何云華 羅明順 胡 晴 吳 檳 王 超 肖 珂

1（北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 北京 100144）

2（中國兵器科學(xué)研究院 北京 100089）

3（信息安全國家重點實驗室（中國科學(xué)院信息工程研究所） 北京 100093）

（heyunhua610@163.com）

在“雙碳”目標推動下，作為碳減排主力的能源產(chǎn)業(yè)積極開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型.區(qū)塊鏈（blockchain）作為當前數(shù)字技術(shù)自主創(chuàng)新的突破口和“新基建”的重要組成部分，因其具有分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制和加密算法等特點[1]，為能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供新契機[2]，助力能源行業(yè)高效協(xié)作，重塑能源價值鏈.能源產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開展了區(qū)塊鏈的探索和試點.2017 年，中國中化集團有限公司開展了能源石化交易區(qū)塊鏈應(yīng)用試點；2020 年國家電網(wǎng)開始“國網(wǎng)鏈”建設(shè)，在分布式電力交易、可再生能源電力消納、安全生產(chǎn)、電費結(jié)算和透明化調(diào)度管理等方面進行試點和應(yīng)用；2021 年5 月，國家電網(wǎng)牽頭的全球首個“區(qū)塊鏈+碳交易”國際標準獲批立項.美國LO3 Energy 公司基于以太坊開展了全球第1 個點對點（peer to peer，P2P）光伏電力交易試點；2020 年，?BM與歐洲3 家電網(wǎng)運營商建立區(qū)塊鏈新能源平臺Equigy；澳大利亞Power Ledger 公司將區(qū)塊鏈應(yīng)用到可再生能源行業(yè)推動可再生能源的生產(chǎn)、交易和認證.國際市場調(diào)查機構(gòu)Alexa Reports 預(yù)測，2025 年應(yīng)用于能源領(lǐng)域的區(qū)塊鏈市場價值將達34.7 億美元.

由于能源行業(yè)的綜合性、多樣性和數(shù)據(jù)分散性，能源、信息和資金的流動非常復(fù)雜，雖然互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)信息高速流通，但由于主體信任問題，能源互聯(lián)網(wǎng)無法實現(xiàn)能源信息和能源的低成本、高效率流動[3].眾所周知，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、可追溯、不可篡改等特點，是一種信任實現(xiàn)技術(shù).區(qū)塊鏈目前發(fā)展迅速，運用場景廣泛.盡管在有些場景下區(qū)塊鏈的引入會帶來系統(tǒng)性能降低、共識算法復(fù)雜等問題，但是可以結(jié)合博弈論、激勵機制、共識算法設(shè)計與區(qū)塊結(jié)構(gòu)設(shè)計等對區(qū)塊鏈系統(tǒng)進行優(yōu)化，使其性能符合能源行業(yè)的要求[4].因此，區(qū)塊鏈適用于參與主體多、流程長的能源交易場景，能夠解決中心化環(huán)節(jié)的信任問題，并滿足場景業(yè)務(wù)性能要求.因此，能源區(qū)塊鏈的概念被提出并逐漸形成共識.能源區(qū)塊鏈是區(qū)塊鏈與能源生產(chǎn)、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一種新形態(tài)，以區(qū)塊鏈為底層基礎(chǔ)技術(shù)，深度融合能源互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建開放合作的主體信任體系，為各類開放融合的創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式提供技術(shù)支撐與服務(wù).能源區(qū)塊鏈打破產(chǎn)業(yè)鏈上中下游的信息流、實物流和資金流信息壁壘，促進產(chǎn)業(yè)鏈多方單證、合同、物流和銷售等業(yè)務(wù)的高效協(xié)同，將在能源數(shù)據(jù)共享、分布式電力交易、可再生能源消納、碳交易監(jiān)管等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用.

能源區(qū)塊鏈的發(fā)展很大程度上依賴于區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)技術(shù)的突破.能源區(qū)塊鏈要實現(xiàn)同一行業(yè)內(nèi)不同平臺的互聯(lián)，需跨鏈服務(wù)打破平臺之間的數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)平臺之間的數(shù)據(jù)共享[5]；能源區(qū)塊鏈要實現(xiàn)跨區(qū)域互聯(lián)，需考慮區(qū)域內(nèi)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)上鏈、查詢及業(yè)務(wù)計算的效率問題，區(qū)域內(nèi)建立獨立的區(qū)塊鏈是必然趨勢，不同區(qū)域的獨立區(qū)塊鏈要實現(xiàn)互聯(lián)需依賴跨鏈服務(wù)；能源區(qū)塊鏈要實現(xiàn)業(yè)務(wù)或行業(yè)數(shù)據(jù)互通，需考慮不同業(yè)務(wù)或不同行業(yè)所構(gòu)建區(qū)塊鏈的差異，需跨鏈服務(wù)聯(lián)通差異化的區(qū)塊鏈實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和融合[6].因此，區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)技術(shù)對能源區(qū)塊鏈的發(fā)展至關(guān)重要.

隨著能源行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，能源區(qū)塊鏈逐漸得到關(guān)注，能源區(qū)塊鏈的研究及跨鏈服務(wù)安全技術(shù)也成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點之一，目前已有部分學(xué)者就能源領(lǐng)域中區(qū)塊鏈的應(yīng)用方面的研究工作進行了綜述[7-11]，但還沒有針對能源領(lǐng)域中區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)安全技術(shù)的進展進行系統(tǒng)性整理.我們從研究角度分析了相關(guān)綜述文獻與本文的主要區(qū)別，如表1 所示.

Table 1 Differences Compared with Existing Reviews表1 與現(xiàn)有綜述的區(qū)別

本文對近5 年區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域中的相關(guān)研究進行梳理，主要集中在電力行業(yè)期刊與會議，以及網(wǎng)絡(luò)安全行業(yè)的期刊與會議等，針對5 個方面做出調(diào)研分析：1）能源區(qū)塊鏈交易架構(gòu)，包括單場景交易架構(gòu)和多場景交易架構(gòu)等；2）智能合約應(yīng)用，包括能源交易、電力規(guī)劃、可再生能源消納、電力定價和能源數(shù)據(jù)共享等；3）跨鏈技術(shù)，包括常見的跨鏈技術(shù)應(yīng)用和跨鏈技術(shù)在能源區(qū)塊鏈的探索工作；4）區(qū)塊鏈節(jié)點安全管理，包括區(qū)塊鏈節(jié)點接入認證、區(qū)塊鏈節(jié)點權(quán)限管理和區(qū)塊鏈節(jié)點行為審查；5）區(qū)塊鏈隱私保護，包括數(shù)據(jù)隱私保護與智能合約隱私保護.此外，為促進能源區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)安全技術(shù)的發(fā)展，本文提出多層次跨鏈協(xié)同監(jiān)管的能源區(qū)塊鏈架構(gòu)，并指出當前技術(shù)發(fā)展遇到的關(guān)鍵問題，為下一步研究指明方向.

1 基礎(chǔ)知識

本節(jié)對能源區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)安全技術(shù)所涉及的區(qū)塊鏈相關(guān)知識與跨鏈技術(shù)相關(guān)知識進行介紹，并提出能源區(qū)塊鏈國網(wǎng)鏈架構(gòu)，明確能源區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)安全技術(shù)的概念.

1.1 區(qū)塊鏈相關(guān)知識

區(qū)塊鏈是通過去中心化的方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)庫的技術(shù)方案，由一串使用密碼學(xué)方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊即區(qū)塊組成，每一個區(qū)塊都包含了上一個區(qū)塊的哈希（Hash）值，從創(chuàng)世區(qū)塊（genesis block）開始連接到當前區(qū)塊，形成塊鏈[12].被納入新基建的區(qū)塊鏈，以數(shù)據(jù)不可篡改、可公開監(jiān)管、便于查證的特性，廣泛應(yīng)用于有多方參與的系統(tǒng)中，為多方交互的信息（行為、數(shù)據(jù)等）提供可靠的存證[13].

