CN114036578A - 一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，包括以下步骤：以第一周期读取计量读数；构建数据准备层，以第一周期从缓存区取出计量读数，建立存盘数据；建立存储代理层，周期性将预设数量的随机码提供给数据准备层；存储代理层接收存盘数据，将存盘数据存入指定存储地址对应的存储块编址上；构建存证固定层，以第二周期将存储区新存入的存盘数据纳入待固定集合，将时间集和哈希集一起提取哈希值，作为固定哈希值，将固定哈希值上传区块链存储；以第三周期将最新存盘数据中计量读数，上传电力计量计费中心。本发明的有益效果是：通过将计量数据周期性上传区块链存储，提高计量数据的可信度。

Description

一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，具体涉及一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，各行各业对电的需求越来越大。对电力消费数据的准确采集和计量，涉及到供电企业和电力用户直接利益，是保障电力供应市场健康运行的重要环节。电力系统中对用户用电不仅有计量用量的需求，还对，还对用户的用电的功率因数进行计量。用户负载的功率因数低，会给电网的运行带来压力，抬高电网运行成本。因而用电较大的用户，如工厂，通常被要求在厂区内配备电容器，使整体功率因数不低于预设值，否则将需要支付较高的违约金。随着电子技术和通信技术的发展，电力系统大量采用智能电表进行用电量的采集和计量。智能电表具有更丰富的功能、更低的功耗和更高的准确度，但同时也带来了风险。电能表设置在用户处，若电能表的控制器被挟持或电能表的通信被挟持，会带来计量数据被篡改的问题，给供电企业带来损失。用电数据的准确计量是保障电力市场交易公平性的基础，电能表数据的安全准确则是计量准确的保障。电能表的性能和安全，一直以来是电力企业所研究的重要方向。

区块链技术是一种分布式共享账本技术，具有不可伪造、全程留痕、可以追溯、公开透明、集体维护等特征，能够从技术上天然的提供坚实的信任基础。区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的结合应用。它本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次比特币网络交易的信息，用于验证其信息的有效性和生成下一个区块。将智能电能表与区块链技术相结合能够大幅提升电能表数据的真实可信度，为电力市场各参与方结算提供毋庸置疑的可信数据。但将区块链技术直接应用到电力计量数据的存证上，还存在以下两个问题：一是区块链能够验证上传到区块链的数据的真实性，并避免被篡改，但不能保证数据在上传区块链之前未被篡改过。二是将数据上传区块链是需要消耗资金的，提高上传区块链的频率能够提高数据篡改难度，从而提高数据的可信度，但同时也会带来较高的资金成本。

中国专利CN111626718A，公开日为2020年9月4日，公开了一种具有区块链功能支持的智能电能表，包括基于嵌入式系统的区块链支持模块，区块链支持模块完成的功能包括：记账节点的产生、信息的产生、区块信息的记录、区块信息的验证、争议处理机制、记账节点的更换。一个台区下的智能电能表组成一个系统，使用区块链技术完成用电信息的管理。其技术方案在嵌入式系统的支持下实现区块链的应用，但其所建立的区块链为私有区块链，可信度不高。因而其技术方案无法解决上述的两个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前缺乏适合电能表计量数据借助区块链存证的技术方案的问题。提出了一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，能够提高计量数据篡改难度，进而提升计量数据可信度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，包括以下步骤：以第一周期读取计量读数，将计量读数写入指定缓存区；构建数据准备层，所述数据准备层以第一周期从缓存区取出计量读数，建立存盘数据，所述存盘数据包括计量读数、时间戳、电能表编号和指定存储地址，所述计量读数经过补零使长度达到预设值；建立存储代理层，所述存储代理层在存储介质上开辟若干个存储区，所述存储区采用顺序存储结构，在存储区上生成与所述存盘数据大小匹配的存储块，为存储块编址，所述存储代理层建立关联表，所述关联表记录存储块编址及关联的随机码，周期性将预设数量的随机码提供给数据准备层，作为指定存储地址使用；所述存储代理层接收存盘数据，按照其中的指定存储地址查询关联表，若关联表中存在所述指定存储地址，则将存盘数据存入所述指定存储地址对应的存储块编址上，并从关联表中删除该随机码，若关联表中不存在所述指定存储地址，则丢弃存盘数据；构建存证固定层，所述存证固定层以第二周期将存储区新存入的存盘数据纳入待固定集合，提取待固定集合中全部存盘数据的时间戳，作为时间集，提取待固定集合中每个结构的哈希值，作为哈希集，将时间集和哈希集一起提取哈希值，作为固定哈希值，将固定哈希值上传区块链存储，获得对应的区块高度和区块哈希值，将区块高度、区块哈希值、固定哈希值、时间集和哈希集关联作为存证数据包存储；以第三周期将最新存入的存盘数据中包含的计量读数和时间戳，上传到电力计量计费中心。

作为优选，所述存盘数据还包括穷举数和匹配数，所述穷举数、匹配数、计量读数和时间戳满足工作量证明条件，所述工作量证明条件为：提取计量读数和时间戳的哈希值，所述匹配数的末尾N位取值与所述哈希值相同，所述穷举数与匹配数一起提取的哈希值的前M位取值为0，所述匹配数来自匹配数集合，所述匹配数集合由电力计量计费中心生成并下发，并周期性更换。

