基于区块链电力交易系统安全技术研究

江苏电力交易中心有限公司、江苏省国信集团有限公司 张 鹏

区块链作为一种新型分布式账本技术，具有去中心化、不可篡改、透明等特点，在电力交易领域具有广阔的应用前景。本文在总结区块链电力交易相关技术的基础上，提出基于区块链电力交易系统的总体框架，重点分析交易安全防护技术，讨论了去中心化账本设计、智能合约和加密算法的应用，以期为区块链技术在电力交易领域的应用提供借鉴。

1 基于区块链电力交易系统总体框架

基于区块链的电力交易系统采用了分层架构，由用户界面层、业务逻辑层和数据访问层组成，以满足高效、安全和灵活的交易需求。用户界面层通过图形化界面与用户交互，收集交易需求并反馈结果，提供了良好的用户体验。业务逻辑层则负责所有与电力交易相关的核心功能，如交易匹配算法和成功或失败后的操作通知。数据访问层负责与后端数据库交互，实现数据的持久性和一致性。系统采用API 和微服务架构以增强不同层之间的数据流和模块独立性，确保了高度的可扩展性和可维护性[1]。

为了实现交易的安全性和公平性，系统包括多个关键功能模块。用户认证模块采用多因素认证机制，包括用户名、密码和一次性动态口令，从而防止未授权访问和恶意攻击。电力交易模块通过复杂的算法和实时数据分析，自动匹配买卖双方并使用基于区块链的智能合约来自动执行交易。数据存储模块使用分布式数据库和备份机制，确保了数据的可靠性和持久性。安全模块则包括数据加密和安全审计，所有网络中传输的数据都经过加密，而审计功能通过记录所有系统活动提供了潜在的安全威胁检测。

2 基于区块链的电力交易机制

2.1 区块链基本原理

区块链是一种去中心化的分布式账本技术。其利用密码学方法和共识机制，使得没有中心化管理的节点能够共同维护一个不可篡改的分布式账本[2]。

区块链中的数据存储是去中心化的。网络中的每一个节点都会维护一个完整的账本副本。当有新交易发生时，交易信息并不会交给中心化的服务器，而是会广播到整个网络。网络中的节点会使用密码学算法对交易进行验证。验证通过的交易会被打包到一个区块中，每个区块包含该时间段内的多笔交易。新生成的区块需要通过共识算法才能被确认并添加到链上，共识算法能够在分布式节点间建立信任。新增的区块都包含前一个区块的密码学指纹，并按时间顺序连成一条链。这种链式结构使得任何已被确认的交易都不可逆转。

区块链的开放透明特性使得任何节点都可以验证交易，追踪历史记录，并检测任何非法活动。这保证了数据的可信任性、不可篡改性和可审计性。

2.2 去中心化账本的设计

在区块链电力交易系统中，所有电力购买和出售的交易信息都可以存储在Merkle 树的叶子节点上。而树中非叶节点包含的就是其子节点内容的数字指纹。这种结构具有以下两个优点：一是可以快速高效地验证交易，重新计算和对比树枝上哈希值即可；二是可以节省存储空间，非叶节点只存储哈希指纹，不存储完整数据[3]。

此外，Merkle 树还可以支持证明某个叶节点确实存在于这棵树中。通过提供从该叶子节点到根节点的所有父区块哈希值，可以重建路径验证数据存在性。这对区块链电力交易具有重要意义，可以证明某笔交易的确已被记录在区块链账本中（如图1所示）。

图1 Merkle 树结构示意图

假设有四笔交易T1，T2，T3和T4，每笔交易的哈希值分别用H（T1），H（T2），H（T3）和H（T4）表示，使用SHA-256作为哈希函数。接下来，这些哈希值会被配对并再次哈希：H12=SHA-256（H（T1）+H（T2）），H34=SHA-256（H（T3）+H（T4））。其中，+表示连接操作。接着，这些新生成的哈希值H12和H34再一次被配对并哈希，以生成根哈希或Merkle 根：

这个Merkle 根Hroot将存储在区块头部，并作为该区块所有交易的唯一标识符。由于Merkle 树的这种结构，即使是一点点的数据篡改也会导致Merkle 根的改变，从而被系统检测出来。通过这种方式，Merkle 树结合了哈希函数SHA-256和数据结构，为去中心化账本提供了一种高效而安全的验证机制。这增强了系统的透明度和安全性，因为每个节点都有交易的完整记录，并且任何不一致或篡改都能被迅速发现。

去中心化账本的另一个重要特性是共识机制，如工作量证明（PoW）或权益证明（PoS），用于决定哪个节点有权添加新的区块到链上。另外，为了进一步增加安全性，每个交易都会通过数字签名进行验证，数字签名通常使用椭圆曲线加密（ECC）进行。综上，去中心化账本通过复杂的密码学算法和共识机制，确保了交易的不可篡改性和系统的高透明度，是实现安全电力交易的关键技术基础。

