基于區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)安全技術研究

江蘇電力交易中心有限公司、江蘇省國信集團有限公司 張 鵬

區(qū)塊鏈作為一種新型分布式賬本技術，具有去中心化、不可篡改、透明等特點，在電力交易領域具有廣闊的應用前景。本文在總結區(qū)塊鏈電力交易相關技術的基礎上，提出基于區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)的總體框架，重點分析交易安全防護技術，討論了去中心化賬本設計、智能合約和加密算法的應用，以期為區(qū)塊鏈技術在電力交易領域的應用提供借鑒。

1 基于區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)總體框架

基于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)采用了分層架構，由用戶界面層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層組成，以滿足高效、安全和靈活的交易需求。用戶界面層通過圖形化界面與用戶交互，收集交易需求并反饋結果，提供了良好的用戶體驗。業(yè)務邏輯層則負責所有與電力交易相關的核心功能，如交易匹配算法和成功或失敗后的操作通知。數(shù)據(jù)訪問層負責與后端數(shù)據(jù)庫交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久性和一致性。系統(tǒng)采用API 和微服務架構以增強不同層之間的數(shù)據(jù)流和模塊獨立性，確保了高度的可擴展性和可維護性[1]。

為了實現(xiàn)交易的安全性和公平性，系統(tǒng)包括多個關鍵功能模塊。用戶認證模塊采用多因素認證機制，包括用戶名、密碼和一次性動態(tài)口令，從而防止未授權訪問和惡意攻擊。電力交易模塊通過復雜的算法和實時數(shù)據(jù)分析，自動匹配買賣雙方并使用基于區(qū)塊鏈的智能合約來自動執(zhí)行交易。數(shù)據(jù)存儲模塊使用分布式數(shù)據(jù)庫和備份機制，確保了數(shù)據(jù)的可靠性和持久性。安全模塊則包括數(shù)據(jù)加密和安全審計，所有網絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經過加密，而審計功能通過記錄所有系統(tǒng)活動提供了潛在的安全威脅檢測。

2 基于區(qū)塊鏈的電力交易機制

2.1 區(qū)塊鏈基本原理

區(qū)塊鏈是一種去中心化的分布式賬本技術。其利用密碼學方法和共識機制，使得沒有中心化管理的節(jié)點能夠共同維護一個不可篡改的分布式賬本[2]。

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)存儲是去中心化的。網絡中的每一個節(jié)點都會維護一個完整的賬本副本。當有新交易發(fā)生時，交易信息并不會交給中心化的服務器，而是會廣播到整個網絡。網絡中的節(jié)點會使用密碼學算法對交易進行驗證。驗證通過的交易會被打包到一個區(qū)塊中，每個區(qū)塊包含該時間段內的多筆交易。新生成的區(qū)塊需要通過共識算法才能被確認并添加到鏈上，共識算法能夠在分布式節(jié)點間建立信任。新增的區(qū)塊都包含前一個區(qū)塊的密碼學指紋，并按時間順序連成一條鏈。這種鏈式結構使得任何已被確認的交易都不可逆轉。

區(qū)塊鏈的開放透明特性使得任何節(jié)點都可以驗證交易，追蹤歷史記錄，并檢測任何非法活動。這保證了數(shù)據(jù)的可信任性、不可篡改性和可審計性。

2.2 去中心化賬本的設計

在區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)中，所有電力購買和出售的交易信息都可以存儲在Merkle 樹的葉子節(jié)點上。而樹中非葉節(jié)點包含的就是其子節(jié)點內容的數(shù)字指紋。這種結構具有以下兩個優(yōu)點：一是可以快速高效地驗證交易，重新計算和對比樹枝上哈希值即可；二是可以節(jié)省存儲空間，非葉節(jié)點只存儲哈希指紋，不存儲完整數(shù)據(jù)[3]。

