《Energies》：Cryptographically Anchored Distributed Ledgers for Smart Grid Cybersecurity: An Attribute-Oriented Framework
摘要
本文概述了密码锚定分布式账本在支持智能电网（SG）网络安全方面的应用。讨论聚焦于多层信息物理架构、智能电网网络安全需求、信息安全属性、分布式账本机制及技术局限性。分布式共识算法与智能合约被分析为账本写入支持智能电网安全功能的条件。随后，研究人员从身份与认证、访问控制与策略执行、数据完整性与防篡改、弹性通信以及隐私保护等方面对相关文献进行了综合。在此基础上，提出了BC-Sec-SG框架，从信息安全属性的视角对需求、架构层次、共识算法、账本机制及约束条件进行了结构化梳理。区块链技术被视为现有安全机制的补充，而非其替代品。
1. 引言
网络安全是未来智能电网（SG）发展的关键决定因素。电网与信息通信技术（ICT）、信息物理系统（CPS）及物联网（IoT）的深度融合显著扩大了网络威胁面，包括针对关键基础设施的网络攻击向量。文献强调了智能电网在机密性、完整性及可用性方面面临的网络威胁，以及涉及能源系统的历史事件。目前，智能电网中的控制、监控、计费服务及能源传输主要基于集中式平台。然而，将纯集中式安全模型应用于分布式智能电网架构存在局限性。例如，集中式架构在保障大规模智能电网网络的可扩展性方面面临重大挑战。服务集中化在资源管理方面具有不可否认的优势，但同时也带来了单点故障（SPoF）风险，并为关键目标创造了攻击向量。中心节点的不可用或受损可能导致服务中断或数据泄露。
在此背景下，基于密码学证明和共识算法的分布式账本可被视为智能电网安全架构的补充组件。此外，智能合约支持以编程方式定义和执行安全规则与策略。同时，文献也指出了能源系统中智能合约在安全性、隐私性和可扩展性方面存在的开放性挑战。
值得注意的是，文献中已有大量研究对区块链在智能电网环境中的应用进行了概述。特别是，研究[6]对该领域进行了全面综述，涵盖了系统架构、实施平台以及不同智能电网领域的应用。该研究的一个重要贡献是将区块链应用划分为三个领域：现场测量与通信、发电与输电、以及配电与用电。安全需求则从完整性、机密性、可用性和问责性/不可否认性四个方面进行了阐述。另一项重要研究[7]聚焦于区块链架构和应用领域，以及网络威胁、挑战和对策。该研究的关键贡献在于分析了针对不同智能电网领域（包括电动汽车、家庭自动化和能源管理系统）的区块链架构，并探讨了实施挑战、网络威胁、常见攻击模型及相应对策。
本文概述了区块链技术在支持智能电网网络安全方面的应用，并评估了其机制如何满足信息安全需求。本研究基于文献[8]中提出的智能电网网络安全整体框架所引入的通用架构视角。该先前框架将安全措施和机制整体性地分配到各个智能电网层级，并与信息安全属性相关联。区块链仅是众多可能的安全措施之一。在本研究中，这一视角被调整为对区块链技术的分析。与文献[8]相比，本框架通过引入子层、考虑六种信息安全属性以及按安全功能组织综述而得到扩展。部分分析的属性（包括问责性和不可否认性）已在先前研究中被考虑。在本综述中，它们被纳入一个分析框架，该框架将安全功能、架构层次和区块链机制联系起来，同时考虑了这些属性所依赖的条件。
研究的起点是分层智能电网模型以及机密性、完整性、可用性属性，并辅以问责性、不可否认性和真实性。进行的分析将区块链架构和共识算法的特性与智能电网网络安全需求进行了比较。随后，文献按照安全功能进行分类：身份管理、访问控制、数据完整性保护、通信弹性和隐私保护。在此基础上，开发了BC-Sec-SG框架，以结构化区块链在智能电网网络安全中的使用。该框架确定了哪些分布式账本机制可以在业务层、应用层、通信层和电力层支持特定的信息安全属性。
本文的主要贡献可总结如下：
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对智能电网网络安全需求进行了结构化阐述，将多层信息物理架构与六种信息安全属性联系起来；
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评估了共识算法和智能合约作为账本记录支持智能电网网络安全的条件，包括相关的信任模型；
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对区块链在智能电网安全中的应用进行了面向功能的综述，涵盖身份与认证、访问控制与策略执行、数据完整性与防篡改、弹性通信以及隐私保护；
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分析了区块链在智能电网环境中实施的障碍及其对各个信息安全属性的影响；
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提出了BC-Sec-SG概念框架，该框架整合了网络安全需求、架构层次、共识条件、账本机制和实施限制，以将区块链支持与信息安全属性相关联。
本文其余部分组织结构如下。第2节描述了本文采用的研究方法。第3节分析了智能电网网络安全需求，考虑了技术条件和信息安全属性。第4节在智能电网网络安全的背景下分析了区块链的技术架构，考虑了共识算法和智能合约。第5节综述了近期关于使用区块链技术保护智能电网的研究。第6节分析了在智能电网环境中实施区块链的相关障碍和限制。第7节介绍了BC-Sec-SG框架。最后一节（结论）总结了研究发现并回应了所提出的研究问题。
