雷電網(wǎng)絡(luò)在電動(dòng)汽車充電交易中的技術(shù)前景

李剛, 黃奕敏, 鄭顧平, 周國亮

(1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北省保定市 071003；2國網(wǎng)冀北電力有限公司技能培訓(xùn)中心，河北省保定市071051)

0 引 言

隨著電力信息物理系統(tǒng)(cyber physical power system, CPPS)概念的逐步清晰，智能電網(wǎng)及能源互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)施架構(gòu)也在快速向前推進(jìn)。CPPS是一個(gè)深度融合了物理網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的多維異構(gòu)系統(tǒng)，旨在通過傳感監(jiān)測設(shè)備、信息通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)支撐，促進(jìn)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。電動(dòng)汽車(electric vehicle, EV)作為未來新能源汽車的主要組成部分，在未來的CPPS中將發(fā)揮重要的作用，其與配電系統(tǒng)之間的相互作用，可以被認(rèn)為是典型的信息物理融合(CPS)過程[1]。電動(dòng)汽車在促進(jìn)電力終端能源消費(fèi)的同時(shí)，也給電力系統(tǒng)增加了海量的交易信息，對這些交易信息的管理，無疑增加了運(yùn)維難度和成本。因此，須尋求一種相對高效、可靠、低成本的電動(dòng)汽車充/放電交易信息管理體系。

一般來說，電動(dòng)汽車包含“車”(電動(dòng)汽車)與“樁”(充電樁)2個(gè)層面。對于電動(dòng)汽車來講，充/放電方便、續(xù)航里程遠(yuǎn)是其主要目標(biāo)；對于充電樁來說，用戶體驗(yàn)良好、利用率高、結(jié)算交易便捷是其主要目標(biāo)[2]。而就目前來講，由于公共服務(wù)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異等方面因素，在電動(dòng)汽車與充電樁運(yùn)營商之間的管理、銜接上還有較大技術(shù)進(jìn)步空間。如果引入中心機(jī)構(gòu)來管理充電樁的布局和充電交易信息，雖然有助于改善現(xiàn)狀，但須額外增加人力資源等方面的成本，同時(shí)還會(huì)增加與銀行等第三方金融機(jī)構(gòu)進(jìn)行頻繁的信息核準(zhǔn)等管理成本。并且，中心機(jī)構(gòu)掌握市場的所有交易信息，用戶的隱私信息存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，例如，可能存在利用中心權(quán)力損害參與者利益的情況[3]等。區(qū)塊鏈(block chain)技術(shù)在最近幾年受到國內(nèi)外普遍關(guān)注，主要原因在于其具有強(qiáng)大的弱中心化、去信任、不易篡改等特征，在金融交易、跨地區(qū)跨行業(yè)管理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[4]。

鑒于此，本文將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到電動(dòng)汽車與充電樁的交易管理過程中，借助智能合約機(jī)制，靈活高效地實(shí)現(xiàn)交易，完成價(jià)值轉(zhuǎn)換，解決交易雙方之間的信任問題。其中，充電樁主可以通過提供充電服務(wù)獲得收益，電動(dòng)車主可以通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)方便地尋找到可用充電樁充電，并且雙方無須為第三方提供額外費(fèi)用。另外，由于大規(guī)模充電樁與用戶的頻繁加入，交易信息會(huì)海量增加，短時(shí)間內(nèi)的交易量會(huì)很多，且為小額交易，而區(qū)塊鏈因本身區(qū)塊的限制和達(dá)成共識(shí)的要求，無法短時(shí)間內(nèi)處理完這些交易信息，會(huì)造成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的擁堵問題。因此，需要一種能提高交易處理能力的擴(kuò)容方式，例如，分片技術(shù)或者狀態(tài)通道技術(shù)。其中，狀態(tài)通道技術(shù)在處理交易速度、費(fèi)用、安全和隱私方面，可以達(dá)到大規(guī)模商用的指標(biāo)要求，而雷電網(wǎng)絡(luò)(raiden network)就是狀態(tài)通道技術(shù)的典型代表，通過雷電網(wǎng)絡(luò)達(dá)成的交易過程不會(huì)被記錄，能更好地保護(hù)用戶的隱私，同時(shí)還能增加網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。因此，本文提出將雷電網(wǎng)絡(luò)引入到電動(dòng)汽車充電交易區(qū)塊鏈中，促使該過程更好地實(shí)現(xiàn)及時(shí)支付、降低交易費(fèi)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)展性、保護(hù)隱私等。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

