一种防篡改的能源工业互联网多边缘链数据共享方法

本发明涉及一种防篡改的能源工业互联网多边缘链数据共享方法，属于区块链跨链、能源工业互联网等技术领域。

背景技术：

随着能源工业互联网建设步伐的不断加快，能源边缘设备呈指数型增长。由于边缘设备对于边缘计算的实时性与安全性要求，单一区块链存储负担过重、存储效率过低、响应速度慢，无法满足能源工业互联网中边缘设备对于工业生产中实时计算的业务需求。

因此，如何在保证安全性的前提下提升区块链的处理效率成为一个不可避免的亟待解决的问题。过去几年，大部分区块链提升交易效率的创新点主要依靠改进共识算法，优化共识机制。近年来，多链结构由于防篡改的成本更高，更具有安全保证。此外，各区块链还能够独立的进行共识，并发处理交易，快速达成共识，提升数据的上链速度。降低单一区块链存储的风险，正在成为人们研究的热点。然而，针对能源工业互联网中不同域进行多边缘链的设计，鲜少为人研究。

边缘设备处理边缘计算任务上链存储效率提升之后，为了实现各链之间某些重要边缘数据交互，必须实现异构的边缘链之间数据共享。现有的大部分的跨链交互都是基于双向锚定的资产转移，比如比特币和以太币之间的交易。对于数据已经上链存储的能源工业互联网中各条边缘链来说，若采用基于简单支付证明(spv)的方法来进行跨链数据共享，存在验证时间长的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种防篡改的能源工业互联网多边缘链数据共享方法，目的在于降低单一区块链存储的风险，使能源工业互联网能源交易、电动汽车、电力装配工厂等各域内边缘设备并发处理边缘计算结果上链存储，提升区块链的处理速度，满足能源工业互联网中边缘设备处理边缘计算的实时性与安全性需求；其次，考虑能源工业互联网中各异构边缘区块链之间的数据交互问题，设计一条云链作为中继链，实现云边数据协同，而且能够使各边缘链之间的数据共享时间复杂度大大降低。

本发明的技术方案是：一种防篡改的能源工业互联网多边缘链数据共享方法，具体步骤为：

step1：构建防篡改的多链结构，包括边缘区块链和云链。

首先在能源工业互联网各边缘服务器上构建边缘区块链，负责存储能源工业互联网中各个域边缘设备完成边缘计算的结果。

其次，在能源工业互联网云服务器上构建云链作为中继链，负责能源工业互联网中各边缘区块链之间的数据共享。

所述step1中构建的多链结构采用基于成本的方法来验证边缘计算结果存储不被篡改。

若任意一个区块数据m将被一个恶意节点篡改，那么恶意节点不仅需要修改该条链上的所有后续区块，而且必须篡改与该区块相关联的其他所有链的后续区块。

若在云链cl中被恶意节点篡改的区块高度为，四条边缘区块链中存储与云链篡改区块相关联的区块高度分别为云链cl当前的区块高度为hc，各边缘链el当前的区块高度分别为则对于一个单一区块链节点来说，要篡改区块m，至少需要修改的区块数量为：

其中，分别是四条边缘链中的区块链节点数量；代表的是全网参与验证的区块链节点数量。

若要篡改某个区块，则需要对整个网络中对与之相关联的区块进行篡改。在这种情况下，修改任何数据几乎都需要改动整个网络的数据。此外，篡改成本会随着时间的推移而增加。只有控制所有边缘区块链和云链的投票权，攻击者才能篡改区块数据，这意味着攻击者必须控制区块链系统中几乎所有的节点。因此，在一定数量的可信节点能够正常完成共识的情况下，多链结构是不可篡改的。

step2：将能源工业互联网中所有边缘设备作为边缘节点，分别向邻近的边缘区块链注册成为边缘区块链节点，使得边缘节点加入到边缘区块链结构中。

step3：能源工业互联网中计算能力低的边缘设备将不能完成的计算任务卸载到邻近边缘服务器或雾节点上进行边缘计算，得到边缘计算结果。

step4：将step3中经过卸载的边缘计算结果存储到step1构建的边缘区块链上。

对边缘服务器和雾节点的计算结果进行两轮共识后写入相应区块，第一轮共识由各边缘区块链节点完成并将计算结果存储到相应边缘区块链上，第二轮共识由云链共识节点完成并将计算结果概要信息存储到云链上。

step5：通过step1中构建的云链，共享step4中存储在各边缘区块链上的边缘计算数据，实现跨链数据共享。

所述跨链数据共享具体为：

首先各边缘区块链分别向云链注册成为一个服务节点，并注册跨链数据共享服务，云链为各边缘区块链分配相应的服务id。

当边缘链a访问边缘链c上相应域的边缘计算数据信息，那么边缘链a先向云链发送一个数据共享的请求，接着由云链来调用生成身份令牌的接口，签名值根据边缘链c的服务id生成。

