周 琦，齊 巖，朱志勛，徐志杰

（1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012； 3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650051）

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)作為以電力系統(tǒng)為主、大規(guī)模獲取可再生能源為核心來源的分布式能源管理系統(tǒng)，在人們的日常生活中起著至關(guān)重要的作用[1]。其基本技術(shù)原理為，通過互聯(lián)網(wǎng)連接大規(guī)模分布式用戶產(chǎn)生的生產(chǎn)、供應(yīng)、消費等能源信息，并及時反饋給能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。生產(chǎn)者和消費者作為核心分布式系統(tǒng)的主要用戶角色，負責(zé)將儲能設(shè)備集成到系統(tǒng)中，為整體系統(tǒng)用戶提供服務(wù)[2]，并以此達成系統(tǒng)間的能源可持續(xù)性循環(huán)。

隨著能源交易應(yīng)用場景的落地需求日益擴張，區(qū)塊鏈+交易系統(tǒng)的模式逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)管理體系，成為分布式能源交易系統(tǒng)的主流技術(shù)基石架構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、公開透明、可追溯及防篡改等獨特優(yōu)勢，其分布式的數(shù)據(jù)存儲機制和智能合約管控機制確保了數(shù)據(jù)的安全性與系統(tǒng)的多重驗證穩(wěn)定性。在能源交易系統(tǒng)實際落地過程中，區(qū)塊鏈技術(shù)通常只對交易系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)流程進行了建設(shè)與監(jiān)管，與用戶準(zhǔn)入身份驗證模塊相互獨立，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的追溯單位通常只以系統(tǒng)用戶信息為準(zhǔn)。在整合用戶信息入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的過程中，為了能夠?qū)嶋H地對用戶的身份信息進行有效追蹤，需要確保用戶信息具有“防篡改”“實時性”等特征。而現(xiàn)有方法通常使用傳統(tǒng)的賬號密碼或生物信息等方式（如人臉識別）進行用戶信息獲取，此類方法均具有生物信息泄漏、模仿等數(shù)據(jù)風(fēng)險。

因此，一個合適的系統(tǒng)核心需要同時滿足分布式應(yīng)用、防信息泄露以及可追溯的特性，即不需要中間第三方，交易也可以直接在雙方之間實現(xiàn)，并具有實名信息記錄。為了解決該需求，本文提出一種新的用戶身份認證方式，與區(qū)塊鏈進行融合，使其在不泄露生物信息的前提下，滿足區(qū)塊指紋中對用戶信息可追溯的特征。

1 相關(guān)工作

將區(qū)塊鏈與智能電網(wǎng)等能源系統(tǒng)結(jié)合起來的研究大多處于概念分析階段，但國外也出現(xiàn)了一些典型項目，如布魯克林的微型電網(wǎng)項目[3]。該項目是在沒有第三方電力公司的情況下，家庭可以通過自家屋頂太陽能發(fā)電機收集電能，在滿足自身用電需求的情況下，多余的電能可以支付給相鄰用戶，實現(xiàn)雙方之間的直接交易。在電動汽車充電項目中，電動汽車和充電樁之間的直接交易可以在沒有第三方參與的情況下實現(xiàn)，節(jié)約了成本。Energo Labs將區(qū)塊鏈技術(shù)與能源領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建了分布式能源自治社區(qū)的場景[4]。在該場景中，能源可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字資產(chǎn)，用于各種場景中的交易。

一些國內(nèi)的研究學(xué)者也將區(qū)塊鏈技術(shù)與能源結(jié)合起來，且開展了進一步的研究工作。平健等[5]通過利用區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了一種新的交易模式，并利用智能合約構(gòu)建了一個分布式電力多邊交易平臺，這種交易模式可以完成“多交易請求、多響應(yīng)報價”。楊知方等[6]分析了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的現(xiàn)狀，并給出了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化在中國電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，根據(jù)中國電力行業(yè)的實際情況，為推進網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化在中國的研究和應(yīng)用提供了詳細的建議。

當(dāng)前，對區(qū)塊鏈與能源互聯(lián)網(wǎng)有機結(jié)合的開發(fā)仍處在一個初步研究的階段[7-11]。然而，由于區(qū)塊鏈特有的去中心化和信息交互性質(zhì)，其在能源互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用可能將成為今后主要的發(fā)展趨勢。能源與區(qū)塊鏈結(jié)合的最大發(fā)展方向是實現(xiàn)電能P2P交易模式[12]。作為一種去中心化應(yīng)用，區(qū)塊鏈可以解決去中心化的信任問題，適合在能源互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)P2P交易[13]。區(qū)塊鏈可以應(yīng)用于微電網(wǎng)。在微電網(wǎng)中，用戶可以通過清潔能源發(fā)電，同時作為電能的生產(chǎn)和消費者。這樣可以減少環(huán)境污染，節(jié)約發(fā)電和用電成本。因此，如何設(shè)計一個基于區(qū)塊鏈的能源交易系統(tǒng)，能夠在沒有第三方參與的情況下直接實現(xiàn)點對點的直接交易就顯得尤為重要。

