基于分界樹形拓?fù)湫庞霉沧R(shí)的充電網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

鄭紅娟，季振亞，竇真蘭，陳良亮

(1.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇 南京 211106)(2.國(guó)電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211106)(3.南京師范大學(xué)南瑞電氣與自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210046)(4.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200122)(5.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

隨著電動(dòng)汽車的滲透與國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施，充電網(wǎng)絡(luò)日趨智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化[1-2]。大量分散或集中的充電樁分布于無人值守的充電站點(diǎn)，存在接口自燃或人為損壞、軟硬件故障或被入侵、充電車位占用等安全管理難題。若僅依靠定期被動(dòng)檢查的傳統(tǒng)方式，管理成本大、檢測(cè)設(shè)備投入高、數(shù)據(jù)更新效率低，各項(xiàng)安全隱患難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，既影響設(shè)施運(yùn)營(yíng)，也為用戶帶來隱患。

近年來，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的快速發(fā)展，去中心化形式下的信息可信機(jī)制在各領(lǐng)域獲得廣泛研究[3]。文獻(xiàn)[4]提出了充電數(shù)據(jù)的認(rèn)證加密算法，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于閃電網(wǎng)絡(luò)的充電調(diào)度加密模式。盡管上述研究側(cè)重于充電交易數(shù)據(jù)，尚未引入安全風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，但表明電動(dòng)汽車與充電樁能夠組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行可信廣播。

引入去中心化架構(gòu)解決電動(dòng)汽車充電安全的相關(guān)問題時(shí)，日益增多的節(jié)點(diǎn)數(shù)量將不可避免地造成龐大的通信開銷，復(fù)雜通信和低速共識(shí)帶來的時(shí)延將影響風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的即時(shí)性。針對(duì)這類問題，文獻(xiàn)[6]提出了利用樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將全網(wǎng)范圍共識(shí)改進(jìn)為子網(wǎng)范圍共識(shí)，文獻(xiàn)[7]比較了自下而上的共識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)效率的有益影響，并分別設(shè)計(jì)了符合場(chǎng)景的信用值模型。但相關(guān)研究未給出面向減少通信復(fù)雜度的層數(shù)定量方案，且當(dāng)用于充電網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電動(dòng)汽車在各輪共識(shí)達(dá)成之后還會(huì)繼續(xù)流動(dòng)接入不同的充電樁，固定拓?fù)涿媾R數(shù)量和拓?fù)涞母?，有效性較差。

針對(duì)上述問題，本文提出了基于分界樹形拓?fù)湫庞霉沧R(shí)的充電設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)識(shí)別方法，利用P2P網(wǎng)絡(luò)由電動(dòng)汽車用戶主動(dòng)識(shí)別并廣播充電設(shè)施的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，通過信用共識(shí)機(jī)制保障信息可靠性，并針對(duì)傳統(tǒng)共識(shí)機(jī)制效率的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)分界樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲巫韵露虾?jiǎn)化的共識(shí)協(xié)議，不同節(jié)點(diǎn)規(guī)模的仿真驗(yàn)證了所提方法能夠降低通信復(fù)雜度，有效控制了共識(shí)所需的時(shí)延。

1 樹形拓?fù)浞纸缌炕謱釉瓌t

充電網(wǎng)絡(luò)中，電動(dòng)汽車、充電樁和充電網(wǎng)絡(luò)邊緣管理中心自下向上連接，層次關(guān)系及其組成的P2P網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同于常見的樹形拓?fù)洌潆娋W(wǎng)絡(luò)分為電動(dòng)汽車層和充電樁層，且各層節(jié)點(diǎn)功能不同，因此電動(dòng)汽車層的節(jié)點(diǎn)與充電樁層的節(jié)點(diǎn)應(yīng)明確固定的分界并分開建立各自的樹形結(jié)構(gòu)。此外，在固有交通屬性下，電動(dòng)汽車往往在多臺(tái)充電樁中流動(dòng)。令E和M分別表示電動(dòng)汽車的數(shù)量和充電樁的數(shù)量，則一個(gè)電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)e(e∈E)能夠共享多個(gè)充電樁節(jié)點(diǎn)m(m∈M)的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)信息，這一點(diǎn)也不同于常見的樹形拓?fù)洹?/p>