2. 材料与方法
本文研究的主题是区块链支持的智能电网网络安全。本文对与计算机科学、安全科学和管理科学相关的主题研究进行了综述和分析。计算机科学为智能电网网络安全和区块链技术的技术分析提供了基础，涵盖IT系统架构、网络威胁和攻击、网络组件以及软件相关方面。安全科学为在信息安全属性的背景下分析网络安全提供了科学基础。管理科学则通过提供区块链技术在智能电网中实施的组织视角来补充该方法。
本研究的主要目标是基于文献综述开发一个框架，系统化区块链技术在增强智能电网网络安全方面的应用，特别强调信息安全属性。在此基础上，提出了BC-Sec-SG框架，旨在从信息安全属性的视角组织网络安全需求、架构层次、共识算法、账本机制和约束条件。
根据既定的研究目标，制定了以下研究问题（RQ）：
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RQ1：当使用扩展的信息安全属性集进行评估时，智能电网多层架构产生了哪些网络安全需求？
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RQ2：共识算法和智能合约如何决定分布式账本记录何时能够支持智能电网网络安全？
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RQ3：在哪些智能电网安全功能（身份与认证、访问控制与策略执行、数据完整性与防篡改、弹性通信和隐私保护）中可以应用区块链机制，它们提供了哪些形式的支持？
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RQ4：哪些技术限制和障碍制约了区块链在智能电网中的使用，它们如何影响信息安全属性？
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RQ5：如何将智能电网网络安全需求、架构层次、共识条件、账本机制和实施限制结合到一个将区块链支持与信息安全属性联系起来的概念框架中？
为实现既定研究目标并回答所制定的RQ，采用了基于相关文献综述、分析和综合的研究方法。文献综述采用了迭代式的出版物检索和选择过程。文献检索覆盖了2020年至2026年的出版物，并使用国际书目数据库Scopus和Web of Science进行，辅以在主要出版平台（包括MDPI）上的搜索。这一时期涵盖了所分析的主要出版物集，而更早的研究则用作基础或补充来源。文献检索结合了三组术语：区块链相关术语（“blockchain” OR “distributed ledger” OR “smart contract”）、智能电网相关术语（“smart grid” OR “smart metering” OR “microgrid” OR “AMI”）以及安全相关术语（“cybersecurity” OR “privacy” OR “integrity” OR “authentication” OR “access control” OR “false data injection”）。这些组使用AND运算符组合，并根据数据库特定的搜索语法进行了小幅调整。由于文献检索的迭代性质及其对RQ的关注，搜索术语的组合在不同查询中有所变化，并非所有术语都在每个查询中使用。文献选择侧重于与所制定的研究问题RQ1–RQ4相关的出版物。分析包括了62篇直接支持回答这些问题的出版物。此外，还使用了基础性和补充性来源，以提供所分析问题的背景和解释。进一步的分析按照RQ1–RQ4组织：网络安全需求、账本条目支持安全的条件、安全特性和技术限制。所进行综述的成果是BC-Sec-SG框架，该系统化了区块链在智能电网网络安全中的应用（RQ5）。
3. 智能电网网络安全考量
网络安全与信息安全直接相关。在文献中，网络安全通常结合信息安全属性进行分析，即机密性、完整性和可用性。机密性属性指的是保护信息免受未经授权的访问。可用性指的是在保持信任和功能性的同时，可靠地按需访问系统和信息。而完整性属性则涉及保护数据免受任何未经授权或非预期的修改，以确保其准确性和一致性。应当指出，信息安全和网络安全并非完全同义的概念。网络安全属于信息安全的范畴。实际上，信息可以以数字和模拟形式传输、处理和存储。因此，可以认为网络安全保护网络空间免受网络攻击，而信息安全则关注保护信息免受所有数字和物理威胁。应当注意，在分布式智能电网环境中，各种过程由网络域中的多个参与者实施。因此，为了加强网络安全分析，本文包含了额外的信息安全属性：问责性、不可否认性和真实性。问责性指的是能够说明自己行为、承担责任并透明地披露结果的能力。而不可否认性是许多应用中的关键安全要求。不可否认性服务必须确保通过网络交换信息的各方不能否认参与了该通信的全部或部分。真实性则是在能够验证资源或签名与其合法所有者以及其所代表的特定数据的关联时实现的。
所强调的信息安全属性为进一步分析智能电网网络安全及其通过基于区块链的解决方案进行增强提供了基础。为实现这一点，有必要首先检查智能电网的技术特性，然后分析相应的网络安全需求。
3.1. 技术背景
