江蘇電力交易中心有限公司、江蘇省國(guó)信集團(tuán)有限公司 張 鵬

區(qū)塊鏈作為一種新型分布式賬本技術(shù)，具有去中心化、不可篡改、透明等特點(diǎn)，在電力交易領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在總結(jié)區(qū)塊鏈電力交易相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出基于區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)的總體框架，重點(diǎn)分析交易安全防護(hù)技術(shù)，討論了去中心化賬本設(shè)計(jì)、智能合約和加密算法的應(yīng)用，以期為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力交易領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

1 基于區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)總體框架

基于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)采用了分層架構(gòu)，由用戶(hù)界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層組成，以滿足高效、安全和靈活的交易需求。用戶(hù)界面層通過(guò)圖形化界面與用戶(hù)交互，收集交易需求并反饋結(jié)果，提供了良好的用戶(hù)體驗(yàn)。業(yè)務(wù)邏輯層則負(fù)責(zé)所有與電力交易相關(guān)的核心功能，如交易匹配算法和成功或失敗后的操作通知。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層負(fù)責(zé)與后端數(shù)據(jù)庫(kù)交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久性和一致性。系統(tǒng)采用API 和微服務(wù)架構(gòu)以增強(qiáng)不同層之間的數(shù)據(jù)流和模塊獨(dú)立性，確保了高度的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性[1]。

為了實(shí)現(xiàn)交易的安全性和公平性，系統(tǒng)包括多個(gè)關(guān)鍵功能模塊。用戶(hù)認(rèn)證模塊采用多因素認(rèn)證機(jī)制，包括用戶(hù)名、密碼和一次性動(dòng)態(tài)口令，從而防止未授權(quán)訪問(wèn)和惡意攻擊。電力交易模塊通過(guò)復(fù)雜的算法和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)匹配買(mǎi)賣(mài)雙方并使用基于區(qū)塊鏈的智能合約來(lái)自動(dòng)執(zhí)行交易。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊使用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和備份機(jī)制，確保了數(shù)據(jù)的可靠性和持久性。安全模塊則包括數(shù)據(jù)加密和安全審計(jì)，所有網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)加密，而審計(jì)功能通過(guò)記錄所有系統(tǒng)活動(dòng)提供了潛在的安全威脅檢測(cè)。

2 基于區(qū)塊鏈的電力交易機(jī)制

2.1 區(qū)塊鏈基本原理

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本技術(shù)。其利用密碼學(xué)方法和共識(shí)機(jī)制，使得沒(méi)有中心化管理的節(jié)點(diǎn)能夠共同維護(hù)一個(gè)不可篡改的分布式賬本[2]。

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是去中心化的。網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)維護(hù)一個(gè)完整的賬本副本。當(dāng)有新交易發(fā)生時(shí)，交易信息并不會(huì)交給中心化的服務(wù)器，而是會(huì)廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)會(huì)使用密碼學(xué)算法對(duì)交易進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證通過(guò)的交易會(huì)被打包到一個(gè)區(qū)塊中，每個(gè)區(qū)塊包含該時(shí)間段內(nèi)的多筆交易。新生成的區(qū)塊需要通過(guò)共識(shí)算法才能被確認(rèn)并添加到鏈上，共識(shí)算法能夠在分布式節(jié)點(diǎn)間建立信任。新增的區(qū)塊都包含前一個(gè)區(qū)塊的密碼學(xué)指紋，并按時(shí)間順序連成一條鏈。這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)使得任何已被確認(rèn)的交易都不可逆轉(zhuǎn)。

區(qū)塊鏈的開(kāi)放透明特性使得任何節(jié)點(diǎn)都可以驗(yàn)證交易，追蹤歷史記錄，并檢測(cè)任何非法活動(dòng)。這保證了數(shù)據(jù)的可信任性、不可篡改性和可審計(jì)性。

2.2 去中心化賬本的設(shè)計(jì)

在區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)中，所有電力購(gòu)買(mǎi)和出售的交易信息都可以存儲(chǔ)在Merkle 樹(shù)的葉子節(jié)點(diǎn)上。而樹(shù)中非葉節(jié)點(diǎn)包含的就是其子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的數(shù)字指紋。這種結(jié)構(gòu)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是可以快速高效地驗(yàn)證交易，重新計(jì)算和對(duì)比樹(shù)枝上哈希值即可；二是可以節(jié)省存儲(chǔ)空間，非葉節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)哈希指紋，不存儲(chǔ)完整數(shù)據(jù)[3]。

