楊春燕，賓冬梅，黎新

工程與應(yīng)用

基于PBFT區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)企業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

楊春燕，賓冬梅，黎新

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣西 南寧 530012）

提出了一種基于實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）算法的區(qū)塊鏈技術(shù)，首先對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法原理進(jìn)行了闡述，該傳統(tǒng)算法包含前期、需求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、確認(rèn)、答復(fù)6個(gè)階段，但傳統(tǒng)算法具有實(shí)時(shí)性差、缺乏懲罰機(jī)制、帶寬高的缺點(diǎn)。針對(duì)出現(xiàn)的這些問(wèn)題，又對(duì)傳統(tǒng)算法進(jìn)行了改進(jìn)，具體涉及記賬節(jié)點(diǎn)、共識(shí)過(guò)程以及視圖切換過(guò)程。通過(guò)測(cè)試進(jìn)一步證明了該改進(jìn)算法的實(shí)用性，并將該算法應(yīng)用于電網(wǎng)企業(yè)中，構(gòu)建的虛擬倉(cāng)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)備，降低了庫(kù)存資金的耗費(fèi)，并且提高了電網(wǎng)企業(yè)庫(kù)存管理的效率。

實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法；區(qū)塊鏈技術(shù)；虛擬倉(cāng)庫(kù)

1 引言

區(qū)塊鏈技術(shù)是目前最受矚目的技術(shù)之一，電網(wǎng)、物流等相關(guān)領(lǐng)域都有其身影，隨著其技術(shù)的發(fā)展，人們的社會(huì)生活變得更加智能化。目前在我國(guó)，越來(lái)越重視區(qū)塊鏈技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)都在研究提高區(qū)塊鏈技術(shù)的性能，參與到區(qū)塊鏈技術(shù)研究中的科研單位變得越來(lái)越多[1-5]。就區(qū)塊鏈的算法來(lái)說(shuō)，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)（PBFT）算法具有吞吐量高、交易時(shí)延低等特點(diǎn)，是目前公認(rèn)解決拜占庭問(wèn)題最優(yōu)秀的算法[6]。PBFT對(duì)原先拜占庭容錯(cuò)算法而言，在口頭協(xié)議和書(shū)面協(xié)議的時(shí)間復(fù)雜度方面有了極大進(jìn)步，其復(fù)雜程度也大大降低，因此從理論層面解決拜占庭問(wèn)題過(guò)渡到了實(shí)際應(yīng)用的層面。系統(tǒng)做出準(zhǔn)確判定的前提是當(dāng)拜占庭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為時(shí)，副本節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為3+1。主節(jié)點(diǎn)在一個(gè)視圖中是獨(dú)一無(wú)二的。新的主節(jié)點(diǎn)只能在原主節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，系統(tǒng)重新執(zhí)行視圖更換協(xié)議后產(chǎn)生。電網(wǎng)企業(yè)的分散式采購(gòu)形成了相對(duì)封閉的物資儲(chǔ)備信息，使得應(yīng)急情況下物資無(wú)法在分子公司間進(jìn)行高效調(diào)配。本文采用基于PBFT的區(qū)塊鏈技術(shù)的電網(wǎng)智能虛擬倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)，解決以上問(wèn)題。

2 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法

2.1 算法流程

實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法包括前期階段、需求階段、預(yù)準(zhǔn)備階段、準(zhǔn)備階段、確認(rèn)階段、答復(fù)階段，算法流程[7-8]如圖1所示。

下面對(duì)該6階段分別進(jìn)行闡述。

（1）前期階段，設(shè)定相關(guān)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每通過(guò)一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)，利用投票法隨機(jī)挑選一個(gè)副本節(jié)點(diǎn)使其成為主節(jié)點(diǎn)，其余的節(jié)點(diǎn)作為備份節(jié)點(diǎn)使用。

