郭鶴旋 魯斌

摘要：能源互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈?zhǔn)莾纱鬅狳c(diǎn)課題，區(qū)塊鏈的分布式去中心化與能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式能源結(jié)構(gòu)異曲同工，而且區(qū)塊鏈的安全機(jī)制應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)，將為信息安全建立一道主動防御的屏障。該文首先介紹了能源互聯(lián)網(wǎng)安全現(xiàn)狀；然后，對區(qū)塊鏈的發(fā)展、相關(guān)技術(shù)和能源領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述；另外，基于信息物理系統(tǒng)的安全要素，對息物理系統(tǒng)的攻擊分類描述；最后，提出了一種基于交叉區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)的信息安全防御框架。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；能源互聯(lián)網(wǎng)；信息安全；數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）23-0007-03

能源互聯(lián)網(wǎng)比傳統(tǒng)電網(wǎng)信息物理耦合程度更高，近年來，某些網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致電網(wǎng)大規(guī)模停電甚至信息物理網(wǎng)絡(luò)整網(wǎng)癱瘓，攻擊方式也越來越多樣化和復(fù)雜化，使得能源互聯(lián)網(wǎng)的信息安全研究受到電力行業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊具有極強(qiáng)的隱蔽性，Stuxnet病毒作為專門攻擊控制系統(tǒng)的病毒，感染核電廠數(shù)萬臺機(jī)器而長時(shí)間不被發(fā)現(xiàn)[1]；近年，電網(wǎng)攻擊逐漸從一次系統(tǒng)攻擊，轉(zhuǎn)變?yōu)楣舳蜗到y(tǒng)進(jìn)而引發(fā)一次系統(tǒng)故障，2015年的烏克蘭大規(guī)模停電事件[2]，信息系統(tǒng)遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊導(dǎo)致物理系統(tǒng)故障甚至癱瘓；能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需求需要突破物理隔離，電網(wǎng)系統(tǒng)的信息安全面臨更大的挑戰(zhàn)，2016年以色列電力局遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊[3]，惡意代碼對計(jì)算機(jī)信息進(jìn)行加密，致使大量計(jì)算機(jī)切換至離線狀態(tài)，類似的攻擊方式發(fā)生在2017年4月，勒索病毒攻擊了全球各個(gè)領(lǐng)域。

能源互聯(lián)網(wǎng)面臨的網(wǎng)絡(luò)攻擊層出不窮，單一攻擊的被動防御已經(jīng)不足以抵擋頻繁多變的網(wǎng)絡(luò)攻擊。本文主要針對能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理系統(tǒng)中的某類安全問題，基于區(qū)塊鏈以及智能合約技術(shù)，在其去中心化原理的基礎(chǔ)上，提出了一種能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理安全的防御框架。首先，對區(qū)塊鏈技術(shù)的技術(shù)、特點(diǎn)進(jìn)行介紹；其次，對能源區(qū)塊鏈的現(xiàn)狀以及可能面臨的信息物理安全挑戰(zhàn)進(jìn)行整理歸納，并將常見問題的攻擊原理進(jìn)行分析；最后，針對破壞完整性攻擊，提出一種能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理安全防御框架。

1區(qū)塊鏈

1.1從比特幣看區(qū)塊鏈

2009年1月4日，比特幣的創(chuàng)世區(qū)塊誕生，其持有者就是比特幣的創(chuàng)立者中本聰。比特幣沒有第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的信用認(rèn)證，單純依靠數(shù)學(xué)和算法來保證交易的正常進(jìn)行。上文案例中提到的勒索病毒，其支付贖金的方式就是比特幣。比特幣能夠建立去中心化的信任基礎(chǔ)，主要是通過區(qū)塊鏈解決了兩個(gè)重要問題，“雙花”問題（雙重支付）和拜占庭難題（不可信網(wǎng)絡(luò)的互信共識）。

