摘 要：托管數(shù)據(jù)中心因其轉(zhuǎn)移電力負(fù)載靈活的特點(diǎn)，可以在智能電網(wǎng)的緊急需求響應(yīng)（emergency demand response，EDR）中發(fā)揮積極作用。在EDR時(shí)，托管數(shù)據(jù)中心需要與租戶之間協(xié)同才能更好地滿足智能電網(wǎng)下達(dá)的節(jié)能目標(biāo)。傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)缺乏可信的第三方，存在響應(yīng)過程不透明、響應(yīng)結(jié)果易被竄改的風(fēng)險(xiǎn)，且一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障將對(duì)整個(gè)EDR產(chǎn)生不利影響?；谠S可區(qū)塊鏈去中心化、成員身份可識(shí)別、分布式存儲(chǔ)和多方共識(shí)的特點(diǎn)，提出了EDR系統(tǒng)架構(gòu)PBDR（permissioned blockchain based EDR），使用共識(shí)機(jī)制保證響應(yīng)過程的透明；利用鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)保證響應(yīng)結(jié)果的不可竄改；通過智能合約技術(shù)解決托管運(yùn)營(yíng)商和租戶之間沒有可信第三方的問題。使用Hyperledger Fabric對(duì)PBDR進(jìn)行模擬實(shí)現(xiàn)，結(jié)果顯示系統(tǒng)的平均延遲和TPS可以滿足托管數(shù)據(jù)中心對(duì)EDR的需求，系統(tǒng)可以保證響應(yīng)過程的透明和響應(yīng)結(jié)果的不可竄改。

關(guān)鍵詞：托管數(shù)據(jù)中心； 緊急需求響應(yīng)； 許可區(qū)塊鏈

中圖分類號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695（2022）07-004-1951-05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2021.12.0646

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61872313）；江蘇省教育信息化重點(diǎn)研究項(xiàng)目（20180012）；江蘇省研究生科研與實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目（KYCX18＼_2366）

作者簡(jiǎn)介：劉巍峰（1998-），男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閰^(qū)塊鏈和機(jī)制設(shè)計(jì)；徐好（1997-），男，江蘇江都人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閰^(qū)塊鏈和機(jī)制設(shè)計(jì)；朱俊武（1972-），男（通信作者），江蘇江都人，教授，博導(dǎo)，博士，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄茴I(lǐng)域的知識(shí)工程及算法博弈論（jwzhu@yzu.edu.cn）.

Permissioned blockchain based emergency demand response framework for colocation data center

Liu Weifeng， Xu Hao， Zhu Junwu?

（College of Information Engineering （College of Artificial Intelligence）， Yangzhou University， Yangzhou Jiangsu 225127， China）

Abstract：The colocation data center can play a positive role in the emergency demand response （EDR） of the smart grid due to its flexible power load transfer characteristics. In EDR， the colocation data center needs to coordinate with the tenants to better meet the energy-saving goals set by the smart grid. The traditional EDR systems of colocation data center lack a trusted third party， and there is a risk that the response process is opaque and the response result is easily tampered with， and once the system fails， it will have an adverse effect on the entire EDR. Based on the characteristics of the permission-ed blockchain， including decentralization， identifiable membership， distributed storage and multi-party consensus， this paper proposed the EDR system architecture PBDR. The consensus mechanism ensured the transparency of the response process and the chain storage guaranteed that the response result couldn’t be tampered with. Smart contract technology solved the problem of no trusted third party between the colocation operator and the tenants. This paper used Hyperledger Fabric to simulate PBDR. The results show that the average latency and TPS of the system can meet the requirements of the colocation data center for EDR， and the system can ensure the transparency of the response process and the non-tampering of the response results.

Key words：colocation data center; emergency demand response; permissioned blockchain

0 引言

目前，對(duì)托管數(shù)據(jù)中心實(shí)施緊急需求響應(yīng)已經(jīng)十分流行。需求響應(yīng)（demand response，DR）是需求側(cè)管理的重要手段，是指各國(guó)利用政策措施引導(dǎo)電力用戶在高峰時(shí)段減少用電、在低谷用電、提高供電效率和優(yōu)化用電的方式^［1］。托管數(shù)據(jù)中心是一個(gè)為租戶提供服務(wù)器托管服務(wù)的大型數(shù)據(jù)中心，因?yàn)樾枰獮樽鈶舻姆?wù)器提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)和供電以及良好的散熱通風(fēng)條件等，其耗電量是驚人的。由于托管數(shù)據(jù)中心耗電量巨大、用電需求靈活的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行需求側(cè)管理是必要的^［2］。此外，托管數(shù)據(jù)中心常位于用電需求較高的發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)它們實(shí)施需求側(cè)管理可以對(duì)維持智能電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)揮巨大作用^［3］。

傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心緊急需求響應(yīng)系統(tǒng)是中心化的。由智能電網(wǎng)向托管數(shù)據(jù)中心下達(dá)響應(yīng)目標(biāo)后，數(shù)據(jù)中心向租戶發(fā)送EDR信號(hào)并啟動(dòng)拍賣。整個(gè)拍賣過程完全在數(shù)據(jù)中心私有的服務(wù)器中進(jìn)行，缺乏可信的第三方。中心化的緊急響應(yīng)系統(tǒng)存在響應(yīng)過程不透明、響應(yīng)結(jié)果易被竄改的風(fēng)險(xiǎn)，且一旦服務(wù)器崩潰將對(duì)EDR產(chǎn)生不利影響，威脅電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2008年11月，區(qū)塊鏈誕生于比特幣的底層技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)具有的透明可信、防竄改可追溯、隱私安全保障和系統(tǒng)高可靠的特性，使其擁有廣泛的應(yīng)用前景。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)廣泛用于金融^［4］、供應(yīng)鏈^［5］、物聯(lián)網(wǎng)^［6］和智能電網(wǎng)^［7］等領(lǐng)域。區(qū)塊鏈可分為非許可區(qū)塊鏈和許可區(qū)塊鏈，非許可區(qū)塊鏈的典型代表有比特幣和以太坊，在這些區(qū)塊鏈中所有節(jié)點(diǎn)都可以參與交易，并且這些節(jié)點(diǎn)對(duì)彼此來說都是匿名的。由于系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)缺乏參與共識(shí)的動(dòng)機(jī)，非許可區(qū)塊鏈采用了“挖礦”或憑證類等共識(shí)算法對(duì)節(jié)點(diǎn)提供參與共識(shí)的激勵(lì)，這意味著非許可區(qū)塊鏈會(huì)消耗大量電力，并且現(xiàn)有的PoW和Po*類共識(shí)的出塊效率較低，系統(tǒng)的交易吞吐量會(huì)受到限制^［8］。許可區(qū)塊鏈則建立在完全已知的和可驗(yàn)證的節(jié)點(diǎn)之間，很容易找到犯罪方。許可區(qū)塊鏈常由擁有共同業(yè)務(wù)目標(biāo)的組織創(chuàng)建和維護(hù)，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定和業(yè)務(wù)正常進(jìn)行是每個(gè)組織的共同目標(biāo)，因此無須使用“挖礦”等共識(shí)方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)^［9］，這意味著它不會(huì)像非許可區(qū)塊鏈那樣耗電，對(duì)資源的消耗與普通的分布式網(wǎng)絡(luò)接近。相比較而言，許可區(qū)塊鏈比非許可區(qū)塊鏈更適用于本文所研究的托管數(shù)據(jù)中心的緊急需求響應(yīng)系統(tǒng)。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：

a）使用基于VCG定價(jià)的拍賣算法。本文使用了基于VCG定價(jià)的拍賣算法，以保證沒有租戶可以通過虛假的投標(biāo)而獲益。租戶充當(dāng)賣家，托管運(yùn)營(yíng)商充當(dāng)買家，在EDR時(shí)，租戶提交其計(jì)劃降低的電量和降低該電量產(chǎn)生的損失，托管運(yùn)營(yíng)商提交EDR目標(biāo)，通過基于競(jìng)價(jià)密度的分配算法選擇出獲勝的租戶，并通過基于VCG的定價(jià)算法對(duì)獲勝租戶進(jìn)行補(bǔ)償。

b）使用智能合約作為拍賣的可信第三方。本文提出了一種去中心化的機(jī)制，拍賣過程完全由智能合約自動(dòng)執(zhí)行。智能合約充當(dāng)拍賣的可信第三方，運(yùn)行在分布式的系統(tǒng)中。智能合約處理拍賣的過程對(duì)已加入許可區(qū)塊鏈的托管運(yùn)營(yíng)商和所有參與拍賣的租戶可見，解決了托管運(yùn)營(yíng)商與租戶間的信任問題。

c）基于許可區(qū)塊鏈的緊急需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)。利用許可區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、成員身份可驗(yàn)證、分布式存儲(chǔ)和多方共識(shí)等特點(diǎn)，保證響應(yīng)過程的透明、響應(yīng)結(jié)果的不可竄改以及提高EDR系統(tǒng)的可靠性。

