周雅怡，宋偉杰，黃曉英，凌華明，黃明磊

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東省 珠海市 519000)

自2015年我國啟動本輪電力體制改革以來，電力市場交易的規(guī)模不斷擴大，市場交易中信息安全問題一直是市場成員關(guān)注的重點。與傳統(tǒng)集中式交易系統(tǒng)架構(gòu)相比，區(qū)塊鏈為市場交易提供了一種新的技術(shù)解決方案，具有更高的安全性和透明度，得到眾多市場交易相關(guān)方的關(guān)注[1-2]。面向電力交易的區(qū)塊鏈配套技術(shù)與解決方案也因此成為當前該領(lǐng)域研究的重點。

當前，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力交易領(lǐng)域，主要作為分布式賬本實現(xiàn)對交易信息的安全存儲，提升市場成員的信任程度[3]。文獻[4-5]研究了電動汽車充放電交易中區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用問題，構(gòu)建了面向點對點交易的電動汽車充電區(qū)塊鏈架構(gòu)。文獻[6-7]研究了基于區(qū)塊鏈的虛擬電廠交易管理模式，探討了需求側(cè)響應(yīng)、電動汽車等參與虛擬電廠交易的可行性問題。文獻[8-9]探討了面向分布式發(fā)電交易的分散式市場交易體系問題，提出了基于區(qū)塊鏈的解決方案。此外，在碳交易、綠證交易、現(xiàn)貨交易等領(lǐng)域，也能夠利用區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)分布式存儲[10-12]。上述研究表明隨著市場體系日趨完善，交易規(guī)模不斷增大，市場交易復(fù)雜性問題更加突出，對區(qū)塊鏈處理效率、安全性等要求也不斷提升，迫切要求基于電力市場交易自身特點，研究適合電力市場不同交易場景的區(qū)塊鏈技術(shù)。為此，目前也有部分研究將電力交易與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，研究了電力交易校核[13]、優(yōu)化出清[14]等領(lǐng)域適用的區(qū)塊鏈解決方案。但整體來看，該方面的研究還處于起步階段，缺乏從區(qū)塊鏈底層出發(fā)，面向電力市場交易自身需要的針對性改進研究成果。

為此，本文將研究面向電力交易分布式賬本的改進共識算法問題。首先，將介紹區(qū)塊鏈基本概念，并系統(tǒng)研究當前典型共識機制算法的自身特點。接著，從電力市場交易的需求著手，研究面向電力交易的共識機制改進方案，提出一種基于拜占庭容錯算法(byzantine fault tolerance，BFT)的改進共識機制。最后，基于測試系統(tǒng)從吞吐量和通信開銷兩個維度對所提出的改進算法效率進行測試驗證。

1 典型共識機制對比分析

1.1 基本概念

從數(shù)據(jù)的角度來看，區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種分布式共享賬本。區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型可分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層[15-16]。共識層用于封裝不同類型的共識算法，決定區(qū)塊鏈以怎么樣的機制來形成新的區(qū)塊。

共識機制的根本目的在于解決區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點信任問題。區(qū)塊鏈設(shè)計中認為每個節(jié)點均存在數(shù)據(jù)被篡改的可能性，對各節(jié)點提出的區(qū)塊數(shù)據(jù)申請，必須建立一套所有節(jié)點均能認可的判定機制，以決定該數(shù)據(jù)是否可靠。因此，某種程度來說，共識機制是區(qū)塊鏈信息安全的核心。當前區(qū)塊鏈共識機制設(shè)計一般遵循“少數(shù)服從多數(shù)”和“人人平等”的原則?！吧贁?shù)服從多數(shù)”并不完全指節(jié)點個數(shù)，也可以是計算能力、股權(quán)數(shù)或者其他的計算機可以比較的特征量?！叭巳似降取笔钱敼?jié)點滿足條件時，所有節(jié)點都有權(quán)優(yōu)先提出共識結(jié)果、直接被其他節(jié)點認同后并最后有可能成為最終共識結(jié)果。

目前，典型的共識機制算法包括工作量證明算法(Proof of Work，PoW)、權(quán)益證明算法(Proof of Stake，PoS)、BFT算法[17]。下面將介紹其主要特點。

1.2 PoW共識機制

以比特幣為代表的第一代數(shù)字貨幣大多采用PoW共識機制構(gòu)建其共識層。本質(zhì)上來說，PoW共識機制是一種自證機制，即需要各節(jié)點自我證明數(shù)據(jù)合法性，所使用的數(shù)學(xué)運算為哈希函數(shù)。其實施流程要點如下[18]:

(1)構(gòu)造默克爾樹。由各節(jié)點收集交易信息，并從中選擇合法交易，構(gòu)造默克爾樹；

(2)確定出塊者。PoW共識機制下，最先提出滿足要求哈希值的節(jié)點獲得出塊權(quán)，成為出塊者，該判定公式可表示為:

式中，Hash()為哈希函數(shù)，Version為版本號，prev_hash為前一區(qū)塊的哈希值，Merkle_root為該區(qū)塊的默克爾根，ntime為區(qū)塊生成時間，nonce為各節(jié)點為爭取獲得出塊權(quán)所確定的隨機數(shù)，target為目標值。

(3)驗證區(qū)塊并更新。獲得出塊權(quán)的節(jié)點發(fā)布其哈希值和交易信息，若哈希值小于給定難度系數(shù)，同時所提供的交易信息符合合法性校核條件，則所發(fā)布的交易信息寫入?yún)^(qū)塊鏈末端并更新區(qū)塊鏈；否則舍棄丟棄該信息，轉(zhuǎn)入下一輪共識判定。

PoW共識機制作為最早采用的共識算法，具有較高的安全性，能夠抵抗小于51%算力的雙花攻擊。但由于所有節(jié)點均參與出塊權(quán)確定及驗證，導(dǎo)致其耗電量較高，受限于出塊時間等因素，其吞吐量較低。

1.3 PoS共識機制

為解決PoW共識機制耗電量高的問題，PoS共識算法被提出，并應(yīng)用于黑幣、Ethereum等區(qū)塊鏈項目。該共識機制的核心思路在于在出塊權(quán)確定環(huán)節(jié)，以幣齡代替計算符合規(guī)定要求的nonce值，從而降低每個節(jié)點大量無實際意義的哈希函數(shù)計算[18]?；谝陨纤悸罚琍oS共識機制中確定出塊者所需要滿足的條件可表示為:

式中，proofhash為由當前時間、權(quán)值修改器等共同確定的哈希值，target為給定目標值，coin_age為幣齡。根據(jù)式(2)可以發(fā)現(xiàn)幣齡值越大的節(jié)點，獲得出塊權(quán)概率越高。早期的PoS共識機制下，幣齡為該節(jié)點已有貨幣數(shù)和所擁有的時間的乘積之和，可表示為:

式中，coinc、agec分別為節(jié)點所擁有的第c個貨幣和對應(yīng)持有時間。

然而由于以上幣值確定方式容易造成貨幣持有量越大的節(jié)點獲得新貨幣概率越高，客觀上阻礙了區(qū)塊鏈的拓展。后期PoS共識機制往往從幣齡指標方面進行改進，例如文獻[19-20]提出以實際在線節(jié)點貨幣量代替幣齡，以克服以上區(qū)塊鏈拓展問題，同時有利于解決無危險攻擊和長距離攻擊等問題。

整體來說，由于改進了出塊權(quán)確定方式，PoS共識機制耗電量顯著下降，能夠抵抗小于51%權(quán)益攻擊，安全性較高，通過進一步改進計算流程，吞吐量指標也能得到顯著提升，具有更強的使用性。

1.4 BFT共識機制

BFT共識機制是以拜占庭容錯算法為核心構(gòu)造而成的共識機制。當前應(yīng)用較多的BFT共識機制包括實用拜占庭容錯算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)、投機拜占庭容錯(speculative byzantine fault tolerance，SBFT)和聯(lián)邦拜占庭容錯(federal byzantine fault tolerance，F(xiàn)BFT)等[21-22]。拜占庭容錯算法的本質(zhì)是一種投票制度，當大部分參與方認可一項提案時，該提案才能確認達成一致。在上述實現(xiàn)思路的基礎(chǔ)上，以上共識算法的區(qū)別主要在投票組織方式上。

以PBFT為例，每一輪形成共識的過程被稱為一個視圖，每個視圖中將確定一個主節(jié)點，其他節(jié)點稱為備份節(jié)點，共計節(jié)點2f＋1個[23-24]。如圖2所示，交易行為產(chǎn)生后，共識過程如下:

(1)發(fā)布請求。由客戶端項所有節(jié)點發(fā)布交易請求；

(2)計算區(qū)塊。主節(jié)點負責(zé)對客戶端提出的交易行為格式檢查，并將符合要求的交易形成區(qū)塊向所有備份節(jié)點發(fā)布；

(3)驗證區(qū)塊。各節(jié)點獨立驗證區(qū)塊合法性，并將判定結(jié)果向其他所有節(jié)點發(fā)布；

(4)更新區(qū)塊鏈。若某個節(jié)點收到其他2f個節(jié)點且反饋正確的信息，則據(jù)此更新區(qū)塊鏈，并向客戶端返回答復(fù)信息；

(5)答復(fù)?？蛻舳私拥椒吓卸l件數(shù)的答復(fù)信息后，認定該交易執(zhí)行完畢。

與PBFT相比，SBFT共識算法應(yīng)用Collector技術(shù)，設(shè)計了收集器，負責(zé)統(tǒng)計所有節(jié)點發(fā)布的驗證結(jié)果，從而降低數(shù)據(jù)通信負擔(dān)；FBFT共識算法則設(shè)計了信任節(jié)點列表和多輪驗證機制，各備份節(jié)點獨立驗證過程中，直接忽略非信任節(jié)點列表的節(jié)點驗證結(jié)果，并采用多輪判定方式，逐步提升判定限值，從而進一步提升吞吐量[25]。

以上三類BFT共識算法的差別主要體現(xiàn)在時間復(fù)雜度上，PBFT、SBFT、FBFT三個算法的時間復(fù)雜度依次為O(n2)、O(n)、O(n2)，其中SBFT算法由于增加了收集器，降低了通信復(fù)雜性。

圖1 PBFT執(zhí)行過程Fig.1 Implementation process of PFBT

1.5 對比分析

共識機制是區(qū)塊鏈的核心，要求共識機制具有較高的執(zhí)行效率和安全性，同時具有較低的能耗水平。表1中從能耗、安全性、成塊時間、吞吐量四個方面對比了以上三類共識機制算法。整體來看，PoW、PoS共識算法能耗水平和計算效率均弱于BFT算法[26-27]。因此，拜占庭容錯算法已成為當前應(yīng)用最為廣泛的共識算法。具體來看，能耗方面，拜占庭容錯算法及其改進算法能耗水平最低，PoW共識算法能耗水平最高，PoS共識算法相對較低。安全性方面，PoW共識算法和PoS共識算法均需要51%以上的算例或幣齡才能達成一致，但是若系統(tǒng)中存在某節(jié)點算力或幣齡占據(jù)較大優(yōu)勢時，依然存在操縱共識結(jié)果的可能性，因此兩種算法安全性優(yōu)勢并不顯著。成塊時間和吞吐量兩項計算性能指標來看，拜占庭容錯算法具有明顯的優(yōu)勢，均由于PoW共識算法和PoS共識算法。

BFT共識算法均具有較高的執(zhí)行效率和較低的能耗水平，適用于高頻交易場景。更進一步比較，PBFT共識算法是SBFT、FBFT算法的基礎(chǔ)，SBFT共識算法引入了收集器，大幅降低了通信復(fù)雜性，但對收集器節(jié)點的可靠性提出了較高要求，若收集器節(jié)點異常，可能影響整個區(qū)塊鏈正常運行存儲；FBFT共識算法則通過引入信任節(jié)點列表和多輪判定方式，實現(xiàn)了區(qū)塊判定的并行，進一步提升了吞吐能力，但會造成大量日志存儲于各節(jié)點，產(chǎn)生較重的存儲負擔(dān)[28]。

表1 共識機制對比分析Tab.1 Comparison of consensus mechanisms

2 面向電力交易的改進共識算法設(shè)計

2.1 需求分析與改進思路

電力交易是典型的高頻交易，特別是電力現(xiàn)貨市場環(huán)境中將開展不間斷的連續(xù)交易，對共識機制的執(zhí)行效率具有較高要求。同時，電力交易涉及大量市場主體及多類型交易模式，交易本身復(fù)雜度較高。以上特點決定了當利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決電力交易中數(shù)據(jù)存儲問題時，共識算法既需要具備較高的執(zhí)行效率，同時復(fù)雜度不宜過高。

根據(jù)上述需求分析，本文擬以PBFT共識算法為基礎(chǔ)，充分吸收SBFT、FBFT共識算法在降低復(fù)雜度、提升處理效率方面的優(yōu)點，構(gòu)建一種改進PFBT共識算法，以滿足電力交易分布式賬本的實際需要?；谝陨细倪M思路，本文擬從兩個方面著手對PBFT共識算法進行改造:

(1)借鑒FBFT共識算法，制定備份節(jié)點信用分級機制，根據(jù)節(jié)點歷史表現(xiàn)，確定其信用等級，進一步提升算法安全性。節(jié)點信用本質(zhì)上是對各節(jié)點歷史共識過程中貢獻度的評價結(jié)果。歷史共識過程中參與生成有效區(qū)塊的次數(shù)越高，則其信用度越高。信用等級越高的節(jié)點在后續(xù)共識過程中判定權(quán)重越高，對共識結(jié)果的影響力越大。