關(guān)于無第三方信任機制，最直接的方式是將用戶的身份認證信息添加入各交易區(qū)塊的記錄指紋當(dāng)中。關(guān)于如何獲取并添加用戶身份認證信息，當(dāng)前的方法通常只停留在傳統(tǒng)的賬號密碼方式，即用戶身份準(zhǔn)入機制與交易系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不互通。此種方法是一種典型的Two-Stage[15]方法，即通過確保用戶身份與系統(tǒng)用戶賬號的一一對應(yīng)，且系統(tǒng)內(nèi)容確保用戶賬號與交易記錄的一一對應(yīng)，來間接實現(xiàn)用戶身份與交易記錄的綁定。然而，此類方法魯棒性不強，即交易追溯記錄中并沒有實際的用戶身份信息。于是，新一代的生物信息特征與區(qū)塊鏈記錄結(jié)合的方式出現(xiàn)了。此類方法利用人臉識別[15]、指紋識別[16]等方式，將用戶的生物信息融入系統(tǒng)的交易記錄中。此類方式確實實現(xiàn)了交易系統(tǒng)的真實可追溯性，然而也不可避免地暴露了數(shù)據(jù)泄露問題。生物信息作為21世紀(jì)最易泄露與不安全保證的信息，難以作為持久的永久可追溯性系統(tǒng)的身份 驗證手段。

因此，本文提出一種利用機器學(xué)習(xí)提取筆跡信息作為用戶身份認證的方式。即通過令用戶實時進行筆跡輸入，追溯其書寫速度、內(nèi)容、習(xí)慣及風(fēng)格的方式，進行用戶身份的認證。在不泄露生物信息的前提下，進行個人信息的存儲與驗證。

2 模型方法

2.1 整體架構(gòu)

本系統(tǒng)所要實現(xiàn)的主要是用戶與用戶之間可以在無需第三方的情況下進行能源交易，致力于提高能源的利用效率。系統(tǒng)中的用戶可以通過智能電表實時采集發(fā)電量和用電量，發(fā)電用戶和用電用戶可以在無需第三方管理者的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自由交易。本文所提出的電能交易系統(tǒng)的整體模型如 圖1所示。

圖1 電力交易系統(tǒng)整體模型示意圖

在能源互聯(lián)網(wǎng)中，交易涉及的主體主要分為售電單元（PU）和購電單元（BU）。每個交易都需要由區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有參與者共同認證，并且在售電單元和購電單元處都需要有智能電表來實時讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶參與網(wǎng)絡(luò)中的交易時，第一步是要向其認證的機構(gòu)進行身份證書的申請。每個參與其中的用戶都有表明唯一身份的相關(guān)驗證證書。系統(tǒng)生成請求的部分被抽象為能源交易模塊（ETM），ETM信息的請求需要經(jīng)過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的背書驗證和交易模擬，在這個系統(tǒng)中一般由背書節(jié)點監(jiān)管者充當(dāng)相互信任，然后將得到背書簽名的信息一起發(fā)送給分揀服務(wù)節(jié)點，比如能源在線交易系統(tǒng)中的分揀服務(wù)節(jié)點在電網(wǎng)部署的節(jié)點參與，經(jīng)過電網(wǎng)部署的節(jié)點處理后，生成的塊被保存在賬本中。

消費者、生產(chǎn)者、用電群體、電廠、監(jiān)管以及電網(wǎng)機構(gòu)是本系統(tǒng)的主要參與用戶。生產(chǎn)者和消費者、用電群體和發(fā)電廠作為系統(tǒng)中的計費節(jié)點參與數(shù)據(jù)的維護；作為系統(tǒng)的背書節(jié)點，監(jiān)管機構(gòu)將模擬智能合約的真實執(zhí)行，且對于已經(jīng)收到的交易進行背書。電網(wǎng)組織作為系統(tǒng)的排序服務(wù)節(jié)點參與網(wǎng)絡(luò)運行，主要對生成的交易進行排序，使所有節(jié)點保持相同的狀態(tài)。系統(tǒng)架構(gòu)主要分為5層。最底層部分是通信模塊，主要用來進行底層網(wǎng)絡(luò)的通信。區(qū)塊鏈管理模塊主要用來進行區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，具體可細分為一致性模塊、區(qū)塊鏈存儲、區(qū)塊鏈管理以及通信協(xié)議。智能合約管理模塊主要用來封裝這些功能的API，功能有合約安裝、合約實例化、合約查詢以及合約交易。用戶管理模塊用來管理用戶信息，主要分為用戶注冊、安全認證、賬戶管理以及密鑰管理等。平臺服務(wù)模塊主要實現(xiàn)系統(tǒng)功能，主要分為用戶售電、用戶購電、用戶交易、用戶查詢以及管理員查詢等重要功能，這些功能可以滿足能源網(wǎng)上交易系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。在系統(tǒng)架構(gòu)層面上，以區(qū)塊鏈為核心的能源網(wǎng)上交易系統(tǒng)主要包括區(qū)塊鏈管理模塊、共識模塊、智能合約模塊、用戶管理及平臺服務(wù)模塊。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 區(qū)塊鏈管理模塊

