基于區(qū)塊鏈與加密算法的電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)

摘要：針對(duì)電動(dòng)汽車用戶在車網(wǎng)互動(dòng)（V2G）網(wǎng)絡(luò)中面臨的隱私泄露與數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，文章研究了區(qū)塊鏈和新型加密算法在隱私保護(hù)中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)了一種多層級(jí)電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了區(qū)塊鏈、橢圓曲線加密（ECC）和Paillier同態(tài)加密，采用身份匿名認(rèn)證與交易密態(tài)計(jì)算為功能模塊，創(chuàng)新性地融合與優(yōu)化了系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵機(jī)制。通過(guò)理論分析與性能評(píng)估，驗(yàn)證了該系統(tǒng)在保障V2G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行高效的同時(shí)顯著提升了電動(dòng)汽車充電交易的隱私保護(hù)水平，為V2G技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供了安全可信的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；隱私保護(hù)；車網(wǎng)互動(dòng)；橢圓曲線加密；同態(tài)加密；智能合約

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）20-0130-04

0引言

隨著大數(shù)據(jù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇。然而，在車網(wǎng)互動(dòng)（V2G）背景下，電動(dòng)汽車充電交易中的隱私保護(hù)問(wèn)題日益突出[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全技術(shù)依賴中心化信任模型，在面對(duì)單點(diǎn)故障和內(nèi)部惡意攻擊時(shí)暴露出明顯不足[2]。在此背景下，區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其去中心化、不可篡改和可追溯等特性，為解決上述挑戰(zhàn)提供了新的范式[3]。已有研究中，文獻(xiàn)[4]提出了基于雙區(qū)塊鏈架構(gòu)的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)聚合方法，但其高計(jì)算開銷限制了在大規(guī)模V2G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]提出了基于區(qū)塊鏈的車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚合系統(tǒng)，驗(yàn)證了其在特定場(chǎng)景下的可行性，但對(duì)于V2G交易中敏感數(shù)據(jù)的加密保護(hù)需求，尚未進(jìn)行系統(tǒng)性研究。為了進(jìn)一步增強(qiáng)隱私保護(hù)，研究者們開始探索將先進(jìn)加密算法與區(qū)塊鏈結(jié)合。ECC因其高安全性與低計(jì)算開銷，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)用戶身份匿名化與強(qiáng)認(rèn)證的有效手段[5]。文獻(xiàn)[5]基于ECC提出了針對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)的隱私保護(hù)優(yōu)化算法，展現(xiàn)出較高效率，但未能集成同態(tài)加密以支持密文數(shù)據(jù)處理。同態(tài)加密技術(shù)使得在保持?jǐn)?shù)據(jù)加密狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)算成為可能。文獻(xiàn)[2]采用了Paillier同態(tài)加密，有效保障了數(shù)據(jù)機(jī)密性。然而，在復(fù)雜的V2G業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，其與ECC等身份認(rèn)證機(jī)制之間的協(xié)同策略尚不完善，整體效率與集成度仍有待提升。綜上所述，當(dāng)前針對(duì)V2G充電交易隱私保護(hù)的研究中存在共性短板：加密算法與區(qū)塊鏈平臺(tái)的協(xié)同性不足，未能形成覆蓋數(shù)據(jù)全生命周期的安全閉環(huán)。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種多層級(jí)隱私保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合區(qū)塊鏈的分布式架構(gòu)、ECC的身份匿名認(rèn)證機(jī)制與Paillier同態(tài)加密的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理能力，并引入智能合約實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化規(guī)則執(zhí)行，構(gòu)建身份隱匿性、數(shù)據(jù)機(jī)密性與交易完整性的協(xié)同防護(hù)體系。該方案旨在為V2G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用提供兼具高效性、安全性與可擴(kuò)展性的技術(shù)支撐，填補(bǔ)現(xiàn)有研究在多技術(shù)深度融合與系統(tǒng)機(jī)制優(yōu)化方面的空白。