從技術(shù)上來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間序列將數(shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式來保障的不可篡改、不可偽造的分布式賬本。

1.1 區(qū)塊鏈交易的基本特征

區(qū)塊鏈中的各項(xiàng)交易組成區(qū)塊，并形成一個(gè)確定順序的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，所以形象地稱為“區(qū)塊鏈”，區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)區(qū)塊包含塊頭和塊體。其中，區(qū)塊頭包含了前一塊的區(qū)塊識(shí)別號(hào)、區(qū)塊大小、版本號(hào)、父區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、隨機(jī)數(shù)、目標(biāo)哈希值(Hash)和Merkle根等[5]。

圖1 區(qū)塊鏈基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of blockchain

基于區(qū)塊鏈交易的優(yōu)勢之一在于其具有互操作性。基于“共識(shí)”的驗(yàn)證機(jī)制，使區(qū)塊鏈沒有易受攻擊的單一故障點(diǎn)；“弱中心化”使區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中沒有強(qiáng)制性的控制中心，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是平等的，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)備份數(shù)據(jù)。因此，如果單一節(jié)點(diǎn)受到攻擊或出現(xiàn)異常，并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行[6]。

1.2 區(qū)塊鏈交易的關(guān)鍵支撐技術(shù)

共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈重要的組成部分，是社區(qū)用戶對任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的一致性保障。共識(shí)機(jī)制與信任建立、酬勞分配等機(jī)制緊密相關(guān)，已成為區(qū)塊鏈技術(shù)必不可少的安全要素之一[7]。常見的共識(shí)機(jī)制有多種，例如，比特幣中使用的工作量證明(proof of work, PoW)，它依賴于機(jī)器的算力，因其屬于計(jì)算密集型機(jī)制，所以會(huì)消耗大量的電力，性能較低，容錯(cuò)率為允許全網(wǎng)50%節(jié)點(diǎn)出錯(cuò)；權(quán)益證明(proof of stake, PoS)用以代替工作量證明，一定程度上可以減少數(shù)學(xué)運(yùn)算帶來的資源消耗，但依然是基于哈希運(yùn)算競爭獲取記賬權(quán)的方式，可監(jiān)管性較弱；委任權(quán)益證明(delegated proof of stake, DPoS)由節(jié)點(diǎn)中的N個(gè)“見證人”來負(fù)責(zé)區(qū)塊的驗(yàn)證和記賬，“見證人”由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)投票產(chǎn)生，較好地解決了上述兩種共識(shí)算法在交易時(shí)的性能問題[8]。