作为优选，所述电能表以第四周期将存储的存盘数据和存证数据包上传到电力计量计费中心；所述电力计量计费中心验证存盘数据的完整性，根据存盘数据中的时间戳，查找时间戳所在的时间集，根据时间集找到存盘数据存证对应的存证数据包；获得存证数据包中的存证哈希值、区块哈希值和区块高度，访问区块链进行验证，若相应的区块不存在存证哈希值，则判定电能表异常，需要人工检验或更换；若相应的区块存在存证哈希值，则提取存盘数据的哈希值，在哈希集中寻找所述哈希值，若存在则验证通过，进行下一个电能表的验证，若不存在，则判定电能表异常，需要人工检验或更换。

作为优选，构建支持机，所述支持机与若干个电能表和电力计量计费中心通信连接，所述支持机接收匹配数集合，为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数，所述穷举数与匹配数一起提取的哈希值满足预设的工作量证明条件，将寻找到的穷举数和匹配数关联存储，电能表构建存盘数据时，提取计量读数和时间戳的哈希值，与支持机建立通信，索要与哈希值末尾N位数相同的匹配数和对应的穷举数，将得到的匹配数和穷举数存入存盘数据。

作为优选，为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数的方法包括：随机生成16的N次方个匹配数，匹配数的末尾N位取值均不相同，将全部匹配数关联时间戳发送给电力计量计费中心存储；为随机生成的每个匹配数寻找穷举数，使满足预设的工作量证明条件；当第一周期结束时，丢弃全部穷举数，重新执行本方法。

作为优选，所述电力计量计费中心验证存盘数据的穷举数和匹配数，提取计量读数和时间戳的哈希值验证是否与匹配数的末尾N位取值相同，验证穷举数和匹配数的哈希值是否满足预设的工作量证明条件，若均符合，则验证通过，若存在不符，则判定电能表异常，需要人工检验或更换。

作为优选，为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数的方法包括：随机生成16的N次方个匹配数，匹配数的末尾N位取值均不相同，提取每个匹配数的哈希值，将哈希值关联时间戳存储；为随机生成的每个匹配数寻找穷举数，使满足预设的工作量证明条件；当第一周期结束时，丢弃全部穷举数，重新执行本方法。

作为优选，电能表索要与匹配数和对应的穷举数的方法包括：电能表与所述支持机约定二元函数；所述支持机为每个匹配数关联一个标识数，将匹配数和标识数公开；电能表提取获得计量读数和时间戳的哈希值，找到与所述哈希值末尾N位相同的匹配数据所关联的标识数，记为目标标识数；选择除自己以外的电能表作为中继表，中继表建立存储中继层，存储中继层开辟有若干个中继存储区，为中继存储区的编址关联随机数，建立地址表，所述地址表存储中继存储区编址和对应的随机数，所述电能表向中继表申请一个随机数，所述标识数及随机数均为十六进制数，所述随机数存入和取出一次数据后，即从地址表中删除，所述中继表为中继存储区编址生成新的随机数；所述电能表生成转换数，使所述转换数和目标标识数代入所述二元函数得出的结果恰好为所述随机数；所述电能表将转换数和中继表标识发送给所述支持机；所述支持机将每个标识数均与收到的转换数代入二元函数，获得16的N次方个输出值，所述输出值作为指定地址；将匹配数和穷举数加密，加密秘钥由所述电能表和支持机事先约定，将加密后的匹配数和穷举数与对应的标识数所得出的指定地址关联作为中继体，发送给中继表；所述中继表将收到的中继体交由存储代理层存储，其中将仅有一个中继体包含的指定地址能够在中继表的关联表中被查询到，因而被存储；所述电能表等待预设时长后，向中继表索要指定存储地址内存储的数据，并使用事先约定的秘钥解密，获得匹配数和对应的穷举数。

作为替代方案，电能表索要与匹配数和对应的穷举数的方法包括：电能表与所述支持机约定二元函数；所述支持机为每个匹配数关联一个标识数，将匹配数和标识数公开；电能表提取获得计量读数和时间戳的哈希值，找到与所述哈希值末尾N位相同的匹配数据所关联的标识数，记为目标标识数；选择除自己以外的电能表作为中继表，中继表建立存储中继层，存储中继层开辟有若干个中继存储区，为中继存储区的编址关联地址码，所述地址码为连续的整数，建立地址表，所述地址表存储中继存储区编址和对应的地址码，所述标识数及地址码均为十六进制数，所述地址码存入和取出一次数据后，即从地址表中删除，所述中继表为中继存储区编址生成新的地址码区间，中继表将地址码起始值发送给所述电能表；所述电能表将中继表标识发送给所述支持机，所述支持机与所述中继表通信，约定隐数；所述电能表从地址码区间中，随机选择一个地址码作为目标地址码，所述电能表生成转换数，使所述转换数和目标标识数代入所述二元函数得出的结果恰好为所述目标地址码，所述电能表将转换数发送给所述支持机；所述支持机将每个标识数均与收到的转换数代入二元函数，获得16的N次方个输出值，所述输出值作为指定地址；将匹配数和穷举数加密，加密秘钥由所述电能表和支持机事先约定，将加密后的匹配数和穷举数与对应的标识数所得出的指定地址关联作为中继体，发送给中继表；所述中继表将中继体中的指定地址除以2并规整后，与隐数相加，得出修正指定地址，所述中继表将收到的中继体交由存储代理层存储，所述存储代理层将中继体存储在修正指定地址中；所述电能表等待预设时长后，向中继表发送选择的目标地址码，所述中继表将目标地址码除以2并规整后，与隐数相加，得出更正的目标地址码，将更正的目标地址码对应的编址内存储的数据发送给所述电能表，所述电能表并使用与支持机约定的秘钥解密，获得匹配数和对应的穷举数。