1基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)的需求分析

為了設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)，首先需要了解當(dāng)前V2G網(wǎng)絡(luò)面臨的隱私安全問(wèn)題。V2G網(wǎng)絡(luò)在推動(dòng)能源綠色轉(zhuǎn)型及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中具有重要作用，但其雙向的信息與能量交互過(guò)程伴隨嚴(yán)重的隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)。用戶的身份標(biāo)識(shí)、車輛位置、充電習(xí)慣和交易詳情等敏感數(shù)據(jù)極易被泄露，攻擊者可通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)推斷用戶的生活軌跡及經(jīng)濟(jì)狀況，嚴(yán)重威脅個(gè)人隱私安全。因此，充電交易系統(tǒng)須滿足以下關(guān)鍵需求：其一，利用區(qū)塊鏈的分布式賬本特性，實(shí)現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的防篡改存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性與完整性；其二，使用新型密碼學(xué)算法，對(duì)車主身份信息及交易敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行多層級(jí)加密，構(gòu)建“數(shù)據(jù)可用不可見”的隱私防護(hù)體系；其三，依托智能合約自動(dòng)化執(zhí)行交易規(guī)則、訪問(wèn)控制策略及隱私保護(hù)邏輯，確保交易流程透明可信。系統(tǒng)還需要兼顧運(yùn)行效率與可擴(kuò)展性，確保在大規(guī)模電動(dòng)汽車接入的場(chǎng)景下，充電交易的確認(rèn)速度與交互體驗(yàn)?zāi)軌蚱鹾蠈?shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)安全可信、隱私無(wú)憂且高效便捷的V2G生態(tài)環(huán)境。

2基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)依托

2.1橢圓曲線加密（EllipticCurveCryptography，ECC）

ECC是一種基于橢圓曲線離散對(duì)數(shù)問(wèn)題（ECDLP）的非對(duì)稱加密算法，具有高安全性和計(jì)算效率。該算法的核心構(gòu)成要素為橢圓曲線，通常由Weierstrass方程定義：須滿足非奇異性條件：

加解密過(guò)程如下：

生成公私鑰對(duì)，私鑰d為隨機(jī)數(shù)，公鑰Q=[d]G，其中G為橢圓曲線的基點(diǎn)。加密時(shí)，發(fā)送方將明文M映射為曲線點(diǎn)，隨機(jī)選擇k，計(jì)算密文（C1，C2）=（[k]G，M+[k]Q）。解密時(shí)，接收方利用私鑰d計(jì)算[d]C1，從而恢復(fù)明文M=C2-[d]C1。

在本系統(tǒng)中ECC用于身份認(rèn)證和簽名驗(yàn)證，確保用戶身份的真實(shí)性和交易請(qǐng)求的合法性。

2.2同態(tài)加密（HomomorphicEncryption，HE）

Paillier是一種加法同態(tài)加密公鑰密碼方案，基于合數(shù)剩余類問(wèn)題[6]，支持對(duì)密文進(jìn)行加法運(yùn)算，其加法同態(tài)性可表述為：

生成公私鑰對(duì)（pk，sk）=（（N，g），（λ，μ））。加密時(shí)，明文m，通過(guò)公式C=gm?rNmodN2，加密為密文C，其中r為隨機(jī)數(shù)。解密時(shí)，利用私鑰計(jì)算m=L（CλmodN2）?μmodN。在本系統(tǒng)中，Paillier用于加密交易金額，支持密文計(jì)算，確保交易隱私。

2.3智能合約技術(shù)

智能合約是部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的自動(dòng)化協(xié)議程序[7]，其核心在于依靠預(yù)設(shè)的代碼邏輯，實(shí)現(xiàn)高效交易管理，無(wú)須中心化信任機(jī)構(gòu)干預(yù)。

智能合約的生命周期包括開發(fā)、部署與交互三個(gè)階段。開發(fā)階段通常采用Solidity[8]等高級(jí)語(yǔ)言編寫代碼，隨后編譯為可執(zhí)行的字節(jié)碼，并生成二進(jìn)制接口（ABI）以支持外部交互。部署階段通過(guò)簽名交易將字節(jié)碼發(fā)布至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，獲得唯一的合約地址，并將其狀態(tài)永久記錄于分布式賬本中。在交互階段，用戶通過(guò)合約地址調(diào)用功能，所有交互請(qǐng)求均需經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)共識(shí)機(jī)制驗(yàn)證，確保記錄不可篡改。根據(jù)合約內(nèi)部邏輯，還可觸發(fā)歸檔機(jī)制，如執(zhí)行自毀指令，以永久終止合約在鏈上的活動(dòng)[9]。