鏈上節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)后，會(huì)由獲得記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)廣播其生成的區(qū)塊，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)則對這個(gè)區(qū)塊上的交易記錄進(jìn)行確認(rèn)，并將區(qū)塊接上區(qū)塊鏈，這些交易記錄都將記錄在主鏈上，即為“鏈上交易”。就比特幣而言，從支付成功到得到6個(gè)區(qū)塊的確認(rèn)后才能真正到賬，且每個(gè)區(qū)塊的生成時(shí)間約為10 min，這大大影響了交易速度，但如果通過壓縮區(qū)塊的生成時(shí)間來提高交易速度(比如壓縮為1 min)，是不太可能的。這是因?yàn)樯傻膮^(qū)塊須向全網(wǎng)廣播，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到該區(qū)塊信息是有時(shí)間差的，這就會(huì)導(dǎo)致有些節(jié)點(diǎn)還沒有收到這個(gè)區(qū)塊的信息，就已經(jīng)有新的區(qū)塊生成，于是就會(huì)先接收到這個(gè)新區(qū)塊的信息，這就容易產(chǎn)生分叉，不利于區(qū)塊鏈的維護(hù)，同時(shí)10 min的時(shí)間限制也在一定程度上保證了公平性，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在記錄了生成的區(qū)塊后，一同開始新的競爭。雖然通過擴(kuò)大每個(gè)塊的容量有助于增加記錄的條數(shù)，但會(huì)增加共識(shí)的時(shí)間成本，甚至要調(diào)整共識(shí)算法，并有可能浪費(fèi)區(qū)塊空間(如空塊)，而把交易拿到鏈外來進(jìn)行(即只把最終結(jié)果記錄到鏈上)，就可以解決交易速度的問題，也節(jié)省了區(qū)塊空間。于是就有了在鏈下交易(鏈外進(jìn)行)的設(shè)想，即“鏈下交易”的提出，如比特幣的“閃電網(wǎng)絡(luò)(lightning network)”和以太坊的“雷電網(wǎng)絡(luò)”，兩者都是通過在鏈下搭建支付通道，交易雙方都凍結(jié)一定量的資金到通道中，只要通道存在，就可以進(jìn)行頻繁、高效的交易。通過余額證明保證雙方的資金轉(zhuǎn)移都能達(dá)成；當(dāng)通道關(guān)閉時(shí)，智能合約會(huì)把最終交易結(jié)果廣播到區(qū)塊鏈上，并記錄到區(qū)塊中。

2 狀態(tài)通道技術(shù)——雷電網(wǎng)絡(luò)

2.1 技術(shù)原理

雷電網(wǎng)絡(luò)是以太坊鏈下擴(kuò)容的社區(qū)方案，其關(guān)鍵技術(shù)與閃電網(wǎng)絡(luò)相近，但有所改變。雷電網(wǎng)絡(luò)使用“序列到期可撤銷合約(recoverable sequence maturity contract, RSMC)”和“智能條件(smart condition, SC)”來實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)賬(smart transfers, ST)。交易雙方只要在鏈下存在交易通道，就能夠基于被鎖定的余額，在鏈下進(jìn)行高頻、雙向的確認(rèn)交易，多個(gè)通道下的支付路徑就構(gòu)成了雷電網(wǎng)絡(luò)。其中，RSMC通過以下3條規(guī)則確定雷電網(wǎng)絡(luò)的基本工作方式：

(1)通道中的余額分配方案要雙方簽名認(rèn)證才合法，并且可以通過提交這個(gè)余額分配方案去提現(xiàn)。

(2)交易的任意一方在任何時(shí)候都可以提出提現(xiàn)申請，提現(xiàn)須提供帶有雙方簽名的分配方案(如方案A)。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，如果另一方提出證據(jù)表明這個(gè)方案不是最新的余額分配方案，則通道中的資金會(huì)罰給證明成功的另一方，這樣就保證了交易雙方都不會(huì)拿一個(gè)舊的余額分配方案來提現(xiàn)，不然就會(huì)失去通道中屬于自己的資金。

(3)首先提出提現(xiàn)要求的一方，資金到賬時(shí)間要晚于對方，原因在于他須等待鏈上再有若干個(gè)區(qū)塊(如1 000個(gè))被確認(rèn)后[9]，通道上的資金才會(huì)到賬，而在等待期間，這筆資金是不能用來交易的，這是為了鼓勵(lì)交易雙方盡可能采用鏈外交易。