(2)借鑒SBFT共識算法，將信用等級最高的備份節(jié)點作為主節(jié)點和收集器，降低算法復(fù)雜度。由于引入節(jié)點信用等級機制，將提升共識機制復(fù)雜度，可能造成吞吐量、成塊時間等計算效率指標。通過將信用等級最高的備份節(jié)點作為主節(jié)點和收集器，能最大限度發(fā)揮不同節(jié)點的效用，充分利用閑置計算資源，從而降低復(fù)雜性，提高計算效率，實現(xiàn)安全性與計算效率的統(tǒng)一。

2.2 節(jié)點信用分級

節(jié)點信用分級是改進共識機制的核心。根據(jù)節(jié)點生成有效區(qū)塊的歷史表現(xiàn)，由高到低將其劃分為A、B、C、D四個級別，其轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。整體來看，節(jié)點在共識過程中信用等級將隨其生成有效區(qū)塊的表現(xiàn)發(fā)生變化，原則上不會出現(xiàn)節(jié)點信用越級的問題，從而最大限度保證整個共識算法的穩(wěn)定性。

具體來看，實施過程可簡述如下:規(guī)定新加入節(jié)點的初始信用值為creNO，每參與生成一次有效區(qū)塊，信用值增加1，反之若參與生成一次無效區(qū)塊，則信用值減少3，以加重對無效區(qū)塊的懲罰。根據(jù)人工經(jīng)驗，確定四個信用級別的限值，依次為creAD、creBD、creCD，即若某節(jié)點信用值cren高于creAD，則為A級節(jié)點；處于creAD、creBD之間，為B級節(jié)點；處于creBD、creCD之間，為C級節(jié)點；低于creCD，為D級節(jié)點。

為提升新加入節(jié)點參與共識的機會，建議規(guī)定初始信用值應(yīng)對應(yīng)B級信用等級，即滿足:

圖2 節(jié)點信用等級轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.2 Conversion relationship of node credit rating

2.3 共識算法流程

類似PBFT共識算法，改進算法也包括發(fā)布請求、計算區(qū)塊、驗證區(qū)塊、更新區(qū)塊鏈、答復(fù)等五個流程。與傳統(tǒng)PBFT相比，主要區(qū)別在于:

(1)發(fā)布請求環(huán)節(jié)，客戶端發(fā)布交易信息后，由上一輪共識的主節(jié)點、收集節(jié)點向A級信用節(jié)點發(fā)布隨機數(shù)，確定本輪的主節(jié)點、收集節(jié)點；

(2)驗證區(qū)塊環(huán)節(jié)，收集節(jié)點在判斷區(qū)塊是否合法時，將統(tǒng)籌考慮各信用級別節(jié)點的反饋合法性。不同信用級別的節(jié)點反饋結(jié)果具有不同權(quán)重，以其綜合評價結(jié)果判斷結(jié)果合法性，該綜合評價可表示為:

式中，Ju為綜合評價結(jié)果，NN為備份節(jié)點數(shù)量，Cn為備份節(jié)點n的信用級別權(quán)重，規(guī)定A、B、C、D四類信用級別權(quán)重系數(shù)依次為4、3、2、1，Jun為該節(jié)點評價結(jié)果，若為有效區(qū)塊則為1，否則取值為0。

(3)更新區(qū)塊鏈環(huán)節(jié)，除了將有效區(qū)塊更新上鏈外，還需要根據(jù)本輪判定結(jié)果對照本文所提出的節(jié)點信用分級方法，更新各節(jié)點信用值及信用等級。

將以上算法實施流程，與傳統(tǒng)拜占庭容錯算法實施流程相比，實際上僅增加了更新區(qū)塊環(huán)節(jié)中節(jié)點信用分級的相關(guān)步驟，由于各節(jié)點能夠并行更新其信用等級，從而保證整體計算效率最大化，降低計算耗時，提升共識算法效率。

2.4 復(fù)雜度分析

類似SBFT公式算法，改進算法能夠立即確認，不會產(chǎn)生分叉。僅在初始階段增加了通信任務(wù)，增加量為O(2n)，因此整體來看改進算法的復(fù)雜度與SBFT共識算法相當，均為O(n)級。而與PBFT公式算法相比，由于增加了收集器，避免了驗證區(qū)塊環(huán)節(jié)所有節(jié)點不加區(qū)分的統(tǒng)一發(fā)布廣播，其通信復(fù)雜度大幅低于PBFT共識算法。