作为优选，所述支持机记录请求穷举数的电能表的标识，验证当前第一周期内所述电能表是否为第一次请求穷举数，若是，则继续执行，若否，则停止执行。

作为优选，所述电力计量计费中心验证存盘数据的穷举数和匹配数，进行如下验证：提取计量读数和时间戳的哈希值验证是否与匹配数的末尾N位取值匹配；验证穷举数和匹配数的哈希值是否与预设的工作量证明条件匹配；验证匹配数和时间戳是否分别与支持机上传的匹配数和时间戳匹配；若均匹配，则验证通过，若存在不符，则判定电能表异常，需要人工检验或更换。

作为优选，所述存储代理层还开辟有若干个备份存储区，若干个所述备份存储区对应一个存储区，当存储区存满存盘数据后，将所存储的存盘数据随机分派给若干个备份存储区，使备份存储区存满，备份存储区关联所对应的存储区的标识。

作为优选，随机调整备份存储区内存储存盘数据的顺序，而后提取哈希值，作为备份哈希值，对应同一个存储区的备份存储区的备份哈希值的末尾若干位取值相同。若调整后顺序后无法找到使备份哈希值末尾若干位取值相同，则将全部备份存储区内的存盘数据拆分为等长的若干个部分，而后再次排序后，再提取备份哈希值。

本发明的实质性效果是：1)通过将计量数据周期性上传区块链存储，形成在区块链上存储的锚点，被上传到区块链的计量数据是不能被事后篡改的，两个锚点之间的计量数据受锚点中计量数据的限制，篡改空间十分有限，有效降低了恶意用户篡改计量数据的积极性，避免智能电能表被攻击；

2)在智能电能表内嵌入数据准备层和存储代理层，周期性直接将智能电能表内传感器的检测值存储，并采用改进的工作量证明，有效提高篡改数据后抹去痕迹的难度，保障数据安全；

3)采用支持机为多个智能电能表提供工作量证明的辅助，降低对智能电能表算力的消耗，同时，智能电能表的数量多，摊薄了支持机的算力成本，有效降低了建立工作量证明所消耗的平均算力，解决了工作量证明能耗高的问题。

附图说明

图1为实施例一智能电能表防篡改方法流程示意图。

图2为实施例一智能电能表防篡改存储结构示意图。

图3为实施例一存盘数据结构示意图。

图4为实施例一存盘数据验证方法流程示意图。

图5为实施例二支持机连接示意图。

图6为实施例二寻找穷举数方法流程示意图。

图7为实施例二电能表索要穷举数方法流程示意图。

图8为实施例三电能表索要穷举数方法流程示意图。

其中：10、缓冲区，20、数据准备层，21、存盘数据，30、存储代理层，40、存储介质，50、存证固定层，60、区块链，70、电力计量计费中心，80、支持机，90、电能表。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，请参阅附图1，本方法包括以下步骤：

步骤A01)以第一周期读取计量读数，将计量读数写入指定缓存区。

步骤A02)构建数据准备层20，数据准备层20以第一周期从缓存区取出计量读数，建立存盘数据21，存盘数据21包括计量读数、时间戳、电能表90编号和指定存储地址，计量读数经过补零使长度达到预设值。

优选的，本实施例步骤A01)中可采用以第五周期读取电能表90电压计读数，并存储在缓冲区10，直到达到第一周期，读取智能电能表90的耗电读数和功率因数。对于智能电能表90提供的三相每相电压不做保存。智能电能表90通常内部存储有修正系数，用于修正采样电阻差异带来的电流计量偏差。读取电压计读数时，同时读取并关联对应的修正系数，并存储在缓冲区10。在步骤A02)中相应的增加存盘数据21包含的内容。

步骤A03)建立存储代理层30，存储代理层30在存储介质40上开辟若干个存储区，存储区采用顺序存储结构，在存储区上生成与存盘数据21大小匹配的存储块。每个存储区内开辟的存储块数量固定，当一个存储区被存满前，开辟新的存储区，并相应的开辟存储块。

步骤A04)为存储块编址，存储代理层30建立关联表，关联表记录存储块编址及关联的随机码，周期性将预设数量的随机码提供给数据准备层20，作为指定存储地址使用。如表1所示，为本实施例某个智能电能表90某个时段建立的关联表。@56Z表示第56个存储区，5DCE是第56个存储区上第5DCE个存储块，其中随机码为8位十六进制数。每次由存储代理层30随机生成并发送给数据准备层20。数据准备层20以随机码为存储存盘数据21的条件。若数据准备层20不提供随机码，或者随机码不存在于关联表，则存储代理层30将不予存储存盘数据21，而是将其丢弃。如随机码66F05994对应的存储块编址为5DCE@56Z，当收到存盘数据中的随机码为66F05994时，查询关联表得到与66F05994关联的存储块编址为5DCE@56Z，将存盘数据存储在5DCE@56Z的存储块中。若存盘数据中的随机码为,69F00000，则无法在关联表中查询到，因而将发来的存盘数据直接丢弃。