智能轉(zhuǎn)賬可接受任何形式的報(bào)文為參數(shù)，執(zhí)行后對支付通道上的余額進(jìn)行調(diào)整。智能轉(zhuǎn)賬能夠根據(jù)智能合約中可讀取的條件進(jìn)行結(jié)算，提供比“哈希時(shí)間鎖定合約(hashed time lock contract, HTLC)”更為豐富的功能，如支持預(yù)測市場、期貨等條件，實(shí)現(xiàn)更為豐富的應(yīng)用[9]。實(shí)現(xiàn)HTLC的基本原理為智能合約，即轉(zhuǎn)賬雙方約定先凍結(jié)一筆資金，并提供一個(gè)哈希值，如果在一定時(shí)間內(nèi)有人能夠提出一個(gè)哈希值與已知哈希值相匹配的字符串，則資金就可以由該方接收。

2.2 雷電網(wǎng)絡(luò)與閃電網(wǎng)絡(luò)的對比

不同于閃電網(wǎng)絡(luò)基于多重簽名地址建立支付通道的方式，雷電網(wǎng)絡(luò)是通過智能合約來完成的。在通道運(yùn)行期間，智能合約代持雙方的代幣，在通道關(guān)閉時(shí)根據(jù)帶有雙方簽名的余額證明來更新鏈上的分配方案。在這里智能合約以托管的形式持有代幣，并規(guī)定了共享規(guī)則。閃電網(wǎng)絡(luò)中HTCL的解鎖取決于到期的時(shí)間以及收款人能否出示正確的哈希值[10]。HTCL的密鑰(Secret)一般是由接收者提供給付款人的，所以會(huì)存在這樣一種情況：即轉(zhuǎn)賬過程中，付款人可能會(huì)臨時(shí)更改支付通道，或者支付路徑中的中間者斷線，在時(shí)間鎖到期的時(shí)間內(nèi)，接收者就有可能和中間者合謀，通過給予中間人Secret，致使轉(zhuǎn)賬人損失代幣。

雷電網(wǎng)絡(luò)通過構(gòu)建“重試哈希鎖(retry hashlock)”、“收據(jù)哈希鎖(receipt hashlock)”和“時(shí)間鎖(time lock)”3種鎖的組合來解決這種問題。若要在到期前解鎖這筆轉(zhuǎn)賬，就必須重試哈希鎖和收據(jù)哈希鎖的2個(gè)Secret，可稱之為SecretR和SecretE。其次，雷電網(wǎng)絡(luò)中的余額分配報(bào)文中增加了“序號(hào)字段”和“等待字段”以便識(shí)別作廢的報(bào)文[9]，即如果交易的其中一方(例如A)向鏈上提交更新余額的報(bào)文后存在等待期，在等待期中如果有序號(hào)更新的報(bào)文提交，那么A將受到懲罰(一般是罰沒A在通道中鎖定的資金)。

2.3 雷電網(wǎng)絡(luò)中的智能合約

智能合約是一段被部署在分布式賬本上的代碼，可以對接收到的外界信息進(jìn)行回應(yīng)或?qū)Y產(chǎn)進(jìn)行控制，智能合約的概念模式[11]如圖2所示。區(qū)塊鏈提供了智能合約實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，進(jìn)而增加了自身的靈活性和操作性。在雷電網(wǎng)絡(luò)中，主要是用來制定通道運(yùn)作的共享規(guī)則、托管通道中的資金、解決規(guī)則中的爭議、通過雙方都簽名的余額證明更新鏈上的余額。

圖2 智能合約與區(qū)塊鏈結(jié)合的概念模式Fig.2 Conceptual model of the combination of smart contracts with block chain

2.4 中介轉(zhuǎn)賬機(jī)制

雷電網(wǎng)絡(luò)和閃電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建圖如圖3所示。雷電網(wǎng)絡(luò)下的轉(zhuǎn)賬機(jī)制如圖3(a)所示，A與B之間可能不存在直接聯(lián)系，所以會(huì)通過C和D等中介構(gòu)建通道。

由圖3(a)可以看出，若要實(shí)現(xiàn)由A向B轉(zhuǎn)賬：

(1) B首先發(fā)送1個(gè)收據(jù)哈希鎖(receipt hashlock)給A，同時(shí)自己也保留SecretE密鑰；

(2) A使用收據(jù)哈希鎖(receipt hashlock)和重試哈希鎖(retry hashlock)構(gòu)造給C的轉(zhuǎn)賬鎖，A同時(shí)保留SecretR；