（2）需求階段，相關(guān)服務(wù)的請(qǐng)求命令被傳送給區(qū)塊鏈系統(tǒng)客戶(hù)端的主節(jié)點(diǎn)。

圖1 實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法請(qǐng)求命令的傳送流程

（3）預(yù)準(zhǔn)備階段，當(dāng)用戶(hù)端的請(qǐng)求命令到達(dá)后，主節(jié)點(diǎn)會(huì)整編其相應(yīng)的信息，整編完成后，把該請(qǐng)求繼續(xù)傳遞給余下的副本節(jié)點(diǎn)，而得到的預(yù)生成區(qū)塊則當(dāng)作特殊的共識(shí)請(qǐng)求處理。

（4）準(zhǔn)備階段，副本節(jié)點(diǎn)得到相關(guān)的命令后，首先分析命令的合法性，分析通過(guò)后，就會(huì)對(duì)其余的節(jié)點(diǎn)傳遞信息。

（5）確認(rèn)階段，對(duì)其余節(jié)點(diǎn)向相關(guān)副本節(jié)點(diǎn)傳遞的信息再進(jìn)行分析，當(dāng)接收到的請(qǐng)求命令一致時(shí)，再繼續(xù)進(jìn)行信息傳遞。

（6）答復(fù)階段，當(dāng)相關(guān)副本節(jié)點(diǎn)收到其余節(jié)點(diǎn)傳遞的肯定命令后，才會(huì)對(duì)相關(guān)請(qǐng)求命令進(jìn)行執(zhí)行，此時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)把相關(guān)數(shù)據(jù)保存到區(qū)塊鏈中，給客戶(hù)端發(fā)送分析后的結(jié)果，當(dāng)大部分的數(shù)據(jù)一致時(shí)，最終確認(rèn)請(qǐng)求正確。

2.2 算法具體實(shí)施

同時(shí)滿(mǎn)足：

基于拜占庭容錯(cuò)特性的共識(shí)需求，使其得到滿(mǎn)足，則有：

式（4）說(shuō)明，在PBFT算法網(wǎng)絡(luò)下，當(dāng)出現(xiàn)個(gè)非確認(rèn)節(jié)點(diǎn)時(shí)，此時(shí)要確保有3+1個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，所以PBFT算法允許的容錯(cuò)率是33%，區(qū)塊鏈系統(tǒng)確保正常運(yùn)行的前提是至少有2+1個(gè)無(wú)誤的副本節(jié)點(diǎn)。

PBFT算法是目前應(yīng)用于區(qū)塊鏈中比較好的算法[9]，但是該算法存在許多問(wèn)題，例如：PBFT算法的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性較差，增減節(jié)點(diǎn)都需要初始化共識(shí)網(wǎng)絡(luò)；算法不具備懲罰機(jī)制；算法對(duì)帶寬要求較高，帶寬會(huì)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而出現(xiàn)多項(xiàng)式級(jí)別增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3 拜占庭容錯(cuò)算法的改進(jìn)

針對(duì)傳統(tǒng)算法的實(shí)時(shí)性差、缺乏懲罰機(jī)制、對(duì)帶寬要求過(guò)高等問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，包含記賬節(jié)點(diǎn)的選取、記賬節(jié)點(diǎn)之間的共識(shí)過(guò)程，以及視圖切換過(guò)程。

3.1 記賬節(jié)點(diǎn)的選取

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中制定智能合約，用來(lái)對(duì)候選節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選舉，并且該智能合約是不可以對(duì)其進(jìn)行修改的，故在該網(wǎng)絡(luò)中，包含的節(jié)點(diǎn)可以參與選舉，進(jìn)而成為候選節(jié)點(diǎn)，并可以在合約中提前設(shè)置好系統(tǒng)的通過(guò)率。為了防止系統(tǒng)中的拜占庭節(jié)點(diǎn)作惡，需要將通過(guò)率設(shè)置為大于2/3。