在计算机科学中，网络架构通常按层建模，例如七层ISO/OSI模型或四层TCP/IP参考模型。由于智能电网架构固有地嵌入在信息通信技术环境中，因此同样可以从分层角度进行分析。根据智能电网架构分层方法的一般概念，从文献[8]中改编了一个四层智能电网模型，以进一步分析区块链应用和网络安全。
业务层涵盖商业模式和能源市场的运营规则。应用层负责在ICT系统中实施能源服务逻辑。具体来说，它实施自动化数据处理、存储和分析过程，以做出与电网管理和客户服务相关的决策。在应用层内，区分了两个子层：软件子层和数据子层。软件子层实施在数据子层准备的数据模型上运行的算法和业务规则。一个关键方面是实施同时支持能源消费者和能源供应商的软件。而数据子层整合了从智能电表、物联网传感器、高级计量基础设施（AMI）、相量测量单元（PMU）和监控与数据采集（SCADA）系统获得的数据。它还可以整合来自能源市场、地理信息系统（GIS）系统或气象站等来源的外部数据。通信层包含三个子层：网络协议、网络设备和传输介质。该层负责在智能电网组件之间交换测量和控制数据。网络协议子层定义了格式化、寻址和保护传输的规则。网络设备子层包含促进数据转发的网关、集中器、路由器和交换机。传输介质子层指数据传输所通过的物理或无线介质。而电力供应层则处理电力过程。它包括能源发电、输电和配电，以及分布式组件、AMI电表和控制系统与安全系统等元素。
需要强调的是，图1是专门为支持信息安全属性分析而开发的，并非旨在替代既定的参考模型。SGAM为智能电网提供了一个既定的参考架构，包含五个互操作层：业务、功能、信息、通信和组件，跨域和区域映射。NIST SP 1108则定义了一个包含七个域的概念框架：客户、市场、服务提供商、运营、包括分布式能源（DER）的发电、输电和配电，通过能源和通信流相互连接。图1考虑了分析信息安全属性所需的分解级别，因此不应被视为与任何这些模型正式等效。
3.2. 网络安全需求
下一步，定义了与智能电网信息安全相关的网络安全需求。分析基于文献[8]中提出的研究结果，该文献考虑了智能电网环境中的信息安全需求。在本研究中，这些需求被分配到所分析的六种信息安全属性中的每一种。分析结果见表1。
表1显示，智能电网需求是复杂的，超出了信道保护和供电连续性。因此，针对特定的信息安全属性来定义智能电网网络安全需求至关重要。各个需求涉及不同的架构层、服务和资源。
4. 智能电网网络安全中的区块链架构
区块链技术表现出若干可能支持智能电网网络安全的特性。因此，研究的下一阶段侧重于分析区块链的技术架构，以识别能够加强智能电网环境中信息安全属性的机制。区块链被认为具有一套强大的安全机制，这使其对广泛的商业应用具有吸引力。一般而言，区块链可以被视为一种分布式数据库，其中数据在点对点节点网络上复制，数据一致性通过去中心化共识来维护。具体来说，所有对等参与者必须就存储在分布式数据库中的状态达成一致，并且还必须能够验证网络内的状态变化。从技术上讲，中本聪模型依赖于几种机制：证明所有权而无需可信第三方的数字签名链；通过密码学哈希链接的交易块；证明事件顺序的分布式时间戳；以及由点对点网络节点执行的工作量证明（PoW）。从智能电网网络安全的角度来看，重要的是记录的安全性和顺序性依赖于密码学证明和网络共识，而不是对单一运营商的信任。
4.1. 智能电网网络安全视角
所分析的区块链架构表现出若干重要的安全特性。真实性和不可否认性可以通过数字签名来支持，数据完整性和不可篡改性可以通过密码学区块链接和共识机制来确保。分布式时间戳服务器可以提供时间排序，而点对点网络和共识机制可以增强对入侵的抵抗力。表2展示了这些机制对智能电网网络安全的潜在贡献及其局限性。
对区块链技术特性的分析证明了其增强智能电网网络安全的潜力。显著的潜在优势包括增强的数据完整性、事件可追溯性、命令真实性和消除单点故障（SPoF）。然而，实施这些解决方案带来了重大挑战。表2中呈现的局限性也定义了区块链能够支持智能电网网络安全的条件。应当指出，在许可环境中，对女巫攻击（Sybil attack）的抵抗力取决于对验证者审批流程的有效控制。破坏该机制可能会削弱或消除由此产生的保护，但不会自动使数字签名或先前确定的记录失效。另一方面，公共区块链可能带来隐私风险，因为用户交互通常是公开可见的，并且相关数据可以无限期存储。因此，在能源基础设施中有效使用区块链需要谨慎平衡安全收益与运营和技术约束。
4.2. 智能电网网络安全中的分布式共识算法
区块链技术继承了经典分布式系统中的拜占庭将军问题，传统上通过状态机复制方法来解决。在分布式区块链系统中，共识算法是一组用于从竞争提案中选择区块的规则和程序。与区块链类似，智能电网是一个复杂的CPS，具有越来越多的分布式节点，在其中维护整个能源系统的共同、安全状态至关重要。在智能电网环境中实施不同的共识算法可能直接影响表1中所分析的信息安全属性的支持。因此，根据其对智能电网网络安全的支持来评估共识算法是合理的。
4.2.1. 工作量证明共识算法
PoW算法的一般概念是节点执行特定的计算工作。矿工尝试解决密码学难题以提出新创建的区块。在原始的PoW中，一个区块包含交易列表、前一个区块的哈希、默克尔根、时间戳、哈希和随机数（nonce）。挖掘新区块涉及搜索一个nonce值，使得区块哈希以一定数量的零开头。第一个找到有效nonce的矿工向网络宣布该区块，被认定为当前区块创建轮的领导者，并获得奖励。由于矿工提出许多不同的区块，区块生成和交易确认的速率保持在较低恒定水平以确保安全。
