区块链技术及其在能源领域的应用及挑战

郑彬 曹开拓 孙勇 林菲 俞红权

[摘    要] 区块链是一种多重技术融合的分布式账本技术，近年来受到广泛的关注。其去中心化、安全、匿名、数据不可篡改等特点能有效地解决能源领域各主体间信用缺失的问题。介绍区块链在能源领域的研究现状及挑战。首先介绍了区块链的整体框架、分析了区块链关键技术及应用领域;随后对区块链技术在能源领域的应用进行研究;最后分析了能源区块链面临的挑战，对能源区块链的发展进行了总结与展望。

[关键词] 区块链;分布式系统;能源区块链;比特币

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 15. 074

[中图分类号] TP399    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）15- 0168- 03

0      引    言

区块链是一种以密码学、P2P网络、分布式等多重技术为基础，实现去中心化的分布式存储架构。区块链技术起源于2008年中本聪在比特币论坛中发表的一篇论文[1]，在该论文中，中本聪提出了一种数字货币——比特币，比特币的独特之处在于它是一款完全去中心化的数字加密货币，作为其底层技术的区块链受到了极大的关注并由此获得了发展。

传统交易由于交易双方的不信任，可信第三方显得尤为重要。但可信第三方的存在，也导致交易支出提高、交易速度变慢、个人信息容易遭到泄露。区块链运用密码学原理而不依靠可信第三方，能实现互不信任的双方安全的交易。能源互联网参与方众多，形式复杂，中心化严重，过去人们为如何实现能源的分布式交易提供了多种方法，但都有其自身的弊端。区块链技术的发展为解决能源的中心化问题提供了一种新的思路，利用区块链技术的去中心化、分布式存储账本的特点，解决能源互联网中价值的交换。

文章的组织结构为：第1节从区块链整体框架、关键技术研究、应用领域进行系统概述。第2节介绍区块链在能源领域的应用。第3节总结了区块链在能源领域的不足及未来发展趋势。第4节总结本文内容。

1      区块链概述

1.1   整体框架

区块链由数据层、网络传输层、共识层和应用层四层构成。

1.2   关键技术研究

1.2.1   区块+链

区块链中每个区块记录了一定时间内的区块链数据，区块由区块头和区块体两部分组成。区块体是该时间段内所有交易的集合。区块头包含上一区块哈希、当前区块哈希、时间戳、Merkle根等信息。由于每个区块都记录了前一区块的哈希值，因此区块就像一条链连接在一起。用户可以根据前一区块哈希，顺藤摸瓜获取到该区块之前的所有区块链信息。

1.2.2   密码学

区块链中依靠可信的密码学而不是第三方中介，可以与互不信任的节点进行P2P的价值交换。区块链中使用非对称加密算法进行加解密。非对称加密算法为用户分配一对匹配的公私钥，用公钥加密后只有匹配的私钥才能解密;同理，私钥加密信息只有公钥才能解密。

1.2.3   共识机制

共识机制是为达到分布式账本的一致性而设计的，共识机制一般分为强一致性共识和最终一致性共识。强一致性共识包括不考虑拜占庭容错算法的Paxos、Raft以及考虑拜占庭容错的PBFT。最终一致性的算法目前有POW、POS、DPOS等。不考虑拜占庭容错算法性能较高，但是容错性较差，中心化程度较高，适用于联盟链和私有链;而POW、POS等共识算法的容错性较好，中心化程度弱，但是性能也较弱。

1.2.4   智能合约

应用层包含了智能合约以及应用在各领域的可编程应用，合约一旦在区块链中部署成功，可以自动触发、自动执行、自动结算。

区块链时代经历了从1.0到3.0的跨越。区块链1.0是以比特币为代表的数字货币的应用。区块链2.0是以以太坊[2]为代表的可编程区块链，是数字货币和智能合约相结合，对金融领域更广泛的场景和流程进行优化。区块链3.0时代是将区块链的应用领域扩展到金融行业之外，涵盖社会的各个方面，能满足复杂的商业模型。

1.3   区块链的应用场景

根据区块链的去中心化、公开透明、安全加密、时间戳、不可篡改的分布式账本等特点，可在社会多个领域中找到合适的应用场景。

金融领域：在金融领域应用区块链技术，可实现去中介的P2P交易。P2P金融借贷可以避免”中介”的资金池积累、庞氏骗局;跨境支付、外汇结算可以进行实时高效率的清算;区块链在基金信托、各大交易所、保险、众筹乃至共享、租房等领域都能实现商业的变革。

防伪溯源：给每个商品赋予唯一的电子标签，商品每经过一次加工、运输，都会在区块链中记录。用户可以通过唯一的识别码获取商品的全部信息，防止假冒产品的出现，增加了商品及供应链的透明度。

