基于元數據加密的智能電網云儲存平臺研究*

張 陵 何丹東 趙普志 石 倩

（1.國網新疆電力公司 烏魯木齊 830000）（2.國網新疆電力公司電力科學研究院 烏魯木齊 830011）

1 引言

智能電網是通過對電力負荷、設備故障信號、在網設備運行數據以及電網拓撲結構等海量數據的實時處理實現在線狀態檢測、實時故障診斷以及短期和長期電力負荷預測等諸多電網功能的智能化［1］。因此智能電網對所處理的海量數據的實時性和可靠性要求較高。另一方面由于網絡技術的高速發展，豐富的電力數據資源分散在網絡中的各個軟件系統和服務平臺中，長期得不到充分利用，因此有效匯總廣域環境下異構系統中的各類電力數據資源為用戶提供統一的數據資源服務成為亟待解決的問題［2～3］。云存儲平臺具有具有可靠性高、數據處理能力強大、靈活可擴展和資源利用率高等優勢，將其應用到電網中，一方面能改善信息中心數據處理和存儲的能力，另一方而可以有效支撐智能電網的建設［3～4］。因此云存儲平臺成為智能電網領域數據存儲的不二選擇。

由于智能電網云存儲平臺中的數據一直處于動態更新狀態中，因此如何保證海量數據高效實時更新的前提下保證數據完整性成為亟待解決的問題［5］。目前主流的云存儲數據加密驗證方案有數據完好可證明和數據恢復可證明［6～7］。數據完好可證明方案是利用隨機抽樣和冗余編碼，通過握手協議向終端用戶證明數據的無損。數據恢復可證明方案是基于數據完整性的檢測方案［8～10］。文獻［11］采用對稱密碼技術構造數據恢復可證明方案，并引入文件恢復功能。文獻［12］基于RSA樹結構實現數據的動態插入，并面向動態數據的更新提出一種數據可恢復的證明方案。文獻［13］在服務器集群環境中對據完好可證明方案功能進行了擴展，使其性能得到大幅提高。文獻［14］利用RSA公鑰密碼實現了對數據塊標識的計算。文獻構建同態標識實現重復驗證，并利用Merkle哈希樹實現了對數據的動態更新。文獻［15］采用基于短簽名技術實現了對數據的可驗證同態簽名。

基于上述研究，本文提出一種基于元數據加密的智能電網云存儲平臺。該平臺基于面向對象的存儲模型，利用數據優化分布算法保障云存儲平臺的數據處理效率，同時針對智能電網海量數據實時更新的特點，采用哈希加密函數和短簽名策略實現對存儲集群中的元數據完整性校驗。

2 云存儲平臺的模型

云存儲平臺采用基于對象的存儲架構。這種存儲架構由客戶端、元數據服務器和對象存儲器集群成。對象存儲集群以對象為單元對數據解析管理。對象作為最基本的數據存儲單元，可以直接為用戶提高數據讀取服務，這樣避免元數據服務在數據管理過程中可能造成的性能瓶頸，使得數據訪問嚇跑了得到提升［16］?；谶@種模式的云存儲平臺模型如圖1所示。

圖1 存儲平臺模型

1）設備層主要由存儲介質和網絡通信設備組成。該層采用面向對象的存儲架構，通過集群方式建立底層存儲設備層。存儲層中包含數量眾多、位置分散的存儲設備，通過高速通信網絡聯通。存儲層的存儲管理系統實現底層存儲設備的管理、監測以及維護等相關工作。

2）管理層主要是對底層存儲設備的運行進行協調，通過運用集群技術等相關技術，對上層應用提供統一的數據存取接口。通過該層的數據訪問接口，可為上層應用構建基于對象存儲的分布式文件系統，為云存儲系統提出具有較高安全系數和性能保障的底層存儲環境。

3）接口層為云存儲系統服務的數據處理的調用接口。用戶身份的鑒別和權限控制等安全性操作都在該層實現。

4）訪問層為外部用戶和外部應用提供數據存儲、讀取的公共接口。

3 元數據加密過程

云存儲平臺的數據來源主要是電網的智能終端的用電信息數據、設備信息數據以及故障信息數據等，這些數據通過異構系統通過電力通信網絡匯集到云存儲平臺中［17］。當用戶所訪問的數據出現完整性的問題時，元數據服務器最為云存儲系統的可信服務器對數據完整性進行驗證。

智能電網云存儲平臺中元數據的加密處理一共分為六個過程。

1）第一個過程是數據初始化階段。此階段主要生成密鑰并對采集數據進行加密和簽名。

完成加密后對元數據進行短簽名操作，生成對應的網絡簽名信息，其中uj∈G(p)為公鑰。基于短簽名的聚合操作，由相同采集區域的數據簽名聚合成統一的區域簽名。隨后由區域簽名聚合成云區域簽名。最后加密后的數據和時間戳標識傳輸至云存儲平臺，簽名信息發送至可信服務器。