區(qū)塊鏈中的任何節(jié)點(diǎn)都可作為候選節(jié)點(diǎn)，并且在系統(tǒng)中的其他任何節(jié)點(diǎn)都可以投票給候選節(jié)點(diǎn)，投票選出的前個(gè)節(jié)點(diǎn)則可作為記賬節(jié)點(diǎn)，記賬節(jié)點(diǎn)的選取過(guò)程如圖2所示。這樣與傳統(tǒng)區(qū)塊鏈相比，其安全性得到了一定提升。

圖2 記賬節(jié)點(diǎn)選取過(guò)程

3.2 共識(shí)過(guò)程

用戶(hù)首先要對(duì)需要共識(shí)的部分進(jìn)行簽名，并將簽名發(fā)送到區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)中。用戶(hù)對(duì)共識(shí)請(qǐng)求進(jìn)行廣播，若某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到該共識(shí)請(qǐng)求，則接下來(lái)會(huì)對(duì)請(qǐng)求內(nèi)容進(jìn)行判斷，只有當(dāng)內(nèi)容滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定的條件時(shí)，才會(huì)對(duì)該交易進(jìn)行轉(zhuǎn)播，之后再將該交易放入共識(shí)緩存序列。

當(dāng)進(jìn)行新一輪的共識(shí)時(shí)，區(qū)塊鏈系統(tǒng)首先會(huì)初始化本輪共識(shí)，之后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)在共識(shí)流程中體現(xiàn)，并且共識(shí)信息的封裝和簽名由PBFT的主節(jié)點(diǎn)來(lái)完成，主節(jié)點(diǎn)再將簽名后的消息進(jìn)行全網(wǎng)廣播，網(wǎng)絡(luò)中的副節(jié)點(diǎn)要對(duì)該消息進(jìn)行判斷，滿(mǎn)足條件的消息才會(huì)被副節(jié)點(diǎn)認(rèn)可。

接下來(lái)副節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)其進(jìn)行判斷，如果該消息有效，則此節(jié)點(diǎn)會(huì)步入“準(zhǔn)備”階段，對(duì)消息進(jìn)行封裝和簽名，并向全網(wǎng)廣播，同樣副節(jié)點(diǎn)要在接收“準(zhǔn)備”消息前判斷其有效性，當(dāng)滿(mǎn)足判斷條件后，副節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出“確認(rèn)”消息，接著還要進(jìn)行下一步的判斷，判斷成功的“確認(rèn)”消息會(huì)被加入“確認(rèn)”序列，該“確認(rèn)”消息表示共識(shí)網(wǎng)絡(luò)達(dá)成一致，至此共識(shí)過(guò)程完成。

3.3 視圖切換過(guò)程

視圖切換是指在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊鏈中沒(méi)有響應(yīng)，或在己經(jīng)達(dá)成一定協(xié)議后，為了進(jìn)入下一個(gè)共識(shí)階段而獲得新區(qū)塊的過(guò)程，視圖切換流程如圖3所示?？梢詫BFT的視圖切換過(guò)程分為5步。

步驟1 大多數(shù)副節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中將共識(shí)視為不靈活或結(jié)束狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入下一輪的共識(shí)過(guò)程中；如果是在不靈活狀態(tài)下，則該輪交易會(huì)被共識(shí)交易集合轉(zhuǎn)移。

步驟2 副節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建“視圖改變”消息，會(huì)傳播在之前已經(jīng)建立好的共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中。

步驟3 副本網(wǎng)絡(luò)會(huì)接收“視圖改變”，但是在接收前依然要對(duì)其進(jìn)行判斷。

步驟4 當(dāng)“視圖改變”集合中存在2+1個(gè)“視圖改變”消息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)創(chuàng)建一個(gè)“新視圖”消息。

步驟5 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的副節(jié)點(diǎn)接收該“新視圖”消息之后，依然要判斷該消息的有效性。若滿(mǎn)足預(yù)先設(shè)定的條件，則該副節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個(gè)視圖狀態(tài)，并進(jìn)入下一輪共識(shí)中。