此外，Merkle 樹(shù)還可以支持證明某個(gè)葉節(jié)點(diǎn)確實(shí)存在于這棵樹(shù)中。通過(guò)提供從該葉子節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的所有父區(qū)塊哈希值，可以重建路徑驗(yàn)證數(shù)據(jù)存在性。這對(duì)區(qū)塊鏈電力交易具有重要意義，可以證明某筆交易的確已被記錄在區(qū)塊鏈賬本中（如圖1所示）。

圖1 Merkle 樹(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)有四筆交易T1，T2，T3和T4，每筆交易的哈希值分別用H（T1），H（T2），H（T3）和H（T4）表示，使用SHA-256作為哈希函數(shù)。接下來(lái)，這些哈希值會(huì)被配對(duì)并再次哈希：H12=SHA-256（H（T1）+H（T2）），H34=SHA-256（H（T3）+H（T4））。其中，+表示連接操作。接著，這些新生成的哈希值H12和H34再一次被配對(duì)并哈希，以生成根哈希或Merkle 根：

這個(gè)Merkle 根Hroot將存儲(chǔ)在區(qū)塊頭部，并作為該區(qū)塊所有交易的唯一標(biāo)識(shí)符。由于Merkle 樹(shù)的這種結(jié)構(gòu)，即使是一點(diǎn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)篡改也會(huì)導(dǎo)致Merkle 根的改變，從而被系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)。通過(guò)這種方式，Merkle 樹(shù)結(jié)合了哈希函數(shù)SHA-256和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為去中心化賬本提供了一種高效而安全的驗(yàn)證機(jī)制。這增強(qiáng)了系統(tǒng)的透明度和安全性，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都有交易的完整記錄，并且任何不一致或篡改都能被迅速發(fā)現(xiàn)。

去中心化賬本的另一個(gè)重要特性是共識(shí)機(jī)制，如工作量證明（PoW）或權(quán)益證明（PoS），用于決定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)有權(quán)添加新的區(qū)塊到鏈上。另外，為了進(jìn)一步增加安全性，每個(gè)交易都會(huì)通過(guò)數(shù)字簽名進(jìn)行驗(yàn)證，數(shù)字簽名通常使用橢圓曲線加密（ECC）進(jìn)行。綜上，去中心化賬本通過(guò)復(fù)雜的密碼學(xué)算法和共識(shí)機(jī)制，確保了交易的不可篡改性和系統(tǒng)的高透明度，是實(shí)現(xiàn)安全電力交易的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3 智能合約的應(yīng)用

智能合約是自動(dòng)執(zhí)行、自動(dòng)執(zhí)行和自動(dòng)化的合約。其實(shí)際上是一段存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上的程序代碼。這段代碼在滿足預(yù)定條件時(shí)自動(dòng)執(zhí)行，從而自動(dòng)化了合約的執(zhí)行過(guò)程，無(wú)須通過(guò)任何中介或第三方來(lái)進(jìn)行人工審查或執(zhí)行。在電力交易中，智能合約能夠確保交易的透明性、安全性和自動(dòng)化[4]。假設(shè)在一個(gè)基于區(qū)塊鏈的電力交易平臺(tái)上，消費(fèi)者（買(mǎi)家）和電力公司（賣(mài)家）進(jìn)行電力交易，可以設(shè)計(jì)智能合約來(lái)自動(dòng)匹配買(mǎi)家和賣(mài)家，執(zhí)行交易，處理支付等。智能合約應(yīng)用具體內(nèi)容如下。

2.3.1 基本參數(shù)

Dbuyer：買(mǎi)家需求的電量（單位：kWh）；Pbuyer：買(mǎi)家愿意支付的最高價(jià)格（單位：元/kWh）；Dseller：賣(mài)家供應(yīng)的電量（單位：kWh）；Pseller：賣(mài)家愿意賣(mài)出的最低價(jià)格（單位：元/kWh）。

2.3.2 觸發(fā)條件

智能合約會(huì)在以下條件滿足時(shí)觸發(fā)交易：C（Dbuyer，Dseller，Pbuyer，Pseller）=（Dbuyer ≤Dseller）&（Pbuyer ≥Pseller）。

2.3.3 轉(zhuǎn)賬函數(shù)

當(dāng)觸發(fā)條件滿足時(shí)，智能合約會(huì)自動(dòng)執(zhí)行轉(zhuǎn)賬：T（abuyer，aseller，V）=transfer（aseller，abuyer，V）。其中，abuyer：買(mǎi)家的區(qū)塊鏈地址；aseller：賣(mài)家的區(qū)塊鏈地址；V：交易金額，計(jì)算公式為V=Dbuyer×Pseller