(3) C同樣用收據(jù)哈希鎖(receipt hashlock)和重試哈希鎖(retry hashlock)構(gòu)造給D的轉(zhuǎn)賬，D利用同樣的方式向B構(gòu)建轉(zhuǎn)賬；

(4) A確認(rèn)以上轉(zhuǎn)賬構(gòu)建完成后，向B提供SecretR；

(5) B向D出示SecretR和SecretE，解鎖轉(zhuǎn)賬，就可獲得資金；

圖3 雷電網(wǎng)絡(luò)和閃電網(wǎng)絡(luò)通道構(gòu)建技術(shù)對比Fig.3 Techniques comparison of two network channel construction

(6) D用同樣的方法向C出示SecretR和SecretE后獲得資金，相同的方式C也可以獲得資金。

上述使用的組合鎖機(jī)制，能夠保證在A不提供SecretR的情況下，B不能在轉(zhuǎn)賬中途向轉(zhuǎn)賬中介C、D提供Secret，以免A遭受資金損失，這是相較于閃電網(wǎng)絡(luò)而言的。閃電網(wǎng)絡(luò)中是由B向A提供Secret[9]，但是在交易過程中，A可能會(huì)重新構(gòu)建通道與B進(jìn)行交易，但是因?yàn)闀r(shí)間鎖的原因，通道中的資金還存在，所以B可以和C、D合謀，例如B向C提供Secret，那么就會(huì)造成A資金的損失，例如圖3(b)中所示。

3 雷電網(wǎng)絡(luò)在充電樁共享經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用方案

3.1 方案框架

基于上述討論，本文提出采用雷電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)鏈下交易的充電樁共享經(jīng)濟(jì)方案，該方案框架如圖4所示，即通過以太坊平臺(tái)搭建區(qū)塊鏈交易網(wǎng)絡(luò)，利用雷電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)弱中心化、去信任、用戶隱私安全、交易速度大大提升的電動(dòng)汽車充/放電交易方案，從而可以節(jié)省管理費(fèi)用并實(shí)現(xiàn)充電樁高效共享。

在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以是運(yùn)營商的充電樁、用戶、小區(qū)的共享充電樁或是商場門口的充電樁等[12]。

圖4 方案框架圖Fig.4 Framework of the program

用戶與充電樁之間通過智能合約構(gòu)建出一條雷電網(wǎng)絡(luò)的支付通道，或者通過中介實(shí)現(xiàn)支付通道，然后雙方在通道上存放一定的資金，形成余額證明，并且只有交易雙方才能訪問支付通道中的資金。智能合約在這里主要起2個(gè)方面的作用：(1)控制區(qū)塊鏈中的資產(chǎn)密鑰，提供用戶與充電樁之間認(rèn)同的規(guī)則即合同，促成交易雙方合同的執(zhí)行；(2)構(gòu)建雷電網(wǎng)絡(luò)中的微支付通道、實(shí)現(xiàn)資金在鏈外的轉(zhuǎn)移，即鏈下交易，保存交易雙方凍結(jié)的資金，當(dāng)微支付通道關(guān)閉時(shí)對資金進(jìn)行分配，同時(shí)把結(jié)果廣播到鏈上。

3.2 使用流程

本文所述方案的使用流程如圖5所示。區(qū)塊鏈中的每一個(gè)用戶都可以通過類似于分布式應(yīng)用(decentralized application, DApp)的移動(dòng)終端(如區(qū)塊鏈客戶端)搜索附近可以使用的充電樁并預(yù)定充電服務(wù)，當(dāng)用戶與充電樁達(dá)成交易意向后，用戶的電動(dòng)汽車便可以通過充電樁進(jìn)行充/放電服務(wù)。與此同時(shí)，區(qū)塊鏈上的智能合約會(huì)計(jì)算電動(dòng)汽車的充/放電電量及費(fèi)用[13]，然后根據(jù)該費(fèi)用凍結(jié)雙方的交易資金(交易資金額大于充/放電費(fèi)用)，并存放在支付通道上。