PoW算法在区块链技术的广泛采用中发挥了关键作用，确保了去中心化系统的完整性和可靠性。然而，应当指出，PoW算法提供了强大的安全保证和去中心化，但代价是高能耗和较慢的交易吞吐量。此外，网络计算资源的很大一部分并不直接有助于产生最终的账本状态。文献还指出，作为PoW算法特征的能源消耗，是评估系统对环境影响的關鍵指标。同时，最近的研究提供了有趣的证据，表明基于PoW的加密货币挖矿中的竞争动态已从获取能源资源转向获取半导体资源。对于智能电网安全而言，这种依赖性可能潜在地限制经典PoW假设所基于的分布式计算工作的性质。
4.2.2. 权益证明共识算法
PoW的主要替代方案之一是权益证明（PoS）算法，其中网络安全基于参与者的经济承诺而非计算能力。在PoS中，提出新区块的权利通常通过在其抵押加密货币的验证者中进行伪随机选择来分配。基于文献[41,42]，该算法的一般操作可以描述如下：
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验证者选择：在每个时隙中，系统伪随机选择一个验证者来提议区块，选择概率与验证者承诺的抵押量成正比。
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区块提议：被选中的验证者收集交易，创建区块，并将其广播到网络。
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证明：其余验证者验证区块的有效性，并为他们认为有效的链头提交证明或投票。
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最终确定：当相关检查点通过理由论证和最终确定过程获得总抵押价值至少三分之二的支持时，区块即被最终确定。
为了确保安全并防止攻击，PoS算法提供了奖励和惩罚系统。诚实的验证者因正确提议区块而获得奖励，而违反协议可能导致抵押金额的部分或全部损失。文献强调了该方法的能源效率、成本效益和速度，同时也指出了中心化风险，因为较富有的参与者可能获得不成比例的巨大影响力。
PoS算法的一个重要扩展是委托权益证明（DPoS）。在这种方法中，创建区块和验证交易的权力被委托给有限数量的选定代表。代币持有者投票选举负责区块验证的代表。DPoS减少了与网络传输和确认相关的通信开销，允许高吞吐量。
对于智能电网网络安全而言，低能耗和快速区块最终确定是PoS算法的理想特性。不依赖计算能力降低了对硬件的要求，便于与资源受限设备集成。此外，DPoS算法可以通过减少活跃验证者的数量来提高性能，从而增加吞吐量。然而，PoS和DPoS都存在中心化风险。在PoS算法中，这种风险源于抵押集中。在DPoS算法中，共识受到相对少数代表的影响。在智能电网中，这种集中需要精心设计的权限控制机制。
4.2.3. 权威证明共识算法
对智能电网网络安全至关重要的另一种共识机制是权威证明（PoA）。该模型主要用于许可网络，依赖于授权验证者的身份、信任、声誉和问责性。一般而言，该算法涉及选择有限数量的受信任节点来验证交易并创建新区块。基于文献[47,48]，该算法的操作可以描述如下：
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网络包括一组授权验证者，他们被允许创建新区块，并且其身份和声誉是已知的；
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验证者轮流被选为领导者，例如使用轮询机制；
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被选中的领导者收集交易，创建区块并签名；
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其余授权节点验证区块的有效性；
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一旦成功验证，该区块被添加到区块链；
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然后，领导角色根据特定协议的规则转移给下一个验证者。
PoA算法的特点在于基于身份信任而非计算或经济模型的安全性。文献表明，由于这些算法具有高吞吐量、安全性和效率，它们被用于许可区块链网络。它们在区块链中的使用有助于增强信任和安全性。该机制可用于供应链和零售网络等应用。文献指出，在某些情况下，PoA算法可能面临性能限制。
在网络安全背景下，PoA算法可以有效地支持智能电网需求。能源系统本质上是许可性质的，涉及包括产消者、运营商和分销商在内的各种利益相关者。基于身份和声誉的验证者机制（如PoA）支持低资源消耗和确定性最终确定的快速网络共识。这在处理智能电网中的测量数据和控制命令时尤为重要。同时，中心化风险要求对权威列表进行安全管理。
4.2.4. 基于拜占庭容错的共识算法
BFT机制对智能电网网络安全也很重要，但它们处理的共识方面与前面讨论的算法不同。它们源自拜占庭将军问题的经典解决方案。实用拜占庭容错（PBFT）协议是解决该问题的首批实用实现之一，适用于真实的分布式系统。该算法的一个关键前提是通过节点间的通信和投票机制实现系统正确性，同时保持对一定数量恶意节点的弹性。基于文献[54]，该算法的一般步骤可以描述如下：
