李大伟(1981), 男, 博士, 副教授, 研究方向为电力5G通信、区块链、信息安全、电力物联网技术(E-mail:
朱道华(1987), 男, 博士, 高级工程师, 从事无线通信技术相关工作
郭雅娟(1975), 女, 硕士, 研究员级高级工程师, 从事电力信息通信技术相关工作
针对电力区块链应用系统中数据上链效率和可信性问题,研究了基于5G和预言机(Oracle)机制的可信数据上链技术。首先, 讨论了区块链系统中数据上链方式,分析了适用于电力5G区块链的Oracle数据上链方法;然后,提出了基于分布式Oracle的电力5G业务系统可信数据上链技术,设计了基于云-边-端一体化的系统总体架构,以及数据源注册、评估、上链的工作流程,其中,通过区块链系统实现分布式数据的采集共享,基于门限签名算法和可验证随机函数实现数据源评估,评估算法由边缘物联代理节点运行以确保系统的安全性和可用性,并通过对5G切片任务划分和优化实现认证数据和业务数据的高效传输。最后,在基于电力5G区块链的用电信息采集系统中部署文中所提方案,从通信性能、业务性能、资源利用等方面进行实验验证。结果表明,所提方案在不同负载压力测试下数据平均传输时延约为10 ms,误码率、丢包率小于0.9%。在100量级并发业务请求情况下,较已有方案性能提升超过80%,因而具有良好的可行性和推广价值。
Aiming at the efficiency and credibility of data feed in power blockchain application system, the trusted data feed technology based on 5G and Oracle mechanism is studied. Firstly, the data feed method in the blockchain system is discussed, and the Oracle data feed method applicable to the power 5G blockchain is analyzed. Secondly, the trusted data feed technology of the power 5G business system based on distributed Oracle is proposed, and the overall system architecture based on cloud-edge-terminal integration is designed, as well as the workflow of data source registration, evaluation and on chaining. Among them, the distributed data collection and sharing are realized through the blockchain system, and the data source evaluation is realized based on threshold signature algorithm and verifiable random function. The evaluation algorithm is run by the edge Internet of Things (IoT) agent node to ensure the security and availability of the system. Through the division and optimization of 5G slice tasks, the efficient transmission of authentication data and business data is achieved. Finally, the proposed scheme is deployed in the electricity 5G blockchain based power information acquisition system, and experimental verification is carried out from the aspects of communication performance, business performance, resource utilization, etc. The results show that the average data transmission delay of the proposed scheme under different load stress tests is about 10 ms, and the bit error rate and packet loss rate are less than 0.9%. In the case of 100-level concurrent service requests, the performance of the scheme is improved by more than 80% compared with the existing schemes, so it has good feasibility and promotion value.