圖1 充電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分界樹形拓?fù)潢P(guān)系示意

當(dāng)各節(jié)點(diǎn)組成P2P網(wǎng)絡(luò)時(shí)，共識(shí)機(jī)制能保障各節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致，如實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(PBFT)、工作量證明(PoW)等，但各有性能瓶頸，需合理選擇和改進(jìn)。對(duì)于充電安全風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)識(shí)別這一應(yīng)用場(chǎng)景，因電動(dòng)汽車用戶發(fā)起請(qǐng)求的時(shí)刻往往不同步，且各節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力有限，對(duì)設(shè)備處理要求能力較高的PoW類機(jī)制不夠適用。而廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)的PBFT類機(jī)制作為輕量級(jí)共識(shí)協(xié)議，具有計(jì)算復(fù)雜度低、能耗小等優(yōu)勢(shì)，更適用于本場(chǎng)景。

評(píng)估共識(shí)協(xié)議性能的重要指標(biāo)之一為通信復(fù)雜度，其直接影響能耗和時(shí)延。對(duì)一個(gè)邊緣管理中心所轄的M臺(tái)充電設(shè)施和E輛電動(dòng)汽車，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為Z=E+M+1。若采用傳統(tǒng)單層PBFT協(xié)議，所有節(jié)點(diǎn)之間均執(zhí)行請(qǐng)求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、確認(rèn)和回復(fù)等階段的信息推送，如圖2所示，共形成2Z2條信息，即通信復(fù)雜度為O[(E+M+1)2]。如文獻(xiàn)[8]所述，受通信復(fù)雜度制約，基于PBFT的區(qū)塊鏈直接用于百個(gè)節(jié)點(diǎn)的規(guī)模時(shí)效果較差。

具體到充電網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)邊緣管理中心下轄節(jié)點(diǎn)實(shí)際已遠(yuǎn)超百個(gè)，在全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)，難以運(yùn)行圖2中完整的經(jīng)典PBFT協(xié)議。此時(shí)，通過將全網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)任務(wù)分解到若干個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)，再通過一定規(guī)則確定圖1結(jié)構(gòu)中的分支層數(shù)和分支網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，有助于減少PBFT類協(xié)議的通信復(fù)雜度。

圖2 經(jīng)典PBFT協(xié)議的通信過程

各分支網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成滿k叉樹結(jié)構(gòu)時(shí)最緊湊[9]，其中，k為除底層節(jié)點(diǎn)外各節(jié)點(diǎn)具有的子節(jié)點(diǎn)數(shù)量。對(duì)充電樁節(jié)點(diǎn)m，在第t輪共識(shí)中能共享其安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)數(shù)量已知且一定，記為E(m,t)，則其所轄所有的電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)可被分為X(m,t)層：

X(m,t)=?logk-1[2E(m,t)+1]」-1

(1)

類似地，對(duì)充電樁層，充電樁總數(shù)量M保持不變，其分支網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)Y為

Y=?logk-1(2M+1)」-1

(2)

2 綜合信用獎(jiǎng)懲模型

根據(jù)PBFT協(xié)議要求，樹形拓?fù)涞母鞣种ЬW(wǎng)絡(luò)均需要選舉領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。當(dāng)就充電樁安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)起共識(shí)時(shí)，不僅面臨是否有用戶參與和響應(yīng)該輪共識(shí)的挑戰(zhàn)，還面臨用戶共享的信息是否正確可信的問題。用戶可能因?yàn)殡妱?dòng)汽車自身充電失敗的客觀故障，或是錯(cuò)誤觀察、主觀故意等原因，在網(wǎng)絡(luò)中散布關(guān)于某充電樁狀態(tài)的不正確信息。針對(duì)可能的不可信行為，設(shè)計(jì)一種用于量化節(jié)點(diǎn)信用的獎(jiǎng)懲模型，使各分支網(wǎng)絡(luò)可以在信用值較高的節(jié)點(diǎn)中選舉領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。