2.3.4 算法流程

數(shù)據(jù)收集：收集所有買(mǎi)家和賣(mài)家的D和P；排序和匹配：按照P對(duì)買(mǎi)家和賣(mài)家進(jìn)行排序。

2.3.5 交易執(zhí)行

對(duì)每一個(gè)買(mǎi)家，查找能滿足C的賣(mài)家；如果找到，執(zhí)行T進(jìn)行電力和資金的轉(zhuǎn)移；更新賣(mài)家和買(mǎi)家的D和P參數(shù)；將所有成功的交易數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)賬信息記錄在區(qū)塊鏈上。智能合約執(zhí)行流程圖如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈智能合約執(zhí)行流程

圖3 RSA 算法實(shí)現(xiàn)流程

通過(guò)使用智能合約，電力交易系統(tǒng)不僅能確保交易的透明性和安全性，而且能大大提高交易效率。

3 交易系統(tǒng)安全防護(hù)技術(shù)

3.1 交易安全威脅分析

在基于區(qū)塊鏈的電力交易系統(tǒng)中，盡管區(qū)塊鏈技術(shù)為交易安全提供了一定程度的保障，但仍存在若干潛在的安全威脅。主要威脅包括惡意節(jié)點(diǎn)攻擊、數(shù)據(jù)篡改和身份偽造。惡意節(jié)點(diǎn)攻擊包括對(duì)單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的拜占庭式攻擊，該攻擊通過(guò)引入錯(cuò)誤信息或拒絕服務(wù)來(lái)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。數(shù)據(jù)篡改涉及對(duì)鏈上存儲(chǔ)的交易記錄進(jìn)行未經(jīng)授權(quán)的修改，這會(huì)導(dǎo)致電力交易的不公平或誤導(dǎo)[5]。身份偽造是另一個(gè)重要威脅，攻擊者通過(guò)偽造身份參與交易，從而達(dá)到不正當(dāng)獲取電力或資金的目的。這些威脅會(huì)導(dǎo)致交易不透明、電力價(jià)格波動(dòng)甚至系統(tǒng)崩潰等多種不良影響，因此需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就考慮到這些潛在威脅，并采取相應(yīng)的防范措施。這包括對(duì)交易和用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，以及實(shí)施嚴(yán)格的用戶(hù)認(rèn)證機(jī)制。

3.2 加密算法應(yīng)用

加密算法是區(qū)塊鏈技術(shù)中的關(guān)鍵組成部分，其確保了交易的安全性和不可篡改性。一種推薦的加密算法是RSA，其是一種非對(duì)稱(chēng)加密算法，常用于數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名。RSA 的工作原理是基于兩個(gè)大質(zhì)數(shù)的乘積的數(shù)學(xué)屬性，其有一個(gè)公鑰和一個(gè)私鑰。公鑰用于加密數(shù)據(jù)，而私鑰用于解密數(shù)據(jù)。

RSA 加密算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程具體如下。一是密鑰生成。選擇兩個(gè)大質(zhì)數(shù)p和q，這兩個(gè)質(zhì)數(shù)應(yīng)該是隨機(jī)選擇的，并且足夠大，以確保系統(tǒng)的安全性。計(jì)算n和φ（n）：

式中，n用作模數(shù)進(jìn)行加密和解密操作，而φ（n）將用于生成公鑰和私鑰。選擇公鑰e：選擇一個(gè)公鑰e，使得e和φ（n）互質(zhì)。計(jì)算私鑰d：e×d=1modφ（n）。這里，d可以通過(guò)擴(kuò)展歐幾里得算法來(lái)高效地找到。二是加密和解密。明文M到密文C的加密過(guò)程：C=M^emodn。式中，明文M是想加密的信息，通過(guò)使用接收方的公鑰e和模數(shù)n，可以得到密文C。密文C到明文M的解密過(guò)程：M=C^dmodn。在這一步，接收方使用自己的私鑰d和模數(shù)n對(duì)密文C進(jìn)行解密，以得到原始的明文M。

總的來(lái)說(shuō)，RSA 算法的精確在于，由于e和d是一對(duì)模φ（n）乘法逆元，其可以相互“抵消”彼此的操作。這就是為什么 （M^e）^dmodn 等于M，從而完成了安全的加密和解密過(guò)程。使用RSA 算法不僅可以提高系統(tǒng)的安全性，還能確保交易的完整性和不可抵賴(lài)性，為電力交易系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的安全基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與記賬技術(shù)，以其巧妙的技術(shù)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)治理方式，能夠?yàn)槎喾絽f(xié)作提供信任基礎(chǔ)。運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)建立電力交易系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)交易信息的可信記錄、用戶(hù)身份的可驗(yàn)證、交易規(guī)則的自動(dòng)執(zhí)行等功能，大幅提升了電力交易的安全性和公平性。本文的研究結(jié)果將為區(qū)塊鏈技術(shù)在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。