5G和区块链都是新型信息基础设施的重要建设内容。为贯彻落实国家战略,国网公司近年来大力推进这2项新型技术的研发和试点,且取得了丰硕的成果[
电力区块链应用目前主要面临两方面挑战:一是区块链系统数据采集和处理过程需要共识节点间频繁的数据交互,为提高业务处理能力,需要高性能的网络降低端到端时延;二是区块链的共识机制仅能保证链上数据的安全可信,对链下数据源的数据质量难以鉴别,因此须研究可信数据上链技术[
在提升网络性能方面,文献[
传统区块链系统中数据上链多根据应用场景设计专用的数据接口[
Oracle在为区块链系统提供数据时,往往通过可信执行环境、安全多方计算等技术对链下数据源进行可信性验证评估,确保数据在上链前的可信性,其智能合约触发机制可与区块链系统实现有效协同[
文中基于分布式Oracle机制,研究边-端结合的电力5G区块链应用中可信数据采集和上链技术。通过建立数据源认证模型,实现电力区块链应用系统链上链下数据的有效协同;通过5G切片优化,确保电力5G业务满足既定的服务级别协议(service level agreement,SLA)要求。文中通过融合5G高性能通信能力和区块链数据可信管理优势,在新型电力系统中源网荷储多数据源互动和多能互补环境下,为构建安全可控、灵活高效、开放互动的电力区块链应用系统提供理论指导和实践依据。
有效可信地采集数据对电力5G区块链应用系统安全可信性具有重要意义。电力区块链应用系统中涉及的数据可分为链上数据和链下数据2类。链上数据是指存储在分布式账本中的交易数据,这些数据由区块链节点通过共识算法记账产生,具有防篡改、可追溯的特征;链下数据是存储在电力业务系统中的数据。可信数据上链是指通过可控的方式将链下数据按照区块链能处理的格式上传到区块链,并经过共识算法被记录到区块链中的过程[
专用上链方式是指在系统研发时针对特定应用系统设计开发的数据上链模块,又分为软件方式和硬件方式。
软件方式为通过程序编码的方式实现链下数据源数据的获取,又称基于应用程序接口(application programming interface,API)的方式。通过开发相应的系统中间件实现链下数据与区块链应用系统的对接,在区块链应用开发时就同步开发数据获取API模块,如
基于软件的数据上链
Software-based data feed
硬件方式则将具有数据采集上链功能的可信硬件模组嵌入到电力物联网终端等设备中,实现区块链数据采集功能。此方式可将物联网传感器获取的数据进行实时上链,具有安全性好、执行效率高等优点。但硬件模组需要与物联网终端高度集成,多为专用系统定制开发,因此兼容性和部署灵活性较低。
借助Oracle实现链下数据的可信性验证并进行数据上链是区块链应用系统链上链下数据协同的主要方式。Oracle根据部署方式可分为中心化Oracle、硬件Oracle、分布式Oracle等类型。其中,中心化Oracle为集中式数据管理,由权威数据库作为数据源,适用于中心化部署的业务系统;硬件Oracle通过与物联网传感器硬件模组集成,实现数据获取;而分布式Oracle由多个节点和多个数据源同时获取数据,通过构建多节点Oracle网络和分布式安全算法对数据源的可信性进行评估,从而达到分布式链下数据源可信上链的目的,适用于大规模部署的电力业务系统。
基于Oracle的上链方式通过Oracle沟通用户智能合约和链下数据源,其过程为:用户智能合约向Oracle发起数据请求,Oracle根据请求向外部数据源获取数据并反馈给用户智能合约,如
Oracle架构
Oracle architecture
Oracle引擎包含通信模块,可实现采集数据传输、组网和切片管理,将通过可信认证的链下数据源的数据进行格式转换并写入区块链中。Oracle可以直接获取链下数据并反馈到链上智能合约中,具有较高的执行效率,同时可以采用分布式部署和多种安全可信机制确保数据采集-传输-上链全过程的数据可信。
在基于5G通信的大型电力区块链应用系统中,往往存在多个链下数据源的情况,需要部署分布式Oracle组成分布式数据源认证网络,对某数据源的上链请求进行判决,确保上链数据的可信性。3个链下电力数据源提供数据的情形如
分布式Oracle网络
Distributed Oracle network
文中提出的电力5G可信数据上链模型基于分布式Oracle,其体系架构见
可信数据上链架构
Trusted data feed architecture