首先，針對(duì)節(jié)點(diǎn)e是否響應(yīng)充電樁m安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的請(qǐng)求，記活躍度A(e,m,t)為

A(e,m,t)=N(e,m,t)/∑e∈EN(e,m,t)

(3)

式中：N(e,m,t)為第t輪共識(shí)中節(jié)點(diǎn)e是否提供充電設(shè)施m安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)信息的二元變量，N(e,m,t)=1時(shí)表示提供，N(e,m,t)=0時(shí)未提供。

其次，建立節(jié)點(diǎn)e關(guān)于充電樁m安全風(fēng)險(xiǎn)信息的可信度R(e,m,t)。若第(t-1)輪中節(jié)點(diǎn)e關(guān)于充電樁m安全風(fēng)險(xiǎn)信息可信，其可信度由以下函數(shù)更新[6]

R(e,m,t)=R(e,m,t-1)+a|log2R(e,m,t-1)|

(4)

式中：a為信用獎(jiǎng)勵(lì)參數(shù)。

反之，若第(t-1)輪中節(jié)點(diǎn)e不可信，其可信度更新為

R(e,m,t)=bR(e,m,t-1)

(5)

式中：b為信用懲罰參數(shù)。

式(4)和(5)分別以對(duì)數(shù)公式和線性公式控制可信度的增長(zhǎng)或下降速率，且隨著共識(shí)輪數(shù)的不斷增加，歷史信用的累積影響逐漸降低。

再次，P2P網(wǎng)絡(luò)的信息傳播受傳輸、數(shù)據(jù)確認(rèn)等影響，節(jié)點(diǎn)e在充電樁m相關(guān)P2P網(wǎng)絡(luò)中的信息傳播率η(e,m,t)可擬合為[10]

η(e,m,t)=e-[τ/c∑e∈EN(e,m,t)+dτ]

(6)

式中：τ為安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)吞吐量；c,d分別為傳輸和確認(rèn)屬性的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

以表示服務(wù)質(zhì)量滿意度的S型函數(shù)[11]表征第t輪共識(shí)中用戶節(jié)點(diǎn)e關(guān)于充電設(shè)施m的綜合信用C(e,m,t)為

(7)

式中：δ1,δ2,δ3分別為活躍度、可信度和傳播率的折算系數(shù)。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)e能夠提供更活躍、更高質(zhì)量、更穩(wěn)定傳播的充電樁m安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)信息時(shí)，其C(e,m,t)越高，越有可能成為共識(shí)過程中的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。

3 共識(shí)協(xié)議過程及其通信復(fù)雜度分析

以PBFT類協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合圖1的分界樹形拓?fù)洌鶕?jù)樹形拓?fù)淇梢詢H在底層分支網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行完整PBFT協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，以第t輪共識(shí)為例，部署過程如下，如圖3所示。

圖3 面向分界樹形拓?fù)涞母倪M(jìn)PBFT協(xié)議過程

步驟1：全局廣播。充電網(wǎng)絡(luò)邊緣管理中心向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，請(qǐng)求各節(jié)點(diǎn)執(zhí)行充電樁安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的主動(dòng)評(píng)估。

步驟2：劃分電動(dòng)汽車層分支網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)式(2)確定X(m,t)，各充電樁節(jié)點(diǎn)m所轄的電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)形成分支網(wǎng)絡(luò)G(x,m,t)，其中x∈X(m,t)。

步驟3：選舉電動(dòng)汽車層分支網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。PBFT類協(xié)議一般根據(jù)一定指標(biāo)選擇領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，這里選取各G(x,m,t)中綜合信用較高C(e,m,t)的一組節(jié)點(diǎn)作為候選節(jié)點(diǎn)集，并從中隨機(jī)選舉出領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)L(x,m,t)。

