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基于Hyperledger的电力物联网分布式认证研究

更新时间：2019-12-21 07:48:43 大小：393K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：电力物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

随着能源互联网的发展和“云、大、物、移”战略的实施,传统的电力物联网终端集中式接入认证方式难以应对泛在普适的应用需求.基于联盟区块链的超级账本技术,研究了电力物联网终端分布式接入认证技术,将安全多方计算中密钥共享和分配协议与超级账本共识算法相结合,提出了一种有效的电力物联网终端接入认证方案.仿真结果表明,所提方案在认证时间和资源消耗等方面具有优势.

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基于Hyperledger的电力物联网分布式认证研究木

陈孝莲1，徐晓海2，过烽1，李洋3，蔡世龙3，高雪3

(1．国网无锡供电公司，江苏无锡214002；2．国网镇江供电公司，江苏镇江212050；

3．南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院)，江苏南京211106)

摘要：随着能源互联网的发展和“云、大、物、移”战略的实施，传统的电力物联网终端集中式接入认证方式难以应

对泛在普适的应用需求。基于联盟区块链的超级账本技术，研究了电力物联网终端分布式接入认证技术，将安全多

方计算中密钥共享和分配协议与超级账本共识算法相结合，提出了一种有效的电力物联网终端接入认证方案。仿

真结果表明，所提方案在认证时间和资源消耗等方面具有优势。

关键词：物联网；区块链；链码；接入认证；超级账本

中图分类号：TP312

文献标识码：A

DOI：10．16157／i．issn．0258—7998．190124

中文引用格式：陈孝莲，徐晓海，过烽，等．基于Hyperledger的电力物联网分布式认证研究【J】．电子技术应用，2019，45(5)：

57—60．65．

distributed authentication of

a1．Research Off

loT based on

Hyperledger

英文引用格式：Chen Xiaolian，Xu Xiaohai，Guo

of Electronic

Feng，et

power

blockchain[J]．Application

Technique，2019，45(5)：57—60，65．

Research on distributed authentication of

IoT based on

blockchain

power

Hyperledger

Chen

Xue3

Xiaolianl，Xu Xiaohai2，Guo

Fen91，Li Yan93，Cai Shilon93，Gao

Power

(1．Wuxi

Supply Company，Wuxi 214002，China；2．Zhenjiang

Supply Company，Zhenjiang 212050，China；

3．NARI

Grid Electric Power Research

21 1

Group Corporation(State

Institute)，Nanjing

106，China)