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客户端向主节点发送执行操作的请求；
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主节点将该请求广播给所有剩余的备份节点；
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备份节点执行请求并将回复返回给客户端；
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客户端在收到来自不同备份节点的（f + 1）个匹配回复后接受结果。
该算法的主要优点是安全性和快速确定性最终确定，前提是故障节点数量不超过三分之一。该算法已被许多许可区块链系统采用。自PBFT发展以来，出现了许多其他方法，提出扩展和优化等，以改善系统性能。
BFT算法在速度、确定性最终确定以及在存在恶意或故障节点的情况下达成共识的能力方面显示出潜力。在电力基础设施中，多个组件和系统可能在许可或联盟基础上运行，这些算法可以支持测量数据、控制命令和能量平衡信息的安全、完整交换。所分析算法的优点包括强大的安全保证和相对较低的延迟，这对电网中的关键控制操作至关重要。然而，它们的可扩展性可能受到通信复杂性的限制，随着参与者和设备数量的增加，这可能成为重大挑战。
对共识机制的研究导致了所分析算法的许多改进和扩展。例如，研究[49]分析了32种共识机制，说明了该现象的规模。最近的研究提出了诸如能量证明、任务证明、预测证明以及基于动态声誉评估和可验证随机函数的机制等概念。
分析表明，共识算法在不同程度上支持智能电网网络安全需求。涉及完整性、可用性、交易最终确定时间和计算成本的需求尤为关键。PoW和PoS机制在公共网络中很重要。基于有限数量验证者的解决方案，如DPoS、PoA和经典法定人数协议（如PBFT），在需要对参与者和可预测最终确定进行更多控制的环境中可能是有益的。在智能电网网络安全的背景下，许可和联盟网络尤为重要，因为验证者特权可以与能源基础设施的特定组件相关联。然而，没有一种共识机制能够独立地为系统提供完整的网络安全。没有算法固有地确保机密性或完全可用性。共识算法的选择应考虑信任模型、处理时限、可接受的延迟、可扩展性要求以及权威集中程度。
4.3. 智能电网网络安全中的智能合约
智能合约是能够支持智能电网中选定信息安全属性的关键区块链功能之一。一般而言，智能合约是在分布式区块链网络上运行的计算机程序，可以用各种编程语言实现。智能合约包含一组存储在区块链上并部署的指令，使其能够去中心化执行。在实践中，智能合约能够对特定规则和功能进行编程，其自动执行和完整性由分布式账本机制保证。这意味着智能合约的安全性主要依赖于密码学机制和区块链网络共识，减少了对可信第三方的依赖。综合文献[65,66,67,68,69]，智能合约在区块链网络中的典型生命周期可以描述如下：
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合约准备：使用给定区块链平台支持的语言对智能合约代码进行编程，包括业务逻辑、功能、规则和条件；
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编译：将源代码转换为区块链运行时环境可理解的可执行形式；
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部署：向区块链网络发送包含已编译合约代码的部署交易；一旦该交易被共识机制接受，合约将获得唯一地址并永久记录在分布式账本中；
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执行：用户或其他合约通过包含合约地址、功能标识符和参数的交易调用已部署合约的功能；
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验证与共识：网络节点验证交易，在运行时环境中执行合约代码，并就执行结果达成共识；
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状态更新：合约执行的结果（可能包括状态更改、价值转移或事件发出）被永久记录在区块链中；
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终止或持续运行：合约保持活跃状态，可以被重复调用，直到其阻塞或自毁（如果实现了此类功能）。
并非所有区块链都提供智能合约功能。其架构实现主要取决于平台的技术特性。研究表明，智能合约可以支持自动化数据管理。另一方面，智能合约的不可篡改性和透明性可能使潜在的安全漏洞变得严重，因为已实施的合约无法修改。
智能合约作为由分布式账本进行密码学保护的计算机程序的概念，意味着若干可以支持智能电网网络安全的特性。表3中的比较总结了智能合约在支持智能电网网络安全方面的关键特性。
表3表明，智能合约可以显著支持智能电网网络安全。特别是，基于分布式共识算法的可编程自动化和验证机制可以增强能源基础设施的安全性。智能合约的潜力主要源于能够将运营规则直接嵌入网络的交易层。这使得安全策略能够一致地执行，并增强对选定形式的数据和过程操纵的抵抗力。同时，应当指出，智能合约仍然依赖于实施质量、与OT/IT系统的集成方法以及智能合约模型本身的固有局限性。
