基于區(qū)塊鏈的超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究

劉飛飛

（內(nèi)蒙古超高壓供電公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)超高壓變電站大數(shù)據(jù)提出更高要求，提升電力大數(shù)據(jù)的魯棒性成為研究重點(diǎn)[1]。超高壓變電站大數(shù)據(jù)作為電網(wǎng)底層安全的基礎(chǔ)和電力主網(wǎng)安全的第一道防線，確保其大數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和檢索具有重要意義。在新型超高壓變電站建設(shè)中，數(shù)據(jù)容量大、安全性能高的架構(gòu)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題[2]。其核心在于如何確保超高壓變電站大數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高效檢索查詢(xún)的數(shù)據(jù)管理，有效防止其大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查詢(xún)異常問(wèn)題出現(xiàn)。

IPFS（星際文件系統(tǒng)）是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)超媒體協(xié)議[3]。主旨是采用分散方式存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)，也是目前大數(shù)據(jù)采用集中式網(wǎng)絡(luò)DNS系統(tǒng)的分布式替代方案。該方案有助于超高壓變電站大數(shù)據(jù)向海量存儲(chǔ)、良好性能和可擴(kuò)展性發(fā)展。在超高壓變電站中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，使用區(qū)塊鏈中的智能合約可以加速I(mǎi)PFS上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其哈希的唯一性還可以作為大數(shù)據(jù)防篡改的依據(jù)[4]。

目前，學(xué)者們已經(jīng)對(duì)IPFS和區(qū)塊鏈技術(shù)在變電站如何應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。劉虎林等[5]分析區(qū)塊鏈在變電站繼保系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵方案，證實(shí)區(qū)塊鏈在變電站應(yīng)用的可能性及可行性。李躍等[6]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于變電站檔案，通過(guò)共識(shí)機(jī)制保證其檔案數(shù)據(jù)的安全性、透明性，研究表明區(qū)塊鏈技術(shù)在大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索方面具有可行性。王路陽(yáng)等[7]在實(shí)際應(yīng)用中將IPFS技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，并將兩者獨(dú)特之處進(jìn)行高效整合，以確保數(shù)據(jù)的完整性。門(mén)瑞等[8]提出PFS技術(shù)與區(qū)塊鏈技術(shù)融合有助于解決由于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)過(guò)大導(dǎo)致的同步速率慢、安全性下降及系統(tǒng)性能差等問(wèn)題。因此，合理的超高壓變電站大數(shù)據(jù)IPFS和區(qū)塊鏈架構(gòu)設(shè)計(jì)為區(qū)塊鏈技術(shù)在變電站的應(yīng)用提供了新方案。

1 區(qū)塊鏈的超高壓變電站大數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了確保超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)的統(tǒng)一性，整個(gè)融合架構(gòu)分為5層，即用戶層、詢(xún)問(wèn)層、查詢(xún)層、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制層、融合層。融合層由區(qū)塊鏈和IPFS存儲(chǔ)共同構(gòu)成。超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)

按照一定的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將超高壓變電站大數(shù)據(jù)賦予屬性化分類(lèi)。

用戶層：變電站用戶通過(guò)交互界面發(fā)起請(qǐng)求，調(diào)取屬性化分類(lèi)的大數(shù)據(jù)。

詢(xún)問(wèn)層：按照用戶在網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)后的地址和私鑰，向查詢(xún)層傳遞信息請(qǐng)求。

