发布时间：2020-02-06所属分类：计算机职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：区块链是近年来出现的分布式计算技术。区块链可以提供无中心的数据共识功能，并且区块链所保存的数据具有不可篡改的特性，因此区块链可用于多系统之间的数据交换与共享。在电力系统中，经常存在多业务系统协同处理流程的需求，各业务系统的处理时间均
摘要：区块链是近年来出现的分布式计算技术。区块链可以提供无中心的数据共识功能，并且区块链所保存的数据具有不可篡改的特性，因此区块链可用于多系统之间的数据交换与共享。在电力系统中，经常存在多业务系统协同处理流程的需求，各业务系统的处理时间均有严格要求。区块链可以提供去中心化可信的信息交换功能，同时因为其不可篡改性可提供可靠的日志时间留存。上海电力公司组织研发了基于区块链技术的多系统信息交换平台，初步测试表明可以满足系统间信息交换的需要，同时提高了信息系统的安全性。
关键词：区块链;信息交换;不可篡改
1背景
1.1电力系统对信息交换的需求
随着现今电力企业的迅速发展，信息通信技术对电力系统各项环节的运行有极大的推动作用，保证了电力系统的高效运行，目前信息通信在电力系统中的应用[11]主要包括搭建信息调度平台、快速提高电网的运行效率、利用电力通信的功能检测系统的硬件结构、对电力系统进行检测等，但就目前情况来看，信息通信技术在电力企业中的运用还处于前期发展阶段，因而在某些方面还存在着一些问题。所以，针对这些问题，需要加强信息通信在电力系统的作用研究，以促进信息通信技术与电力系统更好的融合。电力通信网络需要具有可靠性[12]、灵活性、实时性、抗击性、复杂性和分散性。近年来，我国电力系统的信息化建设得到了快速发展，电力系统的主要业务流程均有了信息系统的支撑，电力系统的业务流转依赖于信息系统的数据交换与共享。传统上电力系统信息通信主要依赖于两种方式[1]：
(1)特定系统间点对点通信
早期信息系统间的数据交换通常基于系统的具体业务需求，在需要交换的信息系统间建立数据通信逻辑通道。这种方式对业务系统改造影响较大，开发效率较低。
(2)基于通信中间件的数据交换
通信中间件[7]以集中服务的方式为不同的信息系统提供通信接口，所有的数据交换以标准的接口访问形式实现。此种方式可靠性以及开发的便利性均有较大的提高。但是通信中间件拥有的权限较高，可获取所有通信内容，同时如果通信中间件出现故障，则整个系统将会失效存在单点故障的风险。
在很多应用场景，通常需要多部门与多系统协作完成一项业务流程，在此过程中信息交换的可靠与可信尤为重要。例如在故障报修流程中，涉及到热线电话接入、营销系统查询以及维修派工单签发等流程。为了提高服务质量，整个流程有响应时间要求，一旦响应超时应分析超时原因追查超时责任。流程中时间节点的分析依赖于信息系统的日志记录，一旦各个系统修改本地日志整个流程的时间分析将失去作用。如何在实现信息可靠流转同时保证日志的不可篡改是电力系统数据交换的现实需求。
1.2区块链技术的特性与进展
区块链是近年来出现的新型分布式计算技术[3]。区块链技术首先用于以比特币为代表的密码货币系统中[2]，以实现一个去中心化的数字货币体系。区块链技术可提供的安全特性包括[5]：
(1)数据共识
在无中心节点的环境中，数据通过分布式协议在参与节点间实现共识。所有节点处于平等地位，避免了单独节点或者用户控制系统数据的写入。
(2)数据防篡改
假设系统中诚实节点占大多数，数据一旦写入区块链则无法修改，避免因为利益驱动篡改数据。
(3)数据防擦除
数据一旦写入区块链，则该数据自动被所有共识节点同步与保存，此数据也无法被擦除，做的所有数据可追踪。
区块链提供的安全特性保证了它能够使不同主体之间相互信任，进而极大减少了重塑或者维护信任的成本，这就使得可以将区块链应用到除货币以外的其他需要信任的领域，比如选举、医疗、公正、版权、学历鉴定等。具体来说,文献[8]提出了一种基于区块链技术的去中心化个人数据管理系统，用于应对第三方采集大量用户信息而导致的个人隐私泄漏问题，文献[9]则提出了基于区块链技术的传感数据保障方法，它能够保证采样机器人在完成任务的同时，不受恶意行为干扰，文献[10]对区块链在能源互联网中的应用进行了初试。由此可见，区块链不仅是一项涉及到金融、互联网行业的技术，也可以将其触角伸入到传统行业中，改变传统行业的运作模式，提高效率，降低成本。
