區(qū)塊鏈技術(shù)及其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用及挑戰(zhàn)

鄭彬 曹開拓 孫勇 林菲 俞紅權(quán)

[摘? ? 要] 區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N多重技術(shù)融合的分布式賬本技術(shù)，近年來受到廣泛的關(guān)注。其去中心化、安全、匿名、數(shù)據(jù)不可篡改等特點能有效地解決能源領(lǐng)域各主體間信用缺失的問題。介紹區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)。首先介紹了區(qū)塊鏈的整體框架、分析了區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域;隨后對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用進行研究;最后分析了能源區(qū)塊鏈面臨的挑戰(zhàn)，對能源區(qū)塊鏈的發(fā)展進行了總結(jié)與展望。

[關(guān)鍵詞] 區(qū)塊鏈;分布式系統(tǒng);能源區(qū)塊鏈;比特幣

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 15. 074

[中圖分類號] TP399? ? [文獻標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）15- 0168- 03

0? ? ? 引? ? 言

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N以密碼學(xué)、P2P網(wǎng)絡(luò)、分布式等多重技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)去中心化的分布式存儲架構(gòu)。區(qū)塊鏈技術(shù)起源于2008年中本聰在比特幣論壇中發(fā)表的一篇論文[1]，在該論文中，中本聰提出了一種數(shù)字貨幣——比特幣，比特幣的獨特之處在于它是一款完全去中心化的數(shù)字加密貨幣，作為其底層技術(shù)的區(qū)塊鏈?zhǔn)艿搅藰O大的關(guān)注并由此獲得了發(fā)展。

傳統(tǒng)交易由于交易雙方的不信任，可信第三方顯得尤為重要。但可信第三方的存在，也導(dǎo)致交易支出提高、交易速度變慢、個人信息容易遭到泄露。區(qū)塊鏈運用密碼學(xué)原理而不依靠可信第三方，能實現(xiàn)互不信任的雙方安全的交易。能源互聯(lián)網(wǎng)參與方眾多，形式復(fù)雜，中心化嚴(yán)重，過去人們?yōu)槿绾螌崿F(xiàn)能源的分布式交易提供了多種方法，但都有其自身的弊端。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展為解決能源的中心化問題提供了一種新的思路，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、分布式存儲賬本的特點，解決能源互聯(lián)網(wǎng)中價值的交換。

文章的組織結(jié)構(gòu)為：第1節(jié)從區(qū)塊鏈整體框架、關(guān)鍵技術(shù)研究、應(yīng)用領(lǐng)域進行系統(tǒng)概述。第2節(jié)介紹區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的應(yīng)用。第3節(jié)總結(jié)了區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的不足及未來發(fā)展趨勢。第4節(jié)總結(jié)本文內(nèi)容。

1? ? ? 區(qū)塊鏈概述

1.1? ?整體框架

區(qū)塊鏈由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、共識層和應(yīng)用層四層構(gòu)成。

1.2? ?關(guān)鍵技術(shù)研究

1.2.1? ?區(qū)塊+鏈

區(qū)塊鏈中每個區(qū)塊記錄了一定時間內(nèi)的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成。區(qū)塊體是該時間段內(nèi)所有交易的集合。區(qū)塊頭包含上一區(qū)塊哈希、當(dāng)前區(qū)塊哈希、時間戳、Merkle根等信息。由于每個區(qū)塊都記錄了前一區(qū)塊的哈希值，因此區(qū)塊就像一條鏈連接在一起。用戶可以根據(jù)前一區(qū)塊哈希，順藤摸瓜獲取到該區(qū)塊之前的所有區(qū)塊鏈信息。

1.2.2? ?密碼學(xué)

區(qū)塊鏈中依靠可信的密碼學(xué)而不是第三方中介，可以與互不信任的節(jié)點進行P2P的價值交換。區(qū)塊鏈中使用非對稱加密算法進行加解密。非對稱加密算法為用戶分配一對匹配的公私鑰，用公鑰加密后只有匹配的私鑰才能解密;同理，私鑰加密信息只有公鑰才能解密。