“雙花”問題的關(guān)鍵因素是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)導(dǎo)致的各節(jié)點(diǎn)接受的交易信息順序不一致，區(qū)塊鏈的解決方案是把交易分組記入?yún)^(qū)塊，按照時(shí)間順序?qū)^(qū)塊連接起來，每個(gè)區(qū)塊都要記錄前一個(gè)區(qū)塊的信息，以保證區(qū)塊按照時(shí)間順序連接。拜占庭難題可以描述為分布式節(jié)點(diǎn)在不可信網(wǎng)絡(luò)中順利達(dá)成共識并且得出有利結(jié)論，在不可信網(wǎng)絡(luò)中，某節(jié)點(diǎn)是否發(fā)送“壞數(shù)據(jù)”，怎樣識別壞數(shù)據(jù)才能達(dá)成有利共識，是解決拜占庭難題的關(guān)鍵。區(qū)塊鏈對于拜占庭難題的解決方案是交易信息需帶有數(shù)字簽名全網(wǎng)廣播，所有節(jié)點(diǎn)參與驗(yàn)證交易信息有效性，均確認(rèn)既有效。除此之外，還有加密算法對區(qū)塊內(nèi)的交易數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得交易數(shù)據(jù)得到保護(hù)。

比特幣是以數(shù)學(xué)和算法為信任基礎(chǔ)的去中心化框架，能在系統(tǒng)內(nèi)部達(dá)到一種全網(wǎng)共識。區(qū)塊鏈并沒有統(tǒng)一的明確定義，文獻(xiàn)[4]中給出了相關(guān)定義?？梢钥闯霆M義定義基于比特幣等數(shù)字貨幣，而廣義的區(qū)塊鏈技術(shù)則是面向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。區(qū)塊鏈的發(fā)展如圖1所示，區(qū)塊鏈1.0是去中心化改革，從第三方機(jī)構(gòu)信任背書發(fā)展到去中心化數(shù)字貨幣；區(qū)塊鏈2.0基于智能合約拓展至金融其他行業(yè)，例如資產(chǎn)管理，證券交易等金融業(yè)務(wù)；區(qū)塊鏈3.0則將區(qū)塊鏈應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，如物流、醫(yī)療、信息安全等領(lǐng)域。

1.2區(qū)塊鏈技術(shù)及特點(diǎn)

區(qū)塊鏈的主要技術(shù)點(diǎn)包括區(qū)塊結(jié)構(gòu)、哈希函數(shù)、非對稱加密、共識機(jī)制和智能合約等，以下對各技術(shù)進(jìn)行介紹：

1） 區(qū)塊結(jié)構(gòu)：區(qū)塊結(jié)構(gòu)中封裝了重要信息，包括前一區(qū)塊的哈希值，本區(qū)塊的時(shí)戳、隨機(jī)數(shù)，Merkle根，本區(qū)塊的目的哈希值等。

前區(qū)塊哈希值：是通過哈希計(jì)算得來的哈希指針，其包含前一區(qū)塊的地址，以及該地址存儲的哈希值；

Merkle樹：存儲的是交易信息，通過該結(jié)構(gòu)各區(qū)塊可以快速地驗(yàn)證交易數(shù)據(jù)的完整性和存在性；

隨機(jī)數(shù)：某節(jié)點(diǎn)“挖礦”得到符合要求的隨機(jī)數(shù)，即可發(fā)布區(qū)塊信息至全網(wǎng)得到全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后該節(jié)點(diǎn)將該區(qū)塊寫入?yún)^(qū)塊鏈，并獲得獎勵。

本區(qū)塊哈希值、時(shí)戳：新區(qū)塊信息得到驗(yàn)證后，會產(chǎn)生新區(qū)塊的時(shí)戳和該區(qū)塊的哈希值，其中，時(shí)戳和上一區(qū)塊哈希值保證了區(qū)塊以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)不斷增加，且每個(gè)區(qū)塊生成后不能被修改。

2） 哈希函數(shù)：哈希函數(shù)具有單向特性，幾乎不能通過結(jié)果得到原值，并且還有生成時(shí)間固定，生成值長度固定等優(yōu)點(diǎn)，區(qū)塊鏈利用哈希函數(shù)來存儲原始數(shù)據(jù)，節(jié)省了區(qū)塊鏈的存儲空間。