起初區(qū)塊鏈是以比特幣為代表的數(shù)字貨幣應(yīng)用的底層技術(shù)，其應(yīng)用場景包括支付、流通等.隨著以太坊加入智能合約功能，使得區(qū)塊鏈拓展到股權(quán)、產(chǎn)權(quán)的登記和轉(zhuǎn)讓、證券及金融合約的交易和執(zhí)行等金融領(lǐng)域.伴隨可擴展性和效率的提高，區(qū)塊鏈應(yīng)用范圍目前已拓展到身份認證、公證、審計、物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域[14]，將成為未來社會的一種最底層的協(xié)議.

節(jié)點是區(qū)塊鏈架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，承擔同步數(shù)據(jù)、參與共識、驗證區(qū)塊、執(zhí)行交易等作用.根據(jù)區(qū)塊鏈節(jié)點的準入機制以及數(shù)據(jù)讀寫權(quán)限和管理權(quán)限的不同，區(qū)塊鏈可以分為公有鏈（public chain）[15]、私有鏈（private chain）[16]與聯(lián)盟鏈（consortium chain）[17].公有鏈中，網(wǎng)絡(luò)上的任何區(qū)塊鏈節(jié)點都可以自由加入系統(tǒng)，由于數(shù)據(jù)讀寫權(quán)限并未設(shè)置，鏈上節(jié)點可以任意查看區(qū)塊鏈上的信息，因此公有鏈開放性好.比特幣系統(tǒng)、以太坊系統(tǒng)等最著名的區(qū)塊鏈系統(tǒng)均為公有鏈.私有鏈所有節(jié)點屬于同一個組織，只有獲得管理員批準的計算設(shè)備才可以加入系統(tǒng)，因此私有鏈安全、隱私性較好.目前我國各大銀行內(nèi)部運行的區(qū)塊鏈系統(tǒng)大多屬于私有鏈.聯(lián)盟鏈節(jié)點屬于有緊密聯(lián)系的若干組織或個人，介乎于公有鏈與私有鏈之間，由一組管理員來共同協(xié)調(diào)管理.因此聯(lián)盟鏈是開放性與安全隱私的折中.目前我國金融界的跨企業(yè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)大多屬于聯(lián)盟鏈.

1.2 跨鏈技術(shù)相關(guān)知識

跨鏈技術(shù)是實現(xiàn)價值區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，是實現(xiàn)區(qū)塊鏈可擴展性和連接性的橋梁.當前對跨鏈技術(shù)的研究主要有4 種策略：公證人（notary schemes）機制[18]、側(cè)鏈中繼（sidechains，relays）機制[19]、哈希時間鎖定（Hash time lock）機制[20]和分布式私鑰控制（distributed private key control）技術(shù)[21].目前主流的跨鏈技術(shù)及其代表項目如表2 所示.

Table 2 Cross-Chain Technology Comparison表2 跨鏈技術(shù)對比

1）公證人機制本質(zhì)上是一種中介機制，即把受信任的第三方當作中介，以驗證和轉(zhuǎn)發(fā)雙方的跨鏈消息.公證人機制的優(yōu)點是可以靈活地支持具有不同結(jié)構(gòu)的各種區(qū)塊鏈，缺點是存在集中化的風險.

典型公證技術(shù)為瑞波提出的?nterledger 協(xié)議[22]，?nterledger 協(xié)議使2 個不同的記賬系統(tǒng)可以通過第三方“連接器”或“驗證器”互相自由地傳輸貨幣.記賬系統(tǒng)無需信任“連接器”，因為該協(xié)議采用密碼算法用連接器為這2 個記賬系統(tǒng)創(chuàng)建資金托管，當所有參與方對交易達成共識時，便可相互交易.該協(xié)議移除了交易參與者所需的信任，連接器不會丟失或竊取資金，這意味著，這種交易無需得到法律合同的保護和進行過多的審核，大大降低了門檻.同時，只有參與其中的記賬系統(tǒng)才可以跟蹤交易，交易的詳情可隱藏起來.“驗證器”是通過加密算法來運行，因此不會直接看到交易的詳情.理論上，?nterledger 協(xié)議可以兼容任何在線記賬系統(tǒng)，而銀行現(xiàn)有的記賬系統(tǒng)只需小小的改變就能使用該協(xié)議.從而使銀行之間可以無需中央對手方或代理銀行就可直接交易.

2）在側(cè)鏈中繼機制中，側(cè)鏈是指完全具有鏈功能的另一個區(qū)塊鏈，可以主動感知主鏈信息并采取相應(yīng)的動作.中繼鏈是側(cè)鏈和公證機制的結(jié)合，具有驗證跨鏈消息和轉(zhuǎn)發(fā)跨鏈消息的能力.

典型的側(cè)鏈應(yīng)用為BTC Relay[23]，BTC Relay 把以太坊網(wǎng)絡(luò)與比特幣網(wǎng)絡(luò)通過使用以太坊的智能合約連接起來，可以使用戶在以太坊上驗證比特幣交易.BTC Relay 通過以太坊智能合約創(chuàng)建一種小型版本的比特幣區(qū)塊鏈，但智能合約需要獲取比特幣網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，比較難實現(xiàn)去中心化.BTC Relay 進行了跨區(qū)塊鏈通信有意義的嘗試，打開了不同區(qū)塊鏈交流的通道.

3）哈希時間鎖定機制是閃電網(wǎng)絡(luò)中提出的一種資產(chǎn)原子交換技術(shù)，它提供哈希值的原始值以在指定的時間內(nèi)實現(xiàn)資產(chǎn)的原子交換，但是該技術(shù)只能實現(xiàn)資產(chǎn)交換，不能進行信息傳遞，因此其使用場景受到限制.

4）分布式私鑰控制技術(shù)是指通過對分布式私鑰實現(xiàn)鎖定和解鎖操作，把加密貨幣資產(chǎn)鎖定到基于區(qū)塊鏈協(xié)議的內(nèi)置資產(chǎn)模板的鏈上，再部署智能合約解鎖來創(chuàng)建出新的加密貨幣資產(chǎn).

根據(jù)上述4 種策略的相關(guān)工作，目前的跨鏈工作主要集中在資產(chǎn)交換和跨鏈通信[24-26].很少有信息交換過程中的真實性、實時性和跨鏈寫入互斥的相互研究.

1.3 能源區(qū)塊鏈國網(wǎng)鏈架構(gòu)

作為數(shù)字時代的“信任機器”，區(qū)塊鏈技術(shù)是數(shù)字賦能，驅(qū)動數(shù)字經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵支撐.以國家電網(wǎng)公司為代表的國有企業(yè)把握科技創(chuàng)新，加強創(chuàng)新主體與跨界創(chuàng)新的持續(xù)融合，不斷突破地域和組織界限，為推動科技創(chuàng)新活力、發(fā)展我國數(shù)字經(jīng)濟、搶占全球數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展制高點作出貢獻.

為專注區(qū)塊鏈專業(yè)研究與建設(shè)，國網(wǎng)區(qū)塊鏈科技（北京）有限公司于2019 年8 月22 日正式成立，開啟了構(gòu)建以“區(qū)塊鏈+大數(shù)據(jù)+人工智能”為核心驅(qū)動的區(qū)塊鏈行業(yè)生態(tài)建設(shè)之路.截至目前，公司以自主研發(fā)的區(qū)塊鏈底層技術(shù)服務(wù)平臺為基礎(chǔ)，依托司法信用“天平鏈”、能源電力“國網(wǎng)鏈”、“央企聯(lián)盟鏈”3 大區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)區(qū)塊鏈在新能源云、電力交易、優(yōu)質(zhì)服務(wù)、綜合能源等業(yè)務(wù)場景的融合.

其中“國網(wǎng)鏈”是國內(nèi)最大的能源區(qū)塊鏈公共服務(wù)平臺，創(chuàng)造性地提出“一主兩側(cè)多從”的主體架構(gòu)，如圖1 所示.“國網(wǎng)鏈”分為主鏈、數(shù)據(jù)側(cè)鏈、交易側(cè)鏈、網(wǎng)省從鏈、堆棧從鏈5 部分.截至目前，“國網(wǎng)鏈”已在國網(wǎng)北京、青海、遼寧等多個省電力公司部署應(yīng)用，在共享儲能、電力交易等25 個具體業(yè)務(wù)場景落地實踐，上鏈數(shù)據(jù)超1 億條.

