基于跨链技术的点对点能源安全交易模型

杨卓

（云南电网有限责任公司，云南 昆明 650011）

0 前言

水、电、风、潮汐、太阳能等综合能源的采集、交易过程中涉及到多种物联网设备，例如采集风能的风力发电机，新能源汽车配套的智能充电桩，光伏发电机等。传统的能源市场中，由能源控制中心将分散的综合能源统一收集并汇入主网，再搭建中心化平台集中对外销售。然而，大量异构能源设备的接入将导致中心平台信息存储压力大，运营成本增加，数据访问控制的安全性得不到保障。点对点的交易机制能有效改善中心化交易的弊端，但在交易双方的信任问题上，难以保证交易的公开、透明，缺少强有力的机制维护参与主体的隐私安全。

区块链技术以信息不可篡改、可溯源、去中心化的特点而被学界广泛关注，目前已经有很多区块链技术与能源领域结合的研究。利用区块链搭建去中心化的能源交易体系，能有效解决中心化处理海量交易时存在单点故障、效率低下、数据容易被篡改及点对点交易不公开、不透明的问题。区块链在能源交易上的研究广泛而深入，Li等[1]peer-to-peer (P2P建立了适用于工业物联网的能源区块链体系，划分物联网能源交易角色分为energy node和聚合者，交易数据通过聚合者达成共识上链，交易过程中采用了基于信用的支付方式，减少了节点因为代币不足而造成的交易时延。但该方法在共识机制上采用的仍是PoW，因为工作量证明造成的资源花费和时延仍然存在，不利于实际应用。Lu等人[2]针对电网交易过度依赖第三方平台而造成能耗高、效率低的问题，提出一种两层区块链结构，储能装置在私有链上进行区域内的能源交易，区域的聚合者在联盟链上进行跨区域的能源调度。并采用最高信用得分的共识机制，本质未脱离PoS的局限，当信用值越高，该节点越容易上链，所有交易上链都依据同一个信用值最高的节点，必将产生新的中心化。Ali Dorri等人[3]提出一种基于私有链的安全能源交易方法，在消费者和生产者之间采用匿名路由进行协商，同时将交易划分为两个原子事务，承诺支付和确认交易，只有当两个原子事务都完成才能完成一个交易，有效避免对第三方平台的信任依赖。Luo等人[4]提出两层体系结构来支持点对点的分布式交易，第一层采用多代理人机制和联盟协商机制实现设备间的统一的价格协定，第二层通过建立合约链和账本链来记录交易数据，且两个链数据可相互验证，保障交易的效率同时还保证数据安全。Wang等人[5]将充电桩的充电权作为数字资产，依据区块链记录的历史数据对未来时段进行充电权的预先分配和交易，在区块链平台上运行双向拍卖机制和P2P交易实现充电权的结算交割。

现有研究都采用一个区块链实现交易过程中的数据存证业务，随着交易量的增加和交易需求的多样化，依靠一个区块链记录上链信息会给区块链网络带来额外的负担，例如存储、计算、通信成本增加[6]。且单一区块链数据相对封闭，不易与外界交互。采用多个区块链分管不同业务，每个区块链上都部署不同的轻量级业务，通过链与链之间的分工合作，实现价值转移，多方存证，有效降低单个区块链维护整个体系数据安全的压力。跨链技术就是实现不同区块链之间的价值传递[7]。Jiang等人[8]利用区块链在物联网的特定场景具有防篡改、安全性高的优势，建立跨链体系对记录internet of things（IoT）数据的多个区块链进行整合，联盟链作为核心区块链进行全局管控，有向无环图作为数据结构的side-blockchain则负责记录不同IoT数据，多链协同模式有效解决了区块链在物联网上扩展性受限和高消耗问题。但通过公证人节点实现跨链信息流通，会造成信息流通决策权过于集中，存在中心化风险。He等人[9]采用主链和侧链模式实现光伏发电市场和碳市场的数据共享，采用改进的双向锚定技术实现碳链和电链的资产转移，减少电碳结算对第三方权威机构的依赖性。但该文将交易双方的价格协商过程转移在链上执行，产生额外的区块链开销。Tian等人[10]针对cosmos和polkadot中继跨链技术实际应用中扩展性差、兼容要求高的问题，采用中间人、智能合约、验证组的模式实现加密货币的跨链流通，但在验证过程中采用PoW选择监管代理人让跨链货币流通速度变慢。Luo等人[11]搭建综合能源系统和新能源发电之间的绿证交易平台，利用中继跨链技术实现绿色证书在不同主体间跨链流通，但是区块链技术在该模式下仅作为了一种能源流通效率优化手段，该方案在区块链交易细节上有待进一步挖掘。

