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    基于DHT和區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制終端分布式認(rèn)證

    2022-04-26 09:17:58賴業(yè)寧封科于同偉王旺唐冠軍
    中國電力 2022年4期
    關(guān)鍵詞:哈希控系統(tǒng)分布式

    賴業(yè)寧,封科,于同偉,王旺,唐冠軍

    (1. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司,江蘇 南京 210003;2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院,遼寧 沈陽 110000)

    0 引言

    安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(下簡稱安控系統(tǒng))是保障電網(wǎng)安全的第二道防線的重要部分,當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)緊急狀態(tài)時,安控系統(tǒng)將通過執(zhí)行切機(jī)、切負(fù)荷、直流功率調(diào)整等緊急控制措施使電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)[1]。隨著電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制業(yè)務(wù)重要性的提升,安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)終端(下簡稱安控終端)數(shù)目和系統(tǒng)復(fù)雜度不斷增加,終端間的信息交互頻率將顯著提升,給安控系統(tǒng)帶來了極大的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。一旦安控命令或量測數(shù)據(jù)被篡改而導(dǎo)致安控系統(tǒng)決策錯誤,不但會使安控系統(tǒng)喪失電網(wǎng)第二道防線的能力,還會給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成更大危害。身份認(rèn)證是防止終端接收和處理惡意通信報文的安全措施之一,也是其他安全措施的基礎(chǔ)。然而,由于安控終端計算資源和存儲資源十分有限,且控制實(shí)時性要求極高,傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方案難以直接應(yīng)用于安控系統(tǒng)[2],致使安控系統(tǒng)目前的通信缺乏認(rèn)證機(jī)制[3]。

    一些學(xué)者曾提出了基于公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(public key infrastructure, PKI)的認(rèn)證方案。如文獻(xiàn) [4]提出了基于公鑰技術(shù)的電力數(shù)字證書服務(wù)系統(tǒng)以解決電力應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)身份認(rèn)證和安全傳輸?shù)葐栴};文獻(xiàn)[5]使用基于橢圓曲線加密理論的方案,給出了電網(wǎng)數(shù)據(jù)交互中加密通信和通信認(rèn)證的解決方案;文獻(xiàn)[6-7]提出了面向用電信息采集系統(tǒng)的輕量級認(rèn)證方案。然而,基于PKI的認(rèn)證存在密鑰管理較復(fù)雜、認(rèn)證時延較長等問題,難以用于電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制認(rèn)證。

    針對電力資源受限應(yīng)用系統(tǒng),一些學(xué)者提出了其他認(rèn)證方案。文獻(xiàn)[8]提出了基于區(qū)塊鏈的智能電表認(rèn)證方案,將電網(wǎng)內(nèi)的智能電表信息進(jìn)行處理并存儲在區(qū)塊鏈中,實(shí)現(xiàn)智能電表身份有效認(rèn)證的同時保障了數(shù)據(jù)可信性;文獻(xiàn)[9]提出了基于S/Key一次性密碼方案的認(rèn)證方案,實(shí)現(xiàn)了電力終端與智能電網(wǎng)服務(wù)器之間的相互身份驗(yàn)證;文獻(xiàn)[10]利用物理不可克隆原理,提出了基于身份的智能電網(wǎng)環(huán)境中的電源線監(jiān)控傳感器認(rèn)證協(xié)議;文獻(xiàn)[11]實(shí)現(xiàn)了一種匿名的安全密鑰分發(fā)方案,使電網(wǎng)終端能利用該安全密鑰實(shí)現(xiàn)快速身份認(rèn)證,且抗攻擊能力優(yōu)秀。這些方案在安全性或效率上具有優(yōu)勢,但仍難以適應(yīng)存儲資源較低、實(shí)時性要求高的安控系統(tǒng)。