本系統(tǒng)主要采用聯(lián)盟鏈來實現(xiàn)。系統(tǒng)中有多個節(jié)點共同參與賬本信息的網(wǎng)絡(luò)維護，通過聯(lián)盟鏈可以將多個賬本和塊信息以一定的順序共同維護存儲在本地。

交易平臺發(fā)起交易請求，后臺解析后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到顯示位置。根據(jù)請求信息，合約功能調(diào)用智能合約。智能合約接收到請求后，將依靠區(qū)塊鏈模擬交易系統(tǒng)模塊，展示交易當(dāng)前在處理中并等待區(qū)塊鏈返回結(jié)果，進行可能的模擬交易，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)按部署的排序節(jié)點進行排序，并且依據(jù)一定的規(guī)則生成塊。在接收到塊信息以后，生產(chǎn)者和消費者節(jié)點將在區(qū)塊鏈上記錄已驗證的塊信息。

本系統(tǒng)的設(shè)計是單鏈模式，系統(tǒng)在交易中生成的數(shù)據(jù)和配置信息進行連鎖操作。區(qū)塊鏈?zhǔn)怯墒聞?wù)按時間先后的順序來組成的一系列區(qū)塊，由所有參與節(jié)點開展共同的維護工作。塊中包含的信息可以是智能合約的安裝、實例化或使用交易系統(tǒng)執(zhí)行交易。這些交易根據(jù)時間出現(xiàn)的先后順序打包成塊，并與區(qū)塊鏈相關(guān)聯(lián)。作為一個只能添加而不能修改或刪除的鏈，區(qū)塊鏈確保了數(shù)據(jù)的不可篡改性。電能交易信息上鏈過程如圖3所示。

圖3 電能交易信息上鏈?zhǔn)疽鈭D

2.3 共識模塊

整個交易達成一致的過程被稱為共識。在電能交易中，共識過程主要包括3個階段：執(zhí)行階段、排序階段及驗證階段。

（1）執(zhí)行階段。這個階段也可以理解為背書階段，主要是背書節(jié)點對交易的背書操作。在該系統(tǒng)中，這個階段用于實現(xiàn)對監(jiān)管者節(jié)點收到的交易請求的背書，并模擬交易的執(zhí)行。

（2）排序階段。打包階段是約定事務(wù)順序的階段，系統(tǒng)中充當(dāng)網(wǎng)格部署的節(jié)點在這個階段扮演著非常重要的角色。

（3）驗證階段。通道中的生產(chǎn)者節(jié)點和消費者節(jié)點收到網(wǎng)格節(jié)點傳來的塊后，各節(jié)點會按照相同的規(guī)則獨立驗證塊信息，并將驗證后的塊保存在本地賬本中，使賬本信息保持一致。

這3個階段共同構(gòu)成了共識過程。其中，共識流程的排序階段中出現(xiàn)的排序服務(wù)是共識機制非常重要的一部分，所有發(fā)生的交易都必須使用排序服務(wù)流程進行排序，才能達到全網(wǎng)的共識。

2.4 智能合約模塊

智能合約也稱為鏈碼，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中作為一段邏輯代碼部署并以編程語言實現(xiàn)。在該系統(tǒng)中，能源交易和轉(zhuǎn)移的邏輯功能主要通過智能合約來實現(xiàn)。系統(tǒng)根據(jù)接口將所有邏輯功能封裝在一個智能合約文件中。參與網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點需要安裝和實例化智能合約?？蛻舳丝梢园l(fā)送請求，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，它將通過接口訪問智能合約來執(zhí)行相應(yīng)的操作，并獲得相應(yīng)的讀寫設(shè)置數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)智能合約要實現(xiàn)的功能大致包括發(fā)電、用電、購電及售電等?？梢栽谥悄芎霞s中定義相應(yīng)的結(jié)構(gòu)來存儲相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)中部署完成的智能合約主要設(shè)計有以下結(jié)構(gòu)，用于存儲不同的對象。需要保存的對象信息有用戶信息、用電和發(fā)電信息、售電信息以及購電交易信息。

2.5 用戶管理模塊

用戶管理模塊主要用于管理參與網(wǎng)絡(luò)的用戶，包括用戶在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的注冊、賬戶身份的安全認證以及交易過程中的密鑰管理。用戶申請的證書和密鑰等信息在用戶管理模塊中進行維護，可分為以下幾個方面。