表1本实施例建立的一个关联表

步骤A05)存储代理层30接收存盘数据21，按照其中的指定存储地址查询关联表。

步骤A06)若关联表中存在指定存储地址，则将存盘数据21存入指定存储地址对应的存储块编址上，并从关联表中删除该随机码，若关联表中不存在指定存储地址，则丢弃存盘数据21。一个随机码只会使用一次，存储代理层30查询到随机码存在于关联表，决定存储存盘数据21时，就将随机码及对应的存储块编址从关联表中删除。找到随机码关联的存储块地址，将收到的存盘数据21存储在编址对应的存储块上。

步骤A07)构建存证固定层50，存证固定层50以第二周期将存储区新存入的存盘数据21纳入待固定集合。

步骤A08)提取待固定集合中全部存盘数据21的时间戳，作为时间集，提取待固定集合中每个结构的哈希值，作为哈希集，本实施例使用SHA256哈希算法，将时间集和哈希集一起提取哈希值，作为固定哈希值，将固定哈希值上传区块链60存储，获得对应的区块高度和区块哈希值，将区块高度、区块哈希值、时间集和哈希集关联作为存证数据包存储。

步骤A09)以第三周期将最新存入的存盘数据21中包含的计量读数和时间戳，上传到电力计量计费中心70。智能电能表90内构建的结构请参阅附图2，缓冲区10依次经过数据准备层20和存储代理层30与存储介质40连接，存证固定层50与存储介质40和区块链60连接，存储介质40通过智能电能表90的通信模块与电力计量计费中心70连接。

若电力计量计费中心70对智能电能表90的计量读数存疑，则调取智能电能表90存储介质40内存储的存盘数据21和存证数据包，验证存盘数据21是否与存证数据包匹配，而后验证存盘数据21是否与计量结果匹配。若均匹配则表示智能电能表90的计量是准确的。

请参阅附图3，存盘数据21包括计量读数、时间戳、电能表90编号、指定存储地址、穷举数和匹配数，穷举数、匹配数、计量读数和时间戳满足工作量证明条件，工作量证明条件为：提取计量读数和时间戳的哈希值，匹配数的末尾N位取值与哈希值相同，穷举数与匹配数一起提取的哈希值的前M位取值为0，匹配数来自匹配数集合，匹配数集合由电力计量计费中心70生成并下发，并周期性更换。本实施例中N取值为3，提取计量读数和时间戳的哈希值为：D91EE2C9…F099DDF4CDE6BB411B7D38DC49，则匹配数的末尾3位也得取值C49。M的值根据智能电能表90的算力决定。只要存证哈希值上传到区块链60，就能够提供强有力的数据真实证明，完全没有篡改数据不留痕迹的可能。

而在上次存证哈希值上链后，本次存证哈希值上链前的这段时间，是进行数据篡改，并抹平痕迹的机会。通过频繁生成存证哈希值，并及时上传区块链60存储，能够将该机会的时间跨度缩短。但频繁将存证哈希值上传区块链60会消耗较高的资金。本实施例在上次存证哈希值上链后，本次存证哈希值上链前的这段时间内，建立工作量证明，提高了篡改数据后抹平篡改痕迹所需要的时间，只要在下次上传存证哈希值到区块链60前，能够从概率学上保证篡改者来不及生成新的工作量证明，即可保证在两次存证哈希值上传区块链60之间，没有篡改数据的机会。只要提高工作量证明的难度，就会提高概率学上建立满足预设工作量条件所需要的时间。从而可以延长两次将存证哈希值上传区块链60的时间跨度，减少上传存证哈希值上传区块链60的资金消耗。

请参阅附图4，步骤B01)智能电能表90以第四周期将存储的存盘数据21和存证数据包上传到电力计量计费中心70。

步骤B02)电力计量计费中心70验证存盘数据21的完整性，根据存盘数据21中的时间戳，查找时间戳所在的时间集，根据时间集找到存盘数据21存证对应的存证数据包。

步骤B03)获得存证数据包中的存证哈希值、区块哈希值和区块高度，访问区块链60进行验证，若相应的区块不存在存证哈希值，则判定电能表90异常，需要人工检验或更换。

步骤B04)若相应的区块存在存证哈希值，则提取存盘数据21的哈希值，在哈希集中寻找哈希值，若存在则验证通过，进行下一个电能表90的验证。

步骤B05)若不存在，则判定电能表90异常，需要人工检验或更换。通过对比存盘数据21和存证数据包，并访问区块链60查询存证数据包中的存证哈希值是否存在于相应的区块上，能够验证存盘数据21是否被事后篡改过。