    針對上述問題,本團(tuán)隊在考慮安控終端計算和存儲資源有限、實(shí)時性要求高等限制后,將哈希鏈與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合,提出了一種符合電網(wǎng)安控終端特性的分布式身份認(rèn)證方案[12]?;趨^(qū)塊鏈技術(shù)部署的身份認(rèn)證哈希鏈能夠保障終端間業(yè)務(wù)通信安全,基本滿足安控系統(tǒng)通信認(rèn)證的實(shí)時性需求和信任管理需求。然而,傳統(tǒng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的每一個節(jié)點(diǎn)都需要完整地備份整條鏈的數(shù)據(jù),且每經(jīng)過一次認(rèn)證,鏈高度都會增加,每個節(jié)點(diǎn)均需存儲新區(qū)塊[13]。安控終端生命周期較長,隨著時間推移,不斷膨脹的歷史認(rèn)證數(shù)據(jù)將會占用有限的終端存儲資源,造成不必要的浪費(fèi)。在文獻(xiàn)[12]的方案中,這一問題沒有得到很好的解決。

    分布式哈希表(distributed Hash table, DHT)技術(shù)是一種基于哈希算法實(shí)現(xiàn)分布式存儲的技術(shù),能夠在較大數(shù)據(jù)總量的情況下完成快速且穩(wěn)定的查找[14]。DHT技術(shù)當(dāng)前在一些場景中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[15-16],且有學(xué)者提出了將其用于分布式存儲和信任管理的一些方案[17],但尚未針對安控系統(tǒng)的具體實(shí)施方法。本文利用基于DHT的可拓展分布式存儲方案來解決文獻(xiàn)[12]方案中區(qū)塊存儲伸縮性受限的問題,提出了基于區(qū)塊鏈和DHT技術(shù)的電網(wǎng)安控終端分布式認(rèn)證方案,使經(jīng)過共識的認(rèn)證數(shù)據(jù)分布存儲在特定終端中而非完整地備份在每一個終端上,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效地按需查詢,進(jìn)而在不影響認(rèn)證實(shí)時性的同時保障認(rèn)證安全性并提高存儲效率。

    1 哈希鏈認(rèn)證技術(shù)與基于DHT的區(qū)塊鏈存儲優(yōu)化方法

    1.1 基于哈希鏈的身份認(rèn)證技術(shù)及其不足

    文獻(xiàn)[12]使用了基于哈希鏈的身份認(rèn)證方案,是一種利用哈希算法的單向性設(shè)計的一次性密碼方案。哈希算法的單向性指給定輸入可快速計算輸出,但是從輸出計算回輸入極其困難。

    (1)基于哈希鏈的身份認(rèn)證關(guān)鍵過程。

    (2)基于哈希鏈的身份認(rèn)證技術(shù)的不足。

    文獻(xiàn)[12]方案能夠保障安控終端間業(yè)務(wù)通信安全,基本滿足安控系統(tǒng)通信認(rèn)證的實(shí)時性和信任管理需求。然而,該方案存在以下不足。

    ①存儲拓展性差。認(rèn)證成功后,終端會更新自身的最新哈希值。終端將自身標(biāo)識和上傳到認(rèn)證區(qū)塊鏈,新身份信息在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制。在安控終端生命周期中,區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)量將會不斷膨脹。盡管單次認(rèn)證使用的數(shù)據(jù)規(guī)模較小,但從整個安控系統(tǒng)范圍和較長的周期來看,造成的存儲浪費(fèi)仍難以接受。

    ②共識算法不適用。在電網(wǎng)安控終端認(rèn)證系統(tǒng)中使用諸如工作量證明(proof of work,PoW)和權(quán)益證明(proof of stake,PoS)等共識算法是較困難的。一方面,PoW的共識效率低、計算開銷大,在安控系統(tǒng)中難以被接受;另一方面,二者均需經(jīng)過復(fù)雜的“發(fā)幣”流程,這在能源交易以外的場景下是無意義的。因此,認(rèn)證系統(tǒng)需要使用開銷更低、更易于部署的共識算法。