1 相關(guān)工作

現(xiàn)有的關(guān)于需求響應(yīng)的機(jī)制設(shè)計(jì)的研究有很多。Chen等人^［10］提出了一種用于托管數(shù)據(jù)中心EDR的真實(shí)FPTAS機(jī)制。將拍賣問題歸約成最小背包問題，使用了動(dòng)態(tài)規(guī)劃尋找最優(yōu)解，并使用二分查找確定每個(gè)獲勝租戶的定價(jià)。Wang等人^［11］提出了一個(gè)以市場(chǎng)為導(dǎo)向的激勵(lì)機(jī)制MicDR以鼓勵(lì)租戶加入EDR項(xiàng)目，機(jī)制中提出了租戶間共享空閑服務(wù)器資源的方式有效地降低了電力成本。Ahmed等人^［12］提出了一種用于托管數(shù)據(jù)中心EDR的合約設(shè)計(jì)方法，租戶從托管運(yùn)營(yíng)商提供的合約集合中選擇一個(gè)合約參與EDR。Ma等人^［13］提出了一種增強(qiáng)的AGV（Arrow-d’Aspremont-Gerard-Varet）機(jī)制來保證在智能電網(wǎng)發(fā)生EDR時(shí)用戶投標(biāo)的真實(shí)性，該機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)激勵(lì)兼容性、個(gè)體合理性和預(yù)算平衡等基本條件。Pavithra等人^［14］將遺傳算法應(yīng)用于DR，對(duì)居民用電設(shè)備每小時(shí)的平均負(fù)荷分布進(jìn)行分析，在降低峰值負(fù)荷的同時(shí)節(jié)省了大量的成本。Ma等人^［15］提出了一種用于智能電網(wǎng)負(fù)荷管理的協(xié)同需求響應(yīng)（CDR）方案，并進(jìn)一步建立了激勵(lì)相容的觸發(fā)—懲罰機(jī)制，以避免自私消費(fèi)者的非協(xié)同行為，CDR方案能夠降低電力成本、降低電價(jià)、降低總能耗。Li等人^［16］提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)（DRL）的高效EDR調(diào)度方法，該方法設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近似最優(yōu)策略來學(xué)習(xí)EDR調(diào)度的最優(yōu)策略，可以直接從設(shè)備狀態(tài)、實(shí)時(shí)電價(jià)、室外溫度等高維感官數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。敬超^［17］分別采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、粒子群優(yōu)化及混合算法等方法對(duì)提高EDR時(shí)勝標(biāo)方?jīng)Q策效率的優(yōu)化展開了分析和研究，結(jié)果顯示，四種算法優(yōu)化了勝標(biāo)方選擇最大化可供電力并滿足管理員的最大支付，可以提高勝標(biāo)方?jīng)Q策的效率。但是以上EDR機(jī)制都只在中心化的服務(wù)器中運(yùn)行，缺乏可信的第三方，不能保證EDR過程的透明以及EDR結(jié)果的不可竄改，且一旦服務(wù)器崩潰將導(dǎo)致EDR的失敗。

另一方面，區(qū)塊鏈技術(shù)與需求響應(yīng)的結(jié)合已經(jīng)越來越流行，Shekari等人^［18］提出了利用區(qū)塊鏈中不同的智能合約來高效地使用電力市場(chǎng)中的電動(dòng)汽車和可再生資源，并提高電力市場(chǎng)DR計(jì)劃的效率、降低響應(yīng)的成本以及保護(hù)響應(yīng)過程的隱私性。Ogawa等人^［19］使用區(qū)塊鏈技術(shù)提出了一種分布式能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，通過分析計(jì)劃需求和實(shí)際需求的差異實(shí)時(shí)執(zhí)行需求響應(yīng)。Kalakova等人^［20］使用區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)去中心化的交易能源平臺(tái)，將需求響應(yīng)與去中心化網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的安全性和效率。Gong等人^［21］將區(qū)塊鏈和智能電網(wǎng)的需求響應(yīng)系統(tǒng)深度集成，解決了身份認(rèn)證和合約存儲(chǔ)的問題，通過區(qū)塊鏈技術(shù)執(zhí)行EDR智能合約并對(duì)響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，以實(shí)現(xiàn)EDR業(yè)務(wù)流程及數(shù)據(jù)可靠性。Deshpande等人^［22］提出了使用區(qū)塊鏈技術(shù)解決智能電網(wǎng)需求響應(yīng)系統(tǒng)存在的中心化、不透明和不可追溯的問題。Gai等人^［23］結(jié)合區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算技術(shù)提出了一種許可的智能電網(wǎng)邊緣模型（PBEM-SGN），以解決安全和隱私問題。王蓓蓓等人^［24］提出了基于區(qū)塊鏈的DR資源信用管理方法，設(shè)計(jì)了交易各階段的智能合約并部署在以太坊測(cè)試鏈上，有效降低了DR資源的調(diào)用成本，守信用戶可獲得更多利益，維持DR資源交易市場(chǎng)的穩(wěn)定發(fā)展。但是目前將區(qū)塊鏈技術(shù)與需求響應(yīng)結(jié)合的研究主要聚焦于智能電網(wǎng)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于托管數(shù)據(jù)中心EDR的研究還很少。

