楊成, 盧峰, 韓少勤

(1.國網區(qū)塊鏈科技(北京)有限公司，北京 100191; 2.國網電子商務有限公司，北京 100191;3.國網雄安金融科技集團有限公司, 河北, 雄安 071700; 4.國網區(qū)塊鏈技術實驗室, 北京 100191)

0 引言

隨著計算機等信息化技術的普及，區(qū)塊鏈技術得到了發(fā)展，區(qū)塊鏈技術逐漸被稱作人類信用進化史上第四個里程碑。區(qū)塊鏈技術有著公開透明、每人參與等優(yōu)點，可以實現多方的信任性，也實現了傳輸過程較快的數據共享方法[1]。2016年，在“十三五”國家信息化規(guī)劃中，區(qū)塊鏈技術被大眾熟知，區(qū)塊鏈技術也被正式應用到國家戰(zhàn)略層面上。文件也強調了區(qū)塊鏈技術的重要地位，對科技的創(chuàng)新和試驗的應用具有重要的影響[2-3]。區(qū)塊鏈技術在電力交易方面的應用較廣，部分專家學者對區(qū)塊鏈的整體流程進行分析探討，明確區(qū)塊鏈技術對電力交易行業(yè)的促進作用[4]。也有部分學者將區(qū)塊鏈技術和大數據手段進行融合，對電力交易行業(yè)的風險進行分析[5]。還有部分專家學者結合區(qū)塊鏈技術建立模型，改良區(qū)塊鏈技術存在的安全問題，提高區(qū)塊鏈技術在電力交易方面的安全性能[6]。

綜上所述，區(qū)塊鏈技術在電力交易方面的應用也較為普遍，但是現有文獻對于區(qū)塊鏈的電力交易系統安全性的分析較少，主要是分析區(qū)塊鏈整體的應用，而對于區(qū)塊鏈自身在電力系統中的應用存在的問題并沒有深入地分析，沒有進行有效的實驗驗證。因此，本研究針對電力交易過程中存在的區(qū)塊鏈技術進行分析，調整共識層和網絡層的網絡參數，分析不同的參數對區(qū)塊鏈技術的影響，同時以區(qū)塊鏈技術為基礎建立了整體安全分析模型，利用區(qū)塊鏈的仿真器，從而可知區(qū)塊的間隔時間與區(qū)塊大小對電力交易分析中區(qū)塊鏈的影響及其安全風險的分析。

1 電力交易的區(qū)塊鏈模式

電力交易的區(qū)塊鏈模式主要包括創(chuàng)建新交易、P2P網絡傳輸、驗證和記入賬本等4部分。整體流程是：首先，將電能和價格相關的信息做成交易單，即為創(chuàng)建新交易，在生成新區(qū)塊前將交易傳輸至全網，將交易信息在另一個儲存空間中顯示；其次，在區(qū)塊鏈節(jié)點中進行交易驗證，通過節(jié)點的碰撞獲得新的區(qū)塊，將驗證后的信息儲存到新生成的區(qū)塊中；最后，將交易寫入賬本，驗證整個區(qū)塊鏈在新生成區(qū)塊中的正確性，由此根據新生成的區(qū)塊鏈再持續(xù)的更新整體的區(qū)塊鏈，延伸區(qū)塊鏈的長度。

2 區(qū)塊鏈

(1)區(qū)塊鏈共識層

區(qū)塊鏈的共識機制是通過讓交易過程中各個節(jié)點的貢獻率進行計算的，利用哈西函數作為交易過程中共識算法的基礎。首先，尋找隨機數，將當前區(qū)塊中的參數結合哈希運算，生成的固定哈希值小于當前設定的某一值；其次，用網絡中的部分節(jié)點驗證各個區(qū)塊的有效性來保證整個區(qū)塊鏈的有效性。區(qū)塊鏈存在的時間間隔指的是將傳輸的內容放入區(qū)塊鏈系統的延遲。區(qū)塊鏈中各區(qū)塊的間隔時間越短，代表交易確認的速度越快。共識算法和區(qū)塊間的間隔時間關系較為密切。

(2)區(qū)塊鏈網絡層

網絡層主要包括網絡參數和各節(jié)點，有區(qū)塊大小、信息傳播、區(qū)塊頭、中繼網絡和推送等5部分。區(qū)塊大小是網絡層的基礎，區(qū)塊中的最大值可以代表區(qū)塊的存儲能力，即交易的數量；信息傳播是將信息利用區(qū)塊的各個節(jié)點實現傳遞的過程；區(qū)塊頭是直接發(fā)送信息的過程，可以有效地降低信息的延遲；中繼網絡是區(qū)塊鏈的傳輸媒介，可以增強區(qū)塊的共享性；信息推送是將信息直接推送到不同的區(qū)塊中，便于信息的有效傳輸。