the

Internet and the

and

tradi—

Abstract：With

development

energy

implementation of”cloud，big，material

mobile”strategy，the

ubiquitous application

studies the distributed access authentication technol·

paper

tional centralized access authentication mode of

Internet of terminal is difficult to meet the

power

Things

of alliance

blockchain，this

needs．Based on the

super—ledger technology

Intemet

the

and distribution

in secure

with

Things terminal，combines

ogy

the

power

key sharing

protocol

multi—party computing

Internet of

consensus

for

an effective access authentication scheme

terminal．

algorithm，and

super—ledger

proposes

scheme has

power

Things

jn authentication time and resource

advantages consumption．

The

results show

simulation

that the

proposed

Key words：IoT；block

chain；chaincode；authentication；Hyperledger

的安全挑战。一方面，电力物联网终端节点数量多、部署

范围广，节点物理环境不可控，容易受到物理劫持、节点

复制、信号截获窃取重放、中间人攻击等威胁；另一方

面，电力物联网终端由于体积和电量限制，其计算、存储

和通信能力有限，无法部署完整的密码算法。此外，信息

0引言

随着智能电网和能源互联网的发展，电力物联网在

电力生产的各个环节起到了越来越重要的作用。特别是

在作为电力传输最后10公里的配电网中，在用电计量、

售电服务、分布式发电、新能源并网、智能充电桩等应用

传递和交互多采用集中式广播和组播实现，容易出现单

点失效问题。

场景中，电力物联网的应用更加常见。

现有电力业务系统大部分采用中心化的架构，随着

分布式电源、可控负荷、增量配电网、物资服务等业务的

区块链(Blockchain)技术具有去中心化、防篡改、高

不断发展，各主体之问的信息交互的频度、复杂性和时

度可扩展等特点，正成为继大数据、云计算、人工智能、

虚拟现实等技术后又一项将对未来产生重大影响的新

兴技术。在美国、日本和欧盟一些国家和地区已将区块

链发展上升为国家重要发展战略。我国政府亦高度重视

区块链技术创新与产业发展，积极推动国内区块链的相

关领域研究、标准化制定，大力推进区块链技术研发和

应用推广，《“十三五”国家信息化规划》、《国务院办公

效性要求越来越高，集中化的信息交互手段已无法满足

源网荷储互动、物资精准供应等由多方参与的业务系统

信任需求。

电力物联网在广泛应用的同时，也带来了愈加严峻

$基金项目：国网江苏省电力有限公司科技项目fJ2018—91719一XTKJ)