1.2.3? ?共識機制

共識機制是為達到分布式賬本的一致性而設(shè)計的，共識機制一般分為強一致性共識和最終一致性共識。強一致性共識包括不考慮拜占庭容錯算法的Paxos、Raft以及考慮拜占庭容錯的PBFT。最終一致性的算法目前有POW、POS、DPOS等。不考慮拜占庭容錯算法性能較高，但是容錯性較差，中心化程度較高，適用于聯(lián)盟鏈和私有鏈;而POW、POS等共識算法的容錯性較好，中心化程度弱，但是性能也較弱。

1.2.4? ?智能合約

應(yīng)用層包含了智能合約以及應(yīng)用在各領(lǐng)域的可編程應(yīng)用，合約一旦在區(qū)塊鏈中部署成功，可以自動觸發(fā)、自動執(zhí)行、自動結(jié)算。

區(qū)塊鏈時代經(jīng)歷了從1.0到3.0的跨越。區(qū)塊鏈1.0是以比特幣為代表的數(shù)字貨幣的應(yīng)用。區(qū)塊鏈2.0是以以太坊[2]為代表的可編程區(qū)塊鏈，是數(shù)字貨幣和智能合約相結(jié)合，對金融領(lǐng)域更廣泛的場景和流程進行優(yōu)化。區(qū)塊鏈3.0時代是將區(qū)塊鏈的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到金融行業(yè)之外，涵蓋社會的各個方面，能滿足復(fù)雜的商業(yè)模型。

1.3? ?區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景

根據(jù)區(qū)塊鏈的去中心化、公開透明、安全加密、時間戳、不可篡改的分布式賬本等特點，可在社會多個領(lǐng)域中找到合適的應(yīng)用場景。

金融領(lǐng)域：在金融領(lǐng)域應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，可實現(xiàn)去中介的P2P交易。P2P金融借貸可以避免”中介”的資金池積累、龐氏騙局;跨境支付、外匯結(jié)算可以進行實時高效率的清算;區(qū)塊鏈在基金信托、各大交易所、保險、眾籌乃至共享、租房等領(lǐng)域都能實現(xiàn)商業(yè)的變革。

防偽溯源：給每個商品賦予唯一的電子標(biāo)簽，商品每經(jīng)過一次加工、運輸，都會在區(qū)塊鏈中記錄。用戶可以通過唯一的識別碼獲取商品的全部信息，防止假冒產(chǎn)品的出現(xiàn)，增加了商品及供應(yīng)鏈的透明度。

數(shù)據(jù)存儲：區(qū)塊鏈底層數(shù)據(jù)存儲模式為分布式，可靠的安全性可以保障數(shù)據(jù)的安全不被篡改。與身份驗證結(jié)合，可以應(yīng)用在電子病歷、電子合同、保險庫等領(lǐng)域中。

2? ? ? 區(qū)塊鏈在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

本節(jié)將對區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域的信息安全、能源交易的研究現(xiàn)狀進行詳細的分析與總結(jié)。

2.1? ?信息安全

2.1.1? ?身份認證方向

能源區(qū)塊鏈需要接受政府及有關(guān)組織的監(jiān)管，需要對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點實施準(zhǔn)入機制，可以在線下對準(zhǔn)入人信息核實，允以注冊能源區(qū)塊鏈。也可由聯(lián)盟機構(gòu)CA簽發(fā)證書，對能源區(qū)塊鏈節(jié)點進行身份識別。

2.1.2? ?訪問控制

能源互聯(lián)網(wǎng)中主體關(guān)系復(fù)雜，參與方眾多，應(yīng)對參與方進行權(quán)限控制，保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)的隱私安全。區(qū)塊鏈按應(yīng)用模式可分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈，各模式都有其相應(yīng)的權(quán)限控制。例如，在聯(lián)盟鏈Hyperledger中[3]，允許每個節(jié)點加入多個chaincode，每個chaincode也能被多個節(jié)點加入，各個chaincode之間相互獨立，分開管理。

2.2? ?能源交易

與傳統(tǒng)能源相比，當(dāng)步入工業(yè)化4.0時代，能源互聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，將形成機器對機器的交易市場，通過化學(xué)燃料的燃燒模擬發(fā)電過程，產(chǎn)電商和電力消費者在區(qū)塊鏈?zhǔn)袌鲋谐晒灰?，證實了這一觀點。美國LO3公司率先搭建了能源微電網(wǎng)交易項目，在該項目中，用戶可以將太陽能產(chǎn)生的多余電力通過基于區(qū)塊鏈的能源市場出售給鄰居以獲取酬勞。