    1.2 基于DHT的可拓展區(qū)塊鏈存儲

    1.2.1 DHT技術(shù)概述

    DHT技術(shù)是一種數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù),其核心是網(wǎng)絡(luò)中的每個存儲節(jié)點(diǎn)生成固定結(jié)構(gòu)的身份標(biāo)識(identification, ID),系統(tǒng)中的每條數(shù)據(jù)都被映射到與節(jié)點(diǎn)ID的取值空間一致的空間中。進(jìn)一步地,每個節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)存儲那些被映射到其ID對應(yīng)的區(qū)域中的數(shù)據(jù)。DHT的一種典型實(shí)現(xiàn)是一致性哈希環(huán)[18],如圖1所示例子,當(dāng)哈希算法的輸出位數(shù)為q時,數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)ID被映射到固定大小為2q?1的哈希環(huán)中,3個節(jié)點(diǎn)的哈希環(huán)共分成3部分:(A,B)、 (B,C)、 (C,A),其中節(jié)點(diǎn) A 存儲被映射到(C,A)部分的數(shù)據(jù),節(jié)點(diǎn)B、C分別存儲(A,B)、 (B,C)部分的數(shù)據(jù)。在本文中,(C,A)部分被稱為節(jié)點(diǎn)A的“存儲域”,相應(yīng)的,節(jié)點(diǎn)B、C的存儲域?yàn)?A,B) 、(B,C)部分。

    圖1 哈希環(huán)示例Fig. 1 An example of the Hash ring

    在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時,查詢者發(fā)起請求后,當(dāng)前節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)重新映射到該取值空間,即可判別該數(shù)據(jù)是否存在于本地。若數(shù)據(jù)未在本地存儲,節(jié)點(diǎn)能判斷出索引該數(shù)據(jù)存儲節(jié)點(diǎn)的下一跳地址,并轉(zhuǎn)發(fā)該查詢請求直至找到存儲數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)。

    除了上述哈希環(huán)結(jié)構(gòu),DHT還有其他的實(shí)現(xiàn)方案。本文將使用跳圖(skip graph)結(jié)構(gòu)[19]實(shí)現(xiàn)的DHT完成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的分布式存儲。

    1.2.2 基于 skip graph 結(jié)構(gòu)的分布式存儲

    skip graph 結(jié)構(gòu)是在跳表(skip list)基礎(chǔ)上延續(xù)和發(fā)展出的適用于分布式環(huán)境的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[19]。

    skip list是一種使用概率均衡技術(shù)的特殊鏈表結(jié)構(gòu),其查找效率與二叉樹相近,均為[20]。skip list以層級式結(jié)構(gòu)排列,每層中的節(jié)點(diǎn)升序排列前后鏈接。底層(0層)包含全部節(jié)點(diǎn),在第i層的每個節(jié)點(diǎn)以概率存在于第層中。在使用skip list查找時,較高層的鏈提供了快速查找的通道,即在查找特定數(shù)據(jù)鍵時首先從最高層向右查找,當(dāng)找到最后一個小于待查找鍵值的節(jié)點(diǎn)時下降一層,重復(fù)直至找到對應(yīng)節(jié)點(diǎn)(到達(dá)0層仍未找到時則查找失?。?/p>

    skip graph結(jié)構(gòu)可以看作是共享底層的一系列skip list構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)所屬的 skip list由節(jié)點(diǎn)的成員向量控制,成員向量的前i位相同的節(jié)點(diǎn)在第 i層處于同一skip list中,如圖2所示。

    圖2 Skip graph結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of skip graphs

    文獻(xiàn)[19]證明了skip graph的數(shù)據(jù)查詢過程時間復(fù)雜度與skip list基本一致,均為,且skip graph結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的查詢、插入和節(jié)點(diǎn)刪除過程均與 skip list類似[21]。

    將skip graph結(jié)構(gòu)DHT應(yīng)用在基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制終端分布式認(rèn)證方案中,完成區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的分布式存儲,思路為:將經(jīng)過共識的區(qū)塊數(shù)據(jù)經(jīng)過哈希運(yùn)算映射到與身份標(biāo)識一致的取值空間后,第0層距離該數(shù)據(jù)最近的兩個節(jié)點(diǎn)將存儲該數(shù)據(jù),同時在前層中(作為可變的系統(tǒng)冗余參數(shù)),各skip list在每一層距離該位置最近的兩個鄰居節(jié)點(diǎn)將冗余地備份該數(shù)據(jù)。這使得特定的區(qū)塊數(shù)據(jù)能夠僅在特定節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行復(fù)制而非存儲在所有節(jié)點(diǎn)上,提高了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的存儲效率。