查詢(xún)層：用于訪問(wèn)、存儲(chǔ)、傳遞/轉(zhuǎn)發(fā)或響應(yīng)系統(tǒng)查詢(xún)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)集合。查詢(xún)層會(huì)調(diào)用來(lái)自本地分布式數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)，充當(dāng)接口向網(wǎng)絡(luò)參與者、客戶端進(jìn)行通信，以獲取數(shù)據(jù)。查詢(xún)層還負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和其他層可能需要的任務(wù)請(qǐng)求。用戶層從融合層調(diào)取大數(shù)據(jù)時(shí)，查詢(xún)層響應(yīng)的任務(wù)請(qǐng)求會(huì)加速相關(guān)查詢(xún)所反饋的輸出值，避免了整個(gè)任務(wù)流程帶來(lái)的單向性潛在問(wèn)題。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制層：通過(guò)相關(guān)計(jì)算跟蹤對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行的所有操作。可以用IPFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的哈希值進(jìn)行對(duì)比，減小大數(shù)據(jù)被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)算法模型可以布置在實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)上（如分布式數(shù)據(jù)上傳端），有助于大數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)在融合層數(shù)據(jù)庫(kù)中。

融合層：區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和IPFS存儲(chǔ)層的融合是以安全和分布式的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和哈希。

2 區(qū)塊鏈的超高壓變電站大數(shù)據(jù)架構(gòu)分層設(shè)計(jì)

為了建立區(qū)塊鏈的超高壓變電站大數(shù)據(jù)架構(gòu)分層，在確定存儲(chǔ)架構(gòu)的總體上，按照對(duì)應(yīng)層次實(shí)現(xiàn)基于超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)，便于使用電力主網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的潮流調(diào)度、科研安排等數(shù)據(jù)。

用戶層通過(guò)多種類(lèi)型應(yīng)用程序?qū)Τ邏捍髷?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)安全管理和查詢(xún)。運(yùn)行在區(qū)塊鏈的應(yīng)用程序稱(chēng)為DAPPS（分布式應(yīng)用程序）。在DAPPS中，詢(xún)問(wèn)層中存儲(chǔ)著注冊(cè)用戶的地址和私鑰，使用公鑰將反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行加密[9]，區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)使用接收者的公鑰進(jìn)行驗(yàn)證，以保護(hù)數(shù)據(jù)完整性和不可否認(rèn)性。確認(rèn)無(wú)誤后，加密數(shù)據(jù)可以被接收方的用戶按照其地址進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)多用戶同步查詢(xún)或管理，使用各自對(duì)應(yīng)的私鑰解密查看。在通過(guò)用戶層實(shí)現(xiàn)安全管理和查詢(xún)過(guò)程中，DAPPS會(huì)進(jìn)行額外的身份驗(yàn)證以及授權(quán)。

數(shù)據(jù)請(qǐng)求是從詢(xún)問(wèn)層到查詢(xún)層逐級(jí)傳遞的過(guò)程。查詢(xún)層可以通過(guò)DLT（分布式賬本技術(shù)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)集[10]。DLT可以是一個(gè)跨越多站點(diǎn)、空間、機(jī)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。以超高壓變電站為例，與其有關(guān)的大數(shù)據(jù)均可以參與。如廠家生產(chǎn)的站內(nèi)設(shè)備參數(shù)大數(shù)據(jù)、站內(nèi)一次、二次設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)、調(diào)度中心的潮流運(yùn)行大數(shù)據(jù)等均可以通過(guò)DLT構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)集。用戶層按照所需大數(shù)據(jù)的種類(lèi)，按照上述流程通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)集進(jìn)行查詢(xún)。超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)分層設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)分層設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)集的相關(guān)操作離不開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)控制層的運(yùn)算處理。使用超高壓變電站中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，按照基于區(qū)塊鏈的拓展性開(kāi)發(fā)的智能合約相關(guān)算法，執(zhí)行相關(guān)操作計(jì)算數(shù)據(jù)，在傳遞中生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化報(bào)告能夠在應(yīng)用層安全存儲(chǔ)。因此，算法和計(jì)算組件硬件的安全對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)控制層非常重要。