此外，Merkle 樹還可以支持證明某個葉節(jié)點確實存在于這棵樹中。通過提供從該葉子節(jié)點到根節(jié)點的所有父區(qū)塊哈希值，可以重建路徑驗證數(shù)據(jù)存在性。這對區(qū)塊鏈電力交易具有重要意義，可以證明某筆交易的確已被記錄在區(qū)塊鏈賬本中（如圖1所示）。

圖1 Merkle 樹結構示意圖

假設有四筆交易T1，T2，T3和T4，每筆交易的哈希值分別用H（T1），H（T2），H（T3）和H（T4）表示，使用SHA-256作為哈希函數(shù)。接下來，這些哈希值會被配對并再次哈希：H12=SHA-256（H（T1）+H（T2）），H34=SHA-256（H（T3）+H（T4））。其中，+表示連接操作。接著，這些新生成的哈希值H12和H34再一次被配對并哈希，以生成根哈希或Merkle 根：

這個Merkle 根Hroot將存儲在區(qū)塊頭部，并作為該區(qū)塊所有交易的唯一標識符。由于Merkle 樹的這種結構，即使是一點點的數(shù)據(jù)篡改也會導致Merkle 根的改變，從而被系統(tǒng)檢測出來。通過這種方式，Merkle 樹結合了哈希函數(shù)SHA-256和數(shù)據(jù)結構，為去中心化賬本提供了一種高效而安全的驗證機制。這增強了系統(tǒng)的透明度和安全性，因為每個節(jié)點都有交易的完整記錄，并且任何不一致或篡改都能被迅速發(fā)現(xiàn)。

去中心化賬本的另一個重要特性是共識機制，如工作量證明（PoW）或權益證明（PoS），用于決定哪個節(jié)點有權添加新的區(qū)塊到鏈上。另外，為了進一步增加安全性，每個交易都會通過數(shù)字簽名進行驗證，數(shù)字簽名通常使用橢圓曲線加密（ECC）進行。綜上，去中心化賬本通過復雜的密碼學算法和共識機制，確保了交易的不可篡改性和系統(tǒng)的高透明度，是實現(xiàn)安全電力交易的關鍵技術基礎。

2.3 智能合約的應用

智能合約是自動執(zhí)行、自動執(zhí)行和自動化的合約。其實際上是一段存儲在區(qū)塊鏈上的程序代碼。這段代碼在滿足預定條件時自動執(zhí)行，從而自動化了合約的執(zhí)行過程，無須通過任何中介或第三方來進行人工審查或執(zhí)行。在電力交易中，智能合約能夠確保交易的透明性、安全性和自動化[4]。假設在一個基于區(qū)塊鏈的電力交易平臺上，消費者（買家）和電力公司（賣家）進行電力交易，可以設計智能合約來自動匹配買家和賣家，執(zhí)行交易，處理支付等。智能合約應用具體內容如下。

2.3.1 基本參數(shù)

Dbuyer：買家需求的電量（單位：kWh）；Pbuyer：買家愿意支付的最高價格（單位：元/kWh）；Dseller：賣家供應的電量（單位：kWh）；Pseller：賣家愿意賣出的最低價格（單位：元/kWh）。

2.3.2 觸發(fā)條件

智能合約會在以下條件滿足時觸發(fā)交易：C（Dbuyer，Dseller，Pbuyer，Pseller）=（Dbuyer ≤Dseller）&（Pbuyer ≥Pseller）。

2.3.3 轉賬函數(shù)

當觸發(fā)條件滿足時，智能合約會自動執(zhí)行轉賬：T（abuyer，aseller，V）=transfer（aseller，abuyer，V）。其中，abuyer：買家的區(qū)塊鏈地址；aseller：賣家的區(qū)塊鏈地址；V：交易金額，計算公式為V=Dbuyer×Pseller

2.3.4 算法流程

數(shù)據(jù)收集：收集所有買家和賣家的D和P；排序和匹配：按照P對買家和賣家進行排序。

2.3.5 交易執(zhí)行

對每一個買家，查找能滿足C的賣家；如果找到，執(zhí)行T進行電力和資金的轉移；更新賣家和買家的D和P參數(shù)；將所有成功的交易數(shù)據(jù)和轉賬信息記錄在區(qū)塊鏈上。智能合約執(zhí)行流程圖如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈智能合約執(zhí)行流程