本文针对上述研究存在的问题，提出一种基于跨链技术的物联网点对点能源交易模型。让能源区块链和财务区块链的参与主体共同分担交易任务，通过跨链技术实现上链共享数据的交叉验证。建立链上链下协同存储体系，减轻区块链网络参与者的存储压力。在共识机制上结合随机可验证函数选取共识节点，满足大规模交易节点达成一致性协定，提升信息打包上链效率和安全。本文的主要贡献总结如下：

1）本文提出一种安全的跨链交易模型。具体来说，依据交易过程的承当的角色，模型划分为能源区块链、财务区块链。采用改进的双向锚定和哈希锁定结合的跨链技术，完成跨部门间的数字资产的安全高效转移，实现用能溯源，往来资金审计。

2）采用IPFS和无模式数据库协同区块链实现链上链下数据存储。将设备产能、用能数据记录存储在IPFS各节点上。交易记录通过共识机制上链存储，同时依据链上数据建立数据库副本，便于监管部门过滤或排序查询结果，减少合约代码的复杂性，避免过度查询产生的额外开销。

3）提出一种的伪随机拜占庭容错共识算法。采用随机可验证函数结合椭圆曲线加密，高保密性随机选取固定数量的共识节点参与拜占庭容错算法过程，实现分散节点交易数据正确且安全上链记录，确保大规模分散能源交易业务高效运行。

1 多联盟链分布式新能源能源交易框架

如图1所示，整个跨链框架包含两个部分，能源联盟链（Energy Blockchain，EBC）、财务联盟链（Financial Blockchain，FBC）、IPFS网络。在整个体系中，有两个区块链，其中EBC作为主链，FBC为侧链，能源区块链网络负责处理一线分布式新能源设备的能源交易，其智能合约接收能源节点发起的交易请求。财务区块链网络负责处理整个交易环节的资金，具体功能涉及资金结算、资产抵押担保。EBC和FBC之间通过跨链转移抵押资产，进而实现能源传输业务和资金来往业务明确划分，采用数字资产代替实际能源减少等价值实物在转移过程中的损耗。具体交易过程细节将在第2章详细描述。各区块链网络中参与主体有能源节点，财务节点。各主体的功能细节如下：

图1 双联盟链物联网能源交易框架

新能源节点：是指在能源系统中实现发电、集电一体的物联网设备，例如：电动车充电桩设备、光伏发电设备、风力发电机设备等新能源和综合能源设备，且每个设备具备区块链功能。在P2P交易过程中按照交易角色被划分为：买家节点和卖家节点[1]。同时还有负责监听能源区块链交易全过程，汇集所有交易信息全节点。

财务节点：负责一个能源片区内资金往来的电网财务部门作为一个财务节点。含有wallet pool，wallet pool里面记录着所管辖能源节点的钱包地址，负责接受能源节点的交易资金和抵押金。能源节点P2P交易过程中产生的收费地址是存在于钱包池，能源节点本身不负责收发资金。

能源币：是由财务区块链中的财务节点向wallet pool能源节点发放的代币。在交易初期，每个财务节点向分管片区内IoT发放等量一定数额的energy coin。只要能源区块链内的P2P交易进行，必定有energy node的coin消耗，当coin为0时，相应energy node向financial node发送借币请求，financial node 依据credit pool里面对该节点的信用记录进行发币响应，该过程的具体细节在后面的动态定价策略中会展开描述。

能源通证：是在能源区块链上流通的数字资产。P2P能源交易，实质就是交易数字资产energy token，有energy token就代表实际拥有多少能源，智能设备之间物理输电线以1 energy token=0.1 kw/h 为换算进行能源输送。该方法能有效避免实际能源在P2P传输损耗。同时作为energy node在EBC上发起交易请求时的抵押资产。