3基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用前后端分離的分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在保障V2G場(chǎng)景下電動(dòng)汽車充電交易的隱私安全。表示層使用流行的Vue.js框架構(gòu)建，負(fù)責(zé)呈現(xiàn)用戶交互界面，用戶可便捷發(fā)起充電請(qǐng)求并查看交易記錄，且內(nèi)嵌ECC加密功能。用戶的ECC私鑰存儲(chǔ)于本地，用于對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)字簽名，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)身份認(rèn)證，確保操作源自合法用戶。業(yè)務(wù)邏輯層基于主流的SpringBoot框架開發(fā)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心樞紐，負(fù)責(zé)接收并處理前端請(qǐng)求、查詢用戶的ECC公鑰以完成簽名驗(yàn)證，并處理復(fù)雜的充電業(yè)務(wù)邏輯。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共識(shí)層采用區(qū)塊鏈作為核心數(shù)據(jù)庫(kù)，摒棄傳統(tǒng)中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，利用區(qū)塊鏈去中心化、不可篡改及可追溯的特性，從根本上保障交易數(shù)據(jù)的完整性與透明度。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)在不同層面有機(jī)融合ECC與Paillier同態(tài)加密技術(shù)，將用戶身份的匿名認(rèn)證與交易數(shù)據(jù)的密態(tài)計(jì)算相結(jié)合，有效串聯(lián)前端用戶界面、后端業(yè)務(wù)處理與區(qū)塊鏈可信賬本，構(gòu)建了一個(gè)兼顧效率與安全的隱私保護(hù)閉環(huán)。

3.2基于橢圓曲線加密的車主身份認(rèn)證方案

在V2G網(wǎng)絡(luò)中，用戶需要頻繁與充電樁、聚合商乃至電網(wǎng)進(jìn)行身份認(rèn)證以完成充電服務(wù)。直接使用真實(shí)身份會(huì)暴露大量隱私信息。ECC在此場(chǎng)景下，主要用于構(gòu)建一個(gè)安全且匿名的身份認(rèn)證機(jī)制。認(rèn)證流程分為注冊(cè)和登錄兩個(gè)階段。在注冊(cè)階段，用戶輸入用戶名及必要個(gè)人信息，系統(tǒng)生成ECC密鑰對(duì)，包括私鑰skecc和公鑰pkecc。公鑰與用戶名關(guān)聯(lián)，并記錄至區(qū)塊鏈，私鑰由用戶本地存儲(chǔ)。在登錄階段，用戶輸入用戶名，并使用私鑰skecc對(duì)用戶名進(jìn)行ECC數(shù)字簽名，生成簽名σ=ECC.Sign（skecc，Hash（username））。

前端將用戶名和簽名發(fā)送至后端。后端通過(guò)區(qū)塊鏈智能合約查詢與用戶名關(guān)聯(lián)的公鑰pkecc，驗(yàn)證簽名有效性，若ECC.Verify（pkecc，Hash（username），σ）為真，則認(rèn)證成功，反之認(rèn)證失敗。

3.3基于同態(tài)加密實(shí)現(xiàn)交易隱私保護(hù)

該方案旨在采用Paillier同態(tài)加密保護(hù)電動(dòng)汽車充電交易中的敏感數(shù)據(jù)，確保區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的機(jī)密性。以下簡(jiǎn)述當(dāng)前用戶作為授權(quán)用戶查詢交易記錄的加解密過(guò)程，假設(shè)用戶已通過(guò)3.1節(jié)的ECC身份認(rèn)證。

在交易加密階段，前端利用公鑰pkpaillier=（N，g）對(duì)明文金額m進(jìn)行加密，隨機(jī)選取r∈Z*N，生成密文C=gm?rNmodN2，并通過(guò)安全API將密文發(fā)送至后端。后端構(gòu)建包含用戶匿名標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、充電樁信息及密文C的交易記錄TxRecord，通過(guò)智能合約上傳至區(qū)塊鏈。在交易查詢階段，用戶通過(guò)前端輸入用戶名觸發(fā)查詢請(qǐng)求，后端根據(jù)用戶匿名標(biāo)識(shí)從區(qū)塊鏈檢索關(guān)聯(lián)的TxRecord，提取密文C。作為授權(quán)用戶，后端使用私鑰skpaillier=（λ，μ）解密密文，計(jì)算m=L（CλmodN2）?μmodN，其中L（u）=u-1n，并將解密后的明文金額及相關(guān)信息返回前端展示。

4基于區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車充電交易隱私保護(hù)系統(tǒng)的性能評(píng)估與安全驗(yàn)證

4.1性能測(cè)試

本節(jié)的性能測(cè)試旨在量化關(guān)鍵操作的計(jì)算開銷，測(cè)試在特定運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行，具體配置如表1所示。所有報(bào)告的耗時(shí)數(shù)據(jù)為1000次獨(dú)立操作的平均值。

1）身份認(rèn)證效率評(píng)估。

為評(píng)估ECC身份認(rèn)證機(jī)制相較于傳統(tǒng)RSA方案的實(shí)際效能差異，本節(jié)建立等效密碼強(qiáng)度測(cè)試基準(zhǔn)（ECC-256K1與RSA3072位模塊對(duì)等匹配），并設(shè)計(jì)多維性能驗(yàn)證方案。測(cè)試流程涵蓋密鑰對(duì)生成、數(shù)字簽名執(zhí)行周期及簽名驗(yàn)證執(zhí)行周期，同時(shí)在不同大小的數(shù)據(jù)載荷場(chǎng)景下進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觥Ｋ序?yàn)證實(shí)驗(yàn)均基于SHA-256散列值構(gòu)建的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集展開，確保評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性與可復(fù)現(xiàn)性。