5. 用于智能电网安全功能的区块链
区块链应用的综述按对智能电网网络安全至关重要的安全功能进行组织。为了本研究的目的，区分了文献和安全工程中作为不同问题出现的五个功能：（1）建立实体的身份；（2）确定谁被授权执行给定操作；（3）保护记录免受未经授权的修改；（4）保护通信信道免受中断和冒充；（5）确保隐私和保护敏感数据。
5.1. 认证与身份管理
智能电网的分布式架构要求开发安全的认证和身份管理机制。文献强调了智能电网中与设备认证和数据完整性相关的安全问题。
文献[76]提出了一种用于分布式电力交易的基于联盟区块链的认证机制。特别是，所提出的架构在区块链网络中引入了证书颁发机构，并控制参与者的公钥和私钥，以验证各方进行能源交易的授权。从技术角度来看，该解决方案在Hyperledger Fabric上实现，业务逻辑编码在链码中。认证分两个阶段进行：链下（初始身份验证）和链上（在区块链上确认和记录）。所分析的解决方案有可能在访问控制、认证和身份管理方面加强智能电网网络安全，同时增强能源交易的完整性。
文献[75]提出了一种采用高效密码算法的基于区块链的认证协议，以在智能电网中建立去中心化信任。该协议将区块链与授权相结合，支持特权的去中心化注册和验证，从而减少对中央权威和单点故障（SPoF）风险的依赖。在区块链上记录凭证提供了防篡改的验证，并支持注册数据和日志的不可篡改性。从技术角度来看，该解决方案采用了密码学哈希函数、一次性密码和基于一次性值的会话更新等机制。研究结果表明，该解决方案支持在智能电表和控制中心之间安全地建立会话密钥，同时保持适合资源受限环境的计算和通信效率。
文献[77]提出了一种适用于智能微电网环境的认证和密钥协商协议。从技术架构方面，使用了椭圆曲线密码学（ECC）、硬件、物理不可克隆函数（PUF）以及采用PBFT共识算法的区块链等。通信双方使用ECC和PUF执行相互认证，并派生共同的会话密钥以保护后续数据交换。而区块链存储注册和授权的结果，从而支持去中心化密钥管理并减少对中心信任点的依赖。所分析的解决方案有可能通过支持设备相互认证、安全会话密钥建立以及防范窃听、冒充攻击和针对设备身份的攻击来加强智能电网网络安全。
在文献中，区块链被描述为支持智能电网认证和身份管理的技术。综合所综述的文献[75,76,77]，以下方面对智能电网网络安全似乎特别有价值：
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通过将身份和特权永久记录在分布式账本中来保护它们；
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能源交易方的认证和设备相互认证；
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将身份与硬件设备关联的能力；
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支持安全会话密钥建立；
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缓解网络攻击，包括冒充、重放和中间人（MITM）攻击。
5.2. 访问控制与策略执行
文献强调，经典访问控制机制可能不足以适应智能电网的分布式和动态特性。文献[79]提出了一种基于混合区块链架构的动态基于属性的访问控制方法，以增强智能家居能源系统的安全性和信任。从概念上讲，所分析的解决方案建立在基于属性的访问控制（ABAC）模型、智能合约和了解你的客户（KYC）协议之上。在技术方面，使用了Hyperledger Fabric和Hyperledger Besu的混合集成、CouchDB、通用JSON和SHA-256算法等。Fabric平台作为私有、许可的区块链运行，并支持需要受控访问的内部操作。Besu通过公共区块链网络执行去中心化访问规则和外部交互。所分析研究的结果表明，基于证书和KYC的身份组件的去中心化、基于属性的访问控制具有巨大潜力。
文献[78]提出了一种用于智能电网的基于区块链的访问控制模型，结合了权限级别和高峰时段属性。该概念通过引入与权限级别和高峰时段相关的属性来扩展ABAC模型。这允许在能源受限期间对关键设备进行优先级排序。区块链用于存储访问权限和策略。而智能合约则实现了自动化策略执行，增强了访问管理的防篡改性。从技术方面，使用了Ganache、Node.js、Web3和Solidity工具来实施所提出的解决方案。研究结果表明，所提出的方法可以通过支持关键设备的运行来增强能源需求高峰期间的网络安全。
文献[80]提出了一种支持访问策略更新和可追溯性的智能电网数据共享方法。该方法使用区块链和混合加密。特别是，该方法涉及密文策略属性基加密（CP-ABE）机制，并使用智能合约来消除集中式属性认证。访问控制策略可以在保持数据机密性的同时进行更新。数据所有者可以灵活地修改访问控制策略，例如在出现异常情况时。研究结果表明，该方法为电网内的数据共享提供了显著的网络安全支持。
文献分析表明，传统访问控制机制可能不完全适合智能电网的分布式特性。将区块链与既定访问控制模型和密码机制相结合的方法，为在没有中心信任点的情况下实现自动化策略执行以及访问权限的去中心化存储和管理提供了潜力。综合所综述的文献[78,79,80]，以下方面与智能电网网络安全尤为相关：