Fig.1 Architecture of state grid blockchain圖1 國內(nèi)網(wǎng)鏈架構(gòu)

2 能源區(qū)塊鏈的研究現(xiàn)狀

2.1 基于區(qū)塊鏈的能源交易架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的能源交易架構(gòu)在國內(nèi)外都已經(jīng)開展了不少研究工作，根據(jù)基于區(qū)塊鏈的能源交易場景的不同，把能源區(qū)塊鏈交易架構(gòu)分為單場景交易架構(gòu)和多場景交易架構(gòu).

1）單場景交易

針對單場景交易，Yan 等人[27]提出了一種基于微電網(wǎng)的區(qū)塊鏈架構(gòu)，便于用戶在微電網(wǎng)中進行碳配額交易和權(quán)衡交易速度、微電網(wǎng)收益與分銷網(wǎng)絡(luò)限制.該架構(gòu)中區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的擬議參與者是配電系統(tǒng)操作員和微電網(wǎng).微電網(wǎng)是通過配電系統(tǒng)操作員與同行進行能源和碳排放交易的市場參與者.位于微電網(wǎng)中的智能電表記錄交易、調(diào)度交易并將交易存儲在區(qū)塊鏈中.配電系統(tǒng)操作員使用微電網(wǎng)可用的通信網(wǎng)絡(luò)管理交易.微電網(wǎng)和配電系統(tǒng)操作員都參與區(qū)塊鏈驗證和共識過程.因此，配電系統(tǒng)操作員和微電網(wǎng)交換交易、創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊，并將它們存儲在區(qū)塊鏈中.

具體流程如圖2 所示：①微電網(wǎng)將交易數(shù)據(jù)發(fā)送到市場清算智能合約；②市場清算智能合約向配電系統(tǒng)操作員發(fā)送交易數(shù)據(jù)；③配電系統(tǒng)操作員清算市場并向市場清算智能合約發(fā)送清算結(jié)果；④市場清算智能合約向微電網(wǎng)發(fā)送清算結(jié)果；⑤市場清算智能合約向交易確認智能合約發(fā)送清算結(jié)果；⑥交易確認智能合約查詢智能電表以獲取實時數(shù)據(jù)；⑦交易確認智能合約為每個微電網(wǎng)清算付款.

Fig.2 Transaction process圖2 交易流程

除該架構(gòu)外，Yang 等人[28]為物聯(lián)網(wǎng)輔助智能家居構(gòu)建了一種基于區(qū)塊鏈的新型交易式能源管理架構(gòu)，使智能家居能夠與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的電網(wǎng)和其他用戶進行交互；Abishu 等人[29]在此基礎(chǔ)上提出了新的共識機制，利用了實用拜占庭容錯（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）和信譽共識（proof of reputation，PoR）的優(yōu)勢保證了能源交易的高可靠性、高吞吐量、低延遲和網(wǎng)絡(luò)強擴展性；Zhang[30]提出一種基于信譽風險評估的共識機制，實現(xiàn)對分布式能源交易的交易方信譽管理.然而，面對如今能源區(qū)塊鏈日漸復(fù)雜的趨勢，單一的交易場景已經(jīng)無法滿足現(xiàn)狀.

2）多場景交易

一些研究人員也在多場景交易方面進行了研究.在多能源交易方面，Deng 等人[31]提出一種電力和熱力分配市場的實時P2P 交易架構(gòu)，如圖3 所示.

Fig.3 Electricity trading and heating energy trading of energy blockchain圖3 能源區(qū)塊鏈電力交易與熱能交易

該結(jié)構(gòu)有助于打破不同能源市場的壁壘.其中區(qū)塊鏈技術(shù)專為分布式P2P 交易而設(shè)計，區(qū)塊中記下的信息是一段時間內(nèi)交易費用的總和，中央運營商在不知道每個產(chǎn)消者的詳細價格和數(shù)量的情況下，獲得所有產(chǎn)消者的費用總和并完成產(chǎn)消者之間的價值轉(zhuǎn)移.

Hamouda 等人[32]開發(fā)了一個綜合交易能源市場框架，將大型電網(wǎng)的大容量發(fā)電、輸電和較小的互聯(lián)電網(wǎng)集群有效結(jié)合，既保護了公共事業(yè)公司的利益，又有利于客戶和分布式發(fā)電所有者；龔鋼軍等人[33]設(shè)計了區(qū)塊鏈聚合商與多個微網(wǎng)群聯(lián)盟交易架構(gòu)，針對包含冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的微網(wǎng)及聚合商2 類節(jié)點，以多能互補為基本原則建立考慮碳配額機制及環(huán)境標識因數(shù)的節(jié)點模型；Yang 等人[34]為P2P 能源交易架構(gòu)提供了交易市場信用評級，能夠根據(jù)用戶行為評級進行交易撮合；Abdella 等人[35]則為整個能源區(qū)塊鏈框架設(shè)計了性能評估功能，對區(qū)塊鏈的延遲、可擴展性、系統(tǒng)吞吐量等指標進行評估.

然而，雖然目前針對多場景能源交易區(qū)塊鏈的研究已有一些進展，但是多鏈架構(gòu)未考慮跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的層次化跨鏈服務(wù)，也很少考慮跨鏈監(jiān)管和共識的問題.表3 簡要總結(jié)了基于區(qū)塊鏈的能源交易架構(gòu)研究現(xiàn)狀.

Table 3 Research Status of Energy Trading Architecture Based on Blockchain表3 基于區(qū)塊鏈的能源交易架構(gòu)研究現(xiàn)狀

2.2 能源區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用

智能合約能夠用于實現(xiàn)各類能源交易相關(guān)的應(yīng)用，是能源區(qū)塊鏈得以推廣應(yīng)用的關(guān)鍵.目前，能源區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用主要包括能源交易、電力規(guī)劃、可再生能源消納、電力定價和能源數(shù)據(jù)共享.

1）能源交易

能源交易、電力規(guī)劃是智能合約應(yīng)用較多的場景.在能源交易場景中，van Leeuwen 等人[36]搭建了一個基于區(qū)塊鏈的綜合能源管理平臺，為微電網(wǎng)社區(qū)提供雙邊交易.通過采用區(qū)塊鏈和智能合約技術(shù)，提議的分布式算法可以以安全、可驗證的方式執(zhí)行，確保市場參與者的獨立性和匿名性.在這些設(shè)置中，智能合約的作用至關(guān)重要.智能合約是部署在區(qū)塊鏈上的一段計算機代碼，可以在其他節(jié)點調(diào)用時執(zhí)行某些功能.智能合約接管了這個中央聚合器的功能，從而有效地充當虛擬聚合器.在這個過程中，智能合約執(zhí)行3 種功能：①執(zhí)行部分交叉方向乘子法ADMM（alternating direction method of multipliers）算法；②與其他節(jié)點交換信息；③授予其他節(jié)點進行下一個操作的權(quán)限.該平臺內(nèi)智能合約的功能如圖4 所示.

Fig.4 Functions of smart contracts圖4 智能合約的功能

Li 等人[37]提出采用智能合約技術(shù)實現(xiàn)整個微電網(wǎng)交易的流程，包括報價、匹配、電力轉(zhuǎn)移、交易結(jié)算、分析統(tǒng)計和安全檢查；穆程剛等人[38]將配售能源交易機制編寫成智能合約，設(shè)計了一種考慮市場供需關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)約束的交易撮合模型；沈澤宇等人[39]提出基于區(qū)塊鏈的分布式能源交易方案，將寫有交易規(guī)則的能源交易智能合約部署上鏈，實現(xiàn)電力過網(wǎng)費差異的掛牌交易機制、可再生能源認證機制和信用管理機制等功能.