    1.3 基于DHT和區(qū)塊鏈的安控終端分布式認(rèn)證可行性及優(yōu)勢

    當(dāng)前安控系統(tǒng)多采用“主站-子站-執(zhí)行站”的3層架構(gòu)完成業(yè)務(wù)通信。其中,執(zhí)行站向子站、子站向主站依次上送本站狀態(tài)和可切負(fù)荷等運(yùn)行信息,主站向子站、子站向執(zhí)行站依次下發(fā)切負(fù)荷輪次命令等控制信息。同時,子站之間以及主站之間將互通投停信息和跳閘信息等[22]。以上用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制的主站、子站和執(zhí)行站設(shè)備均被稱為安控終端,此外,安控系統(tǒng)還包括負(fù)責(zé)監(jiān)視并記錄各終端運(yùn)行信息、重要事件動作的穩(wěn)定控制集中管理系統(tǒng)(stability control management system, SCMS)。SCMS通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與各安全穩(wěn)定控制站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行通信。

    終端間通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)和SCMS的中轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信,具有部署區(qū)塊鏈系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。在終端注冊階段,安控系統(tǒng)運(yùn)維人員在終端完成哈希鏈生成、發(fā)布操作的同時分配終端標(biāo)識和成員向量;終端入網(wǎng)時,執(zhí)行查詢找到其在由安控終端構(gòu)成的skip graph中所處的位置,隨后調(diào)用插入算法。

    認(rèn)證階段的主要流程和2.1節(jié)所述過程類似,不同之處在于收到對方終端認(rèn)證材料的終端將執(zhí)行skip graph查詢算法,找到存儲該部分區(qū)塊數(shù)據(jù)的終端并獲取相應(yīng)數(shù)據(jù),完成后續(xù)認(rèn)證流程。

    基于skip graph結(jié)構(gòu)的DHT優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)分布式存儲和相對高效的數(shù)據(jù)查詢,相對于其他分布式存儲方案,新節(jié)點(diǎn)的加入對存儲布局的影響較小[23]。這一特性與基于區(qū)塊鏈的安控終端身份認(rèn)證方案的存儲優(yōu)化需求吻合,這使得基于skip graph結(jié)構(gòu)的安控終端分布式存儲方案能在時間復(fù)雜度較低、不影響終端間認(rèn)證實(shí)時性的前提下,實(shí)現(xiàn)安全性和存儲效率平衡的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲。

    2 基于DHT和區(qū)塊鏈的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制終端分布式認(rèn)證方案

    2.1 方案概述

    本文方案在將區(qū)塊鏈與哈希鏈技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)安控終端認(rèn)證的同時,使用基于DHT的分布式存儲提高該區(qū)塊鏈系統(tǒng)的存儲拓展性。方案的總體思路為:在基于實(shí)用拜占庭容錯算法(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)的聯(lián)盟區(qū)塊鏈系統(tǒng)中,根據(jù)skip graph結(jié)構(gòu)對終端進(jìn)行標(biāo)識和分組,使在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中經(jīng)過共識的身份認(rèn)證材料數(shù)據(jù)僅在特定終端上進(jìn)行復(fù)制而非存儲在所有終端上;進(jìn)行認(rèn)證時,收到認(rèn)證請求的終端將根據(jù)skip graph查詢算法執(zhí)行查詢,獲取區(qū)塊鏈上的身份哈希信息并根據(jù)哈希鏈認(rèn)證方法完成身份認(rèn)證。

    方案整體架構(gòu)如圖3所示,在以安控終端業(yè)務(wù)架構(gòu)為基礎(chǔ)的點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)上,基于skip graph結(jié)構(gòu)DHT劃分各終端的存儲域,形成分布式存儲結(jié)構(gòu)。根據(jù)冗余參數(shù)的不同,該存儲結(jié)構(gòu)也相應(yīng)變化。區(qū)塊鏈賬本中各區(qū)塊將根據(jù)其哈希值被映射到終端網(wǎng)絡(luò)中的對應(yīng)終端上進(jìn)行存儲。下文將從終端注冊、終端入網(wǎng)和終端認(rèn)證3部分闡述方案細(xì)節(jié)。