各功能模块的协作关系为:电力物联网终端在链下采集电力一二次设备和系统产生的数据,通过专用的内部通信协议与各自区域的边缘物联代理通信;边缘物联代理负责汇总所属区域内数据源的数据;所有Oracle节点组成分布式评估网络对链下数据源的数据进行可信性评估,通过评估的数据源由所属上行边缘物联代理的Oracle进行数据上链。其中,联盟区块链系统通过智能合约与所有Oracle节点进行互联,实现链下可信数据的共识记账。
电力区块链应用系统由电力物联网终端(T)、边缘物联代理(E)、Oracle(O)、云端业务系统(B)、5G切片管理器、联盟区块链(C)系统等组成,其工作流程如
电力区块链应用系统工作流程
Power blackchain application system workflow
系统工作流程分为数据源注册、数据源评估和数据上链3个过程。
(1) 数据源注册。电力物联网终端接入系统前,首先用标识号(ID)向边缘物联代理进行注册:
式中:
边缘物联代理使用密钥
式中:
云端业务系统验证边缘物联代理的注册信息,通过后发送用户的数字身份标识
式中:
式中:
获得终端分布式数字身份标识
(2) 数据源评估。由分布式Oracle网络对数据源进行评估。当电力物联网终端上传数据到边缘物联代理之后,边缘物联代理发起数据上链请求,所有边缘物联代理上运行的Oracle组成评估组对此数据源进行联合评估并通过投票的方式提交结果。评估过程中交互数据通过数据源认证切片组成的P2P(peer to peer)认证网络进行传输。评估通过后,数据源可通过上行边缘物联代理的Oracle实现数据上链,评估不通过则被退回并记录日志。评估过程分为以下3个步骤。
步骤一:所有边缘物联代理上的Oracle对被评估数据源的可信性进行评分,评分数据用基于RSA算法的可验证随机函数进行计算,任何接收方可通过评分者的公钥验证评分数据的可信性。具体如下。
设电力区块链应用系统中存在
首先,发布评分的Oracle运行RSA算法得到签名密钥(
式中:gcd(·)为最大公约函数;mod(·)为取模函数。
其次,Oracle节点使用私钥进行签名,计算
步骤二:分布式Oracle网络通过(
设分布式Oracle网络的公钥为
为每个Oracle选取子密钥生成参数
步骤三:数据源评估汇总。Oracle节点通过Raft共识算法选出leader节点,汇总Oracle提交的评估数据。具体如下。
首先,获取至少
其次,使用拉格朗日插值算法,获取Oracle网络的签名密钥:
使用此签名密钥,提交分布式Oracle网络对数据源
(3) 数据上链。通过评估后的数据源可以将链下数据进行上链存储,上链过程由Oracle触发智能合约实现。
首先,数据源上行边缘物联代理对数据进行规范化,规范化过程参考T/CESA 6002—2017。其中,业务数据主要包括事务数据和实体数据。事务数据描述区块链系统上具体业务动作,事务列表中的每一项表示一种业务操作,事务数据定义为 < 事务标识(哈希值),事务类型,签名者,时间戳>。实体数据描述事务的静态属性,定义为 < 发起方地址,接受方地址,附加数据,备注>。
其次,通过智能合约实现数据上链。智能合约每次调用时从区块链上读取合约逻辑和上一个状态,执行后将新的状态存入区块并在所有节点中发布。由于数据源已通过可信性评估,在共识算法运行过程中,该边缘物联代理所在的peer节点直接作为leader节点进行记账,生成新的区块,实现数据上链。此过程包括合约生成、合约发布、合约执行3个步骤。
步骤一:合约生成。智能合约部署于peer节点上,其中包含了数据源的认证信息。对于可信的数据源,智能合约对其数据上链事务进行了程序化和规范化。
步骤二:合约发布。新智能合约经过创建者数字签名后,以访问地址和哈希摘要的方式发布到区块链上,区块链其他节点据此对合约的完整性进行验证。合约的发布过程实现了所有节点对该智能合约有效性的共识。
步骤三:合约执行。由数据源的数据上传事件触发合约执行,在调用过程中更新本地账本状态,调用完成后确认交易并向其他节点广播交易。由于合约中携带了验证信息,所以可以安全高效地上传数据。
电力5G端到端切片运行和管理主要由通信服务管理(communication service management function,CSMF)、网络切片管理(network slice management function,NSMF)、网络切片子网管理(network slice subnet management function,NSSMF)等部件完成。其中,CSMF将电力业务目标和需求映射为端到端网络切片需求并传递到NSMF,NSMF根据各子网能力进行端到端切片设计,产生切片实例并进行编排管理,进而将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网(例如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网)的SLA,同时将子网部署需求传递到NSSMF。核心网、传输网和无线网均有各自的NSSMF,主要实现子网内切片部署、运行和监控。