2）電力規(guī)劃

在電力規(guī)劃場景中，Kaur 等人[40]使用智能合約實現(xiàn)電網(wǎng)負載和供需的平衡.本文通過智能合約檢測供需差距情況，然后給供電端、用電端發(fā)送正或負響應(yīng)需求，供電端、用電端計算其能源容量并傳回智能合約，智能合約根據(jù)能源容量結(jié)果來制定用電端的激勵策略.該文提出的框架為參與者提供了一種可信且安全的媒介，可以實時交流和分享他們的能源數(shù)據(jù).此外，該框架還支持區(qū)塊鏈的自治和去中心化平臺，用于使用智能合約監(jiān)控和執(zhí)行交易.通過使用設(shè)計的智能合約，參與實體可以為有效的需求響應(yīng)管理做出貢獻，以保持更高的電網(wǎng)穩(wěn)定性，而無需依賴中心化的第三方執(zhí)行有效的交易機制.該文中智能合約的主要函數(shù)如圖5 所示.

Fig.5 Main functions of smart contracts圖5 智能合約的主要函數(shù)

3）其他應(yīng)用場景

智能合約實現(xiàn)可再生能源消納、電力定價和能源數(shù)據(jù)共享場景等工作也有少量的研究報道.在可再生能源消納場景中，Li 等人[44]提出使用智能合約使得可再生能源消納規(guī)范化，實現(xiàn)高效的信息交互和協(xié)調(diào)管理.在電力定價場景，Dabbaghjamanesh 等人[45]提出使用智能合約實現(xiàn)一種微電網(wǎng)的電力定價策略，根據(jù)電力需求為電力買家提供不同的報價；Zhang 等人[46]提出采用智能合約實現(xiàn)P2P 能源交易的供需定價過程，該過程包括用戶注冊、競價上傳、查詢、定價更新和交易觸發(fā)等功能.在能源數(shù)據(jù)共享場景，Wang 等人[47]提出了一種基于區(qū)塊鏈的電網(wǎng)數(shù)據(jù)共享方案，通過智能合約實現(xiàn)細粒度數(shù)據(jù)訪問控制，智能合約依賴于可信硬件的可信執(zhí)行環(huán)境來保證安全性.

綜上所述，能源區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用主要使用智能合約實現(xiàn)能源場景中的各實體之間的交互與協(xié)同，通常只考慮單一區(qū)塊鏈場景，較少考慮多鏈場景，以及跨鏈合約部署和跨鏈合約計算的問題.表4 簡要總結(jié)了能源區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用研究現(xiàn)狀.

Table 4 Research Status of Smart Contract Application in Energy Blockchain表4 能源區(qū)塊鏈智能合約應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.3 能源區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)

跨鏈技術(shù)是實現(xiàn)價值區(qū)塊鏈互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，是實現(xiàn)區(qū)塊鏈可擴展性和連接性的橋梁.當前對跨鏈技術(shù)的研究主要有4 種策略[48]：公證人機制、側(cè)鏈中繼機制、哈希時間鎖定機制與分布式私鑰控制技術(shù).本節(jié)我們將從常見的跨鏈技術(shù)應(yīng)用與跨鏈技術(shù)在能源區(qū)塊鏈的探索工作2 方面展開綜述.

1）常見的跨鏈技術(shù)應(yīng)用

Garoffolo 等人[49]提出了一種類似比特幣的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它允許在不知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下與不同類型的側(cè)鏈進行創(chuàng)建和通信.Garoffolo 等人[49]認為主鏈是一個區(qū)塊鏈平臺，它支持使用一些原生資產(chǎn)硬幣（例如比特幣、Horizen 等）的基本支付功能；側(cè)鏈是一個附加的特定領(lǐng)域平臺，也使用硬幣資產(chǎn)（但不限于此）.而且認為側(cè)鏈并不意味著使用任何特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或共識算法，主鏈結(jié)構(gòu)與側(cè)鏈結(jié)構(gòu)完全無關(guān)，主鏈結(jié)構(gòu)可以是另一個去中心化的區(qū)塊鏈，一些由預(yù)先定義的權(quán)限維護的中心化數(shù)據(jù)庫，或者一個任意的應(yīng)用程序.同時，Garoffolo 等人[49]使用zk-SNARKs 構(gòu)建側(cè)鏈使用的通用可驗證傳輸機制，且設(shè)計的多鏈模型如圖6 所示.

Fig.6 Cross-chain model圖6 跨鏈模型

Ghosh 等人[50]提出了公有鏈和私有鏈之間的信息跨鏈方法，從公有鏈到私有鏈時采用跨鏈共識協(xié)議來控制信息的準入，從私有鏈到公有鏈時通過聯(lián)合簽名來實現(xiàn)信息的確認；Thyagarajan 等人[51]提出了一種跨幣轉(zhuǎn)化的通道來提升跨鏈資產(chǎn)轉(zhuǎn)化效率，并通過設(shè)計鏈式簽名技術(shù)保證通道中節(jié)點支付給下一節(jié)點數(shù)字貨幣后能獲得同等價值的數(shù)字貨幣.

大多數(shù)的跨鏈技術(shù)都應(yīng)用在不同區(qū)塊鏈的資產(chǎn)轉(zhuǎn)化與資產(chǎn)留置上，以中心化形態(tài)為主，不能適應(yīng)多層次跨鏈服務(wù)需求，而且較少考慮安全性.

設(shè)T時刻在目標位置P處用接收機同時測得4顆衛(wèi)星1, 2, 3, 4到P點處的距離分別為S1, S2, S3, S4，4顆衛(wèi)星的坐標分別是(Xi, Yi, Zi)，i=1, 2, 3, 4，則P點的坐標和時間T可通過式(1)解算得出：

2）跨鏈技術(shù)在能源區(qū)塊鏈的探索

在能源交易區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)方面也開展相關(guān)研究工作.例如，Wang 等人[52]提出了一種基于跨鏈技術(shù)的日前協(xié)同電力—碳—可交易綠色憑證（tradable green certificate，TGC）市場框架及其實施方法，每日協(xié)同市場被設(shè)計為順序運行，以反映碳排放和TGC生產(chǎn)的時間屬性，并在電力市場中引入了懲罰因素，以表明來自碳市場和TGC 市場的市場間影響.此外，本文利用跨鏈技術(shù)形成協(xié)調(diào)3 個市場的統(tǒng)一框架，并重新設(shè)計每個市場的鏈結(jié)構(gòu)以適應(yīng)框架.

佘維等人[53]提出一種異構(gòu)能源區(qū)塊鏈的跨鏈方法，通過中繼技術(shù)實現(xiàn)了能源索引交易中繼鏈（主鏈）到能源平行鏈（側(cè)鏈）的信息傳遞，具體架構(gòu)如圖7所示.但是較少涉及跨鏈信息傳遞安全性和跨鏈合約計算問題.

Fig.7 Energy blockchain cross-chain architecture圖7 能源區(qū)塊鏈跨鏈架構(gòu)

此外，He 等人[54]提出了一種跨鏈信息傳遞方法，保證跨鏈信息的真實性、實時性和鏈間寫互斥性；黃偉等人[43]提出了一種主從鏈技術(shù)以實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)調(diào)度，將大量的計算工作分配給從鏈計算，主鏈僅記錄計算結(jié)果并驗證其正確性，但未給出具體的設(shè)計方案.

綜上所述，能源交易區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)大多以中繼鏈或側(cè)鏈方式為主，關(guān)于跨鏈信息準入、跨鏈信息傳遞安全、跨鏈合約部署和計算安全等問題較少考慮.表5 簡要總結(jié)了國內(nèi)外能源區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)研究現(xiàn)狀.

Table 5 Research Status of Energy Blockchain Cross-Chain Technology表5 能源區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.4 能源區(qū)塊鏈節(jié)點安全管理

節(jié)點安全是區(qū)塊鏈安全的重要組成部分，能源交易區(qū)塊鏈節(jié)點是區(qū)塊鏈維護和跨鏈技術(shù)執(zhí)行的實體，節(jié)點不合作或惡意行為會給區(qū)塊鏈系統(tǒng)造成拒絕服務(wù)、宕機、隱私泄露等嚴重的后果，因此需要對區(qū)塊鏈節(jié)點進行安全管理.目前，區(qū)塊鏈節(jié)點安全管理的研究工作主要分為接入認證、權(quán)限管理和行為審查.

1）區(qū)塊鏈節(jié)點接入認證

接入認證是指對接入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的節(jié)點進行身份認證，包括注冊、證書分發(fā)、身份認證等工作.