2）第二個過程是數據存儲。云存儲平臺通過后構造哈希數列的方式，把屬于同一個采集區域的數據依據其標識映射入同一個哈希數列。并采用LSH方式構造數據索引。索引的建立過程如圖2所示。

圖2 索引的建立過程

式（2）中a表示一個N維的隨機向量。v表示元數據對應的特征向量。b表示取值區間在內的正實數。

3）第三個過程是驗證請求。由于智能電網云存儲平臺所處理的數量極大，對所有元數據的加密過程進行完整性驗證會造成系統負載過大。因此只對提出驗證請求的數據進行驗證。終端用戶設定驗證數據的兩個參數，并 將發送給云存儲平臺和可信服務器發起驗證請求。如果則對所有元數據的加密過程進行完整性檢查。

4）第四個過程是數據檢索。云存儲平臺接收到終端用戶的數據驗證請求后，由c1，c2得到對應的key，并對元數據所在的區域進行檢索。

5）第五個過程是元數據驗證。可信服務器接收到用戶和云存儲平臺的驗證信息，先對簽名信息進行匯總計算，然后計算等式：

如果式（3）等式成立，則向用戶返回數據完整，否則返回數據不完整。

6）第六個過程為數據的動態更新。在這個過程中，由于數據量大以及更新頻率較快，因此采用索引表更新的方法來支持數據的增刪改操作。

數據插入操作中首先對元數據進行加密，然后繼續簽名標識，隨后將簽名信息發給可信服務器用于更新信息，最后將元數據和基于時間戳的標識發給云存儲平臺，由云存儲平臺組成由數據數組，并將數組映射到對應的哈希區域中。

數據刪除操作中首先是接收待刪除數據的標識，確定對應的哈希區域，檢索出元數據數組，將其刪除，最后向可信服務器發送其標識并將其簽名信息刪除。

數據修改操作是在接收到待修改數據的標識后，確定對應的哈希區域，檢索出元數據數組，將其刪除，并插入修改后的元數據，然后將修改的元數據連同標識發給可信服務器，進行簽名更新。

4 安全性分析和性能測試

4.1 安全性分析

對元數據加密過程的安全性進行分析，得出以下結論。

1）本文所提出元數據加密過程可以保證數據在傳輸過程以及存儲環境中的機密性，信道以及云存儲平臺中地元數據都經過加密，能夠較全面地防止數據被未授權訪問。

2）本文對元數據地簽名策略在自適應選擇明文攻擊下是抗存在性偽造的。如果一個人能偽造有效簽名，則可推測他有能力偽造短簽名，但短簽名己被證明在標準模型下具有抵抗自適應選擇明文攻擊，所以本文提出的短簽名策略具有較好的抗偽造性。

3）作為元數據校驗依據的等式（3）中包含了用戶的公鑰gα，所以可信服務器對提出數據檢驗的用戶ID進行確定。

4）即使網絡私鑰被泄露或破解，但仍無法對已經傳輸的存儲在云存儲平臺的元數據進行解密。

5）本文所提出的元數據驗證可由可信服務器來執行，并且在驗證過程中可信服務器只能獲取元數據簽名信息，并沒有加密私鑰，所以不能獲取元數據的內容。

4.2 性能測試

測試環境為3臺PC組成的Hadoop集群系統。PC配置相同：Intel 2.50Hz酷睿處理器，12GB內存，500GB硬盤空間。3臺機器分別模擬云存儲平臺和可信服務器。依次選取2KB、4KB、……、128KB不同大小的元數據塊，每次選取500塊進行計算開銷的性能測試。測試中分別采用基于同態標簽的校驗方法以及線性簽名驗證方法進行結果對比，測試結果如圖3所示。由圖3可知，與上述兩種方法對比，本文所提的加密方法計算耗時較短，效率較好。

圖3 加密計算效率的測試結果

本文提出的元數據加密算法主要針對智能電網云存儲平臺的海量數據實時更新，因此在加密操作中通過哈希運算對每個元數據的時間戳標識進行映射，使其基于相同區域進行聚合，從而有效提高元數據在更新過程中的效率。對三種算法進行數據更新的測試對比，結果如圖4所示。顯然，本文所提出的加密策略在數據更新效率上具有明顯優勢。

圖4 數據更新測試結果

5 結語

本文基于對智能電網數據存儲模型的研究，提出了一種基于元數據加密的云存儲平臺的數據處理方案。該方案針智能電網數據實時更新的特點，提出短簽名策略的數據完整性驗證方法，不通過哈希加密函數對元數據數組實現基于位置的聚合，使其有利于提升數據檢索和更新。通過安全性分析和性能測試表明，本文所提出的加密方案具有較好的安全性能，同時有較高的數據處理效率。