（1）節(jié)點注冊。生產(chǎn)和消費的用戶想要加入系統(tǒng)時，需要先向節(jié)點注冊，以獲得唯一的身份參與網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點C作為證書的頒發(fā)主體，起著授權(quán)用戶、簽名及加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔?。?jié)點在授權(quán)網(wǎng)絡(luò)中有著極其重要的地位。它們被分成一個單獨的模塊，可以獨立運行。作為一個樹狀結(jié)構(gòu)，節(jié)點有唯一的一個根節(jié)點以及多個中間節(jié)點。在本系統(tǒng)中，申請證書時可以指定向哪個節(jié)點申請證書。

（2）安全認證。本系統(tǒng)的安全認證主要體現(xiàn)在由監(jiān)管節(jié)點對發(fā)送請求的節(jié)點進行身份認證，以判斷其是否擁有身份證書和發(fā)送請求的權(quán)限。參與記賬的生產(chǎn)與消費者節(jié)點接收的塊中包含的身份也應(yīng)該被認證。

（3）密鑰管理。系統(tǒng)中的生產(chǎn)者、消費者向節(jié)點申請證書，根據(jù)獲得的公鑰和私鑰信息，在交易過程當(dāng)中進行數(shù)據(jù)簽名。數(shù)據(jù)簽名通過公鑰和私鑰進行加密和解密。

2.6 平臺服務(wù)模塊

本系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)以區(qū)塊鏈為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)的交易系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，平臺服務(wù)模塊也是系統(tǒng)包含的業(yè)務(wù)模塊，主要包括用戶發(fā)電、用電、售電、購電及查詢等部分。用戶發(fā)電用電主要通過智能電表設(shè)備采集，采集的電量通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)以發(fā)送請求的形式接入。商定的結(jié)果將上傳并存儲于區(qū)塊鏈分類賬目中。用戶無需第三方參與即可實現(xiàn)售電。生產(chǎn)者和消費者用戶可以在Web界面操作售電頁面，注冊登錄系統(tǒng)，實現(xiàn)售電功能。用戶進行售電操作時，還需要將售電請求發(fā)送到具有背書驗證規(guī)定的節(jié)點并進行模擬交易，然后將交易模擬結(jié)果和背書簽名信息發(fā)送到電網(wǎng)調(diào)度的排序服務(wù)節(jié)點進行排序并生成區(qū)塊，最后由參與生產(chǎn)的節(jié)點進行驗證并沖銷記賬，將區(qū)塊信息寫入賬本。購電功能類似于售電功能，它發(fā)送訪問區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)和智能合約發(fā)出的請求。售電、購電功能需要修改賬本數(shù)據(jù)，需要共識算法參與，不需要查詢。當(dāng)生產(chǎn)者和消費者用戶發(fā)送查詢剩余電量的請求時，查詢操作可以通過單個節(jié)點實現(xiàn)，無需共識算法的參與。該系統(tǒng)主要用于在沒有第三方參與的情況下實現(xiàn)用戶之間的自由交易，平臺服務(wù)模塊用于實現(xiàn)系統(tǒng)擁有的功能。

3 實驗分析與測試

3.1 系統(tǒng)平臺搭建與實現(xiàn)

基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)交易系統(tǒng)如圖4所示。建立這一系統(tǒng)的重要目的在于及時處理處于不同地區(qū)的用戶的加入問題。傳統(tǒng)的集中交易模式已經(jīng)不適合當(dāng)前的應(yīng)用場景，本文提出了一種新的架構(gòu)來滿足當(dāng)前的場景。本章將介紹該系統(tǒng)使用的平臺，并詳細介紹該交易系統(tǒng)的核心功能和具體實現(xiàn)過程。

圖4 基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)交易系統(tǒng)圖

3.1.1 交易流程

首先，以JSON格式為標(biāo)準(zhǔn)，將重要的數(shù)據(jù)進行收集儲存。JSON可以幫助在不同語言之間進行轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的溝通，在本系統(tǒng)中用來存放發(fā)電和用電數(shù)據(jù)、記錄值、剩余電量及購電等交易記錄中的各種信息，購電操作完成時及時更新狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。一個塊能夠包含一個或是多個交易。包含交易的區(qū)塊會定期生成并添加到區(qū)塊鏈中?？紤]到會存在很多塊，所以每個塊都需要唯一的ID 編號。

3.1.2 防篡改系統(tǒng)

