1、自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechniques ofAutomation&Applications基于区块链技术的能源隐私大数据能源共享方法王 洋,马 剑,姚 程,牛佳乐（国网天津市电力公司，天津 300001）摘要:常用能源数据共享方法侦测数据共享链路时，数据共享的带宽开销较高。为此提出基于区块链技术的能源隐私大数据能源共享方法。利用区块链服务器、数据提供节点和需求节点，组成共享框架。标准化处理上链存储能源数据，构建关键字索引树，公钥加密索引树叶子节点对应数据，建立多条无线链路。
2、通过实时侦测传输速率最大信道，筛选最优时刻共享链路，实现能源隐私大数据的共享传输。实验表明方法降低了能源数据共享的带宽开销，提升了能源数据共享效率。关键词:区块链；能源隐私数据；能源数据共享中图分类号：TP391.4文献标识码:A文章编号:1003-7241(2023)06-0119-05Energy Privacy Big Data Energy Sharing MethodBased on Blockchain TechnologyWANG Yang,MA Jian,YAO Cheng,NIU Jia-le(State Grid Tianjin Electric Power Company
3、,Tianjin 300001 China)Abstract:When the common energy data sharing method detects the data sharing link,the bandwidth cost of data sharing is high.There-fore,an energy privacy big data energy sharing method based on block chain technology is proposed.It uses block chain server,data supply node and d
4、emand node to form a shared framework.The energy data is stored in the upper chain,the keyword indextree is constructed,the corresponding data of the leaf node of the public key encryption index tree is constructed,and multiplewireless links are established.By detecting the maximum transmission rate
5、 channel in real time and filtering the optimal timeshared link,the sharing transmission of energy privacy big data is realized.Experiments show that the design method reduces thebandwidth overhead of energy data sharing and improves the efficiency of energy data sharing.Keywords:Blockchain;energy p
6、rivacy data;energy data sharing收稿日期:2021-05-13DOI:10.20033/j.1003-7241.（2023）06-0119-05.1引言当前能源企业数据产生速度越来越快，为更好释放数据价值，企业需通过数据共享手段，加快静态信息载体向动态生产资料的转换，但能源大数据分散在各个能源企业，无法向社会公开开放，且涉及商业机密和用户隐私等，因此，需要将能源隐私大数据进行整合共享，确保数据共享过程中的规范化与清晰化1。其中，诸多学者也进行了相关研究。能源物联网信息安全传输方法通过分析区块链技术，将身份验证和访问授权机制相结合。构建端到端IoT(Internet
7、 of Things，物联网)安全框架。实现数据的共享存储和抗篡改，利用部分盲签名算法，提高交易效率和隐私保护2。该方法能够在一定程度上保证能源信息安全，但由于计算量较多，数据共享的带宽开销较大，缺乏实用性。基于区块链的物联网数据共享模型分析Hyperledger Fabric平台的关键组件，设置数据存储到区块链账本内容，改进数据隐私传输方法3。该方法可以提升数据传输的隐私性，但是由于网络带宽限制，数据共享开销值同样较大，效率不高。基于上述研究存在的问题，提出基于区块链技术的能源隐私大数据能源共享方法。构建能源数据共享框架，设计能源数据预处理流程，利用数据加密算法，实现能源隐私大数据的共享传输
8、。方法减少了宽带开销，提升了共享效率，具有实用性。2能源隐私大数据能源共享方法2.1基于区块链技术存储能源隐私大数据针对能源企业对数据安全和数据确权两方面的需求4，构建共享框架，存储能源数据。区块链技术是一种新型的计算机应用模式，用于分布式数据存储、点传输和协商机制，加密算法是一个重要的比特概念。它基本上是一个分布式数据库。同时，它是一系列的数据组，每个数据组都包含一个字节，在信息交换网络中验证信息的有效性。已广泛应用于金融领域、物联网和物流领域、公共服务领域以及数字版权领域。结合区块链技术，选取云服务器、数据提供节点、区块链服务器、数据需求节点，共同119计算机与通信技术Computer a