本实施例的有益技术效果为：通过将计量数据周期性上传区块链60存储，形成在区块链60上存储的锚点，被上传到区块链60的计量数据是不能被事后篡改的，两个锚点之间的计量数据受锚点中计量数据的限制，篡改空间十分有限，有效降低了恶意用户篡改计量数据的积极性，避免智能电能表90被攻击。在智能电能表90内嵌入数据准备层20和存储代理层30，周期性直接将智能电能表90内传感器的检测值存储，并采用改进的工作量证明，有效提高篡改数据后抹去痕迹的难度，保障数据安全。

实施例二：

一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，相对于实施例一会占用智能电能表90的算力，本实施例专门构建了支持机80用于完成在存盘数据21存储时，需要建立的工作量证明，减轻智能电能表90的算力压力。请参阅附图5，本实施例构建了支持机80，支持机80与若干个电能表90和电力计量计费中心70通信连接，支持机80接收匹配数集合，为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数，穷举数与匹配数一起提取的哈希值满足预设的工作量证明条件，将寻找到的穷举数和匹配数关联存储，电能表90构建存盘数据21时，提取计量读数和时间戳的哈希值，与支持机80建立通信，索要与哈希值末尾N位数相同的匹配数和对应的穷举数，将得到的匹配数和穷举数存入存盘数据21。支持机80专门用来进行工作量证明的建立，每个支持机80能够与大量的智能电能表90连接，支持机80的算力成本分摊到每个智能电能表90上，就会比较低廉，从而解决了工作量证明消耗过多算力的问题。

同样的，支持机80由于能够将成本分摊到大量的智能电能表90上，因而支持机80可以采用算力和成本较高的计算设备。完成较高难度的工作量证明条件，穷举数与匹配数一起提取的哈希值的前M位取值为0，M的值越大，则工作量证明的难度越高。

请参阅附图6，为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数的方法包括：随机生成16的N次方个匹配数，匹配数的末尾N位取值均不相同，将全部匹配数关联时间戳发送给电力计量计费中心70存储；为随机生成的每个匹配数寻找穷举数，使满足预设的工作量证明条件；当第一周期结束时，丢弃全部穷举数，重新执行本方法。

电力计量计费中心70验证存盘数据21的穷举数和匹配数，提取计量读数和时间戳的哈希值验证是否与匹配数的末尾N位取值相同，验证穷举数和匹配数的哈希值是否满足预设的工作量证明条件，若均符合，则验证通过，若存在不符，则判定电能表90异常，需要人工检验或更换。

为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数的方法包括：步骤C01)随机生成16的N次方个匹配数，匹配数的末尾N位取值均不相同；步骤C02)提取每个匹配数的哈希值，将哈希值关联时间戳存储；步骤C03)为随机生成的每个匹配数寻找穷举数，使满足预设的工作量证明条件；步骤C04)当第一周期结束时，丢弃全部穷举数，重新执行本方法。本实施例中，N取值为2时，支持机80需要生成16的2次方对匹配数和穷举数，即256组匹配数和穷举数。

当智能电能表90的存盘数据21被篡改时，计量读数和时间戳的哈希值必然发生变化。其中，末尾两位不发生变化的概率为1/256。优选的，智能电能表90在每个第一周期中，从支持机80下载两次穷举数和匹配数，第一个匹配数的末尾两位与计量读数和时间戳的哈希值末尾两位相同，另一个匹配数的末尾两位与计量读数和时间戳的哈希值起始两位相同。当智能电能表90的存盘数据21被篡改时，末尾两位和起始两位均不发生变化的概率为1/65536，即约6万5千分之一，是比较小的概率，能够提供较高的可信度。若进一步指定另外两位，并允许在一个第一周期内，允许智能电能表90从支持机80下载三次穷举数和匹配数，则可进一步将存盘数据21被篡改时，不需要下载新的穷举数和匹配数的概率，降低到约1千7百万分之一，仅需要增加一次下载即可。

本实施例中，存储代理层还开辟有若干个备份存储区，若干个备份存储区对应一个存储区，当存储区存满存盘数据后，将所存储的存盘数据随机分派给若干个备份存储区，使备份存储区存满，备份存储区关联所对应的存储区的标识。使用备份存储区能够提供存盘数据的备份，避免数据丢失或者意外损坏，导致无法提供计量数据的真实性证明。

随机调整备份存储区内存储存盘数据的顺序，而后提取哈希值，作为备份哈希值，对应同一个存储区的备份存储区的备份哈希值的末尾若干位取值相同。本实施例中取备份哈希值的末尾3位相同，末尾3位相同的概率为1/4096。从概率学上，调整4千次左右的顺序，能够得到满足条件的备份哈希值。若调整后顺序后无法找到使备份哈希值末尾若干位取值相同，则将全部备份存储区内的存盘数据拆分为等长的若干个部分，而后再次排序后，再提取备份哈希值。存盘数据拆分后，能够组合出更多的组合，从而得出满足条件的备份哈希值。

请参阅附图7，电能表90索要与匹配数和对应的穷举数的方法包括：步骤D01)电能表90与支持机80约定二元函数。

步骤D02)支持机80为每个匹配数关联一个标识数，将匹配数和标识数公开。

步骤D03)电能表90提取获得计量读数和时间戳的哈希值，找到与哈希值末尾N位相同的匹配数据所关联的标识数，记为目标标识数。

步骤D04)选择除自己以外的电能表90作为中继表，中继表建立存储中继层，存储中继层开辟有若干个中继存储区，为中继存储区的编址关联随机数，建立地址表存储中继存储区编址和对应的随机数，电能表90向中继表申请一个随机数，标识数及随机数均为十六进制数，随机数存入和取出一次数据后，即从地址表中删除，中继表为中继存储区编址生成新的随机数。