《电子技术应用》2019年第45卷第5期

万方数据

厅关于积极推进供应链创新与应用的指导意见》及习总

书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十

四次院士大会上发表的讲话中，均明确指出了区块链等

技术在科技强国中的战略意义。

心化、泛在接人、广域互联的需求。本文基于Hyperledger

架构，设计分布式门限加密认证算法，提高电力物联网

分布式安全级别，支撑安全可靠的电力物联网应用。

2预备知识

区块链可分为公有链、私有链、联盟链、许可链等类

型。其中联盟链是指由联盟或行业内若干个机构共同参

与管理的区块链，较为适合应用于电力场景。其数据只

允许系统内的机构进行读取修改和访问等活动，通过制

定接入准测和访问权限，保证系统安全性。联盟链的典

2．1

Hyperledger区块链

超级账本(Hyperledger)是Linux基金会于2015年发

起的开源区块链项目，目标是满足行业用户案例，并

简化业务流程。基于完全共享、透明和去中心化特征，

Hyperledger非常适合制造、能源、物联网等行业应用。

Hyperledger由成员服务(Membership)、区块链服务

(Blockchain)和链码服务(Chaincode)3个组件构成，具有

成员节点身份验证、共识算法灵活、智能合约易于实现

型开发平台是Hyperledger项目，它提供一个模块化的构

架，实现节点、链码(智能合约)执行以及可配置的共识

和成员服务。在接入认证方面，通过MSP(Membership

Service

Provider)服务，实现X．509证书管理和成员身份

等优点。Hyperledger架构如图1所示。

验证。本文基于Hyperledger联盟链架构，研究适用于电

力物联网的分布式认证策略，改进传统物联网安全协议

中对认证中心节点的依赖，实现群体接入认证，在保证

安全的前提下，提高电力物联网中大量节点并发接入的

响应速度。

区块链服务

1相关工作

传统物联网安全接入认证方面的研究多侧重于降

低安全算法的计算复杂度、存储复杂度和通信开销，例

图1

Hyperledger架构图

如CHANG

Q等人提出了一种基于椭圆曲线加密算法

不同于以太坊等区块链平台，Hyperledger在成员服

务中，利用PKI体系、数字证书、加解密算法等安全技

术，加强了身份证书管理服务，实现了权限管理、交易加

解密、分布式账本机制等模块化可拔插架构，用户可以

根据业务需要灵活部署应用。

的无线传感节点认证协议；邹长忠等人【21提出的基于节

点ID验证的抗DoS攻击节点认证协议在保证良好攻击

防御性的前提下，降低了认证的时间开销和网络的通信

负载。在去中心化的分布式认证方面，有研究者提出了

采用秘密共享概念的分布式节点认证机制131，通过利用

在区块链服务中，分布式账本是最核心的结构，基

节点的ID生成会话密钥或采用数字签名算法达到安全

于前后关联的链式结构，Hyperledger通过P2P网络、数

据库和共识机制，记录应用信息。应用则通过发起交易

认证的目的。

基于公钥基础设施(PKI)的身份认证是目前较为成

熟的认证技术，目前的算法中为了实现其分布式应用，

来向账本中记录数据。

智能合约部分通过链码服务实现，链码基于容器、

状态机等技术，可基于第三方开发语言和相应SDK实现，

应用程序可以通过API实现安全的业务逻辑和功能。

超级账本Fabric平台采用两种类型节点：(1)order节

点，负责执行数据的读写、查询操作，借助区块链共识算

法、一致性协议，维护区块链账本数据库；(2)Peer节点，

用来连接用户和邻近的Peer节点，执行查询验证操作，

不执行记人交易数据操作。

往往采用门限密码机制，需要消耗较大的计算和通信开

销，不利于在电力物联网中大范围部署。为了达到去中

心化的效果，有学者开始研究区块链技术在身份认证领

域的应用。文献【4】基于比特币系统提出了分布式PKI

认证体系，但是存在用户公钥等敏感信息泄露的问题。

针对这个问题，文献[5]提出了一种带隐私保护的PKI

认证方案进行改进。文献[6]基于以太坊平台提出了提

高证书撤销和证书查询效率的方案。

在联盟链方面，佘维等人[71针对分布式能源交易认

证中的安全问题，探讨了基于联盟链的分布式能源交易

认证模型。通过区块链权益证明、数据加密、时间戳和分

布式共识的方法，提高了分布式能源交易数据安全性、

信息透明度和自动化认证水平。

在基于Hyperledger的区块链认证系统中，电力物联

网终端APP从CA获取合法的数字证书，使用SDK访问

Fabric网络并发起认证请求，构造交易申请并提交给

Endorser进行背书，终端收集到足够的背书支持后可以

构造一个合法的请求，发给0rderer进行记账处理。

2．2

Difffe—Hellman密钥交换

目前基于区块链的物联网接人认证方案大多基于

公共区块链平台，实现了分布式PKI的模拟，但未能针

对电力物联网业务将联盟链和轻量级分布式认证协议

进行有效的整合，难以满足智能电网和能源互联网去中

Difie—Hellman算法是电力物联网系统中常用的密钥

交换算法，该算法基于有限域中离散对数难解问题，可