3 基于區(qū)塊鏈的安全分析模型

針對電力交易過程中運用的區(qū)塊鏈建模并做分析，分析電力交易過程中存在的不同節(jié)點狀態(tài)，分析相應的網絡參數，建立基于區(qū)塊鏈的安全分析模型。

首先，假設在電力交易過程中存在攻擊方，且攻擊方在網絡中的計算力為B，且0

如圖1所示，區(qū)塊鏈的側鏈攻擊模式包括接受新區(qū)塊、覆蓋行為、交易競爭、等待行為等。接受新區(qū)塊主要指攻擊者接受電力交易的網絡新區(qū)塊，舍掉舊的區(qū)塊，并將信息在新的區(qū)塊上覆蓋，圖1中的D-E代表該過程；覆蓋行為表示當新區(qū)塊產生時，攻擊者側鏈上區(qū)塊會將忠實節(jié)點網絡側鏈覆蓋，并將主鏈的信息覆蓋，圖1中的C-D代表該過程；交易競爭是指在電力交易過程中攻擊者和其他區(qū)塊節(jié)點爭取相同的區(qū)塊，如圖1中的B；等待行為表示新的區(qū)塊不斷產生，側鏈不斷得到延長，圖1中的狀態(tài)C代表該過程。

圖1 攻擊模式圖

通過深入分析電力交易過程可知，攻擊方的目標不是在整體區(qū)塊鏈節(jié)點中選取最大的節(jié)點進行攻擊，而是對節(jié)點中的相對收益進行獲利分析的。模型的相對收益函數為

(1)

式中，rai、rhi可以看做為第i步驟所得到的回報值。

4 實驗結果分析

根據實驗的目的設計了電力交易過程的模擬仿真器，包括區(qū)塊鏈節(jié)點和區(qū)塊鏈網絡等部分。根據模擬仿真器，可以對網絡中的各個節(jié)點進行定義，明確所包含的參數。如圖2所示。

圖2 模擬仿真器

在電力交易過程的網絡層中，各個節(jié)點都建立了網絡連接，將帶寬的最大數值設定為100 Mibit/s，數量為7 000。針對電力交易區(qū)塊鏈，將每次交易生成的數據大小為300 Bytes，計算力為35%。在實驗過程中，不斷地改變區(qū)塊間隔時間和區(qū)塊大小對區(qū)塊進行仿真，區(qū)塊的傳輸時間設為tm、舊區(qū)塊率為ts，對電力交易過程的區(qū)塊鏈進行判定。整個實驗過程中，可以通過改變區(qū)塊的間隔時間、區(qū)塊大小判斷對整個區(qū)塊鏈的安全性影響程度，從而判斷區(qū)塊鏈的整體情況。

如表1所示，根據實驗結果可知，隨著區(qū)塊間隔時間的變化，tm隨之變化，且成正比變化，可以得到結論：在電力交易過程中，區(qū)塊生成的速度越快，區(qū)塊的傳輸速度也越快。但是，由于在區(qū)塊鏈中攻擊的難度下降，容易導致區(qū)塊鏈中的主鏈增大分叉的可能性，這表示著有較高的安全風險性。

表1 區(qū)塊間隔時間對區(qū)塊的影響

如表2所示，根據實驗結果可知，區(qū)塊間隔時間在一定程度上不變時，若區(qū)塊大小增多，tm逐漸增大，ts也逐漸增大。由此可知，區(qū)塊鏈中區(qū)塊越大，受到不同帶寬以及延時的影響越大，也會造成更高的區(qū)塊鏈分叉的可能，具有一定的安全風險性。

表2 區(qū)塊大小對區(qū)塊傳輸的影響

5 總結

通過對在電力行業(yè)交易過程中區(qū)塊鏈的潛在的特點及區(qū)塊鏈各節(jié)點網絡進行詳細的分析，構建了基于區(qū)塊鏈的安全分析模型，分析區(qū)塊鏈在電力行業(yè)交易中的風險性。可得結論如下。

(1)分析區(qū)塊間隔時間對區(qū)塊鏈整體的影響可知，在電力交易過程中，區(qū)塊生成的速度越快，區(qū)塊的傳輸速度也越快。但是在區(qū)塊鏈中攻擊難度的下降容易導致區(qū)塊鏈中主鏈分叉的可能性變強，具有一定的風險性。

(2)分析區(qū)塊大小對區(qū)塊傳輸的影響可知，區(qū)塊鏈中區(qū)塊越大，受到不同帶寬以及延時的影響越大，這種情況也會增大區(qū)塊鏈主鏈分叉的可能，具有一定的安全風險性。