2 跨链物联网能源P2P交易过程

为支持物联网集电设备进行安全的P2P交易，同时实现用能溯源和资金审查。建立了两个关键联盟链，一个是能源区块链，一个是财务区块链。交易过程如图2所示。

图2 跨链交易工作流程

1）系统初始化。在能源区块链网络中，每个参与的能源节点，即物联网能源设备都先经过权威机构（电网公司）认证，获得唯一身份认证后，才有发起交易的准入资格。Seller node和buyer node的P2P交易过程中所需要的请求-响应消息传递过程都利用EIGamal算法进行数字签名及数据加密。每个能源节点获得公钥私钥对，获得各自在财务节点钱包池中的钱包地址。因此每个能源节点系统初始产生信息列表包括{Certe，i， PK, SK, Ecoin, Waddr, }；财务区块链中，每个财务i节点同样是具有证书Certf，i的各供电所配置的财务部门，财务节点拥有辖区内能源节点的资金，同时监听EBC上事件。能源节点的钱包地址是指向财务节点的wallet pool。财务节点要记录的列表信息包含了买卖方的抵押资金，交易需求量，近期时间内的竞价数据。数据列表{Cert, PK, SK, price}

2）确定交易角色。有购电意向的能源节点确定为buyer node，有剩余能源且想对外销售的能源节点为seller node。Buyer node提交购电需求并向EC的智能合约抵押资产，同理buyer node提交售电请求并向EC上的智能合约抵押资产。抵押资产以能源令牌（energy token）的形式上传到EC上的智能合约中。抵押资产取能源节点目前含有的能源资产的5%。双重抵押的方式利于建立seller和buyer之间的去中心化信任。

3）交易组价格协商。EBC上的智能合约收集从能源节点收到的交易请求信息，优先将能源需求量小于等于能源供应量的seller和匹配为交易组{seller ID , buyer ID}，并向相应节点发送开始竞价指令。能源节点收到配对通知，本文不介绍竞价的具体细节，按照以下规则判断双方是否达成价格匹配：

其中Prbuyer买家出价，Prseller是卖方出价，Prretail是电网零售价，是电网公司主网面向散户（如：家庭、学校、工厂）售电的市场标准价格。买家在竞价过程中两个状态：接受/拒绝，卖家三个状态：接受/协商/拒绝。当买卖双方都达成满意的价格后，即买卖双方竞价状态都是accept，能源节点将该状态下买卖双方的最终定价写入EBC智能合约，由此改变合约状态，启动跨链转移命令，将抵押资金及支付通知通过双向锚定技术转移到FBC。

4）跨链信息共享。EBC网络内的买卖双方的抵押资产、成交量、成交价格都发送到EBC的智能合约上。由于能源节点所拥有的支付资金energy coin都在财务节点上，这样的目的是让能源节点专门处理能源输送协定，财务节点负责实现资金调整，从而避免不同主体在交易过程中承担过多的功能，造成额外的工作量负担。在EBC智能合约上的抵押资产采用双向锚定技术转移到FBC，让财务链对资金往来进行溯源监管。转账通知也由EBC上的智能合约向FBC传达，再通过FBC上的智能合约对与能源节点交易双方相关的财务节点发起通知。跨链信息共享的过程采用到结合了区块链微支付思想的双向锚定技术。双向锚定实现信息传递及资产转移过程如图所示3流程图。

图3 双向锚定资产转移流程图

①首先，在EBC上的智能合约锁定待转移的抵押资产，被锁定的资产不能在EBC中继续进行交易业务，锁定资产表示为V，如果主链网络中各参与节点动用了这笔锁定的资产，其他节点可以证明这个过程，向智能合约发送重构SPV，则之前的跨链转移失效，本文对该过程不细述。

②之后，抵押资产在EBC上等待一个确认期，防止拒绝服务攻击（Denial of Service, DoS）[12]。DoS攻击是采用数量庞大的傀儡节点持续向区块链智能合约发送大量交易请求，从而导致整个区块链数据处理模块瘫痪。双向锚定技术设计确认期的目的是保障主链达到足够的工作量，因此等待一个确认期，确认期一旦结束，区块链上的智能合约将对期间产生的交易数据进行处理。由于传统双向锚定技术中，确认周期时间较长，不能满足实际P2P交易轻量、快捷的操作需求，因此本文利用区块链微支付的思路，在资产锁定但未转移的确认期内，允许高频小额交易的抵押。锁定的待转移资产Alock高于实际抵押资产V，多出的部分称为定向资产R，是依据实际抵押的资产决定的（R=V*γ，γ取值参考转移过程的手续费（gas）花费在总资产价值中的占比，该比例下产生的预扣资产价值要高于手续费，同时小于实际确定的资产价值），即：