设
其中,
每种任务类型包含一系列并发运行的子任务,例如数据源评估任务可包含多个并发的数据源评估子任务,系统根据任务类型分配相应的网络资源构建对应5G网络切片,如
切片任务分配示意
Schematic diagram of slicing task allocation
设切片传输带宽为
设系统中可提供服务的5G基站数量为
系统总传输能力为:
总时延可表示为:
对上述时延函数进行优化可以得到最优数据上链的资源配置方案。
应用验证场景为5G通信环境中基于区块链的用电信息采集系统(文中简称为用采系统)。用采系统是对电力用户的用电信息进行采集、处理和实时监控的信息系统,具有用电信息自动采集、分析、监控和智能交互等功能。应用验证使用的系统架构如
应用验证架构
Application verification architecture
验证场景中的用采系统由主站层、网络层、边缘层、终端层组成。向上为电力应用系统提供服务,数据交互由营销系统及其他应用系统通过相应接口实现;向下通过电能表、采集器等数据采集装置接入电力用户系统。主站层集中部署于省电力公司,直接采集全省范围内的所有现场终端和表计,集中处理信息采集、数据存储和业务应用。用采系统主站的数据采集分为定时自动采集、随机召测和主动上报3种,文中验证场景采用定时自动采集方式。其中,专变采集终端上行数据为538 B,下行数据为248 B,控制指令为40 B。集中抄表终端包含240个单相表,12个三相表,轮询周期为15 min,数据包发送速率为1.2 Kb/s。其他主要参数参考Q/GDW 1376.1—2013进行设置。
验证系统采用Hyperledger Fabric1.4搭建联盟区块链系统。在云端用采系统主站、各边缘物联代理中部署peer节点,其中物理节点5个,硬件采用Xeon Silver 4114处理器,内存为64 GB DDR4,SAS 2.4 TB硬盘,操作系统采用Ubuntu18.04,部署Docker 17.06.2、Docker Compose 1.14、Node.js 8.9.x。为扩大验证规模,部署基于Docker实现的虚拟节点20个。边缘物联代理上的peer节点部署Oracle机制,智能合约使用Go语言编制,验证系统的共识算法采用更适合电力生产环境的Raft共识算法。将仿真时间划分为不定长度的时间片term,在每个term内,所有peer节点通过选举产生leader节点进行记账,若某个Oracle所在的peer节点完成了数据源认证,则自动选择为下一term的leader节点。
网络层采用5G进行通信,5G网络主要包含集中单元(centralized unit,CU)、分布单元(distribute u nit,DU)、有源天线单元(active antenna unit,AAU),其架构如
5G网络架构
5G network architecture
其中,AAU到DU的前传采用光纤直连模式,速率为25 Gb/s;DU和CU的中传和CU以上的回传采用分组增强型光传送网(optical transport network,OTN)结合互联协议化无线接入网(internet protocol radio access network,IPRAN)模式,速率为50 Gb/s。采用的主要设备如
5G设备
5G equipment
设备 | 型号 |
核心网交换机 | 华为CE8861 |
基带处理单元 | BBU5900 |
基带板 | UBBPg2a |
主控板 | UMPTe3 |
AAU | AAU5613 |
电源 | DCDU-12B 48 V |
为验证电力5G区块链节点间组网和切片优化方案的通信有效性,测试网络对10 Kb数据包和1 Kb数据包2种规格的数据包传输性能。2种数据包规格分别对应采集数据和控制指令的传输能力。每组测试采样20次,每次采样做80%、40%、10%这3种不同负载情况下共90次数据传输,测试结果取每种情况的平均值。
10 Kb上行时延曲线如
10 Kb上行时延曲线
10 Kb uplink delay curves
10 Kb下行时延曲线如
10 Kb下行时延曲线
10 Kb downlink delay curves
从10 Kb上、下行测试结果来看,基于5G的通信系统可有效支撑Oracle节点之间以P2P方式进行可信性认证和数据传输。而10 Kb数据包的大小正好符合专变采集终端等用采系统采集设备的数据传输规格,因而能有力支撑用采系统的数据采集性能。
对于控制指令等小数据包的传输性能也是通信网络的重要指标。
1 Kb上行时延曲线
1 Kb uplink delay curves
1 Kb下行时延曲线
1 Kb downlink delay curves