2 系統(tǒng)模型

2.1 傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心緊急需求響應(yīng)架構(gòu)

托管數(shù)據(jù)中心中包含一個(gè)托管運(yùn)營(yíng)商和n個(gè)租戶。當(dāng)發(fā)生EDR時(shí)，智能電網(wǎng)向托管運(yùn)營(yíng)商下達(dá)響應(yīng)目標(biāo)T，每個(gè)租戶i∈?通過提交競(jìng)標(biāo)Bi=（ei，li）來參與拍賣，其中ei表示租戶i計(jì)劃降低的電量，li表示租戶因降低耗電量ei而產(chǎn)生的損失。為租戶的服務(wù)器提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)是托管運(yùn)營(yíng)商的義務(wù)，因此托管運(yùn)營(yíng)商將對(duì)拍賣獲勝的租戶支付報(bào)酬P(guān)i（B），以激勵(lì)租戶參與EDR。

傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)運(yùn)行在托管運(yùn)營(yíng)商的私有服務(wù)器中，由托管運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行維護(hù)。如圖1所示，當(dāng)發(fā)生EDR時(shí)，托管運(yùn)營(yíng)商和租戶分別向EDR系統(tǒng)提交響應(yīng)目標(biāo)T和競(jìng)標(biāo)B。整個(gè)拍賣過程只對(duì)托管運(yùn)營(yíng)商可見，對(duì)于參與拍賣的租戶來說并不公平，缺乏雙方可信任的第三方。此外，由于EDR系統(tǒng)由托管運(yùn)營(yíng)商一方來維護(hù)，存在托管運(yùn)營(yíng)商為逃避法律責(zé)任而竄改EDR結(jié)果的可能。中心化的EDR系統(tǒng)防崩潰的能力較弱，一旦系統(tǒng)崩潰將導(dǎo)致EDR的失敗，威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定。

2.2 基于許可區(qū)塊鏈的緊急需求響應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)

基于許可區(qū)塊鏈技術(shù)，針對(duì)上述傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)存在的問題，本文提出了一種去中心化的托管數(shù)據(jù)中心的EDR系統(tǒng)架構(gòu)PBDR。PBDR中包含三個(gè)參與拍賣的實(shí)體，包括一個(gè)托管數(shù)據(jù)中心、多個(gè)參與EDR的租戶和一個(gè)充當(dāng)可信第三方的智能合約。在PBDR中緊急需求響應(yīng)的過程如圖2所示，其中：a）智能電網(wǎng)向托管數(shù)據(jù)中心發(fā)送EDR信號(hào)；b）托管運(yùn)營(yíng)商接收到EDR信號(hào)后通知各租戶，并準(zhǔn)備啟動(dòng)拍賣；c）托管運(yùn)營(yíng)商和自愿參與EDR的租戶提交競(jìng)標(biāo)信息B到拍賣智能合約中；d）通過共識(shí)機(jī)制共識(shí)后將這些信息進(jìn)行存儲(chǔ)；e）智能合約獲取T與B后啟動(dòng)拍賣進(jìn)行分配，產(chǎn)生獲勝的租戶；f）通過智能合約的定價(jià)算法對(duì)獲勝的租戶進(jìn)行定價(jià)；g）通過共識(shí)機(jī)制共識(shí)后拍賣結(jié)果將上傳至區(qū)塊鏈，并通知托管運(yùn)營(yíng)商與租戶；h）獲勝的租戶將完成其所計(jì)劃的目標(biāo)，托管運(yùn)營(yíng)商對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證；i）托管運(yùn)營(yíng)商將對(duì)驗(yàn)證通過的租戶支付報(bào)酬；j）通過共識(shí)機(jī)制的共識(shí)將支付信息保存。

2.2.1 PBDR的身份認(rèn)證

在許可區(qū)塊鏈中，所有的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)參與者都需要一個(gè)可驗(yàn)證的身份。在PBDR中，使用傳統(tǒng)的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）提供身份列表，每一個(gè)租戶和托管數(shù)據(jù)中心都擁有一個(gè)證書授權(quán)中心（certification authority，CA）為自己的組件包括客戶端、各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供可驗(yàn)證的數(shù)字身份，以證明這些組件屬于該組織。如圖3所示，一個(gè)租戶的CA為該組織的每個(gè)組件提供一個(gè)數(shù)字證書，數(shù)字證書包括了該組件的組織信息以及該組件的公鑰。組件的數(shù)字證書在網(wǎng)絡(luò)中傳播，組織CA頒發(fā)的私鑰為組件私有，用于在通信時(shí)對(duì)消息進(jìn)行數(shù)字簽名。