步骤D05)电能表90生成转换数，使转换数和目标标识数代入二元函数得出的结果恰好为随机数。

步骤D06)电能表90将转换数和中继表标识发送给支持机80。

步骤D07)支持机80将每个标识数均与收到的转换数代入二元函数，获得16的N次方个输出值，输出值作为指定地址。

步骤D08)将匹配数和穷举数加密，加密秘钥由电能表90和支持机80事先约定，将加密后的匹配数和穷举数与对应的标识数所得出的指定地址关联作为中继体，发送给中继表。

步骤D09)中继表将收到的中继体交由存储代理层30存储，其中将仅有一个中继体包含的指定地址能够在中继表的关联表中被查询到，因而被存储。

步骤D10)电能表90等待预设时长后，向中继表索要指定存储地址内存储的数据，并使用事先约定的秘钥解密，获得匹配数和对应的穷举数。

本实施例中N取值为2，本实施例中支持机公开的匹配数和标识数如表2所示，电能表90提取获得计量读数和时间戳的哈希值，得出的哈希值的末尾2位为02，表2中所示的匹配数为“831F099DDF4CDE6BB4…7D38D02”，对应的标识数为FD4A9379，智能电能表90选择一个中继表，并从中继表中索要得到一个指定地址，指定地址为D6C2A31EB。则计算获得转换数等于指定地址D6C2A31EB减去标识数FD4A9379，为C6EDF9E72。将转换数C6EDF9E72发送给支持机。

支持机收到转换数C6EDF9E72后，将序号1至256对应的标识数均与转换数C6EDF9E72相加，得到256个标识数加转换数的结果。其中仅有一个恰好等于指定地址D6C2A31EB。

支持机将256组匹配数和穷举数分别加密，并将加密后的匹配数和穷举数分别关联对应的标识数与转换数的和，发送给中继表。中继表收到后，将指定地址不为D6C2A31EB的加密数据全部丢弃，接收指定地址为D6C2A31EB的加密数据，将收到的加密后的匹配数和穷举数，存储到指定地址D6C2A31EB对应的存储块上。智能电能表90等待预设时长后，向中继表索要指定地址D6C2A31EB内存储的数据。中继表收到后，将指定地址D6C2A31EB对应的存储块存储的内容，发送给智能电能表90。智能电能表90将收到匹配数831F099DDF4CDE6BB4…7D38D02，对应的穷举数，将匹配数和穷举数一起存入存盘数据即可。匹配数的末尾两位为02，计量读数和时间戳的哈希值末尾2位也为02，具有非常明显的关联关系。

表2支持机公开的匹配数和标识数

序号	匹配数	标识数	标识数加转换数
				1	C2D41541FBBE0AE1A7…DE6DF00	BB411B7D	D2A20B9EF
2	D91EE2C93F0A5DDAA1…BE0AE01	D1A10C10	D4080AA82
				3	831F099DDF4CDE6BB4…7D38D02	FD4A9379	<u>D6C2A31EB</u>
…	…	…
				256	93F0A5DDAA1FBBE0AE…7D37DFF	950CE6CA	D03EC853C

本实施例中，约定的二元函数可以为加法，即转换数和标识数相加等于随机数。支持机80记录请求穷举数的电能表90的标识，验证当前第一周期内电能表90是否为第一次请求穷举数，若是，则继续执行，若否，则停止执行。

电力计量计费中心70验证存盘数据21的穷举数和匹配数，进行如下验证：提取计量读数和时间戳的哈希值验证是否与匹配数的末尾N位取值匹配；验证穷举数和匹配数的哈希值是否与预设的工作量证明条件匹配；验证匹配数和时间戳是否分别与支持机80上传的匹配数和时间戳匹配；若均匹配，则验证通过，若存在不符，则判定电能表90异常，需要人工检验或更换。

相对于实施例一，本实施例采用支持机80为多个智能电能表90提供工作量证明的辅助，降低对智能电能表90算力的消耗，同时，智能电能表90的数量多，摊薄了支持机80的算力成本，有效降低了建立工作量证明所消耗的平均算力，解决了工作量证明能耗高的问题。