Novo 等人[55]提出了一種基于區(qū)塊鏈的用于管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的新架構(gòu)，提出的框架如圖8 所示.

Fig.8 Access control system圖8 訪問控制系統(tǒng)

該架構(gòu)利用智能合約實現(xiàn)區(qū)塊鏈系統(tǒng)用戶的注冊、撤銷、查詢規(guī)則和接入策略，從而實現(xiàn)對節(jié)點接入進行記錄和管理.該合約定義了訪問控制系統(tǒng)中允許的所有操作且該合約是唯一的，不能從系統(tǒng)中刪除.管理器與智能合約交互，可以定義系統(tǒng)的訪問控制策略.

Cui 等人[56]提出一種基于區(qū)塊鏈的多個傳感網(wǎng)絡(luò)的身份認證方案，在每個傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)建立本地區(qū)塊鏈，整個網(wǎng)絡(luò)建立公共區(qū)塊鏈，通過設(shè)計本地區(qū)塊鏈和公共區(qū)塊鏈的認證交互流程來實現(xiàn)傳感器節(jié)點的注冊、證書生成和身份認證；Feng 等人[57]提出一種基于區(qū)塊鏈的5G 無人機網(wǎng)絡(luò)跨域認證機制，每個域內(nèi)建立私有鏈，通過聯(lián)盟鏈連接各個域內(nèi)的私有鏈，域內(nèi)私有鏈記錄域內(nèi)無人機的身份信息，聯(lián)盟鏈記錄所有無人機的身份信息，用戶訪問域間無人機時通過聯(lián)盟鏈中轉(zhuǎn)到無人機所在的域進行認證.能源交易區(qū)塊鏈的接入認證研究工作報道得較少.Che等人[58]提出了一種基于聯(lián)盟鏈的能源分布式交易認證方案，通過包含證書授權(quán)（certificate authority，CA）功能的匹配單元進行鏈下認證，驗證發(fā)電單元（generation unit，GU）和用電單元（power unit，PU）的身份并頒發(fā)證書，并構(gòu)建證書撤銷列表，認證后的節(jié)點可以進入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對能源交易進行確認.

能源交易區(qū)塊鏈的接入認證研究工作較少，未考慮跨鏈或跨域的節(jié)點接入認證問題，而且也未考慮跨鏈節(jié)點的特殊性和重要性，跨鏈節(jié)點的可信度直接影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)的安全性.

2）區(qū)塊鏈節(jié)點權(quán)限管理

權(quán)限管理是指對接入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的節(jié)點所具備的權(quán)限進行限制和管理，包括節(jié)點訪問權(quán)限、數(shù)據(jù)訪問和操作權(quán)限等.Liu 等人[59]提出了一種名為fabric-?oT 的物聯(lián)網(wǎng)訪問控制系統(tǒng).該系統(tǒng)基于Hyperledger Fabric 區(qū)塊鏈框架和基于屬性的訪問控制（attributed based access control，ABAC），包含3 種智能合約，分別是設(shè)備合約、策略合約和訪問合約.設(shè)備合約提供了一種方法來存儲設(shè)備產(chǎn)生的資源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一資源定位符（uniform resource locator，URL），以及一種查詢方法.策略合約為管理員用戶提供管理ABAC 策略的功能.訪問合約是實現(xiàn)普通用戶訪問控制方法的核心程序.結(jié)合ABAC 和區(qū)塊鏈技術(shù)，fabric-?oT 可以在物聯(lián)網(wǎng)中提供去中心化、細粒度和動態(tài)的訪問控制管理.系統(tǒng)的架構(gòu)如圖9 所示.

Fig.9 Architecture of fabric-?oT圖9 fabric-?oT 架構(gòu)

Yu 等人[60]提出了一種密文策略基于屬性加密（ciphertext-policy attribute-based encryption，CP-ABE）的訪問控制方案，將通過CP-ABE 加密后的數(shù)據(jù)記錄到區(qū)塊鏈上，用戶根據(jù)屬性相關(guān)聯(lián)的規(guī)則實現(xiàn)對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的細粒度訪問控制；為了進一步保障訪問控制的安全性，Huang 等人[61]提出了一種基于信譽的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備工作量證明機制（proof of work，PoW），將節(jié)點的信譽值與PoW 機制關(guān)聯(lián)，PoW 機制的難度根據(jù)每個節(jié)點的信譽值自適應(yīng)調(diào)整，節(jié)點進行非法操作時，其信譽值降低，其PoW 任務(wù)難度增加，該方案通過增加攻擊成本來鼓勵節(jié)點的合作行為.能源交易區(qū)塊鏈也開展了少量關(guān)于節(jié)點的權(quán)限管理的工作.Yang 等人[62]使用CP-ABE 方案建立了一種基于區(qū)塊鏈的P2P 能源交易訪問控制機制，對區(qū)塊鏈上的交易數(shù)據(jù)設(shè)置屬性關(guān)聯(lián)訪問權(quán)限，從而實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)的隱私保護.

能源交易區(qū)塊鏈的權(quán)限管理研究工作較少，未考慮跨鏈場景下的節(jié)點權(quán)限管理，以及節(jié)點操作權(quán)限管理.

3）區(qū)塊鏈節(jié)點行為審查

行為審查是指對于節(jié)點的行為進行跟蹤與監(jiān)督，包括行為特征提取、行為識別跟蹤和異常審查等.Goyat 等人[63]提出了一種基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點行為監(jiān)控方案.所有傳感器節(jié)點的注冊和認證過程由區(qū)塊鏈執(zhí)行，完成認證過程后，所有關(guān)鍵參數(shù)都存儲在由簇頭控制的不可篡改密鑰機制（untamperable key mechanism，UKM）中.簇頭將收集到的信息從其成員廣播到區(qū)塊鏈，將這些感測到的大量數(shù)據(jù)與云共享，以獲得更可靠的存儲，關(guān)鍵參數(shù)進一步被記錄在區(qū)塊鏈上，以提高所獲得數(shù)據(jù)的不變性和透明度，通過認證撤銷過程消除故障傳感器節(jié)點.文獻[63]的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖10 所示.

Fig.10 Architecture of network圖10 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Michalski 等人[64]提出一種利用節(jié)點特征主動探測區(qū)塊鏈節(jié)點的機器學(xué)習(xí)方法，該方法通過提取節(jié)點特征來量化節(jié)點的行為，并使用監(jiān)督學(xué)習(xí)算法依據(jù)節(jié)點的行為特征發(fā)現(xiàn)并跟蹤節(jié)點；Peng 等人[65]在疫苗生產(chǎn)中提出了一種雙層區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)的節(jié)點行為審查方案，通過雙層區(qū)塊鏈將公共數(shù)據(jù)與私有數(shù)據(jù)分隔，主審查節(jié)點驗證公有數(shù)據(jù)備份的正確性，預(yù)備審查節(jié)點用于替換主審查節(jié)點或恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)，審查節(jié)點對驗證的公有數(shù)據(jù)備份進行審核和發(fā)布，從而實現(xiàn)對公有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的審查同時保護私有數(shù)據(jù)的隱私.能源交易區(qū)塊鏈的行為審查研究工作較少.Li 等人[66]提出了一種基于區(qū)塊鏈的能源交易審查方案，區(qū)塊鏈會記錄交易并對交易進行審核，當出現(xiàn)交易爭議時，可實現(xiàn)對惡意能源賣家行為進行懲罰.

綜上所述，能源交易區(qū)塊鏈的行為審查研究工作剛剛起步，未考慮跨鏈場景下的節(jié)點行為管理，以及審查數(shù)據(jù)的隱私保護.表6 簡要總結(jié)了國內(nèi)外能源區(qū)塊鏈節(jié)點管理技術(shù)研究現(xiàn)狀.

Table 6 Research Status of Energy Blockchain Node Management表6 能源區(qū)塊鏈節(jié)點管理的研究現(xiàn)狀

2.5 能源區(qū)塊鏈隱私保護

隨著《中華人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》《中華人民共和國數(shù)據(jù)安全法》《中華人民共和國個人信息保護法》等相關(guān)法律的實施，如何在保護隱私的前提下開展能源區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用是未來需要研究的重要課題.現(xiàn)有區(qū)塊鏈應(yīng)用的隱私保護研究主要包括：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)隱私保護和合約隱私保護.

