基于分布式區(qū)塊鏈的儲(chǔ)能數(shù)據(jù)交互處理模型設(shè)計(jì)

章立宗，孫 洲，王華慧，魏春暉，童 瑩

（1.紹興大明電力建設(shè)有限公司科技分公司，浙江紹興 312000；2.國(guó)網(wǎng)紹興供電公司發(fā)展策劃部，浙江紹興 312000）

隨著電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展，各種新型分布式能源層出不窮，如太陽能、風(fēng)能及屋頂光伏等[1]。傳統(tǒng)的功率平衡通過迭代跟蹤需求來實(shí)現(xiàn)其平衡，且通常在發(fā)電調(diào)度與控制層中實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于高水平的可再生能源，平衡的任務(wù)則會(huì)變得更加復(fù)雜[2]。基于此，互聯(lián)網(wǎng)分布式儲(chǔ)能技術(shù)成為關(guān)鍵，其能有效維持系統(tǒng)能量平衡，并提高可再生能源的利用效率，且還能使不同能源耦合，從而緩解能源緊缺、儲(chǔ)能價(jià)格較高等問題[3]。分布式儲(chǔ)能的各種應(yīng)用已是主流趨勢(shì)，但其也存在著一系列問題。如分布式儲(chǔ)能設(shè)備成本高但利用率低，故無法充分調(diào)動(dòng)用戶的積極性，這對(duì)于分布式儲(chǔ)能的可持續(xù)化發(fā)展較為不利[4]。因此，該文設(shè)計(jì)了基于分布式區(qū)塊鏈的儲(chǔ)能數(shù)據(jù)交互平臺(tái)模型，以此保證數(shù)據(jù)的安全性。

國(guó)內(nèi)外專家對(duì)云儲(chǔ)能做了諸多研究，如文獻(xiàn)[5]提出了基于電網(wǎng)的一種儲(chǔ)能服務(wù)，其能夠使用戶隨時(shí)、隨地且按需使用共享儲(chǔ)能資源，并可有效降低儲(chǔ)能服務(wù)的成本，此種智能商業(yè)模式也給分布式儲(chǔ)能帶來了新的思路與方向。文獻(xiàn)[6]提出一種新型分布式云儲(chǔ)能，其不僅描述了云儲(chǔ)能的概念、實(shí)施所需的控制和通信技術(shù)、運(yùn)行機(jī)制及商業(yè)模式，還基于實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果證明了云儲(chǔ)能的可行性與經(jīng)濟(jì)效益。而在交易機(jī)制方面，文獻(xiàn)[7]開發(fā)了一種新的商業(yè)模式，存儲(chǔ)聚合商通過將中央物理存儲(chǔ)單元虛擬化為可分離的虛擬容量，并出售給用戶來投資及運(yùn)營(yíng)中央物理存儲(chǔ)單元，從而優(yōu)化云儲(chǔ)能投資與運(yùn)營(yíng)的兩個(gè)階段，進(jìn)而降低了成本。文獻(xiàn)[8]則建立住宅級(jí)共享儲(chǔ)能的新商業(yè)模式，提出了一種新的服務(wù)定價(jià)及負(fù)荷調(diào)度方法，通過定點(diǎn)算法優(yōu)化負(fù)載調(diào)度。基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享交易系統(tǒng)可大幅簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的獲取過程，且能夠?yàn)橛脩籼峁┇@得其自身數(shù)據(jù)所有權(quán)及特權(quán)的可能，并從中受益。此外，其還能更優(yōu)地控制數(shù)據(jù)，并保證細(xì)粒度地跟蹤所有數(shù)據(jù)的使用活動(dòng)情況[9]。但目前大部分研究尚未討論模型中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性，且未涉及加密技術(shù)。

該文針對(duì)云儲(chǔ)能數(shù)據(jù)交易中存在數(shù)據(jù)泄露與網(wǎng)絡(luò)安全等問題，提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)共享系統(tǒng)。