在公开信道中安全交换密钥信息。假设密钥交换双方为

欢迎网上投稿WWW．ChinaAET．corn

《电子技术应用》2019年第45卷第5期

万方数据

Alice和Bob，算法步骤如下：

密多项式；密钥协商阶段，排序节点广播发送认证请求

报文，认证组Peer节点通过电力物联网业务逻辑选择对

新接入节点的准入结果，如果同意节点接人，则向排序

节点提交签名，排序节点得到多于门限数量份签名后可

以形成认证许可，发送给电力物联网接入网关作为认证

依据；认证阶段，网关可通过公开参数中的群公钥验证

签名的合法性。

初始化阶段，双方约定随机选取的大素数／'1和原始

根g。

Alice产生一个秘密的随机数石，计算X=∥mod凡并

通过公开信道发送给Bob。

n并

Bob产生一个秘密的随机数Y，计算Y=∥rood

通过公开信道发送给Alice。

mod

(1)注册阶段

A通过计算Key=Y4

n获得密钥Key，B通过计

算Key=Xy ^roodn获得密钥Key。

物联网终端设备制造商为电力物联网终端节点预

先分配初始密钥PID，作为认证的基本信息。

设P、q为大素数，Fq是q阶有限域，H，(戈)：{0，1】+_

3认证模型和算法

3．1认证模型

身份认证技术是通过密码学手段在计算机系统中

确认实体对某种资源或服务是否有访问权限的方法和

机制[81。电力物联网中终端节点数量多、单点计算存储

能力弱，其身份认证需要采用效率高的方案。基于区块

链技术的电力物联网分布式认证过程中，从电力应用场

景中选择同属一个应用或者覆盖区域的终端认证组，负

责对新接入的节点进行接人认证。终端认证组节点通过

电力物联网业务流程和规范对新人节点进行准入投票，

获得51％的节点通过后获得认证区块链记账权限，调用

Z。，t为认证门限值，日z x)：{0，1}4_÷ Z。，为安全的hash

函数。设认证组成员集合U={地Ii=1，，nl，计算Xi=

HI(PID。)。

(2)密钥协商阶段

排序节点生成群签名密钥对(R，＆)随机选择t一1个

元素口1，，at一1 Z。，令f(x)=．s^+。馋+蟛2+ +at—l∥～，计

算竹i厂(赫)，1 i n，将yi分配给Peer节点i作为其子密

钥。其中，分配过程利用Difffe—Hellman密钥交换协议实现。

(3)认证阶段

Hpyerledger功能创建区块链节点。具体认证模型如图2

排序节点将电力物联网中待认证终端的请求信息

M发送给认证组Peer节点，同意终端接入的Peer节点

所示。

电力

物联网

终端

电力

物联网

终端

认证组

超级账本

记账

生成对M的签名盯。=日：(yi)IIM，并将(盯：，yi，M)作为子认

证判据发送给排序节点，数据交换过程使用Difffe—Hell．

man密钥交换协议确保不会被非法节点获取。

闸阿lIPeer№er

点3l

记账

节点

终端

节点

接入

网关

睦

纠也

刽匣到匣

排序节点收Peer节点发来的矿。之后，首先通过已

—接，＼请求一

童

f装开分芨认让报文

有信息计算日：(∞)IIM的值，判定Peer节点发送的子认

证判据的有效性。等收到t份合法的子认证判据之后，

接，

＼疵答j

一．

j———卜．!

!一分希式认证挛互2一

芦证结李，’上埘

可得到t个点对：(茗。，Y。)，，(丑，yf)。使用拉格朗日秘密

共享算法，计算：

i_—医_——块_—。～_—r

=：一

己。

：下2

爷牌{———十一胎尸”1、。

下：曼一》牌j

&：竹n』L

(1)

j=i

1<f<￡．』’』抛一巧

＆入；

业：

酬

|{i|f

得到群密钥|st，说明满足门限数量的合法终端已经

确认对新人终端的认证。排序节点将认证信息提交记账

节点，生成新的区块，同时，用S加密令牌，将结果发送

给网关。

图2基于区块链的电力物联网认证模型

其中，认证过程可分为3个阶段：(1)终端节点向接

入网关发送接入请求，网关对请求进行应答，终端获得

网关用公钥R解密令牌，发送给请求入网的电力物

内网访问权限；(2)终端向认证组中的排序节点发送认

证请求，认证组Peer节点发起分布式认证，排序节点结

合认证结果访问超级账本系统并记账，记账完成后返回

联网终端，认证结束。

4仿真验证

本节通过在实验室部署Hyperledger和链码来模拟电

力物联网接人认证过程，用于验证本文所提算法的有效

CPU@2．80

认证结果；(3)认证组排序节点，向接入网关下发令牌，

接入网关将授权令牌反馈给终端，终端因此获得业务接

性。实验环境为

GHz，

i7—7700HQ

人权限。

GB内存，CentOS 7操作系统。仿真实验时，模拟终端

发起接入认证请求，用docker模拟认证组节点和排序节

3．2认证算法

认证算法分为注册阶段、密钥协商阶段和认证阶段

点，通过在链码上部署认证算法进行接人认证仿真。所

有仿真数据为运行10次的平均值。

三个过程：注册阶段生成公钥和私钥，排序节点公布系

统参数，认证组节点根据系统公布的参数生成自己的秘

《电子技术应用》2019年第45卷第5期

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