基于區塊鏈的電力交易處理方法研究與應用

楊成, 盧峰, 韓少勤

(1.國網區塊鏈科技(北京)有限公司，北京 100191; 2.國網電子商務有限公司，北京 100191;3.國網雄安金融科技集團有限公司, 河北, 雄安 071700; 4.國網區塊鏈技術實驗室, 北京 100191)

0 引言

隨著計算機等信息化技術的普及，區塊鏈技術得到了發展，區塊鏈技術逐漸被稱作人類信用進化史上第四個里程碑。區塊鏈技術有著公開透明、每人參與等優點，可以實現多方的信任性，也實現了傳輸過程較快的數據共享方法[1]。2016年，在“十三五”國家信息化規劃中，區塊鏈技術被大眾熟知，區塊鏈技術也被正式應用到國家戰略層面上。文件也強調了區塊鏈技術的重要地位，對科技的創新和試驗的應用具有重要的影響[2-3]。區塊鏈技術在電力交易方面的應用較廣，部分專家學者對區塊鏈的整體流程進行分析探討，明確區塊鏈技術對電力交易行業的促進作用[4]。也有部分學者將區塊鏈技術和大數據手段進行融合，對電力交易行業的風險進行分析[5]。還有部分專家學者結合區塊鏈技術建立模型，改良區塊鏈技術存在的安全問題，提高區塊鏈技術在電力交易方面的安全性能[6]。

綜上所述，區塊鏈技術在電力交易方面的應用也較為普遍，但是現有文獻對于區塊鏈的電力交易系統安全性的分析較少，主要是分析區塊鏈整體的應用，而對于區塊鏈自身在電力系統中的應用存在的問題并沒有深入地分析，沒有進行有效的實驗驗證。因此，本研究針對電力交易過程中存在的區塊鏈技術進行分析，調整共識層和網絡層的網絡參數，分析不同的參數對區塊鏈技術的影響，同時以區塊鏈技術為基礎建立了整體安全分析模型，利用區塊鏈的仿真器，從而可知區塊的間隔時間與區塊大小對電力交易分析中區塊鏈的影響及其安全風險的分析。

1 電力交易的區塊鏈模式

電力交易的區塊鏈模式主要包括創建新交易、P2P網絡傳輸、驗證和記入賬本等4部分。整體流程是：首先，將電能和價格相關的信息做成交易單，即為創建新交易，在生成新區塊前將交易傳輸至全網，將交易信息在另一個儲存空間中顯示；其次，在區塊鏈節點中進行交易驗證，通過節點的碰撞獲得新的區塊，將驗證后的信息儲存到新生成的區塊中；最后，將交易寫入賬本，驗證整個區塊鏈在新生成區塊中的正確性，由此根據新生成的區塊鏈再持續的更新整體的區塊鏈，延伸區塊鏈的長度。

2 區塊鏈

(1)區塊鏈共識層

區塊鏈的共識機制是通過讓交易過程中各個節點的貢獻率進行計算的，利用哈西函數作為交易過程中共識算法的基礎。首先，尋找隨機數，將當前區塊中的參數結合哈希運算，生成的固定哈希值小于當前設定的某一值；其次，用網絡中的部分節點驗證各個區塊的有效性來保證整個區塊鏈的有效性。區塊鏈存在的時間間隔指的是將傳輸的內容放入區塊鏈系統的延遲。區塊鏈中各區塊的間隔時間越短，代表交易確認的速度越快。共識算法和區塊間的間隔時間關系較為密切。

(2)區塊鏈網絡層

網絡層主要包括網絡參數和各節點，有區塊大小、信息傳播、區塊頭、中繼網絡和推送等5部分。區塊大小是網絡層的基礎，區塊中的最大值可以代表區塊的存儲能力，即交易的數量；信息傳播是將信息利用區塊的各個節點實現傳遞的過程；區塊頭是直接發送信息的過程，可以有效地降低信息的延遲；中繼網絡是區塊鏈的傳輸媒介，可以增強區塊的共享性；信息推送是將信息直接推送到不同的區塊中，便于信息的有效傳輸。