1）區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)隱私保護

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)隱私保護是指采用隱私保護技術(shù)，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)或交易不能推斷出用戶身份、偏好、交易金額及位置等敏感信息.

Gai 等人[67]提出了一種將物聯(lián)網(wǎng)與邊緣計算和區(qū)塊鏈相結(jié)合的新方法，稱為基于區(qū)塊鏈的邊緣互聯(lián)網(wǎng)模型.所提出的模型充分利用邊緣計算和區(qū)塊鏈的優(yōu)勢以及差分隱私（differential privacy，DP）技術(shù)來建立隱私保護機制，所提出的隱私保護模型如圖11 所示.

Fig.11 Privacy protection model of transaction data圖11 交易數(shù)據(jù)的隱私保護模型

Gai 等人[67]利用區(qū)塊鏈的特性，使用一種可追溯的機制來解決邊緣計算中的任務(wù)分配問題，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中使用差分隱私技術(shù)以防止區(qū)塊上的信息受到基于數(shù)據(jù)挖掘的攻擊，達到保護區(qū)塊數(shù)據(jù)隱私的目的.

Ping 等人[68]提出一種電車充電區(qū)塊鏈的充電交易隱私保護方法.與集中式協(xié)調(diào)機制不同，所提出的基于ADMM 的算法中的充電站不需要將有關(guān)其自身和現(xiàn)場電動汽車的那些敏感信息暴露給中央?yún)f(xié)調(diào)器，而只需要有限的信息，在充電功率配額交易期間保護了交易數(shù)據(jù)隱私；Guan 等人[69]提出了一種基于區(qū)塊鏈的隱私保護能源交易方案，通過CP-ABE 方法將分布式交易加密后發(fā)送給仲裁節(jié)點檢查，再發(fā)給記賬節(jié)點打包上鏈，由于交易被設(shè)置了訪問控制，交易雙方的隱私得到保護；趙丙鎮(zhèn)等人[70]提出了基于區(qū)塊鏈的電力交易數(shù)據(jù)隱私保護方法，通過概率公鑰加密算法實現(xiàn)區(qū)塊鏈交易用戶真實身份的隱藏，采用Pedersen 承諾和零知識證明技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)管機構(gòu)對交易監(jiān)管的同時對交易金額的隱私保護.

以上區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)隱私保護方法通過上鏈數(shù)據(jù)的擾動或加密處理實現(xiàn)隱私保護，但未考慮隱私保護的開銷過大、處理后數(shù)據(jù)的查詢及共享的問題.

2）智能合約隱私保護

智能合約隱私保護是指采用隱私保護技術(shù)，防止智能合約在執(zhí)行過程中造成用戶的敏感數(shù)據(jù)泄露.

Cheng 等人[71]利用可信硬件的可信執(zhí)行環(huán)境（trusted execution environment，TEE）執(zhí)行智能合約以處理機密用戶數(shù)據(jù)，合約計算流程如圖12 所示，但是可信硬件的使用會產(chǎn)生額外的硬件造價開銷.

Fig.12 Contract calculation process圖12 合約計算流程

Unterweger 等人[72]試圖開發(fā)能夠運用于能源領(lǐng)域的隱私保護智能合約并部署到以太坊區(qū)塊鏈上，但是發(fā)現(xiàn)即使采用鏈下預(yù)計算和鏈上gas 開銷優(yōu)化，也存在開銷較大的問題；Abdelsalam 等人[73]提出了一種基于區(qū)塊鏈的隱私保護電力節(jié)能機制，該機制在智能合約進行電力調(diào)配計算時不共享用電消費者的用電量，僅共享功率變化百分比（percentage power change，PPC），從而達到保護用電消費者隱私的目的.

以上智能合約的隱私保護方式通常開銷較大或者通用性不強，較難應(yīng)用于融合多類能源交易場景的能源區(qū)塊鏈中.表7 簡要總結(jié)了國內(nèi)外能源區(qū)塊鏈隱私保護技術(shù)研究現(xiàn)狀.

Table 7 Research Status of Energy Blockchain Privacy Protection表7 能源區(qū)塊鏈隱私保護研究現(xiàn)狀

3 能源區(qū)塊鏈的跨鏈架構(gòu)

根據(jù)能源區(qū)塊鏈的發(fā)展現(xiàn)狀，我們發(fā)現(xiàn)目前能源區(qū)塊鏈發(fā)展受限的原因之一，是目前的架構(gòu)不能適應(yīng)多層次跨鏈服務(wù)需求，且未考慮層次化跨鏈服務(wù)、跨鏈監(jiān)管和共識.因此，本文根據(jù)能源區(qū)塊鏈跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的特點，考慮節(jié)點、交易及合約的差異性，提出多層次可監(jiān)管的能源區(qū)塊鏈跨鏈架構(gòu).

3.1 多層次可監(jiān)管的能源區(qū)塊鏈跨鏈架構(gòu)

雖然區(qū)塊鏈的多場景交易架構(gòu)已經(jīng)存在，但能源區(qū)塊鏈為了實現(xiàn)更大范圍的互聯(lián)，不僅涉及多場景交易，還需考慮跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的層次化跨鏈服務(wù)，不同層級跨鏈服務(wù)在架構(gòu)設(shè)計中應(yīng)存在差異.

目前，區(qū)塊鏈多鏈協(xié)作生態(tài)的構(gòu)建與發(fā)展還不成熟，而且存在較多合規(guī)性和安全性問題，又因為能源交易具有特殊性，即能源交易不只是純粹的交易，往往還是國家戰(zhàn)略的組成部分，關(guān)系著國家的經(jīng)濟命脈與民生大計，并與國家安全緊密相連，實現(xiàn)對能源交易的監(jiān)管約束尤為重要，且對多鏈協(xié)作生態(tài)構(gòu)建與健康發(fā)展也尤為重要.

此外，單一的監(jiān)管模式不適用能源區(qū)塊鏈多鏈協(xié)作生態(tài)，因為能源區(qū)塊鏈多鏈協(xié)作生態(tài)涉及跨平臺、跨區(qū)域和跨業(yè)務(wù)互聯(lián)，存在較多差異較大的節(jié)點、交易及合約.為應(yīng)對能源區(qū)塊鏈節(jié)點與交易和合約的差異性，可對能源區(qū)塊鏈節(jié)點采用多類別的監(jiān)管模式，但該監(jiān)管模式也可能會出現(xiàn)監(jiān)管效果局部好、全局差的問題，而且能源區(qū)塊鏈共識機制的設(shè)計同樣會影響局部和全局監(jiān)管的效果.因此，如何耦合共識機制實現(xiàn)多層次協(xié)同高效監(jiān)管，是亟待解決的關(guān)鍵問題.

綜上所述，在能源區(qū)塊鏈跨鏈架構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮監(jiān)管的問題，包括能源區(qū)塊鏈的節(jié)點監(jiān)管、數(shù)據(jù)監(jiān)管和合約監(jiān)管；在新的架構(gòu)下，共識機制也需要作出相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)多層次跨鏈和多級監(jiān)管功能設(shè)計的需求.

3.2 能源區(qū)塊鏈監(jiān)管架構(gòu)組成

圖13 給出了本文提出的多層次跨鏈協(xié)同監(jiān)管的能源區(qū)塊鏈架構(gòu)，與目前國網(wǎng)鏈提出的“一主兩側(cè)多從”架構(gòu)不同，本文提出的架構(gòu)由1 條主鏈與多條跨平臺或跨區(qū)域的側(cè)鏈構(gòu)成，將為能源生產(chǎn)者、能源儲備輸送商、各類能源運營商、能源消費用戶、監(jiān)管機構(gòu)等提供多方共建的信任環(huán)境.該架構(gòu)可以實現(xiàn)多個現(xiàn)存能源交易平臺間、不同能源交易區(qū)域間甚至不同能源業(yè)務(wù)或行業(yè)間的數(shù)據(jù)安全共享、多級協(xié)同監(jiān)管.多級協(xié)同監(jiān)管機制耦合鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)的多層級共識機制，實現(xiàn)對參與能源交易各方身份信息及能源交易過程的全面監(jiān)管.