在充/放電過程中，智能合約會(huì)通過實(shí)時(shí)電價(jià)，計(jì)算出用戶此次充/放電的實(shí)際費(fèi)用，根據(jù)共享的規(guī)則，重新分配凍結(jié)資金，即資金到賬，在這個(gè)重新分配的過程中不依賴于區(qū)塊時(shí)間、礦工花費(fèi)的時(shí)間、交易從等待到被撿起并記錄的時(shí)間。在多次交易結(jié)束并要關(guān)閉通道時(shí)，根據(jù)帶有雙方簽名的余額證明，在鏈上更新余額分配。在這個(gè)過程中，用戶和充電樁擁有者可以在鏈下(即雷電網(wǎng)絡(luò)中)進(jìn)行高頻率小額交易，同時(shí)減少鏈上負(fù)擔(dān)。

圖5 使用流程圖Fig.5 Use of flow chart

3.3 用戶與充電樁的鏈下交易流程

本文所提方案的鏈下交易流程如圖6所示，即用戶A與充電樁B的持有者進(jìn)行的鏈下交易流程，可通過C、D這兩個(gè)支付通道中介完成資金轉(zhuǎn)移。

圖6 鏈下交易流程圖示例Fig.6 Example of transaction flow chart

由圖6可見，通過使用組合鎖的方式，由智能合約構(gòu)建鏈下交易通道，當(dāng)A確認(rèn)交易通道構(gòu)建好后，資金開始轉(zhuǎn)移。在構(gòu)建交易通道時(shí)，A會(huì)向C設(shè)置一個(gè)時(shí)間鎖(time lock)，控制收據(jù)哈希鎖(receipt hashlock)和重試哈希鎖(retry hashlock)的到期時(shí)間。若到了截止時(shí)間，通道中的資金還沒轉(zhuǎn)移，則資金返還給A；同理，C向D、D向B都會(huì)進(jìn)行相同的設(shè)置。以圖6為例，當(dāng)B向D出示SecretR和SecretE時(shí)，就可以解鎖轉(zhuǎn)賬，并獲得0.070個(gè)以太幣，同時(shí)更新余額證明。D會(huì)以同樣的方式向C獲得0.071個(gè)以太幣，C向A獲得0.072個(gè)以太幣，中間的差額即是C和D獲得的服務(wù)費(fèi)，而這個(gè)差額是由C和D這2個(gè)通道參與者設(shè)定的。自由競爭的市場中，由于每個(gè)參與者提供微支付通道的成本較低，通過激烈的競爭，收費(fèi)將比線上交易的收費(fèi)低很多。

這些眾多的組合鎖協(xié)議、智能合約所代表的支付通道及其所關(guān)聯(lián)的路由，就構(gòu)成了雷電網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)越來越多的節(jié)點(diǎn)加入、更多的通道被創(chuàng)建時(shí)，就形成一個(gè)高效而復(fù)雜的雷電網(wǎng)絡(luò)。

4 算例分析

4.1 用戶賬戶設(shè)置

根據(jù)本文所提方案，算例中將用戶類型設(shè)置為完備型、輕量型、普通型。普通型用戶將通過移動(dòng)應(yīng)用搜索到網(wǎng)絡(luò)中可用的充電樁信息，包括其擁有者、充電樁的位置等。在這里將客戶端分為3種，如下詳述。