2.2.2 PBDR的共識(shí)機(jī)制

在許可區(qū)塊鏈中，由于各網(wǎng)絡(luò)參與者的身份是相互已知的、可驗(yàn)證的，很容易識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的崩潰容錯(cuò)機(jī)制（crash fault tolerant，CFT）可以解決共識(shí)的問題。在PBDR中采用了Raft崩潰容錯(cuò)共識(shí)機(jī)制，每一個(gè)租戶和數(shù)據(jù)中心提供一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入共識(shí)者集合共同參與共識(shí)。Raft將在共識(shí)集合中動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)，其他共識(shí)節(jié)點(diǎn)作為跟隨者節(jié)點(diǎn)，決策跟隨于領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)^［25］。

共識(shí)的完整流程如圖4所示，在每個(gè)組織當(dāng)中都選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)。首先，數(shù)據(jù)中心客戶端向一個(gè)跟隨者節(jié)點(diǎn)提交處于未共識(shí)狀態(tài)的交易請(qǐng)求，由跟隨者節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求路由到領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)；領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后將請(qǐng)求分發(fā)給其他組織的共識(shí)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)收到超半數(shù)的跟隨者節(jié)點(diǎn)的同意之后，請(qǐng)求將處于已共識(shí)狀態(tài)；然后領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)將共識(shí)結(jié)果通知給各租戶和數(shù)據(jù)中心中的跟隨者節(jié)點(diǎn)，此時(shí)共識(shí)成功；最后，領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)將共識(shí)結(jié)果返回給各租戶和數(shù)據(jù)中心的客戶端節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 PBDR的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

PBDR的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為區(qū)塊鏈和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)兩部分。將EDR過程中產(chǎn)生的EDR日志存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)的最新結(jié)果以鍵值對(duì)的形式存儲(chǔ)在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)保存一份區(qū)塊鏈和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的副本。如圖5所示，區(qū)塊頭中保存了當(dāng)前區(qū)塊的編號(hào)、前一個(gè)區(qū)塊的哈希值以及當(dāng)前區(qū)塊的哈希值。區(qū)塊體中保存了日志列表，其中包含多個(gè)EDR日志信息。每個(gè)EDR日志中包括了EDR的編號(hào)、EDR過程中所調(diào)用的智能合約、EDR的結(jié)果以及為此次EDR結(jié)果進(jìn)行背書的租戶和數(shù)據(jù)中心的數(shù)字證書等信息。EDR數(shù)據(jù)的最新值以鍵值對(duì)的形式存儲(chǔ)在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以使智能合約無須遍歷整個(gè)交易日志而快速地獲取所需數(shù)據(jù)的最新值。

2.3 作為可信第三方的智能合約

如圖6所示，在進(jìn)行EDR時(shí)，PBDR中的智能合約將作為拍賣的可信第三方。拍賣啟動(dòng)后，智能合約將在分布式的網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)執(zhí)行。智能合約中包含三個(gè)基本的函數(shù)，分別是需求響應(yīng)函數(shù)EDR、拍賣分配函數(shù)allocation和拍賣定價(jià)函數(shù)price。

在分配函數(shù)allocation和定價(jià)函數(shù)price中，通過基于競(jìng)價(jià)密度的分配算法對(duì)EDR目標(biāo)T進(jìn)行分配，通過基于VCG定價(jià)的定價(jià)算法對(duì)獲勝租戶進(jìn)行定價(jià)，保證沒有租戶可以通過虛假的投標(biāo)而獲益。其中競(jìng)價(jià)密度公式為

基于VCG的定價(jià)公式為

其中：W表示基于競(jìng)價(jià)密度產(chǎn)生的獲勝租戶集合;B-i表示除租戶i以外所有租戶的投標(biāo)集合。

算法1描述了智能合約處理EDR的過程。第1～6行表示智能合約收集租戶的投標(biāo)集合B和EDR目標(biāo)T，并保存至區(qū)塊鏈中；第7～9行表示智能合約通過分配函數(shù)allocation對(duì)T進(jìn)行分配，并產(chǎn)生獲勝租戶的集合W；第10、11行表示智能合約通過定價(jià)函數(shù)price對(duì)獲勝租戶進(jìn)行了定價(jià)并返回租戶定價(jià)集合P；第12行表示智能合約將分配結(jié)果W和定價(jià)結(jié)果P保存至區(qū)塊鏈當(dāng)中并通知租戶和運(yùn)營(yíng)商拍賣結(jié)果；第13、14行表示托管運(yùn)營(yíng)商對(duì)租戶是否按計(jì)劃降低耗電進(jìn)行核實(shí)；第15、16行表示托管運(yùn)營(yíng)商根據(jù)核實(shí)結(jié)果決定是否對(duì)租戶進(jìn)行支付，并將支付結(jié)果上鏈。