    圖3 系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 System architecture

    2.2 終端注冊

    終端的注冊階段一般在其入網(wǎng)前離線完成,過程分為終端標(biāo)識生成和身份哈希鏈生成2個步驟。由于此時終端尚未加入認(rèn)證系統(tǒng),注冊階段信息生成操作的合規(guī)性由安控系統(tǒng)運(yùn)維人員保障。

    (1)終端標(biāo)識生成。

    文獻(xiàn)[12]提出了終端的唯一身份ID結(jié)構(gòu),包含網(wǎng)絡(luò)通信地址(IP地址和端口號)、隨機(jī)驗(yàn)證碼和附加字段,終端間依據(jù)此ID進(jìn)行交互認(rèn)證和識別。電網(wǎng)內(nèi)終端隨機(jī)驗(yàn)證碼保障了該ID 在認(rèn)證系統(tǒng)中的唯一性,同時網(wǎng)絡(luò)通信地址字段使得終端能夠在獲取其他終端ID后與其進(jìn)行認(rèn)證和通信。

    為便于實(shí)現(xiàn)基于skip graph結(jié)構(gòu)的分布式存儲,本文對文獻(xiàn)[12]中的終端ID進(jìn)行如下擴(kuò)充:加入包含成員向量在內(nèi)的存儲標(biāo)識字段。擴(kuò)充后的終端ID如表1所示。

    表1 終端IDTable 1 Terminal ID

    在電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制這一特定應(yīng)用背景下,終端ID的成員向量字段可由運(yùn)維人員進(jìn)行設(shè)置而非完全依賴隨機(jī)生成,這更有利于數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)管。

    (2)身份哈希鏈生成。

    2.3 終端入網(wǎng)

    當(dāng)終端注冊完成后,身份標(biāo)識和身份哈希鏈被公布,該終端將以此為基礎(chǔ)進(jìn)行入網(wǎng)申請。終端入網(wǎng)過程實(shí)質(zhì)是在skip graph網(wǎng)絡(luò)中插入新節(jié)點(diǎn)的過程。入網(wǎng)主要流程如圖4所示。

    圖4 終端入網(wǎng)流程Fig. 4 Terminal network access flow

    終端入網(wǎng)過程需要進(jìn)行一次skip graph查詢操作,尋找終端在skip graph底層的位置。此次查詢操作從一個初始引入節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行,該節(jié)點(diǎn)由安控運(yùn)維人員指定。

    終端找到其在skip graph底層的位置后,與其在底層中的鄰居終端執(zhí)行首次連接操作,即互相記錄對方網(wǎng)絡(luò)地址并交換區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。隨后終端將從底層開始,向上逐層尋找鄰居節(jié)點(diǎn)并建立連接,直至頂層,并在層數(shù)不大于冗余參數(shù)時與其鄰居節(jié)點(diǎn)交換區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。

    為提高后續(xù)認(rèn)證過程的查詢速度,在終端交換區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的同時,它們會維護(hù)一個區(qū)塊鏈視圖[24]。該區(qū)塊鏈視圖是一個不斷更新的元組表,其中以身份標(biāo)識為索引,存儲了各終端的最新數(shù)據(jù)所在區(qū)塊的區(qū)塊頭哈希、當(dāng)前哈希鏈高度和最新身份哈希。

    2.4 終端認(rèn)證

    當(dāng)終端A向終端B發(fā)起認(rèn)證請求以獲取終端B的信任時,認(rèn)證流程如圖5所示。

    圖5 終端認(rèn)證流程Fig. 5 Terminal authentication flow

    (1)認(rèn)證請求發(fā)送。

    (2)認(rèn)證數(shù)據(jù)查詢。

    終端B需要在基于skip graph結(jié)構(gòu)存儲的認(rèn)證區(qū)塊鏈上查詢終端A的最新身份哈希。詳細(xì)認(rèn)證數(shù)據(jù)查詢算法如下。