实施例三：

一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，本实施例在实施例二的基础上，提供了中继表的替代方案。本实施例中，请参阅附图8，电能表90索要与匹配数和对应的穷举数的方法包括：步骤E01)电能表90与支持机80约定二元函数；步骤E02)支持机80为每个匹配数关联一个标识数，将匹配数和标识数公开；步骤E03)电能表90提取获得计量读数和时间戳的哈希值，找到与哈希值末尾N位相同的匹配数据所关联的标识数，记为目标标识数；步骤E04)选择除自己以外的电能表90作为中继表，中继表建立存储中继层，存储中继层开辟有若干个中继存储区，为中继存储区的编址关联地址码，地址码为连续的整数，建立地址表，如表3所示，地址表存储中继存储区编址和对应的地址码，标识数及地址码均为十六进制数，地址码存入和取出一次数据后，即从地址表中删除，中继表为中继存储区编址生成新的地址码区间，中继表将地址码起始值发送给电能表90，即将[BB411B7D,BB425E21]发送给电能表90；步骤E05)电能表90将中继表标识发送给支持机80，支持机80与中继表通信，约定隐数；步骤E06)电能表90从地址码区间中，随机选择一个地址码作为目标地址码，电能表90生成转换数，使转换数和目标标识数代入二元函数得出的结果恰好为目标地址码；步骤E07)电能表90将转换数发送给支持机80；步骤E08)支持机80将每个标识数均与收到的转换数代入二元函数，获得16的N次方个输出值，输出值作为指定地址；步骤E09)将匹配数和穷举数加密，加密秘钥由电能表90和支持机80事先约定，将加密后的匹配数和穷举数与对应的标识数所得出的指定地址关联作为中继体，发送给中继表；步骤E10)中继表将中继体中的指定地址除以2并规整后，与隐数相加，得出修正指定地址，中继表将收到的中继体交由存储代理层30存储，存储代理层30将中继体存储在修正指定地址中；步骤E11)电能表90等待预设时长后，向中继表发送选择的目标地址码，中继表将目标地址码除以2并规整后，与隐数相加，得出更正的目标地址码，将更正的目标地址码对应的编址内存储的数据发送给电能表90，电能表90并使用与支持机80约定的秘钥解密，获得匹配数和对应的穷举数。

表3中继表使用地址表

序号	编址	地址码	隐数
				1	C2D41541FBBE0	BB411B7D	09EF
2	C2D41541FBBE1	BB411B7E	09EF
				3	C2D41541FBBE2	BB411B7F	09EF
…	…	…
				256	C2D41542EEC24	BB425E21	09EF

由于电能表90不知晓隐数的值，因而无法获得中继表使用的目标地址码，仅能够通过将随机选择的目标地址码发送给中继表，由中继表复原后获得存储有匹配数和对应的穷举数的存储地址。进一步提高了中继表中存储的数据的安全性。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

包括以下步骤：以第一周期读取计量读数，将计量读数写入指定缓存区；构建数据准备层，所述数据准备层以第一周期从缓存区取出计量读数，建立存盘数据，所述存盘数据包括计量读数、时间戳、电能表编号和指定存储地址；建立存储代理层，所述存储代理层在存储介质上开辟若干个存储区，在存储区上生成与所述存盘数据大小匹配的存储块，为存储块编址，所述存储代理层建立关联表，所述关联表记录存储块编址及关联的随机码，周期性将预设数量的随机码提供给数据准备层，作为指定存储地址使用；所述存储代理层接收存盘数据，按照其中的指定存储地址查询关联表，若关联表中存在所述指定存储地址，则将存盘数据存入所述指定存储地址对应的存储块编址上，并从关联表中删除该随机码，若关联表中不存在所述指定存储地址，则丢弃存盘数据；构建存证固定层，以第二周期将存储区新存入的存盘数据纳入待固定集合，提取待固定集合中全部存盘数据的时间戳，作为时间集，提取待固定集合中每个结构的哈希值，作为哈希集，将时间集和哈希集一起提取哈希值，作为固定哈希值，将固定哈希值上传区块链存储，获得对应的区块高度和区块哈希值，将区块高度、区块哈希值、固定哈希值、时间集和哈希集关联作为存证数据包存储；以第三周期将最新存入的存盘数据中包含的计量读数和时间戳，上传到电力计量计费中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

所述存盘数据还包括穷举数和匹配数，所述穷举数、匹配数、计量读数和时间戳满足工作量证明条件，所述工作量证明条件为：提取计量读数和时间戳的哈希值，所述匹配数的末尾N位取值与所述哈希值相同，所述穷举数与匹配数一起提取的哈希值的前M位取值为0，所述匹配数来自匹配数集合，所述匹配数集合由电力计量计费中心生成并下发，并周期性更换。

3.根据权利要求2所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

所述电能表以第四周期将存储的存盘数据和存证数据包上传到电力计量计费中心；

所述电力计量计费中心验证存盘数据的完整性，根据存盘数据中的时间戳，查找时间戳所在的时间集，根据时间集找到存盘数据存证对应的存证数据包；

获得存证数据包中的存证哈希值、区块哈希值和区块高度，访问区块链进行验证，若相应的区块不存在存证哈希值，则判定电能表异常，需要人工检验或更换；

若相应的区块存在存证哈希值，则提取存盘数据的哈希值，在哈希集中寻找所述哈希值，若存在则验证通过，进行下一个电能表的验证，若不存在，则判定电能表异常，需要人工检验或更换。

4.根据权利要求3所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

构建支持机，所述支持机与若干个电能表和电力计量计费中心通信连接，所述支持机接收匹配数集合，为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数，所述穷举数与匹配数一起提取的哈希值满足预设的工作量证明条件，将寻找到的穷举数和匹配数关联存储，