3） 非對稱加密：區(qū)塊鏈中的加密技術(shù)主要應(yīng)用非對稱加密技術(shù)，主要是用數(shù)字簽名對交易信息進(jìn)行標(biāo)記，接收方用公鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證和來源驗(yàn)證。區(qū)塊鏈底層自動分配私鑰給用戶，可以通過隨機(jī)計(jì)算得到公鑰等。

4） 共識機(jī)制：在分布式去中心化系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)達(dá)成有效共識是重要課題，而區(qū)塊鏈的解決方法是采用共識機(jī)制。區(qū)塊鏈的共識機(jī)制包括很多種，包括工作量證明共識機(jī)制（PoW）、權(quán)益證明共識機(jī)制（PoS）、授權(quán)股份證明共識機(jī)制（DPOS）等。

工作量證明共識機(jī)制：比特幣采用的是工作量證明機(jī)制，該共識機(jī)制是尋求一個(gè)隨機(jī)數(shù)，使得目的哈希值小于某約定值，哈希函數(shù)的隨機(jī)性使得計(jì)算完全隨機(jī)，最先找到隨機(jī)數(shù)的節(jié)點(diǎn)獲得區(qū)塊記錄權(quán)，以此來達(dá)成全網(wǎng)共識。

權(quán)益證明共識機(jī)制：該機(jī)制所依賴是“幣齡”，換言之是交易值與該交易持續(xù)時(shí)間的乘積，幣齡越多即權(quán)益越高，最高的權(quán)益擁有者就擁有區(qū)塊記錄權(quán)，該機(jī)制節(jié)省了算力和時(shí)間。

授權(quán)股份證明共識機(jī)制：采用投票方式，授權(quán)接點(diǎn)擁有投票權(quán)和驗(yàn)證權(quán)，固定數(shù)量的授權(quán)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票，產(chǎn)生信任節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)塊記錄，該方式可以加快區(qū)塊驗(yàn)證。

5） 智能合約：區(qū)塊鏈中提供了可觸發(fā)執(zhí)行的嵌入式腳本程序，當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，智能合約可以自動執(zhí)行程序，不受外界干預(yù)，體現(xiàn)了其去中心化、自主以及可編程等靈活特性。智能合約的基礎(chǔ)邏輯規(guī)則與狀態(tài)轉(zhuǎn)換再加上算法的智能化，將讓區(qū)塊鏈發(fā)揮更大的作用。

基于以上這些核心技術(shù)，區(qū)塊鏈具有去中心化、不可篡改、透明化和可編程等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈基于全網(wǎng)共識機(jī)制實(shí)現(xiàn)了P2P網(wǎng)絡(luò)中的去中心化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有全部數(shù)據(jù)備份，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中地位相同，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的變化不會對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響；結(jié)合時(shí)間戳技術(shù)的區(qū)塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)安全得到了保證，使得數(shù)據(jù)篡改變得不可實(shí)現(xiàn)；非對稱加密技術(shù)保障了用戶在網(wǎng)絡(luò)交易透明狀態(tài)下的隱私和數(shù)據(jù)安全；智能合約技術(shù)為區(qū)塊鏈提供了智能化的無限可能性，使得合約的執(zhí)行和監(jiān)控具備了可編程特性。

2能源區(qū)塊鏈

2.1研究概述

能源區(qū)塊鏈?zhǔn)侵笐?yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈，能源互聯(lián)網(wǎng)概念中加入了大量分布式能源，而區(qū)塊鏈的最大特點(diǎn)是其去中心化，安全可信的特點(diǎn)，能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合區(qū)塊鏈將能夠帶來更加高效有意義的影響。

能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是契合的，首先，在分布式結(jié)構(gòu)與去中心化的特性中，二者是一致的，能源互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)對等，可購電可供電，與區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)相同；其次，在能源區(qū)塊鏈中，將提供各用戶之間的自主交易，并沒有過多地第三方干預(yù)，區(qū)塊鏈的運(yùn)行模式也是以全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)共同完成自主交易；另外，在自動化和智能方面，能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈也有相同的機(jī)制，能源互聯(lián)網(wǎng)的自動化控制和區(qū)塊鏈的智能合約相契合，可以相互作用相輔相成。