    上列操作中,終端均指終端的存儲標(biāo)識,而非終端ID。

    (3)認(rèn)證結(jié)果判斷。

    (4)認(rèn)證結(jié)果回復(fù)。

    (5)身份數(shù)據(jù)更新。

    在收到認(rèn)證成功的消息后,終端A在認(rèn)證區(qū)塊鏈上更新認(rèn)證信息和自身的身份。這一過程實(shí)質(zhì)是向當(dāng)前主節(jié)點(diǎn)發(fā)起新數(shù)據(jù)上鏈申請。當(dāng)此次認(rèn)證過程中區(qū)塊鏈最新數(shù)據(jù)為時,終端A取新的種子,再次執(zhí)行哈希鏈生成操作,得到新哈希鏈,以為憑據(jù)將新哈希鏈的最后一項(xiàng)發(fā)布,并將中的各項(xiàng)作為后續(xù)認(rèn)證的憑據(jù)。主節(jié)點(diǎn)將在網(wǎng)絡(luò)中收集一定時間段內(nèi)的認(rèn)證數(shù)據(jù)并將其打包成區(qū)塊,基于PBFT共識算法進(jìn)行全網(wǎng)共識。終端A在認(rèn)證區(qū)塊鏈上的最新身份哈希將在共識成功后被更新。

    3 安全性與效率分析

    3.1 安全性

    本文方案使用了區(qū)塊鏈技術(shù)和基于skip graph結(jié)構(gòu)DHT的分布式存儲,具有以下安全特性。

    (1)認(rèn)證信息可追溯性。認(rèn)證完成后,認(rèn)證發(fā)起方會將本次認(rèn)證時間、認(rèn)證雙方標(biāo)識等信息上傳到認(rèn)證區(qū)塊鏈,確保了認(rèn)證信息的可追溯性。該特性提高了電網(wǎng)安控終端認(rèn)證系統(tǒng)的可監(jiān)管性,降低了安控系統(tǒng)審計取證的復(fù)雜度。

    (2)終端身份不可偽造性。方案使用身份哈希鏈進(jìn)行基于一次性密碼的認(rèn)證。各安控終端將根據(jù)隨機(jī)種子生成的身份哈希鏈與包含設(shè)備信息在內(nèi)的終端ID相互綁定,有效地防止了惡意設(shè)備使用偽造身份與合法安控終端通信。此外,根據(jù)哈希算法的單向性,即使攻擊者通過竊聽等手段獲取了某次認(rèn)證中所使用的哈希秘密信息仍無法推斷出及哈希次數(shù)更低的哈希鏈數(shù)據(jù),保障了通信認(rèn)證的安全性。

    (3)兼具容錯性與存儲拓展性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過冗余備份確保信息不會因單點(diǎn)故障而丟失或被惡意篡改,但冗余性導(dǎo)致系統(tǒng)的存儲拓展性較低。本方案使用了DHT技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分布式存儲,降低了數(shù)據(jù)的冗余度,但對于映射到每個位置上的數(shù)據(jù),系統(tǒng)仍在skip graph結(jié)構(gòu)的前層進(jìn)行冗余備份,因此,單點(diǎn)故障不會破壞整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)完整性。綜上所述,本方案能夠在不影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)容錯性的前提下提高其存儲拓展性。

    (4)抗攻擊性。盡管安控系統(tǒng)在電網(wǎng)內(nèi)的保護(hù)級別較高,但仍可能出現(xiàn)部分終端被劫持或受到DoS攻擊等情況。本方案使用PBFT共識機(jī)制,具有33%拜占庭容錯性能[25],即只有當(dāng)攻擊者劫持了認(rèn)證系統(tǒng)內(nèi)1/3終端時,共識結(jié)果才會被惡意更改,這在電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制環(huán)境下是難以實(shí)現(xiàn)的。另一種攻擊場景是攻擊者通過被劫持的設(shè)備注入大量虛假數(shù)據(jù),影響認(rèn)證數(shù)據(jù)的正常存儲,但分布式存儲方法能很好地緩解該問題,使得認(rèn)證系統(tǒng)不會在短時間內(nèi)宕機(jī),為反制攻擊提供了條件。