從圖6中的數(shù)據(jù)可見，ECC在簽名操作上顯著優(yōu)于RSA。考慮到簽名操作通常在資源相對(duì)受限的用戶端高頻發(fā)生，ECC的高效率能帶來(lái)更好的交互體驗(yàn)。雖然RSA在驗(yàn)證簽名方面速度更快，但ECC的驗(yàn)證延遲對(duì)于計(jì)算能力較強(qiáng)的服務(wù)端而言完全在可接受范圍內(nèi)。因此，綜合V2G場(chǎng)景的特點(diǎn)，ECC在身份認(rèn)證方面展現(xiàn)出更高的適用性。

2）同態(tài)加密計(jì)算開銷評(píng)估。

為衡量Paillier同態(tài)加密對(duì)系統(tǒng)性能的影響，本節(jié)測(cè)試了加密與解密的耗時(shí)。

通過(guò)圖7所示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可觀察到，采用單核CPU執(zhí)行4096位密鑰的加密與解密任務(wù)耗時(shí)分別為30000ms與20000ms，而四核CPU憑借并行架構(gòu)使運(yùn)算時(shí)間顯著壓縮，相應(yīng)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)降至12000ms與6000ms，性能優(yōu)化幅度約為4倍，充分表明多核技術(shù)對(duì)密集型計(jì)算任務(wù)具有顯著效率增益。研究顯示，密鑰長(zhǎng)度與算法耗時(shí)呈線性正相關(guān)；在密鑰規(guī)格低于4096位時(shí)，四核設(shè)備仍可將運(yùn)算時(shí)間控制在毫秒級(jí)（2048位密鑰加密/解密時(shí)長(zhǎng)僅為8000ms/4000ms），能夠滿足普通桌面終端在中低密鑰強(qiáng)度場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)處理需求。

4.2隱私保護(hù)效果驗(yàn)證

本節(jié)通過(guò)模擬中間人攻擊（MITM），檢驗(yàn)系統(tǒng)的安全防護(hù)效果，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

MITM攻擊結(jié)果顯示，ECC簽名機(jī)制能有效阻止身份冒充，Paillier加密保護(hù)了傳輸與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的機(jī)密性，同時(shí)，Nonce和時(shí)間戳機(jī)制有效防御了重放攻擊。

5結(jié)論與展望

本文針對(duì)V2G網(wǎng)絡(luò)中電動(dòng)汽車用戶隱私泄露與數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，提出了一種融合區(qū)塊鏈、ECC及Pail?lier同態(tài)加密技術(shù)的創(chuàng)新隱私保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)實(shí)施匿名身份認(rèn)證與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理，在保障用戶隱私的同時(shí)確保數(shù)據(jù)安全，表現(xiàn)出較高的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊鑫浩.電動(dòng)汽車充電樁推薦中的隱私保護(hù)方法研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2023.

[2]胡筱旋，喻天豪，董振江，等.區(qū)塊鏈中基于多級(jí)委員會(huì)的去中心化節(jié)點(diǎn)管理方法[J/OL].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2025：1-9.[2025-04-11].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1772.TN.20250311.1038.004.html.

[3]楊睿成，董國(guó)芳，徐正楠.車載網(wǎng)中一種基于區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)數(shù)據(jù)聚合系統(tǒng)[J].信息安全研究，2025，11（4）：367-376.

[4]CHENSG，YANGL，ZHAOCX，etal.Double-blockchainas?sistedsecureandanonymousdataaggregationforfog-enabledsmartgrid[J].Engineering，2022，8：159-169.

[5]趙中原，高旺，蔣璐瑤，等.基于橢圓曲線ELGamal的隱私保護(hù)分布式優(yōu)化算法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2025，51（1）：210-220.

[6]趙敏.基于安全多方計(jì)算的隱私保護(hù)分類與聚類方法[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2023.

[7]韓璇，袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈安全問(wèn)題：研究現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2019，45（1）：206-225.

[8]王小兵，常家俊，李春奕，等.Solidity到MSVL轉(zhuǎn)換的等價(jià)性研究[J/OL].軟件學(xué)報(bào)，2024：1-31.[2024-10-08].https：//link.cnki.net/doi/10.13328/j.cnki.jos.007222.

[9]王有恒，馮開開，李汝佳，等.區(qū)塊鏈智能合約隱私保護(hù)技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2025，48（6）：1373-1416.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】