确认期截止时，最后达成的转移资产如果是包含在确认期前锁定的资产中，即微交易抵押资产价值R′＜定向资产价值R，则最后待转移资产修改为实际确定的抵押资产V′和微交易产生的资产R′之和；即，Alock=V+R′反之，则以确认期前被锁定的资金进行转移；

③确认期过后，EBC向FBC发送简单支付证明（Simple-Payment-Verify, SPV），SPV在区块链中通常以区块头列表、默克尔树的形式存在，此处SPV不仅包含了在EBC上抵押资产的价值信息，而且还包括买卖双方达成一致后买家所需要执行的转账信息。

④FBC收到EBC发过来的SPV，对发送方及信息真实性展开验证，具体通过签名验证。等待一个竞争期，目的防止资产转移过程中利用时延产生双重花费现象[12]。一个竞争期结束后，依据EBC发送的SPV所包含的抵押资产信息，FBC产生成等价值的energy coin，该过程被称为铸币。FBC完成铸币行为后，再根据SPV里面包含的转账信息，由FBC上的智能合约触发分管seller node的财务节点，由财务节点根据共享的转账信息来变更wallet pool里面的seller address和buyer address的energy coin数量。完成FBC铸币和转账后，FBCN向EBCN发送反馈，主链接收到侧链发来的反馈，将转移前锁定的抵押资产全部清空。由于FBC接收到SPV后，相应功能函数状态改变，则FBC上智能合约触发财务节点向管辖区域对应seller node发送签名，通知其向对应买家发送能源。

⑤释放抵押资产，交易完成。买家收到所请求的energy token后，向EBC合约发送传输完成消息，标志着买家和卖家P2P交易顺利达成。买卖双方达成交易后，开始请求撤回抵押资产。因为资产转移过程中，EBC中的抵押资产已经以energy coin的形式存在于FBC中了。因此撤回抵押资产实质上就是将与抵押资产等值energy coin发送到卖家节点和买家节点的钱包地址中。该方式实现能源变现的同时，减少了一线综合能源处理交易的复杂性。

5）共识上链。共识算法采用适用于大规模能源P2P交易的伪随机拜占庭容错算法（RPBFT），该算法将由在FBC和EBC网络中的监听全过程的全节点通过选举出共识委员节点而进行PBFT共识达成一致性交易，委员节点监听整个交易过程中各区块链网络的状态变化，将EBC上交易协商、抵押信息、交易达成相关的信息打包经过共识后上链保存。将FBCN关于资金支付信息、抵押转移信息通过财务节点经过RPBFT后达成正确一致性决定上链保存。在该共识算法下，网络通信复杂度仅和共识委员会节点数量有关，在大规模物联网节点中保障交易信息一致性的确定性同时达到毫秒级时延。具体过程见第3章。

跨链实现能源交易的业务，主要实现交易过程跨部门的追踪溯源，实现整个能源交易业务分流，将能源交易中涉及到资金和能源两个业务划分开来，分别由能源区块链和财务区块链进行数据记录，有效提升数据传递的安全性，同时降低单一部门交易模式下能源输送、资金管理一手抓的工作量。是区块链在工业物联网领域上应用的一大实质性进步。

3 大规模能源交易节点场景PRPBFT

P2P交易过程中，能源区块链和财务区块链两个联盟链包含的各参与节点地位均等的，都先经过权威机构的认证后才能参与到对应区块链网络中承当相应角色任务，因此不同于比特币网络中完全不可信的交易环境，不需要采用耗费大量计算资源的工作量证明（proof of work，PoW）。实用拜占庭容错算法（Practical byzantine fault, PBFT）相比PoW，对节点算力要求不高，能在有错误节点情况下，快速达成正确的一致性决定。但是其通信复杂度和节点数量相关，因此不适用于存在大规模节点参与共识的应用场景中。在这个问题上，fisco bcos提出了随机拜占庭容错算法（RPBFT），从参与节点中随机选取共识委员节点，在节点替换周期内由共识委员节点进行PBFT共识，每轮周期结束后再从验证节点列表里选取节点替换共识委员节点。该方法下，通信复杂度仅和共识委员节点数量相关，且随机轮换的方式保证了共识过程公平性、安全性。