数据存储：区块链底层数据存储模式为分布式，可靠的安全性可以保障数据的安全不被篡改。与身份验证结合，可以应用在电子病历、电子合同、保险库等领域中。

2      区块链在能源领域的应用

本节将对区块链技术在能源领域的信息安全、能源交易的研究现状进行详细的分析与总结。

2.1   信息安全

2.1.1   身份認证方向

能源區块链需要接受政府及有关组织的监管，需要对区块链网络中的节点实施准入机制，可以在线下对准入人信息核实，允以注册能源区块链。也可由联盟机构CA签发证书，对能源区块链节点进行身份识别。

2.1.2   访问控制

能源互联网中主体关系复杂，参与方众多，应对参与方进行权限控制，保证区块链系统的隐私安全。区块链按应用模式可分为公有链、私有链和联盟链，各模式都有其相应的权限控制。例如，在联盟链Hyperledger中[3]，允许每个节点加入多个chaincode，每个chaincode也能被多个节点加入，各个chaincode之间相互独立，分开管理。

2.2   能源交易

与传统能源相比，当步入工业化4.0时代，能源互联网与区块链技术相结合，将形成机器对机器的交易市场，通过化学燃料的燃烧模拟发电过程，产电商和电力消费者在区块链市场中成功交易，证实了这一观点。美国LO3公司率先搭建了能源微电网交易项目，在该项目中，用户可以将太阳能产生的多余电力通过基于区块链的能源市场出售给邻居以获取酬劳。

基于此，2016年Davor教授提出通过多重签名、区块链、匿名信息流来保护分散的能源交易。通过这种方式，解决了在不依赖可信第三方的情况下，在分散的智能电网交易中提供交易安全的问题。Khaqqi等学者提出了将买卖双方的信誉纳入区块链中，从而解决了在排放交易计划（ETS）中难以达成的长期减排的目标，通过使用区块链技术来解决ETS的管理和欺诈问题，并通过新的方法能提高ETS的效率。也有学者在区块链能源交易中创新的加入声誉系统，该声誉系统引入了信用银行，用户可以先消费后还款，大大提升了能源交易的性能。

3      研究挑战与展望

区块链被誉为继蒸汽机、电力、信息和互联网科技之后，目前最具潜力触发第五轮颠覆性革命浪潮的技术，但区块链技术的不足也不容忽视。

3.1   资源损耗

目前大部分数字货币使用的是POW共识，依靠算力公平竞争，但POW共识带来的各种资源的浪费已经不容忽视。仅电力而言，全球比特币挖矿年耗电量比例已经超过全球159个国家，并且这一比例还在增加。目前，相关研究者提出了POS、DPOS、PBFT等多种共识方案，但如何在”低能耗”、”安全”、”去中心”不可能三角中找到合适的平衡点，仍需学者继续探索。

3.2   交易速度

区块链受共识、广播速度、网络速度、区块大小等多方面影响，交易速度并不理想。比特币交易速度仅为6～7笔每秒，以太坊由于区块gas限制，也容易发生拥堵。目前，有研究者拟在共识方面进行突破，由Linux基金会发起的用于商业区块链项目Hyperledger[3]，采用PBFT共识算法，理论交易速度能达到1000次每秒;采用DPOS共识算法的EOS声称其交易速度能达到每秒百万级。也有学者对区块链底层结构提出了有向无环图的方式，让区块链交易由同步变成异步，从而提高区块链交易速度。

3.3   存储性能

区块链是一个只增不删的全节点数据库，据BitInfoCharts数据显示，比特币当前的数据库容量超过202 GB，以太坊的数据库也超过667 GB。如此大的数据存储量无疑提高了使用者的门槛。如何提高区块链的存储性能或者应用低存储框架也已成为研究的重点。

3.4   安全问题

尽管POW共识算法需要达到全网51%的算力才有可能对区块链网络发动攻击，但现在算力逐渐向顶部的矿池聚集，一旦前几大矿池联合起来发动51%算力攻击，比特币的安全网络将瞬间坍塌。

4      研究展望与总结

区块链具有信息透明、去中心化、去信任、可追溯、信息不可篡改等特点，与能源领域有很高的契合度。但如何实现能源区块链的高并发、低延迟、低存储、低功耗、低费率将是接下来的研究热点;能源区块链中信息安全、能源交易等也仍需深入研究。

主要参考文献

[1]Nakamoto S.Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System[R].2008.

[2]Lin F，Qiang M . The Challenges of Existence， Status and Value for Improving Blockchain[J]. IEEE Access，2018（7）：7747-7758.

[3]Androulaki E，Barger A， Bortnikov V，et al. Hyperledger Fabric： A Distributed Operating System for Permissioned Blockchains[C]//Porto：EuroSys18，2018.