算法1 EDR算法

輸入：租戶的投標(biāo)集合B={B1，B2，…，Bn}， Bn=（en，ln）; EDR目標(biāo)T。

1 {收集}

2 for all i∈N do

3 收集租戶i的投標(biāo)Bi=（ei，li）;

4 end for

5 從托管運(yùn)營(yíng)商收集EDR目標(biāo)T;

6 上傳EDR目標(biāo)T和租戶投標(biāo)集合B到區(qū)塊鏈;

7 {分配}

8 從區(qū)塊鏈讀取EDR目標(biāo)T和租戶投標(biāo)集合B;

9 W←allocation（B，T）; //調(diào)用分配函數(shù)返回獲勝租戶集合W

10 {定價(jià)}

11 P←price（B，T，W）; //調(diào)用定價(jià)函數(shù)返回定價(jià)結(jié)果，P

12 上傳分配結(jié)果W和定價(jià)結(jié)果P到區(qū)塊鏈中， 并通知租戶和托管運(yùn)營(yíng)商分配結(jié)果;

13 {驗(yàn)證}

14 驗(yàn)證租戶i∈W是否按計(jì)劃減少了耗電;

15 {支付}

16 上傳支付結(jié)果到區(qū)塊鏈中。

算法2描述了拍賣的分配過程。第1～3行表示根據(jù)競(jìng)標(biāo)密度式（1）計(jì)算每一個(gè)租戶的競(jìng)價(jià)密度di；第4行表示根據(jù)租戶的競(jìng)價(jià)密度對(duì)租戶進(jìn)行非增排序；第5行表示根據(jù)排序結(jié)果對(duì)EDR目標(biāo)T進(jìn)行分配，并產(chǎn)生獲勝租戶的集合W。

算法2 分配算法

輸入：租戶的投標(biāo)集合B={B1，B2，…，Bn}，Bn=（en，ln）;EDR目標(biāo)T。

輸出： 獲勝租戶集合W。

1 for all i∈N do

2 計(jì)算租戶i的競(jìng)價(jià)密度di;

3 end for

4 基于租戶的競(jìng)價(jià)密度對(duì)租戶進(jìn)行非增排序;

5 W←基于排序結(jié)果對(duì)EDR目標(biāo)T進(jìn)行分配，產(chǎn)生獲勝租戶集合W;

6 return W。

算法3描述了拍賣的定價(jià)過程。第2行表示通過分配算法得到租戶i未參與拍賣時(shí)獲勝的租戶集合W′；第4～8行表示使用VCG的定價(jià)方法對(duì)獲勝租戶i進(jìn)行定價(jià)。其中，sum1表示租戶i未參與拍賣時(shí)的最優(yōu)社會(huì)福利，sum2表示除租戶i以外所有獲勝租戶的報(bào)價(jià)之和。

算法3 定價(jià)算法

輸入：租戶的投標(biāo)集合B={B1，B2，…，Bn}， Bn=（en，ln）;EDR目標(biāo)T;獲勝租戶集合W。

輸出：定價(jià)結(jié)果P。

1 for all i∈W do

2 W′=allocation（B-i，T）；

//調(diào)用分配算法得到租戶i未參與拍賣時(shí)的獲勝租戶集合W′

3 sum1=sum2=0；

4 for all j∈W， j≠i do

//使用VCG的定價(jià)方法對(duì)獲勝租戶定價(jià)

5 sum1=sum1+ljW′j； /*計(jì)算租戶i未參與拍賣時(shí)的最優(yōu)社會(huì)福利*/

6 sum2=sum2+ljWj；

//計(jì)算除租戶i以外所有獲勝租戶的報(bào)價(jià)之和

7 end for

8 Pi=sum1-sum2；

9 end for

10 return P

3 評(píng)估分析

本文通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來評(píng)估PBDR框架的性能并進(jìn)行了安全性證明，最后與幾種傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)原理是模擬一個(gè)基于許可區(qū)塊鏈的EDR系統(tǒng)，該許可區(qū)塊鏈由托管數(shù)據(jù)中心及其租戶所提供的節(jié)點(diǎn)共用組成。使用當(dāng)前流行的聯(lián)盟鏈系統(tǒng)Hyperledger Fabric對(duì)PBDR系統(tǒng)進(jìn)行模擬，F(xiàn)abric版本為2.3。系統(tǒng)在PC上運(yùn)行，采用Ubuntu 20.04 64位操作系統(tǒng)，系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在相互獨(dú)立的docker容器當(dāng)中。硬件環(huán)境包括一個(gè)AMD RYZEN7 4800H CPU和一個(gè)16 GB的3200 MHz DDR4內(nèi)存，采用Visual Studio Code 1.61.1作為開發(fā)軟件，采用CouchDB作為分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，使用JavaScript編程語言開發(fā)智能合約，使用Fabric內(nèi)置的Fabric-CA作為每個(gè)租戶和托管數(shù)據(jù)中心的CA。