    3.2 時空效率分析

    3.2.1 時間復(fù)雜度

    設(shè)認(rèn)證系統(tǒng)內(nèi)安控終端數(shù)為n。終端認(rèn)證過程首先調(diào)用skip graph數(shù)據(jù)搜索算法。在該算法中,從任意節(jié)點(diǎn)開始的搜索將沿著該終端所在的skip list搜索路徑進(jìn)行,直至找到目標(biāo)或到達(dá)0層,即在skip graph中進(jìn)行搜索的時間復(fù)雜度與skip list一致。根據(jù)文獻(xiàn)[20]的分析,在底層節(jié)點(diǎn)數(shù)為n的skip list中,平均每層被搜索的節(jié)點(diǎn)數(shù)為個,總時間復(fù)雜度和消息復(fù)雜度均為O(ln n/((r?1)ln r)),因此,在認(rèn)證系統(tǒng)中固定時,搜索算法的時間復(fù)雜度為。

    終端入網(wǎng)階段執(zhí)行skip graph的節(jié)點(diǎn)插入算法。在該算法中,終端首先執(zhí)行一次查詢,之后在每一層對平均個終端進(jìn)行訪問,在各層的查詢時間復(fù)雜度均為。系統(tǒng)共有層,因此前后時間復(fù)雜度均為。入網(wǎng)過程中終端尚未開始實(shí)際業(yè)務(wù)通信,時延要求不高,因此本方案入網(wǎng)時延能夠滿足安控系統(tǒng)實(shí)際需求。

    3.2.2 空間復(fù)雜度

    4 實(shí)驗(yàn)分析

    由于安控系統(tǒng)對設(shè)備算力和存儲資源的特殊需求,基于本文方案實(shí)現(xiàn)的認(rèn)證原型系統(tǒng)使用go語言自行編寫,實(shí)現(xiàn)了輕量化和功能的定制化。部署該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置使用了與電網(wǎng)安控終端通信模塊性能相近的嵌入式系統(tǒng)終端(運(yùn)行Ubuntu 18.04的嵌入式Linux系統(tǒng))。

    4.1 認(rèn)證時延

    利用實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng),進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)并統(tǒng)計了系統(tǒng)內(nèi)不同終端數(shù)時系統(tǒng)的平均單次認(rèn)證時延,如圖6所示。

    圖6 認(rèn)證時延與終端數(shù)量的關(guān)系Fig. 6 Relationship between authentication latency and number of terminals

    由圖6可以看出,隨著終端數(shù)量的增加,單次認(rèn)證時延呈現(xiàn)增長趨勢。增加的時延主要來自skip graph結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)搜索過程,實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合

    3.2 節(jié)中的分析與預(yù)期。

    根據(jù)調(diào)研,目前安控系統(tǒng)中需要進(jìn)行相互認(rèn)證的終端數(shù)不超過100臺。在實(shí)驗(yàn)中,終端數(shù)為30時,系統(tǒng)內(nèi)的單次認(rèn)證時延低于370 ms,同時根據(jù)方案的時間復(fù)雜度可知,在終端數(shù)達(dá)到最大的100臺時,時延不會超過570 ms,符合安控系統(tǒng)內(nèi)終端認(rèn)證需求。

    4.2 平均存儲開銷

    在固定終端數(shù)為10的情況下,實(shí)驗(yàn)分別測試了本文方案在不同值下,即不同系統(tǒng)冗余參數(shù)下的終端平均存儲開銷隨認(rèn)證總次數(shù)的變化,并與文獻(xiàn)[12]方案進(jìn)行了對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

    圖7 平均存儲開銷對比Fig. 7 Comparison on average storage overhead

    5 結(jié)語

    現(xiàn)有認(rèn)證方法難以兼顧安全性、實(shí)時性和存儲效率,因此,本文提出了基于DHT和區(qū)塊鏈的安控終端分布式認(rèn)證方案,從終端注冊、終端入網(wǎng)和終端認(rèn)證3部分給出了認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計和關(guān)鍵算法。本文方案使用基于skip graph結(jié)構(gòu)的DHT實(shí)現(xiàn)分布式存儲,在不影響認(rèn)證安全性的同時,為安控終端分布式認(rèn)證提供了高效的數(shù)據(jù)查詢能力和較強(qiáng)的存儲拓展性。理論分析說明,本文方案在具有安全性的同時,有較低的時間和空間復(fù)雜度;實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,基于本文方案實(shí)現(xiàn)的認(rèn)證系統(tǒng)的平均認(rèn)證時延和平均存儲開銷均能滿足安控系統(tǒng)的要求。

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