圖3 視圖切換流程

改進(jìn)后的PBFT算法的創(chuàng)新之處在于與傳統(tǒng)方法進(jìn)行結(jié)合，在不需要所有節(jié)點(diǎn)都參與的情況下很好地解決了共識(shí)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和帶寬高的問(wèn)題；并且由于該投票數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行篡改，投票結(jié)果更具可靠性；網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)副節(jié)點(diǎn)需要滿(mǎn)足一定的判斷條件并添加了懲罰機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)的安全性有所提高；記賬節(jié)點(diǎn)之間可以輪流分配到區(qū)塊權(quán)力，增加了區(qū)塊鏈的出塊效率；共識(shí)網(wǎng)絡(luò)中增加的超時(shí)重發(fā)機(jī)制可在一定程度上增加消息的到達(dá)率，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)效率。

各個(gè)電網(wǎng)分子公司可以根據(jù)需求提出倉(cāng)單的申請(qǐng)，但必須在貨主倉(cāng)儲(chǔ)資產(chǎn)價(jià)值內(nèi)。倉(cāng)庫(kù)審核倉(cāng)單申請(qǐng)所填的倉(cāng)儲(chǔ)資產(chǎn)情況，如實(shí)批準(zhǔn)或拒絕該申請(qǐng)；監(jiān)管公司進(jìn)行商品質(zhì)檢和倉(cāng)儲(chǔ)資產(chǎn)確認(rèn)，批準(zhǔn)或拒絕該申請(qǐng)；平臺(tái)對(duì)倉(cāng)單進(jìn)行登記，并根據(jù)倉(cāng)庫(kù)和監(jiān)管的審核意見(jiàn)，決定批準(zhǔn)或拒絕該申請(qǐng)。倉(cāng)庫(kù)、監(jiān)管、平臺(tái)分別審核，只要有一方審核失敗，此次申請(qǐng)就不通過(guò)并反饋給貨主，若三方都審核通過(guò)，則生成倉(cāng)單。此外，每次審核后的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)PBFT算法進(jìn)行處理，并存入?yún)^(qū)塊中，形成一條完整的區(qū)塊鏈。

4 電網(wǎng)企業(yè)智能虛擬倉(cāng)庫(kù)管理平臺(tái)構(gòu)建

電網(wǎng)企業(yè)是資產(chǎn)密集型企業(yè)，分散式采購(gòu)導(dǎo)致物資儲(chǔ)備在各分子公司，形成了相對(duì)封閉的物資儲(chǔ)備信息、地理隔離及系統(tǒng)壁壘，使得應(yīng)急情況下物資無(wú)法在分子公司間進(jìn)行高效調(diào)配，導(dǎo)致物資庫(kù)存居高不下、周轉(zhuǎn)緩慢等問(wèn)題[10-12]出現(xiàn)。

現(xiàn)階段通過(guò)基于PBFT算法的區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建物資聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)、搭建平臺(tái)、固化智能合約、持續(xù)優(yōu)化并推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)在省級(jí)分子公司范圍內(nèi)對(duì)物資進(jìn)行的統(tǒng)購(gòu)統(tǒng)配和聯(lián)儲(chǔ)聯(lián)備[13-14]。進(jìn)一步在區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建一種虛擬倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)，該平臺(tái)可以使電網(wǎng)系統(tǒng)中涉及的物資庫(kù)存進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)，再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)共享和多形式的調(diào)撥。該方法能夠在一定程度上提高庫(kù)存物資的使用效率，并改善其自身的周轉(zhuǎn)率，在保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，降低了占用庫(kù)存物資的資金成本，進(jìn)而也減少了儲(chǔ)備管理消耗。設(shè)計(jì)推進(jìn)步驟如圖4所示。

系統(tǒng)采用分層和模塊化的技術(shù)體系，包括網(wǎng)絡(luò)通信層、網(wǎng)絡(luò)實(shí)體層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層和智能合約層，公共支撐組件和安全防護(hù)組件，RPC API和Java SDK，最上層是區(qū)塊鏈應(yīng)用和區(qū)塊鏈管理[15]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