托管數(shù)據(jù)中心中參與EDR的租戶數(shù)量在10～500，以模擬部署一定數(shù)量租戶的場(chǎng)景。作為EDR系統(tǒng)，對(duì)智能合約和整個(gè)EDR的執(zhí)行時(shí)間、系統(tǒng)的交易吞吐量（transaction per se-cond，TPS）和平均延遲等進(jìn)行評(píng)估是很必要的。實(shí)驗(yàn)主要評(píng)估了在拍賣階段智能合約的執(zhí)行時(shí)間隨著參與EDR的租戶數(shù)量的變化而變化的情況和整個(gè)EDR的執(zhí)行時(shí)間隨著參與EDR租戶數(shù)量增長(zhǎng)而變化的情況；此外還評(píng)估了不同租戶數(shù)量情況下的EDR系統(tǒng)的TPS和平均延遲。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

a）對(duì)拍賣智能合約和EDR的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行評(píng)估。拍賣階段包括智能合約讀取參與EDR的租戶和運(yùn)營(yíng)商的投標(biāo)集合，執(zhí)行分配和定價(jià)算法，返回分配與定價(jià)結(jié)果，分配和定價(jià)算法在每個(gè)參與EDR的租戶的節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行。如圖7所示，參與EDR的租戶數(shù)量從10遞增到500，拍賣階段智能合約的執(zhí)行時(shí)間從17 ms增加到了556.6 ms。雖然漲幅較大，但仍可在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)EDR目標(biāo)的分配和對(duì)獲勝租戶的定價(jià)。完整的EDR過程包括EDR目標(biāo)和租戶投標(biāo)集合的上鏈、 拍賣階段和響應(yīng)結(jié)果的上鏈。如圖8所示，隨著租戶的數(shù)量從10增加到500，EDR的時(shí)間從2.06 s增加到了2.2 s，增幅不超過140 ms。

b）使用Hyperledger Caliper 對(duì)EDR系統(tǒng)的平均延遲和TPS進(jìn)行評(píng)估。如圖9所示，隨著參與EDR租戶的數(shù)量從10增加到300，EDR的平均延遲從0.02 s增加到了1.30 s。如圖10所示，隨著參與EDR租戶的數(shù)量從10增加到300，系統(tǒng)的TPS從355.3下降到了27.0，這是EDR可接受的延遲和TPS的范圍。

總的來說，PBDR可以在可接受的時(shí)間內(nèi)對(duì)EDR目標(biāo)進(jìn)行分配，并對(duì)獲勝租戶進(jìn)行定價(jià)，系統(tǒng)的平均延遲和TPS可以滿足托管數(shù)據(jù)中心對(duì)EDR的需求。

3.3 安全性證明

合理的EDR系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)可以提高系統(tǒng)的安全性。在PBDR中，租戶和托管運(yùn)營(yíng)商的EDR數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)中的對(duì)稱密鑰key加密保存至分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中?；诜菍?duì)稱加密算法的性質(zhì)，由公鑰PKA加密的數(shù)據(jù)只有對(duì)應(yīng)的私鑰SKA可以解密，所以沒有被授權(quán)的申請(qǐng)者無法使用自己的私鑰SKA′對(duì)內(nèi)容進(jìn)行解密，無法獲取租戶的EDR數(shù)據(jù)?；谶@個(gè)前提，下面將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的安全性證明。

定理1 假設(shè)共識(shí)機(jī)制是安全的，那么本文方案能夠保證EDR數(shù)據(jù)的安全。

證明 作為許可區(qū)塊鏈，本文提出的EDR系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要從各租戶或托管運(yùn)營(yíng)商的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)CA中獲取可識(shí)別的身份證書后才能加入網(wǎng)絡(luò)。