1 理論分析

1.1 區(qū)塊鏈原理

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N特殊的數(shù)據(jù)庫，其以區(qū)為單位進(jìn)行存儲(chǔ)。且每個(gè)區(qū)塊按照時(shí)間順序相互連接，并利用密碼學(xué)來保證分布式賬本數(shù)據(jù)的不可篡改及不可偽造[10]。區(qū)塊鏈具有開發(fā)性、去中心化、不可篡改及永久性等特點(diǎn)。其中，去中心化最為重要。即使用分布式、多節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和算力，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均有平等的權(quán)力，從而共同維護(hù)全網(wǎng)數(shù)據(jù)，且不再依靠中央來處理節(jié)點(diǎn)。整個(gè)工作流程主要包含交易生成、交易傳播、共識(shí)機(jī)制、全節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證及區(qū)塊鏈記錄5 個(gè)步驟，具體工作原理如圖1 所示。

1.2 共識(shí)機(jī)制

共識(shí)機(jī)制是以博弈論、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科交叉研究得出的一種分布式系統(tǒng)治理體系。其通過激勵(lì)機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)，從而解決了分布式區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中達(dá)成一致性的問題[11]。Bitcoin 白皮書中首次提出區(qū)塊鏈并設(shè)計(jì)了共識(shí)機(jī)制，現(xiàn)如今其逐漸發(fā)展成維護(hù)分布式系統(tǒng)一致性的重要機(jī)制，并成為了保證分布式系統(tǒng)安全穩(wěn)定的核心。目前共識(shí)機(jī)制算法主要有PoW（Proof of Work）、PoS（Proof of Stake）、DPoS（Delegated Proof of Stake）與PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）等。

1.3 加密算法

區(qū)塊鏈技術(shù)需多種加密算法共存來進(jìn)行數(shù)據(jù)加密及隱私保護(hù)，主要包括Hash 算法與非對(duì)稱加密算法兩種。Hash 算法也稱為數(shù)據(jù)摘要或散列算法，其原理是將一段數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)固定大小且具備一定特點(diǎn)的字符串。該算法的本質(zhì)是為了抽取數(shù)據(jù)特征，防碰撞和驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被篡改，也可將Hash 值理解為數(shù)據(jù)的指紋信息。我國(guó)擁有自主的非對(duì)稱加密算法SM2，其與ECC 均為橢圓曲線算法，且是ECC的一種改進(jìn)算法，故能夠提供更優(yōu)的安全性能與運(yùn)算速率[12]。

2 模型設(shè)計(jì)

該文主要利用分布式區(qū)塊鏈技術(shù)，搭建一個(gè)用于能源存儲(chǔ)服務(wù)支付的模型。以一個(gè)基于賬戶的區(qū)塊鏈模型為基礎(chǔ)，其與以太坊類似，是一個(gè)通用的區(qū)塊鏈平臺(tái)。智能合約是在區(qū)塊鏈上編程的代碼，能夠?yàn)槊總€(gè)交易提供定制的計(jì)算任務(wù)，因此支付系統(tǒng)就可以作為智能合約來實(shí)現(xiàn)。

儲(chǔ)能服務(wù)的支付與審計(jì)是在區(qū)塊鏈上進(jìn)行的，每個(gè)用戶在區(qū)塊鏈上均有一個(gè)帳戶，并可提前充值。為了分?jǐn)傎M(fèi)用，用戶可向儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商發(fā)起聯(lián)合支付交易。區(qū)塊鏈上的交易記錄也將用于驗(yàn)證網(wǎng)格運(yùn)營(yíng)商的VNM 結(jié)算。其中，加密算法使用ECC 橢圓曲線加密技術(shù)，其能夠與隱私保護(hù)相結(jié)合以隱藏交易記錄；而共識(shí)中心則使用PoW 共識(shí)，交易平臺(tái)如圖2 所示。用戶能夠在資源池內(nèi)獲取資源并進(jìn)行交易，整個(gè)過程安全、保密且高效。