基于PBFT算法的區(qū)塊鏈技術(shù)在電網(wǎng)企業(yè)中具有良好的應(yīng)用，通過(guò)基于PBFT算法的區(qū)塊鏈技術(shù)建立虛擬倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)，所有該區(qū)域分子公司的物資需求和庫(kù)存信息全部在虛擬庫(kù)層面共享，提高了庫(kù)存物資的統(tǒng)一管理水平，同時(shí)為區(qū)域內(nèi)物資的調(diào)度調(diào)劑提供了可能，減少了庫(kù)存資源分布不均、信息不透明導(dǎo)致的過(guò)度訂貨和重復(fù)儲(chǔ)備[16-18]。庫(kù)存管理模式的改變提高了管理效益。虛擬庫(kù)的建立弱化了分子公司的二級(jí)庫(kù)存管理職能，整合了各分子公司相對(duì)獨(dú)立的庫(kù)存管理孤島。同時(shí)，物資庫(kù)存信息上鏈也大大提高了各分子公司的信息真實(shí)性和信任程度，降低了庫(kù)存信息更新滯后以及對(duì)供應(yīng)商準(zhǔn)時(shí)送貨不信任所導(dǎo)致的過(guò)度儲(chǔ)備，從而在一定程度上降低了占用庫(kù)存資金，并且實(shí)現(xiàn)了更好的供應(yīng)鏈協(xié)同合作管理的效果。

圖4 設(shè)計(jì)推進(jìn)步驟

系統(tǒng)基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)物資虛擬倉(cāng)庫(kù)管理平臺(tái)，建立在公司內(nèi)部實(shí)時(shí)查詢(xún)、統(tǒng)一調(diào)配的共享機(jī)制，適用于電網(wǎng)公司全網(wǎng)。對(duì)應(yīng)的架構(gòu)及場(chǎng)景示意圖如圖6和圖7所示，系統(tǒng)分別由聯(lián)盟鏈層以及應(yīng)用層兩大部分組成，其中指令的傳遞、應(yīng)用數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、智能化協(xié)議的調(diào)配、基于智能化協(xié)議提供對(duì)應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)等由聯(lián)盟鏈層負(fù)責(zé)。在這個(gè)聯(lián)盟鏈中，物資部和物資供應(yīng)商一起構(gòu)建聯(lián)盟，將省區(qū)市物資部和供應(yīng)商之間、不同地市局物資部之間達(dá)成的商業(yè)協(xié)議，以智能合約代碼的形式進(jìn)行定義，將流通環(huán)節(jié)的每一個(gè)部分都做好數(shù)據(jù)的登記與共享，其中包括物資的采購(gòu)、運(yùn)輸、入庫(kù)、出庫(kù)、轉(zhuǎn)儲(chǔ)、結(jié)算等。因?yàn)閰^(qū)塊鏈具有信息共享、透明、防篡改、可追溯特性，通過(guò)平臺(tái)運(yùn)行，可以達(dá)到降低物資采購(gòu)成本、降低庫(kù)存水平、提高物資供應(yīng)效率的目的。

系統(tǒng)應(yīng)用主要包括功能模塊如下。

（1）身份授權(quán)與權(quán)限管理

系統(tǒng)具有密鑰調(diào)配、權(quán)限管理以及身份認(rèn)證等功能，運(yùn)行模式與安全受限的聯(lián)盟鏈方式一致，只有經(jīng)過(guò)身份授權(quán)與權(quán)限管理驗(yàn)證的組織才可訪問(wèn)使用虛擬倉(cāng)庫(kù)管理平臺(tái)。