9、nd Communication Technology自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期Techniques ofAutomation&Applications组成共享框架，其中提供节点和需求节点，分别选择可提供数据的物联网设备，以及需要数据的设备和机构，区块链服务器选取共识服务器、交易服务器、账户服务器，云服务器则作为存储数据的云端，当需求节点进行数据访问时，验证授权令牌，通过后筛选相对应的明文数据，并将明文数据发送至需求节点。具体框架如图1所示。根据图1设计的框架，描述能源数据的相关信息，包括数据的确权信息、基础信息、地理位置、存储方式等内容，对能源数据进行规范化处理，保证
10、供需信息的一致性。编写共享数据的安全计算模型，判决需求节点对能源数据的访问请求，定义不同的数据源发现参数。构建语法解析器，对参数的输出和输入条件进行解析。定义数据管理节点的通用策略结构，表达能源数据的所有权信息，确定共享过程中的能源数据流向，降低数据二次流动的频率，避免共享过程中数据的泄露风险。最后将能源隐私数据上报到区块链服务器，实现数据包含相关信息、以及所有权信息的上链存储。至此，完成基于区块链技术能源隐私大数据的存储。2.2加密能源隐私大数据优化数据加密算法，对区块链存储的共享能源数据进行加密处理。首先对上链存储的能源数据进行标准化处理，针对图像数据，采用公共数据库的数据集格式，提取能源
11、数据的关键信息，生成包含关键信息的格式化数据，针对表格形式的能源数据，则根据表格属性及属性值，得到结构化的能源数据。能源数据预处理流程如图2所示。统计标准化能源数据集中的关键字总数，通过哈希函数，计算关键字在比特序列中的位置，映射关键字和位置坐标，并利用随机生成器随机生成函数，构建二叉树的默克尔树结构5-7。其关键字索引树的节点数量A计算公式为：A=m(2n-1)(1)式(1)中，n为默克尔树的所有叶子节点数量，m为内部节点比特序列包含的元素数量。对索引树中叶子节点对应的能源数据，进行逐层加密，随机选择两个不相等的质数b、d，计算二进制密钥B，公式为：B=b*d(2)计算二进制密钥的欧拉公式Q
12、：Q=(b-1)(d-1)(3)图2能源数据预处理流程随机选择与Q互质的整数a，且1aQ，计算该整数对Q的模反元素c，则针对区块链存储的明文数据，判定其私钥为(B，c)、公钥为(B，a)。使用公钥加密标准化数据集的关键字序列，形成密文，上传能源数据的关键字索引结构，当存储节点接收到多个索引结构后，运行子索引合并算法，再通过区块链网络，输入默克尔树的特定参数，调用链码，将密文数据的关键字索引结构，存储在区块链图1基于区块链的能源数据共享框架120自动化技术与应用2023 年第 42 卷第 6 期计算机与通信技术Computer and Communication TechnologyTechni
13、ques ofAutomation&Applications中的区块头，形成有序集合的区块。至此完成能源隐私大数据的加密。2.3共享传输能源隐私大数据在传输范围内建立多条无线链路，把最小化传输数据的平均能耗，作为信道选择目标，将时间划分为固定的时隙周期，使数据提供方以给定速率生成能源数据，固定提供端的传输功率，并每隔一次周期侦测信道。信道侦测过程如图3所示。图3一轮信道侦测过程控制信道侦测持续时间，远小于侦测周期，从而使能源数据传输时间，能够满足传输时延要求。筛选侦测到的所有良好信道，计算信道传输速率R，公式为：(4)式中为信道增益，P为能源数据传输功率，H为信道带宽，为信道功率谱密度。由公式
14、(4)可知，传输速率和信道增益成正比8，因此捕捉信道增益值大的时刻，获取最优传输时刻的信道。将该信道作为能源数据共享链路，把密文数据发送到共享链路，并进行区块链全网广播，使其由区块链的区块头，传输至用户需求方的公钥地址，当用户接收到密文后，选取与公钥(B，a)相匹配的私钥(B，c)。匹配算法G计算公式为：(5)式(5)中，为关键字索引树的映射阶数，N为密文索引结构集合，i为索引结构最小子集，为子集隐藏矩阵，e(B,a)、e(B,c)分别为公钥和私钥的属性值集合。信息数据下载后，利用匹配到的私钥，对公钥加密的能源数据进行解密。至此实现能源隐私大数据的共享传输，完成基于区块链技术的能源隐私大数据能
15、源共享方法设计。3实验论证分析将方法与两组常用能源隐私大数据能源共享方法进行对比实验，比较三组方法的能源大数据共享带宽开销。3.1实验准备选取某企业的能源数据集，图像数据样本数量为1 862个，关键字数量为257个，大小为220多kB，文本数据样本数量为3 019个，关键字数量为392个，将数据集划分为100个子集，分配给100个数据提供者。定义一个1 100 m1 600 m的矩形区域作为实验模拟场景，设置仿真参数如表1所示。表1仿真参数设置参 数节点总数目提供节点数目需求节点数目请求消息总数量节点间基础网络时延节点间网络时延扰动范围区块链成块时间周期内信道侦测次数故障节点数目恶意节点数目存
16、储节点数目同步处理请求数量节点间网络额定带宽请求消息大小区块存储容量需求方共享请求验证开销宏基站覆盖范围数 值11 000100802 10011 0001.5 ms0.5 ms8 min101103404 10025106 bytes220 bytes1.5 M1.5 kB800 m3.2实验结果3.2.1第一组测试结果将数据量大小作为测试条件，由数据提供方向需求方，传输文本格式的能源数据，比较数据量大小分别为510 kB、1 020 kB时，共享数据的带宽开销。带宽开销E计算公式为：(6)式中，为通信带宽开销，K为节点总数目，V为数据上链存储节点数目，X为共享请求验证开销，j为一轮信道侦测次数。则带宽开销测试结果如图4所示。由图4可知，当共享能源数据量为510 kB时，设计方法平均带宽开销为1.06104kB，常用方法1和常用方法2的平均带宽开销，分别为1.49104kB和1.72104kB，相比两组常用方法，设计方法带宽开销分别下降了0.45104kB和0.66104kB。当共享能源数据量为1 020 kB时，设计方法平均带宽开销为1.59104kB，常用方法1和常用方法2的平均