(1)完備型客戶端：存儲(chǔ)鏈上的所有交易信息，這類客戶端主要為運(yùn)營公司的充電樁，小區(qū)充電樁使用；

(2)輕量型客戶端：不保存交易記錄，交易時(shí)須向其他交易節(jié)點(diǎn)查詢，這類客戶端主要為小區(qū)充電樁和私人商店的充電樁使用；

(3)在線客戶端：登錄網(wǎng)頁，訪問第三方服務(wù)器，這類客戶端主要為移動(dòng)用戶使用。

在線客戶通過移動(dòng)端登錄以太坊平臺(tái)，進(jìn)入到交易網(wǎng)絡(luò)中，這時(shí)通過P2P通道向全網(wǎng)廣播，請求在線的充電樁提供它們的位置信息和擁有者信息。這樣，用戶就可以選擇可用充電樁，并預(yù)定充/放電服務(wù)，預(yù)定成功后會(huì)獲得充電樁提供的動(dòng)態(tài)密碼，待充電時(shí)充電樁便以此確認(rèn)是否為預(yù)定服務(wù)的客戶，同時(shí)約定多長時(shí)間內(nèi)會(huì)開始啟用充/放電服務(wù)。充電樁會(huì)在啟用時(shí)間內(nèi)禁止被使用[14]。在這里，可以設(shè)定預(yù)約時(shí)間S最長為20 min，因?yàn)闀r(shí)間太長會(huì)導(dǎo)致充電樁被無效占用，太短則用戶沒有足夠的時(shí)間到達(dá)充電樁處。當(dāng)用戶到達(dá)充電樁處的耗時(shí)S1

4.2 雷電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)電動(dòng)汽車A到達(dá)充電樁B的位置時(shí)，向充電樁提供動(dòng)態(tài)密碼，充電樁B確認(rèn)密碼匹配后，雙方直接建立支付通道，如圖7所示，或者電動(dòng)汽車A到達(dá)充電樁E的位置時(shí)，A與E通過中介來建立支付通道，這里所說的中介是由充電樁構(gòu)成的，如圖7中的B、C、D。由于充電樁在線率較高，充當(dāng)中介角色比較穩(wěn)定。

圖7 雷電網(wǎng)絡(luò)通道圖Fig.7 Channel diagram of raiden network

在通道啟動(dòng)期間，A和B的一部分資金會(huì)存放在通道中，兩者之間的交易就是通道中資金的轉(zhuǎn)移，同時(shí)生成帶有兩者簽名的余額證明。當(dāng)A與網(wǎng)絡(luò)中的充電樁在多次充電交易達(dá)成后想要關(guān)閉通道，提取存款，只要提供最新的余額證明，并等待充電樁確認(rèn)即可；若充電樁沒有及時(shí)確認(rèn)(超時(shí)保證)，則以用戶A提供的證明來確定余額，如圖8所示。

4.3 交易記錄

在以太坊中，區(qū)塊的交易數(shù)據(jù)一旦確定下來就不會(huì)發(fā)生變化，但是狀態(tài)數(shù)據(jù)卻會(huì)經(jīng)常發(fā)生改變。以太坊中的狀態(tài)樹以MPT(merkle patricia trees)通過鍵值映射的方式記錄數(shù)據(jù)，其中鍵是地址，值的內(nèi)容可以是聲明、余額、隨機(jī)樹、代碼。狀態(tài)樹如圖9所示，其節(jié)點(diǎn)包含擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)、葉子節(jié)點(diǎn)、分支節(jié)點(diǎn)，并顯示有4個(gè)賬戶的余額狀態(tài)。

在鏈下交易達(dá)成時(shí)，會(huì)要求提供余額分配證明，余額顯示的是雙方余額的凈增減，見表1。在鏈下交易中實(shí)現(xiàn)的是小額交易，因?yàn)橹麈溕系慕灰资切栀M(fèi)用的，大量的小額交易放到鏈下可以節(jié)省該費(fèi)用，而如果是大額交易的話，難以確保交易通道中的所有節(jié)點(diǎn)都有相應(yīng)的金額支持。