圖5 系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

圖7 場(chǎng)景應(yīng)用示意圖

（2）物資補(bǔ)庫(kù)業(yè)務(wù)管理

系統(tǒng)按照采購(gòu)預(yù)算資金和耗費(fèi)比例調(diào)配物資的補(bǔ)庫(kù)比例，主要是由于系統(tǒng)允許物資補(bǔ)庫(kù)業(yè)務(wù)上鏈。當(dāng)物資數(shù)據(jù)上鏈以后，便可在區(qū)塊鏈環(huán)境下的不同部門(mén)之間流轉(zhuǎn)、共享。

（3）物資入庫(kù)與出庫(kù)

系統(tǒng)支持物資數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈上共享，物資所有權(quán)組織可以對(duì)鏈上物資進(jìn)行入庫(kù)和出庫(kù)的管理。當(dāng)物資入庫(kù)、出庫(kù)時(shí)，將相關(guān)信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈。

（4）庫(kù)存物資轉(zhuǎn)儲(chǔ)購(gòu)銷(xiāo)

系統(tǒng)支持庫(kù)存物資信息在不同組織之間進(jìn)行流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物資在全系統(tǒng)內(nèi)的共享使用，降低庫(kù)存成本。區(qū)塊鏈上的流轉(zhuǎn)支持實(shí)時(shí)結(jié)算，擁有物資所有權(quán)的組織可以對(duì)物資進(jìn)行出庫(kù)使用。

（5）分析看板

系統(tǒng)支持授權(quán)部分組織查詢(xún)區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)信息，包括物資采購(gòu)周期、庫(kù)存信息、數(shù)量和狀態(tài)信息，并且可以在區(qū)塊鏈上追溯物資的流轉(zhuǎn)過(guò)程。

（6）外部系統(tǒng)接口

系統(tǒng)還支持對(duì)物流系統(tǒng)的對(duì)接功能，可以在一定范圍內(nèi)查詢(xún)到物資流轉(zhuǎn)和承接的信息。系統(tǒng)支持對(duì)接資金系統(tǒng)，可以跟蹤查詢(xún)統(tǒng)購(gòu)統(tǒng)配資金流轉(zhuǎn)及狀態(tài)等信息。系統(tǒng)支持對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)接口，可以實(shí)現(xiàn)物資流轉(zhuǎn)信息和狀態(tài)可信接入上鏈，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

表1 區(qū)塊鏈模型產(chǎn)生的平均TPS

（7）消息推送

系統(tǒng)支持物資庫(kù)存更新消息推送，如果鏈上庫(kù)存金額、狀態(tài)或流轉(zhuǎn)信息進(jìn)行了更新，可以主動(dòng)推送消息到相關(guān)組織。支持資金信息更新消息推送，當(dāng)鏈上資金信息有更新時(shí)，可以主動(dòng)推送消息到相關(guān)組織。

相較于傳統(tǒng)的解決方案，區(qū)塊鏈技術(shù)賦能的虛擬倉(cāng)庫(kù)，可以將分散在電網(wǎng)的各分子公司的庫(kù)存信息加密后進(jìn)行開(kāi)放、共享，既保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的保密性，又實(shí)現(xiàn)了一定區(qū)域內(nèi)的物資儲(chǔ)備信息共享，更好地應(yīng)對(duì)緊急情況。同時(shí)，區(qū)塊鏈防篡改的優(yōu)勢(shì)，也保障了物資庫(kù)存數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

5 算法測(cè)試與分析

通過(guò)使用Python軟件對(duì)交易數(shù)為500~10 500的處理請(qǐng)求進(jìn)行發(fā)送，在一定的時(shí)間內(nèi)，區(qū)塊鏈完成了HTTP的請(qǐng)求，并按照請(qǐng)求創(chuàng)建了賬戶(hù)。由此可以看到在部分情況下，由于事務(wù)隊(duì)列的限制以及機(jī)器性能等問(wèn)題，出現(xiàn)了事務(wù)處理失敗等問(wèn)題。因此在這幾種情況下需要重新發(fā)送HTTP指令，保證事務(wù)處理都是成功的。進(jìn)行一次測(cè)試得到的數(shù)據(jù)具有一定的隨機(jī)性與不確定性，因此需要再次進(jìn)行測(cè)試情況下的生成賬號(hào)事務(wù)處理，并取兩次測(cè)試結(jié)果的平均數(shù)作為該情況下的TPS（transactions per second，每秒傳輸?shù)氖挛锾幚韨€(gè)數(shù)，吞吐量）性能。每次計(jì)算HTTP的請(qǐng)求時(shí)，區(qū)塊鏈模型產(chǎn)生的平均TPS見(jiàn)表1。

