與存儲。在共識方面，為了提高吞吐效率，減少共識延遲，采用排序-見證的共識算法。排序節點將網絡中的交易數據按照固定算法進行排序，同時打包成為原始數據塊。見證節點對所產生的原始數據庫采用數字簽名的方法進行背書。獲得足夠數量背書的數據塊則形成共識�；A層同時支持區塊與數據庫混合的數據存儲模式。區塊鏈所存儲數據實現數據的確認與不可篡改驗證，數據庫則實現數據的快速與靈活查詢。對于有異議的數據則可在區塊鏈上進行確認。
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應用層支持電力系統各種不同的應用場景以及場景間的數據流轉與日志留存。應用層與基礎層之間采用三種標準接口連接。Restful接口實現對業務系統查詢訪問的標準封裝，應用層通過此接口訪問基礎層數據。智能合約[13]接口則實現Restful與區塊鏈系統的數據訪問轉化，同時數據庫訪問接口實現對數據的高效訪問。
2.2系統流程設計
本設計支持多信息系統間的數據交換與流程訪問，所有的訪問通過標準接口進行隔離。為了提高安全性，系統僅支持主動輪詢模式訪問數據。
圖3中給出了兩個信息系統間數據流轉的典型場景，假設系統A向系統B發起數據訪問請求。系統A將訪問請求通過WebService標準接口提交至信息交換平臺，平臺將訪問請求轉化為區塊鏈系統所支持的智能合約代碼。智能合約代碼被共識節點寫入區塊鏈形成確定性數據，同時請求內容寫入數據庫。系統B通過輪詢獲得來自系統A的訪問請求，得到訪問結果后同樣通過WebService接口轉為智能合約寫入區塊鏈及數據庫。系統A最終獲得訪問結果，中間過程以日志形式留存于區塊鏈，實現不可篡改的日志記錄。
3系統實現與測試
本項目通過封裝智能合約，利用Webservice實現了供業務系統直接訪問的接口，并針對電力系統的典型業務邏輯實現了仿真測試環境。根據應用系統需求，接口應支持數據的寫入與讀取，因此采用標準HttpGet與Post方法對數據的獲取與寫入進行了封裝。應用系統僅需調用標準接口將所需數據通過XML格式寫入區塊鏈或自區塊鏈中讀取。同時為了保證系統的安全性，所有訪問均經過身份認證過程，因此系統還提供相應的身份注冊接口。系統設計的接口如表1所示。
基于以上設計，本項目實現了一種安全可靠的多系統信息交換平臺。在測試環境中搭建了包含3共識節點的驗證區塊鏈系統，設置區塊的生成時間為2秒，同時模擬業務讀寫請求30條/秒。測試表明，該系統可以實現秒級延遲的信息交換，同時所產生數據訪問均在區塊鏈中留下不可篡改與擦除的日志記錄，達到了設計目標。
4結語
本論文提出了一種基于區塊鏈的多系統信息交換平臺，在基礎層運用數據庫與區塊鏈相結合的方式，保證了數據的不可篡改性，并且利用了數據庫本身的存儲查詢優勢來保證在平臺上進行數據查詢更加高效，并加入了應用層以應對不同場景的數據流轉。
該平臺能夠運用到電力系統中，用來保證電力通信網中各個系統之間信息交換的可靠性，使得電力通信網中可以不依賴于第三方可信任平臺來實現信息的快速可靠交換。本文通過一個具體的實例說明了區塊鏈的實用性，也將區塊鏈的應用擴展到了電力系統中。
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