2.3 智能合约的应用

智能合约是自动执行、自动执行和自动化的合约。其实际上是一段存储在区块链上的程序代码。这段代码在满足预定条件时自动执行，从而自动化了合约的执行过程，无须通过任何中介或第三方来进行人工审查或执行。在电力交易中，智能合约能够确保交易的透明性、安全性和自动化[4]。假设在一个基于区块链的电力交易平台上，消费者（买家）和电力公司（卖家）进行电力交易，可以设计智能合约来自动匹配买家和卖家，执行交易，处理支付等。智能合约应用具体内容如下。

2.3.1 基本参数

Dbuyer：买家需求的电量（单位：kWh）；Pbuyer：买家愿意支付的最高价格（单位：元/kWh）；Dseller：卖家供应的电量（单位：kWh）；Pseller：卖家愿意卖出的最低价格（单位：元/kWh）。

2.3.2 触发条件

智能合约会在以下条件满足时触发交易：C（Dbuyer，Dseller，Pbuyer，Pseller）=（Dbuyer ≤Dseller）&（Pbuyer ≥Pseller）。

2.3.3 转账函数

当触发条件满足时，智能合约会自动执行转账：T（abuyer，aseller，V）=transfer（aseller，abuyer，V）。其中，abuyer：买家的区块链地址；aseller：卖家的区块链地址；V：交易金额，计算公式为V=Dbuyer×Pseller

2.3.4 算法流程

数据收集：收集所有买家和卖家的D和P；排序和匹配：按照P对买家和卖家进行排序。

2.3.5 交易执行

对每一个买家，查找能满足C的卖家；如果找到，执行T进行电力和资金的转移；更新卖家和买家的D和P参数；将所有成功的交易数据和转账信息记录在区块链上。智能合约执行流程图如图2所示。

图2 区块链智能合约执行流程

图3 RSA 算法实现流程

通过使用智能合约，电力交易系统不仅能确保交易的透明性和安全性，而且能大大提高交易效率。

3 交易系统安全防护技术

3.1 交易安全威胁分析

在基于区块链的电力交易系统中，尽管区块链技术为交易安全提供了一定程度的保障，但仍存在若干潜在的安全威胁。主要威胁包括恶意节点攻击、数据篡改和身份伪造。恶意节点攻击包括对单个或多个节点的拜占庭式攻击，该攻击通过引入错误信息或拒绝服务来影响系统的正常运行。数据篡改涉及对链上存储的交易记录进行未经授权的修改，这会导致电力交易的不公平或误导[5]。身份伪造是另一个重要威胁，攻击者通过伪造身份参与交易，从而达到不正当获取电力或资金的目的。这些威胁会导致交易不透明、电力价格波动甚至系统崩溃等多种不良影响，因此需要在系统设计阶段就考虑到这些潜在威胁，并采取相应的防范措施。这包括对交易和用户数据进行加密处理，以及实施严格的用户认证机制。

3.2 加密算法应用

加密算法是区块链技术中的关键组成部分，其确保了交易的安全性和不可篡改性。一种推荐的加密算法是RSA，其是一种非对称加密算法，常用于数据加密和数字签名。RSA 的工作原理是基于两个大质数的乘积的数学属性，其有一个公钥和一个私钥。公钥用于加密数据，而私钥用于解密数据。

RSA 加密算法实现过程具体如下。一是密钥生成。选择两个大质数p和q，这两个质数应该是随机选择的，并且足够大，以确保系统的安全性。计算n和φ（n）：

式中，n用作模数进行加密和解密操作，而φ（n）将用于生成公钥和私钥。选择公钥e：选择一个公钥e，使得e和φ（n）互质。计算私钥d：e×d=1modφ（n）。这里，d可以通过扩展欧几里得算法来高效地找到。二是加密和解密。明文M到密文C的加密过程：C=M^emodn。式中，明文M是想加密的信息，通过使用接收方的公钥e和模数n，可以得到密文C。密文C到明文M的解密过程：M=C^dmodn。在这一步，接收方使用自己的私钥d和模数n对密文C进行解密，以得到原始的明文M。

总的来说，RSA 算法的精确在于，由于e和d是一对模φ（n）乘法逆元，其可以相互“抵消”彼此的操作。这就是为什么 （M^e）^dmodn 等于M，从而完成了安全的加密和解密过程。使用RSA 算法不仅可以提高系统的安全性，还能确保交易的完整性和不可抵赖性，为电力交易系统提供了坚实的安全基础。

4 结语

区块链技术作为一种全新的分布式基础架构与记账技术，以其巧妙的技术设计和数据治理方式，能够为多方协作提供信任基础。运用区块链技术建立电力交易系统，可以实现交易信息的可信记录、用户身份的可验证、交易规则的自动执行等功能，大幅提升了电力交易的安全性和公平性。本文的研究结果将为区块链技术在电力行业的推广应用提供理论依据和实践指导。