通過(guò)表1可以看出區(qū)塊鏈通過(guò)請(qǐng)求發(fā)送單個(gè)HTTP交易數(shù)量所表現(xiàn)出來(lái)的吞吐量。在此基礎(chǔ)上可以通過(guò)HTTP請(qǐng)求使得區(qū)塊鏈可以進(jìn)行資產(chǎn)交易。由于機(jī)器硬件的限制，現(xiàn)將單個(gè)HTTP請(qǐng)求中的事務(wù)處理數(shù)量從1 500增加到4 500，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后得到的結(jié)果基本一致。現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)交易狀況進(jìn)行與創(chuàng)建賬戶(hù)交易同樣的分析，當(dāng)單個(gè)HTTP請(qǐng)求的交易數(shù)量為1 500~4 500時(shí)吞吐量的變化情況見(jiàn)表2。

表2 吞吐量變化情況

利用Python腳本對(duì)區(qū)塊鏈的資產(chǎn)交易能力進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果后再進(jìn)行分析與討論。同樣，利用HTTP請(qǐng)求對(duì)區(qū)塊鏈進(jìn)行資產(chǎn)交易，并且逐步増大單個(gè)HTTP請(qǐng)求中的事務(wù)處理數(shù)量的要求。進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)之后的數(shù)據(jù)基本相同?，F(xiàn)將資產(chǎn)交易情況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，從而便于分析吞吐量（TPS）的情況。

由于環(huán)境和局域網(wǎng)等多方面限制，HTTP請(qǐng)求的發(fā)送時(shí)延可以在一定程度上被忽略，因此HTTP命令中存在的事務(wù)處理請(qǐng)求時(shí)延可以被看成只源于區(qū)塊鏈自有的共識(shí)過(guò)程時(shí)延，創(chuàng)建賬戶(hù)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)整合見(jiàn)表3。

表3 創(chuàng)建賬戶(hù)狀態(tài)下的數(shù)據(jù)整合

通過(guò)以上數(shù)據(jù)能夠看出，在創(chuàng)建賬戶(hù)時(shí)區(qū)塊鏈模型的共識(shí)過(guò)程時(shí)延只是毫秒級(jí)別，只要請(qǐng)求的TPS在可控的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的平均時(shí)延只有2 ms左右。區(qū)塊鏈模型在一定程度上避免了共識(shí)時(shí)間伴隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化呈指數(shù)升高的問(wèn)題，這體現(xiàn)出了區(qū)塊鏈技術(shù)在TPS性能和時(shí)延性能方面都表現(xiàn)得十分優(yōu)秀，即使在現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)需求中，區(qū)塊鏈依然能表現(xiàn)很好，并且在虛擬倉(cāng)庫(kù)管理中扮演著十分重要的角色。

通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)在電網(wǎng)企業(yè)中的實(shí)施，電網(wǎng)在以下方面得到了改變。

（1）物資需求計(jì)劃與預(yù)測(cè)

基于節(jié)點(diǎn)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息都相同的特點(diǎn)，各基層單位所看到的需求量與當(dāng)前的庫(kù)存水平是完全相同的，所以在此基礎(chǔ)上做出的全局預(yù)測(cè)會(huì)更為精準(zhǔn)，并且該特點(diǎn)能夠有效降低當(dāng)前庫(kù)存水平。

（2）物資采購(gòu)

將物資與供應(yīng)商關(guān)系，以及供應(yīng)商各項(xiàng)數(shù)據(jù)上鏈，為決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）物資結(jié)算管理