电能表构建存盘数据时，提取计量读数和时间戳的哈希值，与支持机建立通信，索要与哈希值末尾N位数相同的匹配数和对应的穷举数，将得到的匹配数和穷举数存入存盘数据。

5.根据权利要求4所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

为匹配数集合中的每个匹配数寻找穷举数的方法包括：

随机生成16的N次方个匹配数，匹配数的末尾N位取值均不相同，将全部匹配数关联时间戳发送给电力计量计费中心存储；

为随机生成的每个匹配数寻找穷举数，使满足预设的工作量证明条件；

当第一周期结束时，丢弃全部穷举数，重新执行本方法。

6.根据权利要求5所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

所述电力计量计费中心验证存盘数据的穷举数和匹配数，提取计量读数和时间戳的哈希值验证是否与匹配数的末尾N位取值相同，验证穷举数和匹配数的哈希值是否满足预设的工作量证明条件，若均符合，则验证通过，若存在不符，则判定电能表异常，需要人工检验或更换。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

电能表索要与匹配数和对应的穷举数的方法包括：

电能表与所述支持机约定二元函数；

所述支持机为每个匹配数关联一个标识数，将匹配数和标识数公开；

电能表提取获得计量读数和时间戳的哈希值，找到与所述哈希值末尾N位相同的匹配数据所关联的标识数，记为目标标识数；

选择除自己以外的电能表作为中继表，中继表建立存储中继层，存储中继层开辟有若干个中继存储区，为中继存储区的编址关联随机数，建立地址表，所述地址表存储中继存储区编址和对应的随机数，所述电能表向中继表申请一个随机数，所述标识数及随机数均为十六进制数，所述随机数存存入和取出一次数据后，即从地址表中删除，所述中继表为中继存储区编址生成新的随机数；

所述电能表生成转换数，使所述转换数和目标标识数代入所述二元函数得出的结果恰好为所述随机数；

所述电能表将转换数和中继表标识发送给所述支持机；

所述支持机将每个标识数均与收到的转换数代入二元函数，获得16的N次方个输出值，所述输出值作为指定地址；

将匹配数和穷举数加密，加密秘钥由所述电能表和支持机事先约定，将加密后的匹配数和穷举数与对应的标识数所得出的指定地址关联作为中继体，发送给中继表；

所述中继表将收到的中继体交由存储代理层存储，其中将仅有一个中继体包含的指定地址能够在中继表的关联表中被查询到，因而被存储；

所述电能表等待预设时长后，向中继表索要指定存储地址内存储的数据，并使用事先约定的秘钥解密，获得匹配数和对应的穷举数。

8.根据权利要求5或6所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

电能表索要与匹配数和对应的穷举数的方法包括：

电能表与所述支持机约定二元函数；

所述支持机为每个匹配数关联一个标识数，将匹配数和标识数公开；

电能表提取获得计量读数和时间戳的哈希值，找到与所述哈希值末尾N位相同的匹配数据所关联的标识数，记为目标标识数；

选择除自己以外的电能表作为中继表，中继表建立存储中继层，存储中继层开辟有若干个中继存储区，为中继存储区的编址关联地址码，所述地址码为连续的整数，建立地址表，所述地址表存储中继存储区编址和对应的地址码，所述标识数及地址码均为十六进制数，所述地址码存入和取出一次数据后，即从地址表中删除，所述中继表为中继存储区编址生成新的地址码区间，中继表将地址码起始值发送给所述电能表；

所述电能表将中继表标识发送给所述支持机，所述支持机与所述中继表通信，约定隐数；

所述电能表从地址码区间中，随机选择一个地址码作为目标地址码，所述电能表生成转换数，使所述转换数和目标标识数代入所述二元函数得出的结果恰好为所述目标地址码，所述电能表将转换数发送给所述支持机；

所述支持机将每个标识数均与收到的转换数代入二元函数，获得16的N次方个输出值，所述输出值作为指定地址；

将匹配数和穷举数加密，加密秘钥由所述电能表和支持机事先约定，将加密后的匹配数和穷举数与对应的标识数所得出的指定地址关联作为中继体，发送给中继表；

所述中继表将中继体中的指定地址除以2并规整后，与隐数相加，得出修正指定地址，所述中继表将收到的中继体交由存储代理层存储，所述存储代理层将中继体存储在修正指定地址中；

所述电能表等待预设时长后，向中继表发送选择的目标地址码，所述中继表将目标地址码除以2并规整后，与隐数相加，得出更正的目标地址码，将更正的目标地址码对应的编址内存储的数据发送给所述电能表，所述电能表并使用与支持机约定的秘钥解密，获得匹配数和对应的穷举数。

9.根据权利要求7所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

所述支持机记录请求穷举数的电能表的标识，验证当前第一周期内所述电能表是否为第一次请求穷举数，若是，则继续执行，若否，则停止执行。

10.根据权利要求7所述的一种基于区块链技术的智能电能表防篡改方法，其特征在于，

所述电力计量计费中心验证存盘数据的穷举数和匹配数，进行如下验证：

提取计量读数和时间戳的哈希值验证是否与匹配数的末尾N位取值匹配；

验证穷举数和匹配数的哈希值是否与预设的工作量证明条件匹配；

验证匹配数和时间戳是否分别与支持机上传的匹配数和时间戳匹配；

若均匹配，则验证通过，若存在不符，则判定电能表异常，需要人工检验或更换。

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