能源區(qū)塊鏈的研究實(shí)例也已經(jīng)開始建立并發(fā)展，大部分的項(xiàng)目仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段[5]。TransActiveGrid是美國LO3 Energey公司建立的基于區(qū)塊鏈的綠色能源直接交易平臺；美國Filament公司試驗(yàn)布置了“tap”裝置，該裝置可以監(jiān)測電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)，并經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)連接在區(qū)塊鏈上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；德國的RWE則是在電動車的收費(fèi)模式上結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2安全挑戰(zhàn)

能源互聯(lián)網(wǎng)包含復(fù)雜的信息物理系統(tǒng)，能源互聯(lián)網(wǎng)的信息物理安全至關(guān)重要，信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是能源互聯(lián)網(wǎng)的主要攻擊區(qū)域。CPS的安全要求包括保密性、完整性和可用性三個(gè)要素[6]，其中保密性指的是不能監(jiān)聽通信截取信息，完整性則是發(fā)送與接收數(shù)據(jù)一致，不可被惡意修改，而可用性要求系統(tǒng)可以持續(xù)正常持續(xù)運(yùn)行。基于這三個(gè)安全要素，可以將安全攻擊分為三類：破壞保密性、破壞完整性、破壞可用性。

破壞保密性的攻擊：主要是對通信數(shù)據(jù)信息進(jìn)行監(jiān)聽和竊取，大部分屬于被動攻擊。

破壞可用性攻擊：主要是攻擊系統(tǒng)的通信部分，使得信息和數(shù)據(jù)失效或延時(shí)。

破壞完整性攻擊：主要是注入虛假信息或修改數(shù)據(jù)來影響數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，影響其決策來破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3信息安全防御框架

本文提出一種基于交叉區(qū)塊鏈技術(shù)的能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理安全防御框架，主要應(yīng)對破壞完整性攻擊。區(qū)塊鏈的去中心化以及安全可信的特點(diǎn)，是防范修改數(shù)據(jù)的優(yōu)秀方案，時(shí)間戳對于重放攻擊有一定程度的防御效果，將檢測虛假數(shù)據(jù)注入的算法編輯成智能合約嵌入?yún)^(qū)塊鏈中，則可有效處理虛假數(shù)據(jù)。

3.1區(qū)塊結(jié)構(gòu)

交叉區(qū)塊鏈的實(shí)現(xiàn)方式是將部分節(jié)點(diǎn)分別處于兩條區(qū)塊鏈中，能源互聯(lián)網(wǎng)交叉區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。底層區(qū)塊鏈?zhǔn)欠謪^(qū)區(qū)塊鏈，包含能源互聯(lián)網(wǎng)中的發(fā)電裝置以及數(shù)據(jù)采集裝置和計(jì)算節(jié)點(diǎn)；上層區(qū)塊鏈?zhǔn)菙?shù)據(jù)區(qū)塊鏈，是由各分區(qū)計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成，將能源互聯(lián)網(wǎng)的全網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，檢測壞數(shù)據(jù)。

區(qū)塊中需要包含基本的區(qū)塊信息，包括前一區(qū)塊哈希值、Merkle根值、時(shí)戳、本區(qū)塊目的哈希等，另外還需要包含能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞謪^(qū)信息?？紤]到能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際情況，大量節(jié)點(diǎn)的通信問題，以及數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理和存儲能力，需要將能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)處理，分區(qū)需要結(jié)合電網(wǎng)的實(shí)際情況，將電網(wǎng)的物理節(jié)點(diǎn)和線路抽象成無向加權(quán)圖，在得到分區(qū)結(jié)果之后，按分區(qū)加入計(jì)算節(jié)點(diǎn)，該類節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)算力和存儲，分區(qū)信息用以區(qū)分通信域。