门外，不到十个人。最近的，有三个，一个男孩，蹦蹦跳跳，显得很高兴。一个光头大汉，手上持刀，刀上有血。一个瘦小干枯的老头，眼睛追着桥上紫衣美妇的屁股看。

在物联网P2P能源交易的场景下，为了激励节点参与能源交易，本文的区块链网络节点采用伪随机拜占庭容错算法（ Pseudorandom and practical byzantine fault，RPBFT），结合能源交易活跃度考量和可验证随机函数（Verifiable Random Function）的思想，随机选择能源区块链网络或者财务区块链网络里面的部分节点加入共识节点委员会，由共识委员会中的成员节点进行PBFT，委员会之外的剩余节点对委员会节点达成的一致性结果进行二次验证。同时由于P2P交易对时效要求较高，本文采用的RPBFT将取消传统的准备阶段。在RPBFT共识过程中，节点划分为进行PBFT的共识委员节点，剩下的节点为验证节点，整个共识算法过程如下：

3.1 随机选择共识委员节点

随机的目的就是不可预测。节点总数为S，则共识委员节点数量为H，其余节点为验证节点，不参与一致性协议的共识过程。区块链节点表示为{N0，N1，…，NS-1}，其中选择H个节点加入共识委员。H根据网络规模在控制台设置更新（节点大于两位数，则H=50）。本文结合IRTF提出的VRF技术方案[13]产生随机数，选择共识委员节点，VRF基本思想就是通过输入难以被篡改的值，称为seed，结合椭圆曲线加密的过程，输出一个不可预测的随机数r和一个零知识证明π，其他节点可以通过π验证随机数的正确性。基于可验证函数思想选取共识委员节点的具体过程如下：

1）生成密钥对：椭圆曲线中，G为基准点，O为阶数，每个节点生成一对公钥私钥对，随机选择获得私钥Ki（i为节点编号），其中Ki∈[0,O-1]，公钥P=K*G。

2）产生随机数及证明：输入seed，Ki。输出：随机数r，证明π。seed代表一个不可篡改、能代表节点特性的消息，本文中采用交易前后的energy coin差值，记作ΔCoin，与节点编号NID使用函数h1编码成一个整数作为输入seed，即：

使用散列函数h2,计算得到L，将seed映射到secp256k1椭圆曲线的有限域上一点L。

产生一个随机数Q，Q∈[1，O-1]。计算Q*L，Q*G。使用函数h1将两个数字编码成数字C，即：

获得椭圆曲线上一点Vi，使用函数h3将椭圆曲线上的点V编码成一个整数，获得随机数r；

3）每个节点按照上述步骤都能获得属于自己的随机数和证明，规定节点编号从r%M到（r+H）%M之间的节点作为共识委员节点（r%M编号的节点作为共识过程中的主节点，其余节点为副本节点）。为了防止随机可验证函数选出来的节点联合作恶，因此片区内每完成一次跨链交易操作时，节点的ΔCoin都发生变化，根据新的变化重新计算随机数r和π，替换原有的共识委员节点。

3.2 对共识委员节点身份有效性验证

1）获 得seed'=h1（NID'，ΔCoin'），h1能将两个输入变成成一个整数。将seed'映射到椭圆曲线有限域上一点L'；

2）根据节点提供的证明信息π′（包含有C'，M'，V'），计算如下公式：

3）采用函数h1将T1和T3编码成为一个整数V''：

4）验证如果C″=C′相等，则该节点的身份是有效的。通过验证的节点下一步进行PBFT共识。

①预准备阶段。主节点向副本节点发送预准备消息＜＜Pre-prepare, v, n, d＞, m＞。其中v为当前视图view，n代表该预准备消息序号，d代表交易数据数字摘要，m为交易数据本身。

②准备阶段。备份节点i收到预准备消息后进入准备阶段，将准备消息发送给除自己以外的其他备份节点，准备消息格式为＜Prepare, v, n, d, i＞。当日志内容被写入交易数据m、视图v中序列号为n的预准备消息、2f个来自不同备份节点的准备消息。代表准备阶段完成。