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)一旦被錄入，就無法進行二次更改，這也是該技術(shù)的重要特點之一。為了更好地發(fā)揮這一特性，需要觀察數(shù)據(jù)塊的情況，檢測其中具體數(shù)據(jù)是否已經(jīng)發(fā)生了差錯，利用哈希函數(shù)（Hash）檢測數(shù)據(jù)是否一致，對需要檢測的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，改變數(shù)據(jù)的大小情況即數(shù)據(jù)的哈希。此外，輸入不同數(shù)據(jù)（默認情況下）得到的輸出數(shù)據(jù)也不同?；诖颂匦裕軌蚴褂幂敵龉碜鳛檩斎霐?shù)據(jù)的標(biāo)識符。很明顯，從輸入數(shù)據(jù)中提取哈希是比較簡單的，但從哈希數(shù)據(jù)中提取輸入數(shù)據(jù)，實現(xiàn)的可能基本為零。這種不對稱值是區(qū)塊鏈用來獲得所需的防偽能力的關(guān)鍵所在。目前有很多流行的哈希函數(shù)，這里應(yīng)用的是SHA-256哈希函數(shù)，它通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后形成字段的形式，使之成為特定的數(shù)字指紋（Digital Fingerprint），也可以形容為是一種簽名（Signature）。

3.1.3 區(qū)塊的鏈接

區(qū)塊鏈的本質(zhì)其實就是一系列區(qū)塊的合集，可以采用Python編程中的列表來實現(xiàn)和保存所需的所有區(qū)塊。但這是遠遠不夠的。如果某人無意或故意使用舊的區(qū)塊來替換集合內(nèi)已有的新區(qū)塊，數(shù)據(jù)就很有可能被篡改。因此要特別注意應(yīng)用不同的措施將舊區(qū)塊的相關(guān)數(shù)據(jù)進行保存，防止其中部分?jǐn)?shù)據(jù)的更改影響到區(qū)塊鏈的整體。比特幣技術(shù)采取后面的區(qū)塊的哈希值與前面的舊區(qū)塊相互依賴的方式。想要使得不同的區(qū)塊之間得到良好的串聯(lián)，可以在其中加入字段，讓前部分字段的具體屬性即previous_hash得到保存。但這里存在一個問題，因為加入字段的形式必須在具有兩個區(qū)塊的前提下，這就導(dǎo)致中間部分的區(qū)塊可以進行這樣的聯(lián)結(jié)，但首個區(qū)塊卻沒有可以與之進行聯(lián)結(jié)的前一個區(qū)塊。在區(qū)塊鏈領(lǐng)域，最初的區(qū)塊被稱為創(chuàng)世區(qū)塊，可以采取人工的方法手動生成，也可以使用特定的邏輯。在Block類中添加previous_hash的字段，可以實現(xiàn)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的定義。

3.1.4 區(qū)塊加入?yún)^(qū)塊鏈

要想將區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈中，第一步需要驗證區(qū)塊鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)是否發(fā)生篡改，即提供的工作量被證明是正確的，交易順序也是正確的。previous_hash的字段將指向鏈上最新的區(qū)塊哈希值。

3.1.5 挖 礦

挖礦是一個不斷尋覓、較量算力的過程。如果在后期找到了滿足條件的nonce，也就是找到了能夠進行應(yīng)用的區(qū)塊，即挖礦成功。比特幣等其他類型的貨幣交易也會經(jīng)常應(yīng)用到這一挖礦過程，這一過程需要消耗工作人員較大一部分精力，作為報酬，工作人員可以得到一定數(shù)額的相應(yīng)貨幣，這也是衡量其工作量大小的具體指標(biāo)。

3.1.6 為節(jié)點添加API接口

為區(qū)塊鏈能源互聯(lián)網(wǎng)交易系統(tǒng)的節(jié)點模塊加入API接口，使之作為程序功能實現(xiàn)的窗口與媒介。這里需要利用Python Flask進行REST API的建立。首先，需要一個能夠訪問的節(jié)點即/new_transaction，它可以傳輸新的交易，以便應(yīng)用程序能夠使用此API將新的數(shù)據(jù)添加進塊鏈中。另一個節(jié)點/鏈能夠用來返回數(shù)據(jù)塊鏈，使用此API來實現(xiàn)請求數(shù)據(jù)顯示。挖礦需要占據(jù)很高的CPU，所以不建議節(jié)點總是在被挖礦，而應(yīng)該是提供訪問的/mine節(jié)點，以實現(xiàn)按需挖礦的需求。這些REST接入節(jié)點能夠被用來操作塊鏈，例如提供某些交易、驗證交易等。