当前的区块链主流应用场景可分为公有链与联盟链两大类。其中公有链主要用于完全无中心化的密码数字货币的发行与流通，其扩展性好但是吞吐率较低。联盟链用于行业用户及系统之间的无中心数据共识，其运行支持用户与节点的身份认证，对系统实体提供更严格的安全防护，其吞吐率也可达到较高的水平。
联盟链的实现主要包括两种技术路线：
(1)基于拜占庭协议的共识[6]。此类协议由拜占庭将军问题而来，协议具有较高的安全等级，但是参与节点数量受限，性能较弱。
(2)基于排序-背书协议的共识[4]。此类协议由一个弱中心的排序节点实现对数据的排序预处理，共识节点通过背书投票实现共识。此类协议扩展性较高，性能较好。
本文所设计的多系统信息交换平台将支持多种信息系统的数据共享与交换，需要较高的扩展性与吞吐率。综合考虑性能及安全性，本文选用排序-背书协议的共识算法，如图1.所示。
2系统设计
系统设计采用层次化的思想，有效实现了区块链共识、数据存储层与应用层之间的逻辑隔离。层次之间通过便于使用的标准接口实现数据访问。
2.1系统整体架构
系统架构主要分为基础层与应用层两个核心部分，两个部分之间采用多种标准接口连接，如图2所示。其中主要功能描述如下：
基础层实现基于区块链的数据共识与存储。在共识方面，为了提高吞吐效率，减少共识延迟，采用排序-见证的共识算法。排序节点将网络中的交易数据按照固定算法进行排序，同时打包成为原始数据块。见证节点对所产生的原始数据库采用数字签名的方法进行背书。获得足够数量背书的数据块则形成共识。基础层同时支持区块与数据库混合的数据存储模式。区块链所存储数据实现数据的确认与不可篡改验证，数据库则实现数据的快速与灵活查询。对于有异议的数据则可在区块链上进行确认。
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应用层支持电力系统各种不同的应用场景以及场景间的数据流转与日志留存。应用层与基础层之间采用三种标准接口连接。Restful接口实现对业务系统查询访问的标准封装，应用层通过此接口访问基础层数据。智能合约[13]接口则实现Restful与区块链系统的数据访问转化，同时数据库访问接口实现对数据的高效访问。
2.2系统流程设计
本设计支持多信息系统间的数据交换与流程访问，所有的访问通过标准接口进行隔离。为了提高安全性，系统仅支持主动轮询模式访问数据。
图3中给出了两个信息系统间数据流转的典型场景，假设系统A向系统B发起数据访问请求。系统A将访问请求通过WebService标准接口提交至信息交换平台，平台将访问请求转化为区块链系统所支持的智能合约代码。智能合约代码被共识节点写入区块链形成确定性数据，同时请求内容写入数据库。系统B通过轮询获得来自系统A的访问请求，得到访问结果后同样通过WebService接口转为智能合约写入区块链及数据库。系统A最终获得访问结果，中间过程以日志形式留存于区块链，实现不可篡改的日志记录。
3系统实现与测试
本项目通过封装智能合约，利用Webservice实现了供业务系统直接访问的接口，并针对电力系统的典型业务逻辑实现了仿真测试环境。根据应用系统需求，接口应支持数据的写入与读取，因此采用标准HttpGet与Post方法对数据的获取与写入进行了封装。应用系统仅需调用标准接口将所需数据通过XML格式写入区块链或自区块链中读取。同时为了保证系统的安全性，所有访问均经过身份认证过程，因此系统还提供相应的身份注册接口。系统设计的接口如表1所示。
基于以上设计，本项目实现了一种安全可靠的多系统信息交换平台。在测试环境中搭建了包含3共识节点的验证区块链系统，设置区块的生成时间为2秒，同时模拟业务读写请求30条/秒。测试表明，该系统可以实现秒级延迟的信息交换，同时所产生数据访问均在区块链中留下不可篡改与擦除的日志记录，达到了设计目标。
4结语
本论文提出了一种基于区块链的多系统信息交换平台，在基础层运用数据库与区块链相结合的方式，保证了数据的不可篡改性，并且利用了数据库本身的存储查询优势来保证在平台上进行数据查询更加高效，并加入了应用层以应对不同场景的数据流转。
该平台能够运用到电力系统中，用来保证电力通信网中各个系统之间信息交换的可靠性，使得电力通信网中可以不依赖于第三方可信任平台来实现信息的快速可靠交换。本文通过一个具体的实例说明了区块链的实用性，也将区块链的应用扩展到了电力系统中。
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