基于此，2016年Davor教授提出通過多重簽名、區(qū)塊鏈、匿名信息流來保護分散的能源交易。通過這種方式，解決了在不依賴可信第三方的情況下，在分散的智能電網(wǎng)交易中提供交易安全的問題。Khaqqi等學(xué)者提出了將買賣雙方的信譽納入?yún)^(qū)塊鏈中，從而解決了在排放交易計劃（ETS）中難以達成的長期減排的目標(biāo)，通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)來解決ETS的管理和欺詐問題，并通過新的方法能提高ETS的效率。也有學(xué)者在區(qū)塊鏈能源交易中創(chuàng)新的加入聲譽系統(tǒng)，該聲譽系統(tǒng)引入了信用銀行，用戶可以先消費后還款，大大提升了能源交易的性能。

3? ? ? 研究挑戰(zhàn)與展望

區(qū)塊鏈被譽為繼蒸汽機、電力、信息和互聯(lián)網(wǎng)科技之后，目前最具潛力觸發(fā)第五輪顛覆性革命浪潮的技術(shù)，但區(qū)塊鏈技術(shù)的不足也不容忽視。

3.1? ?資源損耗

目前大部分?jǐn)?shù)字貨幣使用的是POW共識，依靠算力公平競爭，但POW共識帶來的各種資源的浪費已經(jīng)不容忽視。僅電力而言，全球比特幣挖礦年耗電量比例已經(jīng)超過全球159個國家，并且這一比例還在增加。目前，相關(guān)研究者提出了POS、DPOS、PBFT等多種共識方案，但如何在”低能耗”、”安全”、”去中心”不可能三角中找到合適的平衡點，仍需學(xué)者繼續(xù)探索。

3.2? ?交易速度

區(qū)塊鏈?zhǔn)芄沧R、廣播速度、網(wǎng)絡(luò)速度、區(qū)塊大小等多方面影響，交易速度并不理想。比特幣交易速度僅為6～7筆每秒，以太坊由于區(qū)塊gas限制，也容易發(fā)生擁堵。目前，有研究者擬在共識方面進行突破，由Linux基金會發(fā)起的用于商業(yè)區(qū)塊鏈項目Hyperledger[3]，采用PBFT共識算法，理論交易速度能達到1000次每秒;采用DPOS共識算法的EOS聲稱其交易速度能達到每秒百萬級。也有學(xué)者對區(qū)塊鏈底層結(jié)構(gòu)提出了有向無環(huán)圖的方式，讓區(qū)塊鏈交易由同步變成異步，從而提高區(qū)塊鏈交易速度。

3.3? ?存儲性能

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€只增不刪的全節(jié)點數(shù)據(jù)庫，據(jù)BitInfoCharts數(shù)據(jù)顯示，比特幣當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫容量超過202 GB，以太坊的數(shù)據(jù)庫也超過667 GB。如此大的數(shù)據(jù)存儲量無疑提高了使用者的門檻。如何提高區(qū)塊鏈的存儲性能或者應(yīng)用低存儲框架也已成為研究的重點。

3.4? ?安全問題

盡管POW共識算法需要達到全網(wǎng)51%的算力才有可能對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)動攻擊，但現(xiàn)在算力逐漸向頂部的礦池聚集，一旦前幾大礦池聯(lián)合起來發(fā)動51%算力攻擊，比特幣的安全網(wǎng)絡(luò)將瞬間坍塌。

4? ? ? 研究展望與總結(jié)

區(qū)塊鏈具有信息透明、去中心化、去信任、可追溯、信息不可篡改等特點，與能源領(lǐng)域有很高的契合度。但如何實現(xiàn)能源區(qū)塊鏈的高并發(fā)、低延遲、低存儲、低功耗、低費率將是接下來的研究熱點;能源區(qū)塊鏈中信息安全、能源交易等也仍需深入研究。

主要參考文獻

[1]Nakamoto S.Bitcoin：A Peer-to-Peer Electronic Cash System[R].2008.

[2]Lin F，Qiang M . The Challenges of Existence， Status and Value for Improving Blockchain[J]. IEEE Access，2018（7）：7747-7758.

[3]Androulaki E，Barger A， Bortnikov V，et al. Hyperledger Fabric： A Distributed Operating System for Permissioned Blockchains[C]//Porto：EuroSys18，2018.