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使用智能合约执行访问策略；
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具有隐私保护的策略更新；
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分布式环境中的上下文感知访问控制；
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降低单点故障（SPoF）风险；
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追溯特权未经授权共享的能力。
5.3. 防操纵数据保护
能源基础设施中控制和监控系统的可靠性取决于测量数据和控制命令的完整性。文献[81]提出了一种基于分层区块链的架构，用于审计分布式能源资源（DER）中的测量完整性。特别是，开发了一种轻量级默克尔树锚定方案，支持在不依赖单一可信第三方的情况下实现数据完整性。实施中使用了Geth（以太坊协议实现）、Node.js、web3.js库、JSON-RPC API和用于智能合约编程的Solidity等组件。报告的结果表明，在住宅低压网络中支持智能电网网络安全具有显著潜力。特别是，所分析的解决方案支持检测测量数据篡改和保护控制命令。
研究[82]通过提出一种检测微电网中虚假数据注入攻击（FDIA）的方法，展示了与数据完整性相关的重要发现。总体概念结合了用于从数据中提取相关特征的信号分析、用于异常检测的支持向量机（SVM）学习以及用于增强数据完整性和透明性的区块链技术。值得注意的是，SVM模型可以利用区块链的不可篡改性和分布式账本能力。研究结果表明，通过增强对数据操纵的抵抗力并降低基于伪造测量做出错误控制决策的风险，电网网络安全得到了显著改善。
文献[83]提出了一种基于区块链的方法，支持物联网使能的可再生能源和电网能量计量系统中的数据完整性。特别是，所提出的方法支持产消者和能源供应商之间结算的完整性。所开发的框架集成了区块链和物联网用于能源监控，并在链上提供不可篡改的完整性证明。在技术方面，使用了用于以太坊的Ganache环境、用于接收JSON格式MQTT消息的本地InfluxDB数据库，以及用于编程实现SHA-256密码学哈希的智能合约的Solidity。完整性验证涉及将根据本地InfluxDB数据库重新计算的哈希与从区块链加载的哈希进行比较。研究结果表明，在确保测量数据完整性、防止篡改以及支持能源计费的审计性和透明性方面具有显著潜力。
文献[84]提出了一种基于声誉的区块链架构，以保护智能AMI系统免受数据篡改和FDIA攻击。所分析的概念包括两种类型的区块链。第一种区块链确保从智能电表传输到集中器的测量的完整性。第二种区块链保护集中器和控制中心之间的测量。还值得注意的是，所提出的架构引入了一种PoR-BFT共识协议，该协议将基于声誉的共识与PBFT相结合。该系统使用Hyperledger Fabric框架实现。研究结果表明，所提出的架构显著保护了从智能电表传输到控制中心的测量，并抵御了FDIA攻击。
文献分析表明，区块链在支持智能电网数据完整性和防止数据操纵方面具有显著潜力。应当指出，分布式账本不能防止受损的数据源（如传感器）生成虚假测量值，也不能在数据记录到账本之前检测FDIA攻击。综合所综述的研究[81,82,83,84]，以下方面对数据完整性尤为重要：
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对已提交到账本的测量记录进行分布式审计；
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记录抗后续更改的AMI读数，与保护电表本身分开；
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记录和后续验证控制命令；
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支持FDIA攻击的检测和分析；
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通过将本地存储的数据与区块链上记录的哈希进行比较来验证数据完整性。
5.4. 网络攻击弹性与安全通信
能源网络与信息系统和计算机网络环境的集成将威胁范围扩大到包括各种网络攻击。特别是，智能电网容易受到可能危及关键信息安全属性（包括机密性、可用性和完整性）的攻击。潜在的攻击类型包括拒绝服务（DoS）、分布式拒绝服务（DDoS）、中间人（MITM）、虚假数据注入（FDIA）、SQL注入和恶意软件攻击等。面对日益增长的威胁，出现了许多关于在智能电网中使用区块链来对抗网络攻击的研究。
文献[90]提出了一种基于区块链的通信协议，旨在为智能电网提供弹性通信。该协议使用了SHA-256哈希函数、AEAD密码方法和椭圆曲线密码学等。区块链与PBFT共识机制相结合，用于在服务提供商和智能电表之间建立通信会话后保护和持久化数据。报告的安全分析表明，所提出的协议可以抵御MITM、DoS、特权内部人员、冒充、重放和匿名性攻击等。