3.1.7 計 算

涉及到能源的交易的仿真區(qū)塊鏈，需要利用到Python進行編寫，然后再應(yīng)用到相應(yīng)設(shè)備中運行。如果通過哈希值把區(qū)塊前和后連接起來了，可以同時完成依賴性工作量的確認，但依舊不能只相信一個節(jié)點。未來完成和實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)的存儲，幾個節(jié)點需要同時來維持和保護區(qū)塊鏈。因為，為了能夠從一個節(jié)點轉(zhuǎn)向P2P的網(wǎng)絡(luò)，首先要建立機制，允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點互相了解。在訪問端中定義一個新的節(jié)點即/register_node，用于在網(wǎng)絡(luò)中注冊一個新的節(jié)點。重新加入網(wǎng)絡(luò)的對應(yīng)節(jié)點可以通過端節(jié)點/register_endpoint來調(diào)用注冊方法?？梢酝ㄟ^選擇一條包含最多工作量的最長有效鏈進行共識，從而解決區(qū)塊鏈發(fā)生分歧的情況。訪問實現(xiàn)節(jié)點/add_block可以在挖掘區(qū)塊時將此消息傳遞給其他節(jié)點，這樣建立的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每個成員都可以更新他們的本地區(qū)塊鏈，繼續(xù)來挖掘下一個區(qū)塊。接收到區(qū)塊傳輸?shù)墓?jié)點可以簡單地完成檢查操作證明，而后將接收到的區(qū)塊添加到自己的本地鏈條中。當(dāng)塊被移除時，應(yīng)調(diào)用announce_new_block方法，以便其他節(jié)點能夠更新其本地存儲的塊鏈副本。

3.1.8 區(qū)塊鏈模塊

基于哈希值運算，本文以約束區(qū)塊哈希值從第一位開始的0的數(shù)量為工作量證明算法，并利用Python語言進行了實現(xiàn)。該模塊以Linux系統(tǒng)為載體提供區(qū)塊服務(wù)，并提供了基于Flask的REST接口以滿足區(qū)塊與交易系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊、區(qū)塊與區(qū)塊之間的數(shù)據(jù)交互。為了在同一臺Linux服務(wù)器上模擬多機分布式區(qū)塊，在多個不同端口分別啟動Flask服務(wù)，并通過POST發(fā)送JSON實現(xiàn)區(qū)塊注冊。

3.1.9 交易系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊

交易系統(tǒng)業(yè)務(wù)模塊為用戶提供了基于Flask和HTML的能源交易平臺，包括用戶認證、能源交易、區(qū)塊同步等功能。本文開創(chuàng)性地引入了基于機器學(xué)習(xí)的筆跡識別作為用戶認證方法，用戶需先在注冊時錄入筆跡，登錄時即可實現(xiàn)用戶名和筆跡的匹配。其中，用戶信息及筆跡特征存儲于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫（本文采用SQLite3）。用戶登錄時，在瀏覽器中上傳包含筆跡的圖片。后端對該圖片進行特征提取并與數(shù)據(jù)庫中存儲的特征進行比對，以此實現(xiàn)身份認證。另外，該模塊的交易功能借助區(qū)塊鏈模塊實現(xiàn)，用戶間的每一筆交易均保存在區(qū)塊鏈中，保證了交易的透明和不可篡改。交易過程如圖5所示。

圖5 交易過程示意圖

3.2 安全性對比驗證

區(qū)塊鏈系統(tǒng)通常可分為核心層（數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層）與場景層（激勵層、合約層、應(yīng)用層）共6部分。本文主要在核心層中的數(shù)據(jù)層與網(wǎng)絡(luò)層嵌入新的數(shù)據(jù)要求與計算方式，其在可控范圍的計算量增加的基礎(chǔ)上，顯著提高了交易系統(tǒng)整體的安全性，系統(tǒng)每層的架構(gòu)與本文的解決方案如圖6 所示。

圖6 層級架構(gòu)圖

本文重點保護身份驗證與交易認證部分的數(shù)據(jù)安全。在經(jīng)典加密系統(tǒng)的“加密算法”“防篡改”“身份認證”3大模塊中，本文在“身份認證”的基礎(chǔ)上，通過增加實時數(shù)據(jù)的獲取與驗證，以解決常見攻擊手段中利用重復(fù)數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)攻擊的問題。身份認證通?？梢苑譃椤靶畔⒄J證”和“活體認證”兩部分?！靶畔⒄J證”通常指通過要求執(zhí)行人輸入密碼、身份證號等私人信息，以進行數(shù)據(jù)庫中信息的比對，從而進行驗證。其好處是方便快捷，輸入方式不需要額外的設(shè)備需求；其壞處為安全性備受挑戰(zhàn)，即攻擊者可以通過社會工程等手段獲取對應(yīng)的信息?！盎铙w認證”通常是指利用攝像頭、感應(yīng)器等進行活體圖像和模型的獲取，如人臉識別、指紋認證等。其好處是在執(zhí)行良好的基礎(chǔ)上，這些獲取的數(shù)據(jù)通過會被隱秘保存，確保責(zé)任的可追溯性，且由于是實時的數(shù)據(jù)獲取方式，可以極大地避免被攻擊者仿造數(shù)據(jù)的風(fēng)險；但是其壞處是對硬件設(shè)備的要求極高，且設(shè)備的缺陷會使得驗證手段的效果起伏極大。綜合看來，本文提出的筆跡驗證的方式，是處于信息驗證與活體認證交叉點的新型驗證方式。在進行交易系統(tǒng)登錄與交易執(zhí)行時，系統(tǒng)將要求用戶進行實時的筆跡輸入。該數(shù)據(jù)可以通過云計算或邊緣計算的模式執(zhí)行，由于模型壓縮的計算量極為可控，也間接滿足了公有計算、私有化計算等多重場景落地要求。