2.1 ECC橢圓曲線加密設(shè)計(jì)

橢圓曲線密碼學(xué)是一種基于離散對(duì)數(shù)問題的密鑰加密算法。

假設(shè)Fp為大素?cái)?shù)p的有限域，定義Ep(a,b)為：

其中，a、b、x、y屬于Fp，且滿足方程4a3+27b3(modp)≠0。

橢圓曲線中加法法則與標(biāo)量乘法法則構(gòu)建Abel群Fp。在曲線上選取坐標(biāo)系中某個(gè)特殊點(diǎn)，其離x軸無窮遠(yuǎn)，稱為O點(diǎn)。當(dāng)P(x1,y1)∈Ep時(shí)，滿足方程：

在橢圓曲線P模下，若P(x1,y1)，Q(x1,y1)是兩個(gè)不同的點(diǎn)，且P≠-Q，則P+Q=(x3,y3)∈Ep。

橢圓曲線數(shù)字簽名算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，ECDSA）就是基于ECC 加密的數(shù)字簽名方法。

假設(shè)使用的曲線為：

其生成元A的階數(shù)為q，私鑰為d，則公鑰為B=dA。發(fā)送方進(jìn)行數(shù)字簽名，選取隨機(jī)數(shù)kE，滿足0 ＜kE＜q計(jì)算：

即r為R的x坐標(biāo)對(duì)p求模。

由此即可生成數(shù)字簽名(r,s)，并將(s,(r,s))發(fā)送至接收方。

接收方簽名驗(yàn)證計(jì)算如下：

其中，-1 表示在模運(yùn)算中求逆。在Zp中，一個(gè)數(shù)a與其的逆a-1滿足a·a-1≡1(modp)。

驗(yàn)證計(jì)算如下：

當(dāng)xp≡r(modq) 成立時(shí)，計(jì)算成功且為有效簽名；當(dāng)xp/≡r(modq)時(shí)，則簽名無效。

此時(shí)，若接收方計(jì)算的P的x坐標(biāo)等于Q的x坐標(biāo)r，則驗(yàn)證通過。

2.2 PoW共識(shí)

工作量證明PoW 機(jī)制是為了適用于Bitcoin 系統(tǒng)，其是由中本聰在2008 年提出并開始設(shè)計(jì)的[13]。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，PoW 機(jī)制核心原理是引入算力競(jìng)爭(zhēng)，通過犧牲大量的算力來達(dá)成交易的共識(shí)。系統(tǒng)中所有服務(wù)節(jié)點(diǎn)均需要遍歷尋找隨機(jī)數(shù)Nonce，使得區(qū)塊雙SHA256 的輸出小于或等于一個(gè)目標(biāo)值。最先計(jì)算得到滿足目標(biāo)Nonce 的節(jié)點(diǎn)，獲得當(dāng)前區(qū)塊的記賬權(quán)。而作為報(bào)酬記賬節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)，其基本算法原理如下：

h是區(qū)塊的Hash 值，n是隨機(jī)數(shù)Nonce；M是某個(gè)極大的數(shù)，且可取2256-1；D是區(qū)塊頭中的難度值difficult。其可動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證解該數(shù)學(xué)問題所花費(fèi)的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的10 min，難度值調(diào)整如下式：

其中，time 是前numpre個(gè)區(qū)塊的時(shí)間長(zhǎng)總和，單位是min，節(jié)點(diǎn)可以通過窮舉找到合適的數(shù)值來滿足式（12）。

在PoW 共識(shí)機(jī)制下，由于激勵(lì)機(jī)制的構(gòu)建，分布式網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)間會(huì)進(jìn)行算力競(jìng)爭(zhēng)。龐大的算力消耗對(duì)系統(tǒng)起到足夠的保護(hù)作用，使得系統(tǒng)具有51%的容錯(cuò)率；同時(shí)也確保了記賬權(quán)的隨機(jī)性，保證了Bitcoin 系統(tǒng)的去中心化特性與安全可信。為防止生成多條鏈影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及對(duì)算力的浪費(fèi)，同時(shí)為了確定最為有效的路徑，引入了“GHOST 協(xié)議”數(shù)學(xué)機(jī)制。GHOST 協(xié)議指明在執(zhí)行最多計(jì)算路徑時(shí)，需將廢棄塊也包含在內(nèi)。即在確定最有效路徑時(shí)，將父區(qū)塊、祖先區(qū)塊及廢棄塊全部加以統(tǒng)計(jì)，然后尋找消耗最多計(jì)算功率的塊。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試

為驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)模型的有效性，將模型在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下部署。實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為Windows 10 操作系統(tǒng)，內(nèi)存16 GB，英特爾Core i5-8300H 處理器，顯卡GTX 1050 Ti。將基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)交易平臺(tái)發(fā)布到以太坊私有鏈，模擬配網(wǎng)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)主要進(jìn)行安全性測(cè)試，并利用網(wǎng)絡(luò)攻擊來驗(yàn)證其的安全性能。為了保證交易能夠更快速地獲取儲(chǔ)能數(shù)據(jù)，每次交易量設(shè)置為1。

通常在攻擊測(cè)試分析中，利用攻擊鏈來攻擊系統(tǒng)主鏈，由此便會(huì)導(dǎo)致主鏈的節(jié)點(diǎn)分叉。若分叉長(zhǎng)度超過了主鏈長(zhǎng)度，即視為攻擊成功。假設(shè)攻擊鏈（Attack Chain，AC）對(duì)系統(tǒng)主鏈（Main Chain，MC）進(jìn)行攻擊，攻擊成功的概率w為：

其中，wAC指攻擊節(jié)點(diǎn)造出下一個(gè)區(qū)塊的概率；wMC指誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)造出下一個(gè)區(qū)塊的概率。

若MC 中已有k個(gè)區(qū)塊，則攻擊成功的概率為：

其中，w是有k個(gè)區(qū)塊攻擊成功的概率，指攻擊者泊松分布期望。

設(shè)定wAC的值是0.1，并在計(jì)算機(jī)上仿真攻擊，得到結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，主鏈區(qū)塊樹k在不斷下降，wAC攻擊鏈攻擊成功的概率呈指數(shù)下降，說明該文的模型安全性能較好。若主鏈的區(qū)塊數(shù)超過6 時(shí)，攻擊成功的概率接近為0。在分布式云儲(chǔ)能交易平臺(tái)中，主鏈中進(jìn)行交易的區(qū)塊數(shù)量遠(yuǎn)大于6，這就意味著該模型被惡意攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失、泄露或篡改的概率接近于0，故該系統(tǒng)的安全性得到了保證。

3.2 對(duì)比分析

為驗(yàn)證該方案的有效性，找出其優(yōu)勢(shì)及不足，與相關(guān)文獻(xiàn)研究進(jìn)行了對(duì)比分析，主要從共識(shí)機(jī)制、主鏈壓力、智能合約和安全性能這4 個(gè)方面來進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。

表1 研究方案對(duì)比

通過表1 可看出，該文提出的模型在安全性能方面顯示出較優(yōu)的特性，對(duì)主鏈的壓力也較小。因此，其更適合云儲(chǔ)能這種分散、數(shù)據(jù)量較大的情況。但在智能合約方面，所提方案也有所欠缺，其無法對(duì)配置資源進(jìn)行精準(zhǔn)、高效地優(yōu)化。故后期可對(duì)此做進(jìn)一步的研究，從而更好地完善模型系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

分布式儲(chǔ)能技術(shù)越發(fā)普及，云儲(chǔ)能應(yīng)運(yùn)而生。該文針對(duì)云儲(chǔ)能提出了基于分布式區(qū)塊鏈的儲(chǔ)能數(shù)據(jù)交互模型，主要利用區(qū)塊鏈去中心化特質(zhì)及ECC橢圓曲線加密來保證交易數(shù)據(jù)的安全性能，并通過攻擊實(shí)驗(yàn)分析其模型的可靠性。實(shí)驗(yàn)表明，在區(qū)塊數(shù)達(dá)到6 以后，攻擊鏈攻擊主鏈成功的概率幾乎為0，由此說明了模型的安全性。文中主要對(duì)安全性方面做出了研究，而對(duì)于用戶用電后的智能調(diào)配及如何更高效共享云儲(chǔ)能則并未展開分析。因此在接下來的研究中，將對(duì)用戶使用電能、共享數(shù)據(jù)的優(yōu)化調(diào)配等方面作進(jìn)一步地研究，從而真正使分布式區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到云儲(chǔ)能上。