③确认阶段。所有备份节点向客户端返回回复消息。消息格式为＜Commit, v, n, d, i＞，当收到2f+1个与准备消息匹配的来自不同备份节点的确认消息，则该阶段完成。

④回复阶段。所有节点向客户端返回回复消息＜Reply, v, t, c, i, r＞。r为执行请求后的操作结果。

4 安全性分析

本文中涉及到能源交易与区块链安全性能相关的性能有：

1）无第三方中心化控制。智能充电桩之间的电力交易时通过P2P的方式进行，同时利用两个区块链对交易过程的能源输送管和资金往来进行记录，避免数据集中化易被攻击、被篡改带来的安全隐患，实现分布式交易的痕迹式管理与业务分流。

2）无双重花费。在能源区块链上发起交易前，买方和卖方都要在区块链上抵押资产，限制作恶节点参与交易。涉及到资金花费需要两个区块链主体共同监管，资金转移过程中用到了双向锚定技术，一旦交易发起，相应资金就会被锁定，且分别等待一个竞争期后才能解锁使用。

3）加密交互。在交互过程中都采用的是密码学原理，涉及到信息传递都采用非对称加密和数字签名进行操作。

4）防攻击。首先区块链上每个节点都是经过权威认证的节点，其次在交易上链过程中，采用基于密码学原理的共识算法，高保秘性的随机选择了参与共识的节点，产生的伪随机数具有均匀分布的性质，与椭圆曲线上的随机点一样，是不可区分、不可反推的，结合密码学随机选择有效避免女巫攻击通过大量傀儡节点参与增加选中概率的发生。提供零知识证明在不公开节点私钥信息的情况下，让其他节点对共识节点有效性进行验证。从而杜绝了恶意节点根据公开信息提前掌握关键节点，对区块链网络发起有目的攻击。

5）可验证性。对获得了随机数r和及其有效性证明π=（C，M，V）。其他节点对该随机数相关的节点进行证明。如果证明及节点公开信息没有被篡改：则前提条件：seed=seed'; C = C'; M = M'; V = V';如果共识委员节点无效，则切换当前视图，展开新一轮共识节点选举，进而保证一致性协定的正确性。验证过程原理如下：

5 仿真结果

本文采用的共识机制与传统的PBFT相比主要优势体现在高保密性的选取了代表性节点参与共识，共识过程实质还是PBFT。因此测试性能之考虑通信次数。在传统PBFT共识中，设定区块链中总节点数量为N，客户端发送请求给主节点，通信次数为1；在预准备阶段，主节点向除自己以外的其他备份节点发送准备消息，通信次数为N-1；准备阶段，各备份节点间相互验证的通信次数为(N-1)2；在确认阶段，所有备份节点向主节点返回确认信息，通信次数为N(N-1)。最后回复阶段，所有节点向客户端返回一致性信息，通信次数为N。因此总的通信次数为2N2-N+1。伪随机PBFT共识算法，在总节点数为N的情况下，采用随机验证函数的方法获得不可预测的节点作为参与共识的节点，其通信次数与选取的共识节点委员会数量K有关，K≤N。同理，PRPBFT中，完成一次共识并将区块上链，整个过程通信次数为2K2-K+1。

根据实际测试点的充电桩配置及整个地区未来充电桩网络配置计划，设置节点总数为7，15，38，100，124，450，750。在不同节点数量下，传统PBFT和PRPBFT的通信次数对比如表1所示。

表1 不同节点总数下两种算法通信次数对比

由表1可以看出，在大规模节点情况下，伪随机实用拜占庭共识算法更具有优势，在超过两位数节点数量上，参与共识的节点数量固定下来，保障交易达成一致性的效率。

6 结束语

本文设计了一种基于跨链的能源点对点交易模型，采用两个区块链协同完成分布式新能源P2P交易；使用支持微支付双向锚定技术实现能源链和财务联的资产转移；引入基于椭圆曲线加密的可验证随机函数，高保密性地选取节点参与PBFT共识过程，提高了该算法在大规模节点下的扩展性；实验仿真和数据推理表明，该方案是有效的。未来将探索新的跨链技术优化交易步骤，减少跨链造成的手续开销。