将签名值放在参数加密接口作为输入，返回加密参数。

最后加密参数作为跨链服务接口的输入，由云链返回边缘链a所需的来自边缘链c的相应域的边缘数据信息，跨链数据共享完成。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的多链结构相比传统的单一区块链结构，具有更高的安全性和防篡改性，能够避免单一区块链的单点失败风险，同时多边缘链能够并发存储各边缘设备的计算结果，有效提升上链速度。

2、本发明在能源工业互联网多域数据上链存储的情况下，采用跨链技术中的中继链方法，能够实现各边缘链之间边缘数据跨链共享。

3、本发明为能源工业互联网中能源交易、电动汽车、电力装配工厂等多域的数据分类管理、安全隔离提供了一种安全模式参考。

4、本发明基于区块链分布式、去中心化的思想，在此基础上扩展区块链功能应用于能源工业互联网中大量分布式的边缘设备管理，同时也为边缘计算与区块链进一步结合与创新提供了新的思路。

附图说明

图1是本发明能源工业互联网中多链结构图；

图2是本发明不同链需篡改区块数量对比图；

图3是本发明边缘链跨链数据共享实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种防篡改的能源工业互联网多边缘链数据共享方法，具体步骤为：

step1：构建防篡改的多链结构，包括边缘区块链和云链；

首先构建四条边缘区块链，负责存储能源工业互联网中能源交易、电动汽车、电力装配工厂等各个域的边缘设备完成边缘计算的结果。各边缘链区块的格式为

其中，pre_hash是前一个区块哈希，t是时间戳，m_root表示merkel根，由所有边缘计算交易组成。sig是区块链节点签名，id_device是边缘设备哈希化处理后的id，id_ms/id_fn代表边缘服务器或雾节点哈希化处理后的id。由于某些边缘设备计算能力受限，故会将无法完成的边缘计算任务卸载到邻近的边缘服务器或雾节点完成相应计算。

其次，构建一条云链cl作为中继链，实现跨能源交易、电动汽车、电力装配工厂等多域、多边缘区块链之间的边缘数据共享。

云链区块的格式为cl＝<id(el),hc,tc＞，主要存储四条边缘链的id以及各边缘区块链计算结果的概要信息。

step2：将能源工业互联网中所有边缘设备作为边缘节点，分别向邻近的边缘区块链注册成为边缘区块链节点，使得边缘节点加入到边缘区块链结构中。

step3：能源工业互联网中计算能力低的边缘设备将不能完成的计算任务卸载到邻近边缘服务器或雾节点上进行边缘计算，得到边缘计算结果。

step4：将step3中经过卸载的边缘计算结果存储到step1构建的边缘区块链上。

对边缘服务器和雾节点的计算结果进行两轮共识后写入相应区块，第一轮共识由各边缘区块链节点完成并将计算结果存储到相应边缘区块链上，第二轮共识由云链共识节点完成并将计算结果概要信息存储到云链上。

step5：通过step1中构建的云链，共享step4中存储在各边缘区块链上的边缘计算数据，实现跨链数据共享。

所述step1中多链结构采用基于成本的方法来验证边缘计算结果存储不被篡改。若任意一个区块数据m将被一个恶意节点篡改，那么恶意节点不仅需要修改该条链上的所有后续区块，而且必须篡改与该区块相关联的其他所有链的后续区块。若在云链cl中被恶意节点篡改的区块高度为，四条边缘链中存储与云链篡改区块相关联的区块高度分别为云链cl当前的区块高度为hc，各边缘链el当前的区块高度分别为则对于一个单一区块链节点来说，要篡改区块m，至少需要修改的区块数量为：

其中，分别是四条边缘链中的区块链节点数量，代表的是全网参与验证的区块链节点数量。

如附图2所示，每条链的区块节点数量设置从5开始，最多不超过15个。在5个节点下，单一区块链需篡改的区块链数量为100，双链需篡改的区块数量为200，而多边缘链(四条链)情况下，随着节点数量的增多，需篡改的数量迅速增加，篡改难度大约为单链时的8倍。

如附图3所示，所述step1、step5中各边缘链之间的边缘数据共享主要是将云链作为一条中继链来实现的，具体为：

首先各边缘区块链分别向云链注册成为一个服务节点，并注册跨链数据共享服务，云链为各边缘区块链分配相应的服务id。

当边缘链a访问边缘链c上相应域的边缘计算数据信息，那么边缘链a先向云链发送一个数据共享的请求，接着由云链来调用生成身份令牌的接口，签名值根据边缘链c的服务id生成。

将签名值放在参数加密接口作为输入，返回加密参数。

最后加密参数作为跨链服务接口的输入，由云链返回边缘链a所需的来自边缘链c的相应域的边缘数据信息，跨链数据共享完成。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。