3 測試分析

在Hyperledger Fabric V1.1的環(huán)境下建立仿真平臺，驗證所提出改進共識機制的有效性。所使用的測試系統(tǒng)軟硬件配置情況如下:Inter Core i5-7300 CPU，8GB內(nèi)存，Linux Ubuntu 16.04操作系統(tǒng)。

3.1 吞吐量測試

吞吐量是指單位時間內(nèi)系統(tǒng)有效處理事務(wù)數(shù)量，是反映共識機制執(zhí)行效率的關(guān)鍵指標。區(qū)塊鏈應(yīng)用中，一般采用每秒交易數(shù)(Transaction Persecond，TPS)來衡量吞吐量高低，可表示為:

式中，transcations為出塊時間內(nèi)系統(tǒng)處理交易數(shù)，Δt為出塊時間。

系統(tǒng)設(shè)置100個節(jié)點，錯誤節(jié)點隨機產(chǎn)生無效區(qū)塊，但總錯誤節(jié)點數(shù)不超過20個。如圖3所示的吞吐量測試結(jié)果中，PBFT、SBFT、FBFT三種傳統(tǒng)共識算法吞吐量均較為穩(wěn)定，整體來看PBFT與SBFT吞吐量水平基本相當，F(xiàn)BFT共識算法由于實現(xiàn)了并行處理，其吞吐量高于PBFT和SBFT兩種算法。而本文提出的改進算法則具有隨時間逐步提升的吞吐量特性，其初始吞吐量與PBFT、SBFT基本相同，原因在于初始條件下各節(jié)點均為B級信用節(jié)點，因此該改進算法在初始階段基本等價于SBFT共識算法。隨著時間延長，改進算法中信用分級機制的作用發(fā)揮日趨顯著，信用級別長期穩(wěn)定的節(jié)點將維持較高信用等級，對生效區(qū)塊的貢獻度更為顯著，而錯誤節(jié)點信用級別逐步降低，對生效區(qū)塊貢獻率下降。最后，改進算法的吞吐量能夠超過FBFT共識算法。

以上結(jié)果表明，本文所提出的改進共識機制能夠有助于提升共識算法對電力市場高頻交易的適應(yīng)性，同時隨著市場交易的執(zhí)行，吞吐能力將持續(xù)增強，具有較強的場景適應(yīng)性，有力支撐電力市場下復(fù)雜的交易環(huán)境變化。

圖3 吞吐量測試結(jié)果Fig.3 Throughput test results

3.2 通信開銷測試

通信開銷是指每一輪共識機制執(zhí)行期間所必需的節(jié)點通信量，不僅影響共識機制執(zhí)行復(fù)雜度，同時也能影響區(qū)塊鏈的能耗水平。

如圖4所示，通信開銷指標四類共識算法差異顯著。整體來看，通信開銷與算法通信復(fù)雜度相關(guān)，改進算法和SBFT算法與系統(tǒng)節(jié)點數(shù)整體呈一次線性關(guān)系，而PBFT、FBFT算法則呈二次關(guān)系。當系統(tǒng)節(jié)點數(shù)增加時，PBFT、FBFT算法的通信開銷將顯著增加，不僅導(dǎo)致其通信復(fù)雜度上升，通信失敗可能性增大，而且還將造成較高的能耗，導(dǎo)致區(qū)塊鏈整體效率下降。

以上結(jié)果表明，本文所提出的共識算法具有通信開銷增長穩(wěn)定的特征，隨節(jié)點數(shù)呈一次線性增長關(guān)系。以上特性對于電力交易具有顯著的促進作用，體現(xiàn)在更適應(yīng)市場主體快速增加，復(fù)雜交易場景下的多節(jié)點分布式賬本需要，同時能夠降低整體能耗，提升效益。

圖4 通信開銷測試結(jié)果Fig.4 Test results of communication overhead

4 結(jié)論

根據(jù)電力交易實際特點，充分借鑒當前三類BFT共識算法優(yōu)勢特征，提出了一種面向電力交易分布式賬本的改進共識算法。與傳統(tǒng)BFT算法相比，該算法具有顯著的優(yōu)勢。

(1)該算法具有較低的通信復(fù)雜度，其通信開銷與系統(tǒng)節(jié)點呈一次線性關(guān)系，有效避免系統(tǒng)規(guī)模增大，節(jié)點增加對通信造成的負擔(dān)；

(2)該算法具有較高的吞吐量效率，同時隨執(zhí)行時間增長，吞吐量將穩(wěn)定增長，更適應(yīng)電力市場高頻交易，特別是現(xiàn)貨市場的使用要求。