网络抖动是描述时延变化程度的指标,可以表示网络拥塞时排队延迟导致的端到端数据传输性能,因此是研究网络实时性的重要参数。不同数据传输规格在80%负载情况下的抖动情况如
不同传输规格下抖动对比
Jitter comparison under different data volumes
从实验数据可以看出,在高负载情况下,10 Kb上行、1 Kb上行和1 Kb下行具有较低的抖动,但10 Kb下行抖动数据较大,这是因为10 Kb下行的数据在高负载情况下数据传输请求明显集中,导致排队延迟较大,这也是进一步优化网络的方向。
为进一步测试网络的传输能力和传输质量,在80%负载情况下通过加载额外的测试流量,测试丢包率和误码率。丢包率为网络传输过程中丢失数据包数量占所有发送数据包的比率,是反映网络吞吐性能的重要指标。误码率为传输过程中的误码占所有传输总码数的比率,是衡量网络数据传输精确性的指标。实验过程通过在被测通信链路两端加载双向流量进行压力测试,取10次测量的平均值,测试结果如
误码率和丢包率分析
Analysis of bit error rate and packet loss rate
从实验数据可以看出,1 Kb小数据包和10 Kb大数据包在上行和下行通信过程中的丢包率和误码率都没有超过0.9%,具有较好的通信质量,能满足电力5G业务需求。
文中从用采业务的角度进行分析和验证,重点研究注册认证、数据源评估、数据召测等业务的时延、成功率等性能指标。
业务时延
Service delay
从实验数据可以看出,数据召测响应时延最大,在40并发量之前时延低于100 ms,当并发量超过40时业务响应时间增加量较大,最大时延接近250 ms。相比于数据召测响应,其他3类业务时延较低,均值在100 ms以下。其中,系统控制操作响应时延大于数据源评估时延,用户认证时延最低。这是因为文中方案对用户认证和数据源评估采用了更好的切片优化方案,加之数据传输量相对较小,所以能保证响应更快速。
系统资源消耗
System resource consumption
为进一步验证方案的有效性,文中选取了文献[
已有方案时延对比曲线
Delay comparison curves of existing schemes
基于区块链的应用系统中对数据的认证评估是产生时延的主要因素。为验证所提基于门限签名算法和可验证随机函数的分布式Oracle数据源认证的优势,通过实验对比同等条件下不同方案在认证阶段和评估阶段的时延组成情况,结果如
已有方案认证评估时延组成对比
Comparison of delay composition for authentication evaluation of existing schemes
由
文中方案中基于门限签名算法实现了分布式Oracle网络对数据源的认证过程。对于门限方案,参与评估的peer节点数量和门限值的数量会对签名性能产生一定影响。为研究此规律,文中设计了不同节点数量
不同门限值对认证时间的影响
Influence of different threshold values on authentication time
不同门限值的一次认证成功率
Primary authentication success rates with different threshold values
从数据可以得出,随着参与评估的peer节点数量增加,认证时延有所增加,认证成功率呈降低趋势,这是因为分布式Oracle网络规模的增加导致共享密钥分发量增加,认证交互次数和随机数验证次数也相应增加。在相同的peer节点数量下,随着门限值增加,认证时延也会增加,认证成功率同样会降低,这是因为增加门限值相当于增加了安全等级,插值多项式的次数也相应增加,被认证的数据源需要有更多的Oracle节点对其背书,因此系统总体性能下降。尽管如此,系统总的时延仍然保持在50 ms以下,一次认证成功率保持在90%以上,这是因为5G通信的高效能和文中所提方案的有效性保证了系统总体运行性能。
区块链系统数据上链性能是制约电力区块链应用推广的重要因素,存在的主要问题包括两方面,一是区块链的共识机制涉及大量的P2P信息交互,传统网络通信手段难以满足这种高并发和低时延的要求;二是智能合约对链下数据源的认证能力弱,须引入Oracle机制进行数据源可信性验证,随着电力区块链应用规模增加,验证的有效性和可靠性须进一步提高。文中基于上述两方面问题,研究了基于5G切片的分布式Oracle网络可信数据上链的架构、认证算法和流程,并对5G切片部署方式进行了优化。实验表明,所提方案在通信性能、业务性能、资源利用等方面具有优势。进一步研究将侧重于基于安全多方计算和隐私计算的跨域异构数据源相互认证方案及其应用试点。
本文得到国网江苏省电力有限公司科技项目“5G确定性网络技术与电力业务适配性研究与应用”(J2021125)资助,谨此致谢!
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