計算模型將從兩方面對筆跡進行分析。其一為筆跡的內(nèi)容，即通過OCR模型進行筆跡文字提取，并進行驗證。該部分符合“信息驗證”的相關(guān)要求。其二為筆跡透視出來的身份驗證，這部分由圖像與數(shù)據(jù)信息共同完成。圖像部分即為通過對筆跡的對比驗證，進行文字風(fēng)格、形態(tài)的識別來認證身份。數(shù)據(jù)信息即為如果設(shè)備同時具備記錄簽名過程中的落筆至完成全過程的行為記錄，即可進行更為完整的書寫過程的對比。圖像部分的挑戰(zhàn)主要在于背景、筆跡顏色、筆觸等的不同所帶來的影響。數(shù)據(jù)部分則更多受限于設(shè)備的記錄能力，具體的實現(xiàn)也可以通過網(wǎng)站輸入的形式，通過設(shè)計實現(xiàn)JS Canvas的方式，最大限度地記錄用戶的筆跡。從安全性指標(biāo)看，筆跡驗證與其他驗證方式的差別如表1所示。

表1 不同認證方式的安全性對比表

筆跡認證的核心在于整體定位、關(guān)鍵點定位以及內(nèi)容識別?？紤]到計算速度等實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用局部二值模式（Local Binary Pattern，LBP）進行圖像處理。LBP計算定義為：

式中：P定義為給定像素的周圍像素的取數(shù)數(shù)量，gi表示第i個在中心點為給定像素，半徑為R范圍內(nèi)的相鄰像素的灰度值。當(dāng)x≥0時s(x)為1，否則s(x)為0。

LBP的初始定義針對中心像素與其8個相鄰像素，其具有針對數(shù)據(jù)輸入無序性的包容性質(zhì)，只要在計算過程中該順序定義保持一致。在計算圖像的LBP以后，進行前數(shù)據(jù)處理，即提取出僅包含筆跡部分的內(nèi)容，并將整體圖像歸一化，忽視白色的像素部分，以更好地聚焦針對關(guān)鍵筆跡的特征提取。相比其他數(shù)據(jù)圖像形式，筆跡更能夠清晰地進行關(guān)鍵部分的識別與分離。處理流程可以總結(jié)為：

式中：f=hist(img,mask)定義為采取stride=3形式的像素提取。其最終的數(shù)據(jù)前處理輸出為：

在實際的數(shù)據(jù)處理過程中，由于設(shè)備限制等緣由，筆跡雖然比其他數(shù)據(jù)形式更易提取，卻對噪音也有同樣的效果影響。此處的“噪音”指的是圖像本身的噪音，而非數(shù)據(jù)獲取過程中的噪音。由于前處理方式針對像素的編排進行了大量的處理與濃縮，出于對泛化性質(zhì)的保留，應(yīng)用GMM+GLCM的方式進行離散向連續(xù)數(shù)據(jù)特征的轉(zhuǎn)變，其中GMM為Gaussian Mixture Model，GLCM為Gray Level Cooccurrence Matrix。在筆跡數(shù)據(jù)進行連續(xù)化轉(zhuǎn)變后，其基本特征可以總結(jié)為邊緣性質(zhì)、筆跡重心、一階導(dǎo)分布、二階導(dǎo)分布、核心像素數(shù)量與分布以及contour與pixel的相對關(guān)系。筆跡認證過程如圖7所示。

圖7 筆跡認證過程

3.3 系統(tǒng)性能測試

3.3.1 數(shù)據(jù)加解密測試

數(shù)據(jù)在傳輸過程中容易出現(xiàn)傳輸協(xié)議異?；虮还魧?dǎo)致的數(shù)據(jù)泄露等問題，因此在傳輸前對數(shù)據(jù)進行加密以保證傳輸時的數(shù)據(jù)安全?？勾鄹牡臄?shù)字指紋在可信節(jié)點內(nèi)生成，當(dāng)發(fā)起交易時，使用同態(tài)密鑰對交易隱私數(shù)據(jù)加密、驗證，保證隱秘交易的安全進行。本文系統(tǒng)采用基于筆跡驗證的抗篡改的數(shù)字指紋。