在EDR時(shí)，租戶的投標(biāo)數(shù)據(jù)Binfo會(huì)被他的私鑰SKA加密后保存到分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中。在拍賣發(fā)起節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)發(fā)起拍賣時(shí)，首先需要根據(jù)發(fā)起節(jié)點(diǎn)的證書來判斷其所在組織是否有拍賣權(quán)限，若有發(fā)起拍賣的權(quán)限，則調(diào)用智能合約SC中的拍賣函數(shù)。智能合約訪問保存在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中租戶的投標(biāo)數(shù)據(jù)，并使用租戶保存在證書中的公鑰PKA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后通過拍賣產(chǎn)生最終的獲勝租戶以及他們的定價(jià)。拍賣完成后，各參與拍賣的組織使用證書為此次拍賣提供簽名sign，以對(duì)該拍賣進(jìn)行背書。拍賣發(fā)起者的證書、為拍賣進(jìn)行背書的節(jié)點(diǎn)的證書、拍賣所調(diào)用的智能合約和該智能合約的輸入與輸出將保存到區(qū)塊中等待上鏈。共識(shí)節(jié)點(diǎn)檢查簽名sign并通過后，經(jīng)共識(shí)機(jī)制將區(qū)塊廣播到網(wǎng)絡(luò)的其他節(jié)點(diǎn)，加入主鏈。其中，網(wǎng)絡(luò)中參與該拍賣的每一個(gè)組織都有一個(gè)節(jié)點(diǎn)參與到共識(shí)當(dāng)中，確保了租戶可以參與到拍賣、區(qū)塊打包和區(qū)塊上鏈的全過程。

在本文系統(tǒng)中發(fā)生的EDR，系統(tǒng)能夠有效保護(hù)拍賣雙方的合法權(quán)益。在拍賣及區(qū)塊創(chuàng)建階段均需租戶和托管運(yùn)營(yíng)商的私鑰進(jìn)行簽名操作，通過簽名能夠檢查拍賣結(jié)果以及區(qū)塊是否被竄改，當(dāng)拍賣或者區(qū)塊出現(xiàn)問題時(shí)能夠追究到具體的組織。本文方案采取合理的共識(shí)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在共識(shí)階段驗(yàn)證拍賣的結(jié)果及背書節(jié)點(diǎn)的簽名，能夠檢測(cè)出錯(cuò)誤塊。其次，租戶與運(yùn)營(yíng)商之間的交易數(shù)據(jù)需要進(jìn)行授權(quán)，保證只有托管運(yùn)營(yíng)商和獲勝的租戶才能正常訪問交易數(shù)據(jù)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、分布式存儲(chǔ)的特點(diǎn)，EDR數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在分布式節(jié)點(diǎn)中，即使部分節(jié)點(diǎn)故障或退出網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)整體上來說不會(huì)造成影響，能夠有效預(yù)防單點(diǎn)失效問題。

3.4 對(duì)比

將所提PBDR系統(tǒng)與傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

系統(tǒng)根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較：

a）EDR數(shù)據(jù)不可竄改。傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)完全運(yùn)行在托管數(shù)據(jù)中心的私有服務(wù)器中，EDR數(shù)據(jù)存在被竄改的風(fēng)險(xiǎn)。通過區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)的特點(diǎn)，PBDR可以保證EDR數(shù)據(jù)不可竄改。

b）系統(tǒng)去中心化。對(duì)于EDR來說，系統(tǒng)的高可靠性是必要的，否則系統(tǒng)一旦崩潰將對(duì)EDR產(chǎn)生不利影響，威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定性。本文PBDR系統(tǒng)是基于區(qū)塊鏈的分布式系統(tǒng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)崩潰時(shí)系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，提高了EDR系統(tǒng)的可靠性。

c）可信的第三方。傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)運(yùn)行在運(yùn)營(yíng)商私有的服務(wù)器中，EDR的拍賣與交易過程中缺乏可信的第三方，導(dǎo)致租戶與托管運(yùn)營(yíng)商之間存在信任問題。本文將拍賣和交易過程完全交由智能合約自動(dòng)執(zhí)行，智能合約充當(dāng)可信的第三方，拍賣過程對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的托管運(yùn)營(yíng)商和所有參與拍賣租戶可見。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了傳統(tǒng)的中心化的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)存在缺乏可信的第三方、響應(yīng)過程不透明和響應(yīng)結(jié)果易被竄改的問題；通過引入許可區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了一種基于許可區(qū)塊鏈的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)，利用許可區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、成員身份可驗(yàn)證、分布式存儲(chǔ)和多方共識(shí)等特點(diǎn)解決了托管數(shù)據(jù)中心在EDR時(shí)與各租戶之間的信任問題，保證響應(yīng)過程的透明、響應(yīng)結(jié)果的不可竄改以及提高EDR系統(tǒng)的可靠性。最后對(duì)所提PBDR系統(tǒng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)和安全性證明，并與幾種傳統(tǒng)的托管數(shù)據(jù)中心EDR系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，證明了所提系統(tǒng)可以滿足托管數(shù)據(jù)中心EDR的需求。

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