步驟4：電動(dòng)汽車層分支網(wǎng)絡(luò)并行獲得局部共識(shí)。各G(x,m,t)完整運(yùn)行圖2的經(jīng)典PBFT協(xié)議，且其中將第x層的共識(shí)插入第(x-1)層的預(yù)準(zhǔn)備和回復(fù)階段，各L(x,m,t)確認(rèn)充電樁m的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)后，信息待用。

步驟5：劃分充電樁層分支網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)式(3)確定Y，在第t輪中各G(x,m,t)內(nèi)電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)e重合度更高的各充電樁節(jié)點(diǎn)m形成分支網(wǎng)絡(luò)G(y,t)，其中y∈Y。

步驟6：選舉充電樁層分支網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)。各G(y,t)以電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)e提供信息最多，即N(e,m,t)最大的充電樁m作為該分支網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)L(y,t)。

步驟7：充電樁層分支網(wǎng)絡(luò)獲得局部共識(shí)。各G(y,t)接收來自下層L(x,m,t)的信息，并執(zhí)行類似步驟4的PBFT協(xié)議。

步驟8：第t輪共識(shí)結(jié)束，充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的邊緣管理中心作為最高層，接收最終共識(shí)確認(rèn)的各充電樁安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，且在全網(wǎng)中廣播更新第t輪后各節(jié)點(diǎn)e的綜合信用。

上述步驟中，該分界樹形拓?fù)湟宰韵孪蛏系捻樞蛞来伍_展局部共識(shí)。該過程不僅充分結(jié)合了傳統(tǒng)樹形拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)和充電設(shè)施網(wǎng)絡(luò)自然分界的特點(diǎn)，還發(fā)掘了同一電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)能夠并行參與多個(gè)共識(shí)過程的能力，從而能夠顯著降低通信復(fù)雜度。所提方法所需通信復(fù)雜度的理論測(cè)算如下。

對(duì)在同一分界內(nèi)的樹形拓?fù)?，底層子網(wǎng)絡(luò)具有k個(gè)節(jié)點(diǎn)且執(zhí)行完整的PBFT協(xié)議時(shí)，類似圖1，形成2k2條信息；其他較高節(jié)點(diǎn)層執(zhí)行簡(jiǎn)化PBFT協(xié)議時(shí)，可省去(k-1)2條準(zhǔn)備階段信息，如圖3所示。因此，樹型拓?fù)涞男畔l數(shù)降低至2k2-(k-1)2=k2+2k-1?？紤]到充電網(wǎng)絡(luò)中具有兩層分界的樹形拓?fù)?，總通信?fù)雜度主要由步驟4電動(dòng)汽車層和步驟7充電樁層共同決定。

(8)

(9)

nmax(t)=(kXmax(m,t)-1)/(k-1)

(10)

式中Xmax(m,t)由式(1)決定。

在充電樁層，總消息條數(shù)NM為

NM=i0·2k2+(i-i0)(k2+2k-1)

(11)

式中：i0為充電樁層中最底層分支網(wǎng)絡(luò)數(shù)量；i為充電樁層總分支網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量。i0，i和由式(2)決定的Y之間滿足

i0=kY-1

(12)

i=(kY-1)/(k-1)

(13)

綜上可得，直接影響共識(shí)效率的總消息條數(shù)為Nmax(t)+NM。相比充電網(wǎng)絡(luò)全部節(jié)點(diǎn)直接執(zhí)行PBFT協(xié)議的通信復(fù)雜度O[(E+M+1)2]，所提方法通信復(fù)雜度近似降至O[k(E+M+1)]的數(shù)量級(jí)，理論上能夠極大提高效率。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真設(shè)置

按我國(guó)車樁比約3∶1現(xiàn)狀，初始設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)量E=300，M=100，并等比例遞增。式(6)中數(shù)據(jù)吞吐量τ的初值設(shè)置為1 000 byt/s。

針對(duì)電動(dòng)汽車的流動(dòng)性，假定E個(gè)電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)中，能參與關(guān)于第m個(gè)充電樁安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)共識(shí)的數(shù)量N(15，22)的規(guī)律分布。因PBFT類協(xié)議必須包含至少3個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以k取4，超出k整數(shù)倍的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)并入某分支網(wǎng)絡(luò)，且設(shè)置各充電樁m的安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)均至少有3個(gè)電動(dòng)汽車節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。