Fig.13 Our proposed energy blockchain cross-chain architecture圖13 本文提出的能源區(qū)塊鏈跨鏈架構(gòu)

以下以混合的分布式能源交易場景為例，說明架構(gòu)的組成和運作方式.本文架構(gòu)的1 條側(cè)鏈或多條側(cè)鏈可對應(yīng)一個能源區(qū)塊鏈交易平臺，能源區(qū)塊鏈交易平臺為能源消費者和能源供應(yīng)商提供交易撮合服務(wù)，參與交易的各方均將身份信息保存至區(qū)塊鏈上；跨鏈服務(wù)可聯(lián)通多個能源區(qū)塊鏈交易平臺，實現(xiàn)跨平臺、跨區(qū)域交易撮合.平臺根據(jù)交易意向中的能源供需數(shù)量、交易價格、交易時間等信息創(chuàng)建交易合約，若消費者或生產(chǎn)者在交易過程中未按照交易意向規(guī)定需求或供給能源，則監(jiān)管機構(gòu)可根據(jù)鏈上信息對違約者實施懲罰措施，以實現(xiàn)對交易過程的監(jiān)管.當交易完成后，由監(jiān)管機構(gòu)對整個交易結(jié)果進行確認；確認無誤后，將交易信息打包至能源區(qū)塊鏈存儲.各個側(cè)鏈中的共識機制根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求設(shè)定，側(cè)鏈之間的跨鏈共識機制在基于信譽的共識機制上進行改進，主鏈與側(cè)鏈之間的跨鏈共識應(yīng)采用高效的共識算法.

3.3 跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的多級協(xié)同監(jiān)管機制

本文提出跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的多級協(xié)同監(jiān)管機制，將監(jiān)管從單一區(qū)塊鏈的單類能源交易擴展到多平臺、多區(qū)域乃至多業(yè)務(wù)范圍的監(jiān)管，更接近于實際能源交易的監(jiān)管需求，從而實現(xiàn)能源區(qū)塊鏈的節(jié)點監(jiān)管、數(shù)據(jù)監(jiān)管和合約監(jiān)管.

以混合的分布式能源交易場景為例，說明監(jiān)管機制的大致流程.本文方案擬采用穿透式監(jiān)管的方式，對能源區(qū)塊鏈中參與交易的各方向上穿透監(jiān)管，核查其身份信息的真實性與交易的合規(guī)性；對能源區(qū)塊鏈上的每筆能源交易向下穿透監(jiān)管，核查交易的能源量、交易金額、交易時間等數(shù)據(jù)；通過耦合跨鏈服務(wù)和共識機制，實現(xiàn)整個能源區(qū)塊鏈跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的有效監(jiān)管.監(jiān)管架構(gòu)考慮目前能源領(lǐng)域區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用情況，可實現(xiàn)公有鏈與聯(lián)盟鏈、聯(lián)盟鏈與私有鏈、聯(lián)盟鏈間安全可靠的數(shù)據(jù)流通與有效的監(jiān)管.

3.4 鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)共識的多層級共識機制

本文提出鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)共識的多層級共識機制，根據(jù)跨鏈監(jiān)管需求和現(xiàn)有共識機制的特點，設(shè)計能源區(qū)塊鏈的鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)共識的多層級共識機制，以達到跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)能源交易高效共識和監(jiān)管的目的.

以下以混合的分布式能源交易場景為例，說明鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)共識的多層級共識機制的設(shè)計.目前，能源交易區(qū)塊鏈大多未涉及跨鏈，鏈內(nèi)共識算法通常采用基于信譽的共識機制來改進，通過可信的記賬節(jié)點來完成交易確認和打包上鏈，本文方案可兼容現(xiàn)有平臺鏈內(nèi)的共識算法，也可根據(jù)平臺特點推薦使用與平臺相匹配的共識算法或改進現(xiàn)有共識算法.鏈間共識算法考慮能源區(qū)塊鏈跨平臺和跨區(qū)域交易場景，跨平臺交易場景應(yīng)考慮算力優(yōu)勢攻擊，共識算法設(shè)計應(yīng)確保來自統(tǒng)一平臺的節(jié)點數(shù)量不超過參與共識節(jié)點數(shù)量的1/3；跨區(qū)域交易場景應(yīng)考慮安全和效率問題，可采用安全頂會ACM CCS 上提出的RapidChain 共識算法[74]，利用時間分片技術(shù)，隨機建立分片和更替挑選委員會，不必頻繁重構(gòu)委員會，提升了共識的效率，實現(xiàn)能源交易信息在全網(wǎng)分散安全存儲，達到了鏈間信息安全共享的目的.全網(wǎng)共識算法考慮由各鏈的監(jiān)管節(jié)點來實現(xiàn)，需結(jié)合監(jiān)管業(yè)務(wù)設(shè)計與監(jiān)管需求相關(guān)的共識算法，例如可采用改進的權(quán)益證明（proof of stake，POS）共識機制[75]，為不同等級的監(jiān)管節(jié)點賦予不同的權(quán)值，使高效的監(jiān)管助力能源區(qū)塊鏈全網(wǎng)共識.

4 關(guān)鍵問題與發(fā)展方向

從目前國內(nèi)外已有的電力行業(yè)優(yōu)秀期刊與會議以及網(wǎng)絡(luò)安全行業(yè)的期刊與會議來看，區(qū)塊鏈在能源中應(yīng)用的已有不少研究工作，但是目前的大部分工作專注于區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用以及智能合約在能源領(lǐng)域的實現(xiàn)等，雖然有少部分文獻針對此過程的能源數(shù)據(jù)隱私與合約的計算隱私，但是由于跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的需求，需要引入跨鏈技術(shù)為能源區(qū)塊鏈提供跨鏈服務(wù).由于跨鏈技術(shù)的引入，能源區(qū)塊鏈的隱私與安全要求進一步提高，但目前針對能源區(qū)塊鏈跨鏈場景下的跨鏈技術(shù)、跨鏈節(jié)點安全管理和跨鏈隱私保護的問題研究較少，能源區(qū)塊鏈共識算法也是值得研究的目標.

為促進能源行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，推動能源區(qū)塊鏈項目落地，能源區(qū)塊鏈需要可驗證、高可信、高安全的跨鏈服務(wù)，本節(jié)提出能源區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)安全技術(shù)的關(guān)鍵問題與發(fā)展方向.

4.1 安全高效的能源區(qū)塊鏈跨鏈技術(shù)研究

針對能源區(qū)塊鏈，雖然跨鏈技術(shù)助力區(qū)塊鏈多鏈協(xié)作生態(tài)的構(gòu)建，但也帶來了跨鏈信息傳輸與合約計算的安全問題，同時跨鏈效率與安全性也對能源區(qū)塊鏈性能造成影響.

跨鏈技術(shù)是跨鏈服務(wù)的關(guān)鍵，現(xiàn)有的跨鏈技術(shù)大多用于實現(xiàn)資產(chǎn)轉(zhuǎn)化，較少考慮跨鏈信息傳遞安全和跨鏈合約計算安全，導(dǎo)致傳遞信息不準確或計算結(jié)果不正確，如何實現(xiàn)和驗證信息傳遞安全和合約計算安全是亟待突破的難題.

目前的跨鏈技術(shù)大多數(shù)的研究工作集中在資產(chǎn)交換上，主要在跨鏈效率、安全性、兼容性等方面進行改進.然而，能源區(qū)塊鏈除了資產(chǎn)交換之外，還涉及信息跨鏈傳遞、合約跨鏈部署及計算，需設(shè)計相應(yīng)的跨鏈技術(shù)實現(xiàn)這些功能.能源區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)還處于起步階段，目前還不存在高效、安全和兼容的方案.

跨鏈信息傳遞時，應(yīng)考慮傳遞信息的準入、跨鏈傳遞信息的真實性和實時性、鏈間寫互斥性等問題；跨鏈合約部署時，應(yīng)考慮協(xié)同制定合約內(nèi)容與需求的匹配性，以滿足能源業(yè)務(wù)合約的功能需求；跨鏈合約計算時，應(yīng)考慮合約計算過程的正確性與計算結(jié)果的完整性.另外，跨鏈信息傳遞、跨鏈合約部署、跨鏈合約計算的安全方案應(yīng)該是公開可驗證的.