融合層的職責(zé)是以安全和分布的方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和哈希，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在IPFS上，IPFS的哈希與數(shù)據(jù)庫(kù)索引存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中，用于快速數(shù)據(jù)檢索。大數(shù)據(jù)被存入IPFS時(shí)會(huì)被分割為若干個(gè)256 kB的區(qū)塊[11]，使用SHA-256算法生成base58編碼的哈希值，可以用于檢索來(lái)自IPFS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。該哈希值傳輸至具有智能合約功能的區(qū)塊鏈上進(jìn)行存儲(chǔ)。首先，鏈上存儲(chǔ)的散列值可以作為IPFS上大數(shù)據(jù)的查詢(xún)依據(jù)，與IPFS網(wǎng)絡(luò)哈希值互為查詢(xún)依據(jù)的備用，增強(qiáng)融合層的魯棒性。融合層可以通過(guò)若干分布式網(wǎng)絡(luò)，從底層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分布安全和檢索查詢(xún)的控制，可以有效地解決存儲(chǔ)容量低、擴(kuò)展性差等問(wèn)題，防止單點(diǎn)集中式運(yùn)行失敗。

系統(tǒng)提供了兼具安全性和魯棒性的架構(gòu)，該架構(gòu)允許注冊(cè)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)，采用哈希對(duì)比的方式應(yīng)對(duì)未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和數(shù)據(jù)竊取攻擊。

3 架構(gòu)的安全和性能分析

3.1 安全分析

（1）大數(shù)據(jù)的篡改。

當(dāng)大數(shù)據(jù)遭受安全威脅或被篡改時(shí)，區(qū)塊鏈的去中心化能夠?qū)崿F(xiàn)分布式安全預(yù)警。由于哈希值具有唯一性，對(duì)比鏈上存儲(chǔ)的哈希值與IPFS網(wǎng)絡(luò)的哈希值，當(dāng)兩處哈希值一致時(shí)，則證明數(shù)據(jù)未被篡改；當(dāng)哈希值不一致時(shí)，則證明數(shù)據(jù)有被篡改的可能。因?yàn)閷?duì)大數(shù)據(jù)的任何修改，IPFS散列都會(huì)發(fā)生改變，新的哈希會(huì)與事務(wù)一起存儲(chǔ)。基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)索引存儲(chǔ)幾乎不會(huì)發(fā)生改變，可以保護(hù)超高壓變電站大數(shù)據(jù)的完整性、機(jī)密性和可用性。

（2）存儲(chǔ)架構(gòu)的安全穩(wěn)定。

IPFS和區(qū)塊鏈相輔相成，互為補(bǔ)充。IPFS和區(qū)塊鏈由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，消除了集中式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)易失性的可能。當(dāng)其架構(gòu)受到攻擊時(shí)，IPFS的數(shù)據(jù)哈希值會(huì)產(chǎn)生變化，與存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的哈希值進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)兩者的不一致性進(jìn)行判定，保證了架構(gòu)的安全穩(wěn)定。

3.2 性能分析

IPFS的哈希值存儲(chǔ)在本地以及區(qū)塊鏈上，通過(guò)算法可以調(diào)用本地和區(qū)塊鏈上的哈希值，能夠快速查詢(xún)存儲(chǔ)在IPFS上的數(shù)據(jù)。按照文獻(xiàn)[12]的理論試驗(yàn)，能夠有效降低索引時(shí)間。因此，該架構(gòu)在性能上可達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，提出一種基于區(qū)塊鏈的超高壓變電站大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)。對(duì)用戶層、詢(xún)問(wèn)層、查詢(xún)層、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控制層、融合層進(jìn)行了設(shè)計(jì)。基于區(qū)塊鏈和IPFS的存儲(chǔ)架構(gòu)，可以改善大數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)龋蔷哂星熬暗某邏鹤冸娬敬髷?shù)據(jù)存儲(chǔ)改進(jìn)解決方案。并且設(shè)計(jì)的架構(gòu)改變了傳統(tǒng)集中式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面臨的問(wèn)題，增強(qiáng)了系統(tǒng)整體架構(gòu)的魯棒性。