3.3.2 共識算法測試

共識算法是分布式系統(tǒng)保證節(jié)點數(shù)據(jù)狀態(tài)一致的方法。區(qū)塊鏈的常見共識算法有很多，如工作量證明（Proof of Work，PoW）、權(quán)益證明（Proof of Stake，PoS）以及委托權(quán)益證明（Delegate Proof of Stake，DPoS）等。不同的共識算法的共識效率也是不同的。本文所采用的共識算法是PoW算法，算法簡單，容易實現(xiàn)，節(jié)點間無需交換額外信息即可達成共識，破壞系統(tǒng)需要投入極大的成本。在確保所進行實驗的準(zhǔn)確性及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性前提下，對PoS、DPoS以及及本文使用的PoW共識算法進行了測試分析，分別在節(jié)點個數(shù)為2、4、8、16、32的情況下進行對比。本文使用的PoW共識算法與其他2種算法在節(jié)點不同的情況下吞吐量性能都有明顯的提升，并且本算法呈現(xiàn)上升的趨勢，之后開始出現(xiàn)緩慢的下降。如圖8所示。

圖8 不同共識算法吞吐量對比圖

3.3.3 區(qū)塊鏈吞吐量測試

系統(tǒng)吞吐量是單位時間處理的交易數(shù)量。隨著區(qū)塊的增加，區(qū)塊鏈的整體吞吐量將會逐漸下降，導(dǎo)致交易速度變慢。從原理來看，可能影響到區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)性能的主要因素有信息的加密與解密、廣播與通信、共識機制以及交易驗證。為了增加系統(tǒng)的整體吞吐量，可以部分弱化共識機制。這種方法雖然可以提高交易速度，但將犧牲系統(tǒng)的安全性，部分節(jié)點的惡意行為可能會增加區(qū)塊處理的復(fù)雜性。而考慮到在能源交易中，各交易實體均為實名，可以對惡意節(jié)點進行較快的追溯和問責(zé)，綜合考慮，弱化共識機制獲得的性能提升是可靠且值得的。

對于區(qū)塊鏈吞吐量測試，主要進行并發(fā)測試，驗證在不同的節(jié)點數(shù)目、不同的數(shù)據(jù)量下，系統(tǒng)在一定時間內(nèi)能夠完成處理數(shù)據(jù)的量。測試結(jié)果如圖9所示。在跨臺區(qū)交易占比漸漸變低的同時，傳統(tǒng)Hyperledger-Fabric系統(tǒng)的區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)的吞吐量表現(xiàn)出平穩(wěn)的態(tài)勢，但是本文所使用的區(qū)塊鏈系統(tǒng)交易的吞吐量卻呈現(xiàn)出增加的趨勢，即在能源交易系統(tǒng)中存在的大量交易發(fā)生在同一臺區(qū)時，本文提出的交易系統(tǒng)可以很好地提高交易的 吞吐量。

圖9 交易吞吐量對比圖

3.3.4 區(qū)塊鏈內(nèi)存占用測試

區(qū)塊鏈內(nèi)存占用是指打包相同數(shù)量的交易在區(qū)塊鏈上所需要占用的內(nèi)存的總體空間，可以通過使用Jmeter來發(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù)來查詢所被請求的處理主機中使用的磁盤空間增加數(shù)量。測試結(jié)果如圖10所示。傳統(tǒng)Hyperledger-Fabric系統(tǒng)的區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)在節(jié)點數(shù)目呈增大趨勢時，交易總共使用的空間量基本上是線性增加的。但是對于本文的區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)，在節(jié)點和臺區(qū)增大時，由于大量交易存在本臺區(qū)的共識中，因此整體而言對于內(nèi)存占用增加的速度比較緩慢。故在大量能源交 易數(shù)據(jù)上鏈的場景下，可以大大地降低所需要的存儲成本。

圖10 交易內(nèi)存占用測試圖

4 結(jié) 語

區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)如今互聯(lián)網(wǎng)中較為流行的分布式落地應(yīng)用，與能源互聯(lián)網(wǎng)相比，有很多相適應(yīng)的地方。本文在現(xiàn)有區(qū)塊鏈能源交易系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有能源交易系統(tǒng)的用戶信息追溯和用戶認證問題出現(xiàn)的安全隱患問題，提出了一種應(yīng)用機器學(xué)習(xí)提取筆跡特征以進行用戶真實信息認證的方式，并將此方式整合入?yún)^(qū)塊鏈封裝流程中。基于此對區(qū)塊鏈網(wǎng)上交易系統(tǒng)所需的功能進行了模型、架構(gòu)及具體模塊的設(shè)計，并完成了電力能源網(wǎng)上交易系統(tǒng)的建設(shè)、編寫、封裝以及交易系統(tǒng)功能測試，通過大量數(shù)據(jù)實驗驗證了該方法的可行性、安全性及可擴展性。

當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)還處在較原型的階段，尤其是能源區(qū)塊鏈。未來，隨著技術(shù)的革新，區(qū)塊鏈的落地應(yīng)用將會不斷涌現(xiàn)，今后的研究也將繼續(xù)對系統(tǒng)安全性和交易效率進行完善和提高。