4.2 安全動態(tài)的跨鏈節(jié)點管控技術(shù)研究

在能源區(qū)塊鏈跨鏈交易時，跨鏈節(jié)點作為跨鏈技術(shù)執(zhí)行的主體，其不合作和惡意行為將導(dǎo)致跨鏈服務(wù)的不可用和質(zhì)量差的問題，因而實現(xiàn)跨鏈節(jié)點的安全管控尤為重要.

跨鏈節(jié)點需要完成跨鏈數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送及接收處理、信息審核確認等任務(wù)，這些任務(wù)之間有較大差異，而且某些任務(wù)可能涉及多人協(xié)作，因而需按類別和重要性進行分級協(xié)作管理，實現(xiàn)管理技術(shù)的可信任；跨鏈節(jié)點管理的重點是權(quán)限管理和行為審查，兩者相互聯(lián)系且隨時間動態(tài)變化，因而管理技術(shù)還應(yīng)考慮整體的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整機制；另外，跨鏈節(jié)點管控還應(yīng)考慮鏈間寫互斥性和鏈間數(shù)據(jù)隱私保護等安全問題.因此，如何實現(xiàn)可信任的跨鏈節(jié)點權(quán)限和行為安全動態(tài)管控，是具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問題.

跨鏈安全方案最終的執(zhí)行實體是跨鏈節(jié)點，跨鏈節(jié)點的不合作和惡意行為將導(dǎo)致區(qū)塊鏈系統(tǒng)的拒絕服務(wù)、宕機等問題，因此跨鏈節(jié)點的管控至關(guān)重要.然而，目前關(guān)于跨鏈節(jié)點的管控研究工作幾乎沒有，僅有少量區(qū)塊鏈節(jié)點管控的相關(guān)工作，主要集中在接入認證、訪問控制、行為審查方面，而且這些研究工作未考慮跨鏈節(jié)點的跨鏈特點和重要性.

跨鏈節(jié)點安全管控應(yīng)考慮跨鏈節(jié)點的可信任問題，并根據(jù)信任度來進行節(jié)點的分級權(quán)限管理，從而實現(xiàn)細粒度的訪問控制；另外，跨鏈節(jié)點行為審查可能會泄露多條鏈的隱私，因此跨鏈節(jié)點行為審查還應(yīng)考慮保護跨鏈的隱私問題.

4.3 安全輕量的跨鏈數(shù)據(jù)及合約隱私保護技術(shù)研究

隱私問題是目前制約區(qū)塊鏈技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的主要因素之一，而且隱私在跨鏈數(shù)據(jù)共享和合約計算應(yīng)用場景中將更加難以保護，在能源區(qū)塊鏈的發(fā)展中也不得不面臨這個問題.

跨鏈數(shù)據(jù)共享會涉及數(shù)據(jù)的頻繁查詢和訪問，因而需設(shè)計輕量級的跨鏈數(shù)據(jù)隱私保護算法，在保證數(shù)據(jù)隱私安全的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速檢索和高效訪問控制；跨鏈合約可能涉及對大量數(shù)據(jù)的處理和計算，但合約的運行環(huán)境和編程語言較難實現(xiàn)開銷較大的運算，因而需設(shè)計輕量級跨鏈合約隱私保護算法，在保證合約計算隱私安全的同時，提升大規(guī)模協(xié)作計算的效率.因此，如何設(shè)計輕量級的跨鏈數(shù)據(jù)共享及合約計算的隱私保護算法，是亟待解決的關(guān)鍵問題.

能源區(qū)塊鏈在實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)作生態(tài)的同時，帶來了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和智能合約隱私泄露的風險，而且跨鏈技術(shù)的運用會聯(lián)通多鏈的數(shù)據(jù)及合約，也帶來了更大的隱私泄露風險和危害.現(xiàn)有的隱私保護方案大多開銷較大，較難適應(yīng)區(qū)塊鏈分布式環(huán)境，而且未考慮跨鏈隱私泄露的問題.另外，隱私保護技術(shù)會對數(shù)據(jù)查詢與共享、合約部署與計算的效果造成一定的影響.

因此，在數(shù)據(jù)隱私保護設(shè)計時，應(yīng)考慮設(shè)計輕量級的跨鏈數(shù)據(jù)高效查詢與共享方案；在合約隱私保護設(shè)計時，應(yīng)考慮設(shè)計輕量級的跨鏈合約協(xié)同部署與計算方案.

4.4 安全適配的能源區(qū)塊鏈共識算法研究

共識算法是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的核心機制之一，在能源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，共識節(jié)點通過算法交換信息達成共識，維護區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性，共識算法也是未來的重要研究方向.

由于跨鏈場景的存在，以及鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)共識的多層級共識機制，共識算法需要滿足各場景業(yè)務(wù)的性能需求.能源區(qū)塊鏈場景復(fù)雜多樣，如能源交易、電力規(guī)劃、可再生能源消納、電力定價和能源數(shù)據(jù)共享等，通用的共識算法往往不能完全滿足能源區(qū)塊鏈各場景的需要，需針對各場景研究高適配的能源區(qū)塊鏈共識算法，并在安全性、一致性、可用性、分區(qū)容忍性等層面對共識算法進行評估分析，解決了目前區(qū)塊鏈系統(tǒng)的引入帶來的效率降低問題.因此，如何設(shè)計安全適配的能源區(qū)塊鏈共識算法，是亟待解決的關(guān)鍵問題.

共識算法的設(shè)計需考慮拜占庭容錯問題、CAP定理和DSS 猜想.拜占庭容錯問題意味著即使某些節(jié)點出錯或存在惡意行為，拜占庭容錯系統(tǒng)也能夠繼續(xù)運轉(zhuǎn).CAP 定理即在一個分布式系統(tǒng)中，一致性（consistency）、可用性（availability）與分區(qū)容錯性（partition tolerance）這3 個要素最多只能同時實現(xiàn)2個要素.DSS 猜想即去中心化（decentralization）、安全性（security）、和可擴展性（scalability），在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中最多只能在這3 個特性中選2 個實現(xiàn).在能源區(qū)塊鏈跨平臺、跨區(qū)域、跨業(yè)務(wù)的跨鏈場景下，各鏈共識算法各異，通用的共識算法并不能兼顧所有場景下的業(yè)務(wù)需求與性能需求，為能源區(qū)塊鏈共識算法的選擇帶來難題.

因此，在能源區(qū)塊鏈共識算法設(shè)計時，應(yīng)考慮設(shè)計鏈內(nèi)、鏈間及全網(wǎng)共識的多層級共識機制方案，并針對各場景業(yè)務(wù)設(shè)計安全適配的能源區(qū)塊鏈共識算法.

5 總結(jié)

隨著能源行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進，能源區(qū)塊鏈逐漸得到關(guān)注，能源區(qū)塊鏈的研究以及相關(guān)跨鏈解決方案也成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點之一，而能源區(qū)塊鏈的發(fā)展很大程度上依賴于跨鏈服務(wù)技術(shù)的突破.本文針對能源區(qū)塊鏈的5 個方面分別展開調(diào)研，即能源區(qū)塊鏈架構(gòu)、智能合約應(yīng)用、跨鏈技術(shù)、區(qū)塊鏈節(jié)點管理和區(qū)塊鏈隱私保護，分析了這些安全技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并考慮這些技術(shù)在能源區(qū)塊鏈跨鏈交易場景下的可行性，并提出多層次跨鏈協(xié)同監(jiān)管的能源區(qū)塊鏈架構(gòu)，總結(jié)國內(nèi)外能源區(qū)塊鏈跨鏈服務(wù)安全技術(shù)研究所面臨的關(guān)鍵問題，分析出未來可能的研究方向.

作者貢獻聲明：何云華負責論文總體規(guī)劃、指導(dǎo)論文撰寫；羅明順調(diào)研與分析文獻；胡晴整理文獻；吳檳負責圖形制作；王超指導(dǎo)論文撰寫；肖珂負責論文的審核與修訂.