圖3 RSA 算法實現(xiàn)流程

通過使用智能合約，電力交易系統(tǒng)不僅能確保交易的透明性和安全性，而且能大大提高交易效率。

3 交易系統(tǒng)安全防護技術

3.1 交易安全威脅分析

在基于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)中，盡管區(qū)塊鏈技術為交易安全提供了一定程度的保障，但仍存在若干潛在的安全威脅。主要威脅包括惡意節(jié)點攻擊、數(shù)據(jù)篡改和身份偽造。惡意節(jié)點攻擊包括對單個或多個節(jié)點的拜占庭式攻擊，該攻擊通過引入錯誤信息或拒絕服務來影響系統(tǒng)的正常運行。數(shù)據(jù)篡改涉及對鏈上存儲的交易記錄進行未經授權的修改，這會導致電力交易的不公平或誤導[5]。身份偽造是另一個重要威脅，攻擊者通過偽造身份參與交易，從而達到不正當獲取電力或資金的目的。這些威脅會導致交易不透明、電力價格波動甚至系統(tǒng)崩潰等多種不良影響，因此需要在系統(tǒng)設計階段就考慮到這些潛在威脅，并采取相應的防范措施。這包括對交易和用戶數(shù)據(jù)進行加密處理，以及實施嚴格的用戶認證機制。

3.2 加密算法應用

加密算法是區(qū)塊鏈技術中的關鍵組成部分，其確保了交易的安全性和不可篡改性。一種推薦的加密算法是RSA，其是一種非對稱加密算法，常用于數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名。RSA 的工作原理是基于兩個大質數(shù)的乘積的數(shù)學屬性，其有一個公鑰和一個私鑰。公鑰用于加密數(shù)據(jù)，而私鑰用于解密數(shù)據(jù)。

RSA 加密算法實現(xiàn)過程具體如下。一是密鑰生成。選擇兩個大質數(shù)p和q，這兩個質數(shù)應該是隨機選擇的，并且足夠大，以確保系統(tǒng)的安全性。計算n和φ（n）：

式中，n用作模數(shù)進行加密和解密操作，而φ（n）將用于生成公鑰和私鑰。選擇公鑰e：選擇一個公鑰e，使得e和φ（n）互質。計算私鑰d：e×d=1modφ（n）。這里，d可以通過擴展歐幾里得算法來高效地找到。二是加密和解密。明文M到密文C的加密過程：C=M^emodn。式中，明文M是想加密的信息，通過使用接收方的公鑰e和模數(shù)n，可以得到密文C。密文C到明文M的解密過程：M=C^dmodn。在這一步，接收方使用自己的私鑰d和模數(shù)n對密文C進行解密，以得到原始的明文M。

總的來說，RSA 算法的精確在于，由于e和d是一對模φ（n）乘法逆元，其可以相互“抵消”彼此的操作。這就是為什么 （M^e）^dmodn 等于M，從而完成了安全的加密和解密過程。使用RSA 算法不僅可以提高系統(tǒng)的安全性，還能確保交易的完整性和不可抵賴性，為電力交易系統(tǒng)提供了堅實的安全基礎。

4 結語

區(qū)塊鏈技術作為一種全新的分布式基礎架構與記賬技術，以其巧妙的技術設計和數(shù)據(jù)治理方式，能夠為多方協(xié)作提供信任基礎。運用區(qū)塊鏈技術建立電力交易系統(tǒng)，可以實現(xiàn)交易信息的可信記錄、用戶身份的可驗證、交易規(guī)則的自動執(zhí)行等功能，大幅提升了電力交易的安全性和公平性。本文的研究結果將為區(qū)塊鏈技術在電力行業(yè)的推廣應用提供理論依據(jù)和實踐指導。