基于區(qū)塊鏈的電力交易處理方法研究與應(yīng)用

楊成, 盧峰, 韓少勤

(1.國(guó)網(wǎng)區(qū)塊鏈科技(北京)有限公司，北京 100191; 2.國(guó)網(wǎng)電子商務(wù)有限公司，北京 100191;3.國(guó)網(wǎng)雄安金融科技集團(tuán)有限公司, 河北, 雄安 071700; 4.國(guó)網(wǎng)區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100191)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)等信息化技術(shù)的普及，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)逐漸被稱作人類信用進(jìn)化史上第四個(gè)里程碑。區(qū)塊鏈技術(shù)有著公開透明、每人參與等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多方的信任性，也實(shí)現(xiàn)了傳輸過程較快的數(shù)據(jù)共享方法[1]。2016年，在“十三五”國(guó)家信息化規(guī)劃中，區(qū)塊鏈技術(shù)被大眾熟知，區(qū)塊鏈技術(shù)也被正式應(yīng)用到國(guó)家戰(zhàn)略層面上。文件也強(qiáng)調(diào)了區(qū)塊鏈技術(shù)的重要地位，對(duì)科技的創(chuàng)新和試驗(yàn)的應(yīng)用具有重要的影響[2-3]。區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易方面的應(yīng)用較廣，部分專家學(xué)者對(duì)區(qū)塊鏈的整體流程進(jìn)行分析探討，明確區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)電力交易行業(yè)的促進(jìn)作用[4]。也有部分學(xué)者將區(qū)塊鏈技術(shù)和大數(shù)據(jù)手段進(jìn)行融合，對(duì)電力交易行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析[5]。還有部分專家學(xué)者結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)建立模型，改良區(qū)塊鏈技術(shù)存在的安全問題，提高區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易方面的安全性能[6]。

綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易方面的應(yīng)用也較為普遍，但是現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)安全性的分析較少，主要是分析區(qū)塊鏈整體的應(yīng)用，而對(duì)于區(qū)塊鏈自身在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用存在的問題并沒有深入地分析，沒有進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，本研究針對(duì)電力交易過程中存在的區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行分析，調(diào)整共識(shí)層和網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，分析不同的參數(shù)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的影響，同時(shí)以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)建立了整體安全分析模型，利用區(qū)塊鏈的仿真器，從而可知區(qū)塊的間隔時(shí)間與區(qū)塊大小對(duì)電力交易分析中區(qū)塊鏈的影響及其安全風(fēng)險(xiǎn)的分析。

1 電力交易的區(qū)塊鏈模式

電力交易的區(qū)塊鏈模式主要包括創(chuàng)建新交易、P2P網(wǎng)絡(luò)傳輸、驗(yàn)證和記入賬本等4部分。整體流程是：首先，將電能和價(jià)格相關(guān)的信息做成交易單，即為創(chuàng)建新交易，在生成新區(qū)塊前將交易傳輸至全網(wǎng)，將交易信息在另一個(gè)儲(chǔ)存空間中顯示；其次，在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行交易驗(yàn)證，通過節(jié)點(diǎn)的碰撞獲得新的區(qū)塊，將驗(yàn)證后的信息儲(chǔ)存到新生成的區(qū)塊中；最后，將交易寫入賬本，驗(yàn)證整個(gè)區(qū)塊鏈在新生成區(qū)塊中的正確性，由此根據(jù)新生成的區(qū)塊鏈再持續(xù)的更新整體的區(qū)塊鏈，延伸區(qū)塊鏈的長(zhǎng)度。

2 區(qū)塊鏈

(1)區(qū)塊鏈共識(shí)層

區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制是通過讓交易過程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算的，利用哈西函數(shù)作為交易過程中共識(shí)算法的基礎(chǔ)。首先，尋找隨機(jī)數(shù)，將當(dāng)前區(qū)塊中的參數(shù)結(jié)合哈希運(yùn)算，生成的固定哈希值小于當(dāng)前設(shè)定的某一值；其次，用網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證各個(gè)區(qū)塊的有效性來保證整個(gè)區(qū)塊鏈的有效性。區(qū)塊鏈存在的時(shí)間間隔指的是將傳輸?shù)膬?nèi)容放入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的延遲。區(qū)塊鏈中各區(qū)塊的間隔時(shí)間越短，代表交易確認(rèn)的速度越快。共識(shí)算法和區(qū)塊間的間隔時(shí)間關(guān)系較為密切。