文献[91]提出了一种基于区块链的协议，通过数字签名和证书支持智能电网中的数据保护和交易管理。所提出解决方案的主要组件包括智能电表、服务提供商、注册机构和云服务器。智能电表和服务提供商在向注册机构注册后获得安全令牌。该协议采用基于椭圆曲线的数字签名算法和PBFT作为共识机制。服务提供商的数据存储在私有区块链中，确保交易的不可篡改记录。报告的结果表明，该方法提供了针对多种类型攻击的保护，包括MITM、会话劫持、重放、冒充、特权内部人员、密钥托管、侧信道和伪造攻击等。
文献[92]提出了一种基于区块链的方法，用于在DoS攻击下的智能电网负荷频率控制（LFC）。当DoS攻击针对通信信道时，控制信号交换的中断可能导致频率稳定性恶化。所提出的解决方案依赖于使用PoW算法的私有区块链来存储控制数据的副本，并在攻击期间支持恢复有效信息。区块链与经典PI控制和H-infinity控制器相结合。报告的结果表明，所提出的区块链-H-infinity方法在保护LFC系统免受DoS攻击方面优于传统控制器。
文献分析表明，区块链可以支持通信记录的重放和问责性。然而，应当指出，它不能维持断开的信道，也不能替代认证或会话保护。综合所综述的文献[90,91,92]，以下区块链应用与智能电网网络安全尤为相关：
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通过记录经过认证的读数、交易或控制命令来支持通信安全和问责性；
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确保测量数据和交易在区块链上的持久且防篡改的存储；
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存储经批准的控制数据副本，以支持DoS和DDoS攻击后的记录恢复。
5.5. 隐私与敏感数据保护
隐私和敏感数据保护是实施智能电网概念的关键挑战。通过网络传输的信息，例如关于能源消耗或所用设备类型的信息，为用户画像创造了可能性。在保持数据可用性和网络效率的同时保护能源消耗画像仍然具有挑战性，尤其是在智能电表资源有限的情况下。
文献[94]提出了一种用于智能电网的基于区块链的隐私保护数据聚合方案。特别是，所提出的方法能够在保持操作的同时，即使在影响某些智能电表或服务器的故障情况下，也能对计量数据进行隐私保护聚合。电表读数使用随机数进行掩码，以防止在聚合过程中泄露个人消耗画像。此外，使用了沙米尔阈值秘密共享方案，该方案支持即使某些智能电表不传输数据或某些服务器不可用时也能运行。而区块链用于分布式数据存储，降低了单点故障（SPoF）或攻击风险。实施使用了Java和Python编程语言、matplotlib和numpy库以及Flask框架等。区块链在Hyperledger Fabric环境中使用Raft共识机制实现。所综述研究的结果表明，所提出的方法可以保护智能电表数据的隐私，同时即使在部分电表或服务器发生故障或受到攻击时也能保持正确的聚合。
文献[95]提出了一种将用户隐私保护与智能电网及电动汽车在车到网（V2G）场景中的安全认证相结合的方法。所提出的方法假设区块链网络内有四个实体运行，即监管者、智能电网、持有者和验证者。该研究利用了去中心化标识符、零知识证明（ZKP）和Pedersen承诺等技术。研究结果表明，在增强智能电网隐私方面具有显著潜力。特别是，用户可以使用难以与其真实身份关联的匿名标识符。
研究[96]开发了一种结合机器学习和区块链的安全点对点（P2P）能源交易方法。在其他元素中，该研究提出了一种用于联邦零知识机器学习（ZKML）的动态时间序列聚类算法。在所提出的方法中，ML模型计算在链下执行，只有证明结果正确性的零知识证明被提交到区块链，从而保护用户数据。还开发了一个智能合约来验证ZKML证明，确认模型推理的正确性而不泄露私有输入数据。结果表明，所提出的方法提高了P2P交易参与者的隐私性，同时保持验证操作的能力。
文献分析表明，区块链与额外的密码机制相结合，可以在保护智能电网隐私方面发挥重要作用。所综述的研究[94,95,96]表明，基于区块链的方法可以特别支持：
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在不披露个人消耗画像的情况下聚合测量数据；
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在保留监督恶意活动能力的同时实现身份匿名化；
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在能源交易中进行可验证推理，而无需将原始数据发布到区块链上。
6. 区块链在智能电网中实施的障碍与限制
尽管存在上述网络安全应用，文献仍指出了与在智能电网环境中实施区块链相关的若干障碍和限制。特别是，指出与区块链技术相关的挑战源于交易吞吐量、可扩展性和共识协议的能源需求等。综合关于该主题的文献，可以列出以下障碍和限制：
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可扩展性：有限的交易吞吐量可能与区块链技术的可扩展性问题有关。区块链提供了高防篡改性，但伴随着相对较高的延迟。智能电网涉及众多分布式组件，产生大量事件和数据。随着智能电网组件数量的增加，区块链的吞吐量和延迟可能因此变得不足以满足准实时要求的系统。文献还指出，存储原始数据和执行实时控制不适合链上处理。因此，用于智能电网的区块链解决方案