通過(guò)智能合約運(yùn)作，7×24 h自動(dòng)審核，減少相關(guān)人力投入，提升效率。

（4）物資儲(chǔ)備管理

企業(yè)的各基層單位能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于物資信息的共享，通過(guò)物資分析看板，能夠多方面地分析物資采購(gòu)周期、庫(kù)存、數(shù)量和狀態(tài)等信息，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)全方位的統(tǒng)籌管理，提高物資儲(chǔ)備資金的應(yīng)用效率，在一定程度上降低了物資儲(chǔ)備的管理成本。

（5）物資調(diào)配管理

通過(guò)智能合約的固化，減少人工干預(yù)，自動(dòng)審批，提升效率。

基于PBFT算法的區(qū)塊鏈技術(shù)在電網(wǎng)企業(yè)中具有良好的應(yīng)用，通過(guò)基于PBFT算法的區(qū)塊鏈技術(shù)建立虛擬倉(cāng)庫(kù)平臺(tái)，所有該區(qū)域分子公司的物資需求和庫(kù)存信息全部在虛擬庫(kù)層面共享，提高了庫(kù)存物資的統(tǒng)一管理水平，同時(shí)為區(qū)域內(nèi)物資的調(diào)度調(diào)劑提供了可能，減少了庫(kù)存資源分布不均、信息不透明導(dǎo)致的過(guò)度訂貨和重復(fù)儲(chǔ)備。庫(kù)存管理模式的改變提高了管理效益。虛擬庫(kù)的建立弱化了分子公司的二級(jí)庫(kù)存管理職能，整合了各分子公司相對(duì)獨(dú)立的庫(kù)存管理孤島。同時(shí)，物資庫(kù)存信息上鏈也大大提高了各分子公司的信息真實(shí)性和信任程度，降低了庫(kù)存信息更新滯后以及對(duì)供應(yīng)商準(zhǔn)時(shí)送貨不信任所導(dǎo)致的過(guò)度儲(chǔ)備，從而在一定程度上降低了庫(kù)存資金占用，并且達(dá)到了更好的供應(yīng)鏈協(xié)同合作管理的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)將區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)思想和PBFT算法在一定程度上進(jìn)行結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上對(duì)PBFT算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，從而達(dá)到了對(duì)基于PBFT的區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)化。此外，對(duì)于區(qū)塊鏈的優(yōu)化使得該技術(shù)能夠更快投入使用，進(jìn)而使得企業(yè)的生產(chǎn)效率有所提升。

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Storage system of power grid enterprise based on PBFT blockchain technology

YANG Chunyan, BIN Dongmei, LI Xin

Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Company, Nanning 530012, China

A blockchain technology based on practical Byzantine fault tolerance (PBFT)algorithm was proposed. First of all, the traditional practical Byzantine fault tolerant algorithm was explained. The traditional algorithm included six phases: pre-stage, demand, pre-preparation, preparation, confirmation, and response. However, traditional algorithms had the disadvantages of poor real-time performance, lack of penalty mechanisms, and high bandwidth. In response to these problems, the traditional algorithm was improved, which specifically involved the accounting node, the consensus process, and the view switching process. The feasibility of the improved algorithm was further proved by testing. Applying this algorithm to power grid enterprises, the federal reserve system was implemented by the constructedvirtual warehouse, which also reduced the consumption of inventory funds. And the efficiency of inventory management in power grid enterprises was improved.

practical Byzantine fault tolerance algorithm, blockchain technology, virtual warehouse

F724

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021023

2020?06?23；

2020?10?02

廣西電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（No.GXKJXM20180280）

The Science and Technology Project of Guangxi Power Grid Co., Ltd.(No.GXKJXM20180280)

楊春燕（1991?），女，廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全管理、電子信息技術(shù)、信息與信號(hào)處理。

賓冬梅（1990?），女，廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全管理。

黎新（1987?），男，廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全管理。