(2)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和各節(jié)點(diǎn)，有區(qū)塊大小、信息傳播、區(qū)塊頭、中繼網(wǎng)絡(luò)和推送等5部分。區(qū)塊大小是網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)，區(qū)塊中的最大值可以代表區(qū)塊的存儲(chǔ)能力，即交易的數(shù)量；信息傳播是將信息利用區(qū)塊的各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)傳遞的過程；區(qū)塊頭是直接發(fā)送信息的過程，可以有效地降低信息的延遲；中繼網(wǎng)絡(luò)是區(qū)塊鏈的傳輸媒介，可以增強(qiáng)區(qū)塊的共享性；信息推送是將信息直接推送到不同的區(qū)塊中，便于信息的有效傳輸。

3 基于區(qū)塊鏈的安全分析模型

針對(duì)電力交易過程中運(yùn)用的區(qū)塊鏈建模并做分析，分析電力交易過程中存在的不同節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，分析相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，建立基于區(qū)塊鏈的安全分析模型。

首先，假設(shè)在電力交易過程中存在攻擊方，且攻擊方在網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算力為B，且0

如圖1所示，區(qū)塊鏈的側(cè)鏈攻擊模式包括接受新區(qū)塊、覆蓋行為、交易競(jìng)爭(zhēng)、等待行為等。接受新區(qū)塊主要指攻擊者接受電力交易的網(wǎng)絡(luò)新區(qū)塊，舍掉舊的區(qū)塊，并將信息在新的區(qū)塊上覆蓋，圖1中的D-E代表該過程；覆蓋行為表示當(dāng)新區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)，攻擊者側(cè)鏈上區(qū)塊會(huì)將忠實(shí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(jìng)爭(zhēng)是指在電力交易過程中攻擊者和其他區(qū)塊節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)取相同的區(qū)塊，如圖1中的B；等待行為表示新的區(qū)塊不斷產(chǎn)生，側(cè)鏈不斷得到延長(zhǎng)，圖1中的狀態(tài)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(biāo)不是在整體區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中選取最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行攻擊，而是對(duì)節(jié)點(diǎn)中的相對(duì)收益進(jìn)行獲利分析的。模型的相對(duì)收益函數(shù)為

(1)

式中，rai、rhi可以看做為第i步驟所得到的回報(bào)值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的目的設(shè)計(jì)了電力交易過程的模擬仿真器，包括區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)等部分。根據(jù)模擬仿真器，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定義，明確所包含的參數(shù)。如圖2所示。

圖2 模擬仿真器

在電力交易過程的網(wǎng)絡(luò)層中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都建立了網(wǎng)絡(luò)連接，將帶寬的最大數(shù)值設(shè)定為100 Mibit/s，數(shù)量為7 000。針對(duì)電力交易區(qū)塊鏈，將每次交易生成的數(shù)據(jù)大小為300 Bytes，計(jì)算力為35%。在實(shí)驗(yàn)過程中，不斷地改變區(qū)塊間隔時(shí)間和區(qū)塊大小對(duì)區(qū)塊進(jìn)行仿真，區(qū)塊的傳輸時(shí)間設(shè)為tm、舊區(qū)塊率為ts，對(duì)電力交易過程的區(qū)塊鏈進(jìn)行判定。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，可以通過改變區(qū)塊的間隔時(shí)間、區(qū)塊大小判斷對(duì)整個(gè)區(qū)塊鏈的安全性影響程度，從而判斷區(qū)塊鏈的整體情況。

如表1所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著區(qū)塊間隔時(shí)間的變化，tm隨之變化，且成正比變化，可以得到結(jié)論：在電力交易過程中，區(qū)塊生成的速度越快，區(qū)塊的傳輸速度也越快。但是，由于在區(qū)塊鏈中攻擊的難度下降，容易導(dǎo)致區(qū)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(fēng)險(xiǎn)性。

表1 區(qū)塊間隔時(shí)間對(duì)區(qū)塊的影響

如表2所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，區(qū)塊間隔時(shí)間在一定程度上不變時(shí)，若區(qū)塊大小增多，tm逐漸增大，ts也逐漸增大。由此可知，區(qū)塊鏈中區(qū)塊越大，受到不同帶寬以及延時(shí)的影響越大，也會(huì)造成更高的區(qū)塊鏈分叉的可能，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)性。

表2 區(qū)塊大小對(duì)區(qū)塊傳輸?shù)挠绊?/p>

5 總結(jié)

通過對(duì)在電力行業(yè)交易過程中區(qū)塊鏈的潛在的特點(diǎn)及區(qū)塊鏈各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的分析，構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的安全分析模型，分析區(qū)塊鏈在電力行業(yè)交易中的風(fēng)險(xiǎn)性?？傻媒Y(jié)論如下。

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

(2)分析區(qū)塊大小對(duì)區(qū)塊傳輸?shù)挠绊懣芍?，區(qū)塊鏈中區(qū)塊越大，受到不同帶寬以及延時(shí)的影響越大，這種情況也會(huì)增大區(qū)塊鏈主鏈分叉的可能，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)性。