3.2底層分區(qū)區(qū)塊鏈

本框架交叉區(qū)塊鏈底層區(qū)塊鏈?zhǔn)欠謪^(qū)區(qū)塊鏈，每個(gè)分區(qū)中節(jié)點(diǎn)處于同等地位，物理節(jié)點(diǎn)包括發(fā)電裝置、配電裝置和數(shù)據(jù)采集裝置，主要是采集數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)主要提供算力和存儲資源。分區(qū)內(nèi)采用數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)實(shí)現(xiàn)通信，其中計(jì)算節(jié)點(diǎn)比物理節(jié)點(diǎn)增加了投票權(quán)和記賬權(quán)，共識機(jī)制則采用授權(quán)股份證明共識機(jī)制（DPOS）。

數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)DDS（Data Distribution Service）采用以數(shù)據(jù)為中心的訂閱/發(fā)布的通信模型，可以滿足系統(tǒng)高效、實(shí)時(shí)的通信需求。分區(qū)DDS通訊模型如圖4，分區(qū)中的各電力物理節(jié)點(diǎn)和計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以通過DDS發(fā)布和訂閱報(bào)文，各節(jié)點(diǎn)的關(guān)系對等，可以實(shí)現(xiàn)一對多和多對多通信，這點(diǎn)符合區(qū)塊鏈中的通信需求和節(jié)點(diǎn)關(guān)系基礎(chǔ)。基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)實(shí)現(xiàn)分區(qū)內(nèi)的各節(jié)點(diǎn)通訊，不僅可以有效解決電網(wǎng)物理拓?fù)渲械耐ㄓ崏毫栴}，還增加了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，節(jié)點(diǎn)的增加減少不會影響系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信。

授權(quán)股份證明共識機(jī)制（DPOS）是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行投票，選出一組節(jié)點(diǎn)輪流產(chǎn)出區(qū)塊，DPOS的效率很高，交易確認(rèn)速度可以達(dá)到10s，DPOS機(jī)制更加適合能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，如果分區(qū)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)不可信可以在下一輪投票中，將其投票出局。該框架中，只有計(jì)算節(jié)點(diǎn)有記錄權(quán)，但是，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有驗(yàn)證的權(quán)力，每一輪選出分區(qū)系統(tǒng)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的2/3輪流將采集數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊中。計(jì)算節(jié)點(diǎn)需要存儲從創(chuàng)世區(qū)塊開始的所有區(qū)塊，而物理節(jié)點(diǎn)則可以存儲本節(jié)點(diǎn)和相鄰節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)，既可以緩解物理節(jié)點(diǎn)算力和存儲方面的壓力，且保證了分布式系統(tǒng)里的節(jié)點(diǎn)關(guān)系對等。

3.4 上層數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈

本框架上層區(qū)塊鏈為數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈，由所有分區(qū)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)競爭數(shù)據(jù)區(qū)塊記錄權(quán)，每個(gè)分區(qū)計(jì)算節(jié)點(diǎn)在獲得底層區(qū)塊鏈記錄權(quán)之后，完成區(qū)塊數(shù)據(jù)驗(yàn)證同時(shí)，將底層分區(qū)區(qū)塊數(shù)據(jù)發(fā)布至上層區(qū)塊鏈，由所有的計(jì)算節(jié)點(diǎn)競爭記錄權(quán)，上層區(qū)塊的共識機(jī)制與比特幣方式相同，采用工作量證明共識機(jī)制。同時(shí)上層區(qū)塊鏈中嵌入智能合約程序，當(dāng)分區(qū)數(shù)據(jù)滿足數(shù)量條件時(shí)，觸發(fā)智能合約執(zhí)行，對能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛假數(shù)據(jù)檢測，防御壞數(shù)據(jù)攻擊。

4 結(jié)論

基于交叉區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理信息安全防御框架，是結(jié)合能源互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，通訊保密要求高，以及分布式節(jié)點(diǎn)特性等，對區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，將兩條區(qū)塊鏈中的部分節(jié)點(diǎn)重疊，實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理系統(tǒng)信息安全的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲處理框架。該框架資源占用小、效率高、魯棒性強(qiáng)，是能源互聯(lián)網(wǎng)中大量分布式能源系統(tǒng)的有效方案。在該框架基礎(chǔ)上，可以加入電價(jià)競價(jià)等擴(kuò)展功能。

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【通聯(lián)編輯：梁書】