設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的初始?xì)v史信用值相等，每輪共識(shí)中各節(jié)點(diǎn)以N(0.1，0.052)正態(tài)分布規(guī)律隨機(jī)出現(xiàn)不可信行為。式(4)～式(7)中，a，b，c，d，δ1，δ2，δ3分別取0.050，0.500，0.005，0.001，1.000，10.000，0.100。信用值排序在各組前10%的可成為步驟3中領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的候選節(jié)點(diǎn)集。

本文利用Anaconda平臺(tái)進(jìn)行仿真分析，硬件環(huán)境為Intel i7 1.10 GHz、RAM 16 GB。

4.2 性能分析

比較所提協(xié)議與經(jīng)典PBFT的時(shí)延，取t=10輪觀察，如圖4所示。充電網(wǎng)絡(luò)中總節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，兩種協(xié)議達(dá)成共識(shí)的時(shí)延接近，但隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增長(zhǎng)，經(jīng)典PBFT的時(shí)延增長(zhǎng)極快，而所提分界樹形拓?fù)湎?，時(shí)延的增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。與此同時(shí)，當(dāng)吞吐量從1 000 byt/s逐步增加，經(jīng)典PBFT協(xié)議下的時(shí)延也出現(xiàn)了顯著增長(zhǎng)，所提方法對(duì)應(yīng)的時(shí)延增長(zhǎng)也更緩慢。這表明受益于共識(shí)過程的分層和并行，達(dá)成一輪共識(shí)所需的通信開銷顯著減小，能夠在保障PBFT類協(xié)議所需的核心步驟下，提高在節(jié)點(diǎn)數(shù)量和事務(wù)吞吐量方面的可擴(kuò)展性。

圖4 不同節(jié)點(diǎn)規(guī)模和數(shù)據(jù)吞吐量下的時(shí)延對(duì)比

圖5進(jìn)一步展示了時(shí)延在不同共識(shí)輪數(shù)下的變化情況，取E=900、M=300的節(jié)點(diǎn)規(guī)模和3 000 byt/s的吞吐量觀察。經(jīng)典PBFT的時(shí)延效果一直較為穩(wěn)定，但總體上，獲得共識(shí)所需的時(shí)延較長(zhǎng)。與之相比，所提協(xié)議能夠隨著輪數(shù)的增加，時(shí)延逐漸減少并趨于穩(wěn)定。從時(shí)序角度來看，這是由于綜合信用獎(jiǎng)懲模型的作用，約束了不可信行為較多的節(jié)點(diǎn)在共識(shí)中的參與程度。

圖5 不同輪數(shù)中獲得共識(shí)的時(shí)延變化

由圖可知，盡管共識(shí)輪數(shù)、吞吐量和總節(jié)點(diǎn)數(shù)不斷變化，所提協(xié)議和經(jīng)典PBFT均能夠取得共識(shí)，即協(xié)議的安全性能效果一致，所提方法并未影響不同規(guī)模安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)下主動(dòng)共識(shí)的達(dá)成。

5 結(jié)束語

為提高充電網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的主動(dòng)性，引入去中心化P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了由電動(dòng)汽車用戶識(shí)別并共享充電樁安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的新機(jī)制，針對(duì)傳統(tǒng)PBFT協(xié)議面臨高通信復(fù)雜度和確定領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的挑戰(zhàn)，提出利用分界樹形拓?fù)淞炕种ЬW(wǎng)絡(luò)層數(shù)，并設(shè)計(jì)綜合信用共識(shí)模型選舉分支網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)導(dǎo)節(jié)點(diǎn)，再以自下而上的共識(shí)順序簡(jiǎn)化協(xié)議過程。仿真分析結(jié)果表明，所提方法能夠在電動(dòng)汽車和充電樁數(shù)量、安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)信息吞吐量不斷擴(kuò)展的場(chǎng)景下，保持良好的時(shí)延性能。