3 基于區塊鏈的安全分析模型

針對電力交易過程中運用的區塊鏈建模并做分析，分析電力交易過程中存在的不同節點狀態，分析相應的網絡參數，建立基于區塊鏈的安全分析模型。

首先，假設在電力交易過程中存在攻擊方，且攻擊方在網絡中的計算力為B，且0

如圖1所示，區塊鏈的側鏈攻擊模式包括接受新區塊、覆蓋行為、交易競爭、等待行為等。接受新區塊主要指攻擊者接受電力交易的網絡新區塊，舍掉舊的區塊，并將信息在新的區塊上覆蓋，圖1中的D-E代表該過程；覆蓋行為表示當新區塊產生時，攻擊者側鏈上區塊會將忠實節點網絡側鏈覆蓋，并將主鏈的信息覆蓋，圖1中的C-D代表該過程；交易競爭是指在電力交易過程中攻擊者和其他區塊節點爭取相同的區塊，如圖1中的B；等待行為表示新的區塊不斷產生，側鏈不斷得到延長，圖1中的狀態C代表該過程。

圖1 攻擊模式圖

通過深入分析電力交易過程可知，攻擊方的目標不是在整體區塊鏈節點中選取最大的節點進行攻擊，而是對節點中的相對收益進行獲利分析的。模型的相對收益函數為

(1)

式中，rai、rhi可以看做為第i步驟所得到的回報值。

4 實驗結果分析

根據實驗的目的設計了電力交易過程的模擬仿真器，包括區塊鏈節點和區塊鏈網絡等部分。根據模擬仿真器，可以對網絡中的各個節點進行定義，明確所包含的參數。如圖2所示。

圖2 模擬仿真器

在電力交易過程的網絡層中，各個節點都建立了網絡連接，將帶寬的最大數值設定為100 Mibit/s，數量為7 000。針對電力交易區塊鏈，將每次交易生成的數據大小為300 Bytes，計算力為35%。在實驗過程中，不斷地改變區塊間隔時間和區塊大小對區塊進行仿真，區塊的傳輸時間設為tm、舊區塊率為ts，對電力交易過程的區塊鏈進行判定。整個實驗過程中，可以通過改變區塊的間隔時間、區塊大小判斷對整個區塊鏈的安全性影響程度，從而判斷區塊鏈的整體情況。

如表1所示，根據實驗結果可知，隨著區塊間隔時間的變化，tm隨之變化，且成正比變化，可以得到結論：在電力交易過程中，區塊生成的速度越快，區塊的傳輸速度也越快。但是，由于在區塊鏈中攻擊的難度下降，容易導致區塊鏈中的主鏈增大分叉的可能性，這表示著有較高的安全風險性。

表1 區塊間隔時間對區塊的影響

如表2所示，根據實驗結果可知，區塊間隔時間在一定程度上不變時，若區塊大小增多，tm逐漸增大，ts也逐漸增大。由此可知，區塊鏈中區塊越大，受到不同帶寬以及延時的影響越大，也會造成更高的區塊鏈分叉的可能，具有一定的安全風險性。

表2 區塊大小對區塊傳輸的影響

5 總結

通過對在電力行業交易過程中區塊鏈的潛在的特點及區塊鏈各節點網絡進行詳細的分析，構建了基于區塊鏈的安全分析模型，分析區塊鏈在電力行業交易中的風險性。可得結論如下。

(1)分析區塊間隔時間對區塊鏈整體的影響可知，在電力交易過程中，區塊生成的速度越快，區塊的傳輸速度也越快。但是在區塊鏈中攻擊難度的下降容易導致區塊鏈中主鏈分叉的可能性變強，具有一定的風險性。

(2)分析區塊大小對區塊傳輸的影響可知，區塊鏈中區塊越大，受到不同帶寬以及延時的影響越大，這種情況也會增大區塊鏈主鏈分叉的可能，具有一定的安全風險性。