表1 余額變化Table 1 Change in balance

圖8 余額轉(zhuǎn)移過程Fig.8 Balance transfer process

PrevBlockHash: 上一區(qū)塊頭的哈希值 Nonce：工作量證明隨機(jī)數(shù) StateRoot：狀態(tài)樹根 TxRoot: 交易樹根ReceiptsRoot: 收據(jù)樹根 Key-prefix：鍵-前綴 Key-end：鍵-結(jié)束 Value：值圖9 狀態(tài)樹Fig.9 State Tree

4.4 交易性能分析

現(xiàn)實(shí)中的交易系統(tǒng)會(huì)涉及到交易速度、吞吐量、交易費(fèi)用等問題，在這里也會(huì)進(jìn)行相關(guān)的討論。就比特幣而言，比特幣區(qū)塊鏈大約10 min產(chǎn)生一個(gè)1 MB大小的區(qū)塊，每塊的塊頭占80字節(jié)，每個(gè)交易約250字節(jié)，1 MB的區(qū)塊中的交易約有4 096筆交易，交易吞吐量O的計(jì)算公式為

O=N/C

(1)

式中：N為交易數(shù)量；C為記賬周期。

由式(1)可知，區(qū)塊鏈的吞吐量約為4096/600筆/s≈6.83筆/s。

交易確認(rèn)時(shí)間T的計(jì)算公式為

T=CG

(2)

式中G為大概率確認(rèn)有效性的區(qū)塊。

由式(2)可知，比特幣的交易速度(交易確認(rèn)時(shí)間)平均為1 h。區(qū)塊鏈中的交易費(fèi)用跟轉(zhuǎn)賬金額無關(guān)，按字節(jié)收費(fèi)，就比特幣而言，每筆手續(xù)費(fèi)為 0.000 1～0.000 5 個(gè)比特幣[15]。所以，如果一筆交易中同時(shí)轉(zhuǎn)賬給多個(gè)比特幣地址，則這筆交易所占字節(jié)數(shù)會(huì)更大，也就要付更多的交易費(fèi)。如果交易費(fèi)用設(shè)置得太低，那么等待交易確認(rèn)的時(shí)間會(huì)很長，因?yàn)榈V工會(huì)根據(jù)交易費(fèi)的高低排序，優(yōu)先處理費(fèi)用較高的，而雷電網(wǎng)絡(luò)中，隨著用戶數(shù)量的持續(xù)提升，雷電網(wǎng)絡(luò)規(guī)模會(huì)持續(xù)增大，整體的吞吐量也會(huì)持續(xù)增大，即實(shí)際上不再存在任何可見的上限。通過雷電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)賬可以像網(wǎng)上發(fā)送消息一樣，快速地實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收和確認(rèn)轉(zhuǎn)賬。如果兩者之間直接建立支付通道，那么只是在通道創(chuàng)立和關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生交易費(fèi)用，之后發(fā)生在雙方間的交易不再產(chǎn)生交易費(fèi)用；但如果是通過中介實(shí)現(xiàn)，則交易費(fèi)用主要由中介費(fèi)用(傭金或者說激勵(lì))構(gòu)成，多筆小額交易并且總金額相同的情況下，交易費(fèi)用將低于鏈上交易費(fèi)用幾個(gè)數(shù)量級(jí)。鏈上、鏈下的交易速度、吞吐量、費(fèi)用對比見表2。

表2 鏈上、鏈下交易對比Table 2 Comparison of transaction on/off blackchain

5 結(jié) 論

在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展以及區(qū)塊鏈技術(shù)備受矚目的背景下，本文提出借助雷電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建電動(dòng)汽車與充電樁之間交易的商業(yè)模式，即利用以太坊中的雷電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鏈下交易。

通過區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)，讓全網(wǎng)能夠自主交易、維護(hù)和管理交易資金，同時(shí)能夠解決支付方式各異、充電樁稀缺難尋等行業(yè)痛點(diǎn)。雷電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用避免了區(qū)塊共識(shí)的瓶頸，通過交易通道解決交易速度、費(fèi)用、安全、隱私等問題。本文研究成果有望促進(jìn)區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)(internet of things, IoT)支付、微支付等場景中的應(yīng)用。