分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法_叶进.pdf
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1、第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 6;修订日期:2 0 2 3-0 3-2 1 基金资助:广西重点研发计划项目(桂科A B 2 1 1 9 6 0 5 9);河北省智能电网配用电技术创新中心开放课题 通讯作者:叶进(1 9 7 0),女,湖南湘潭人,广西大学教授,博士生导师,博士;E-m a
2、i l:y e j i n g x u.e d u.c n。引文格式:叶进,梁家华,康嘉文,等.分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):6 7 4-6 8 2.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 6 7 4分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法叶进*1,2,梁家华1,2,康嘉文3,李晓欢4(1.广西大学 计算机与电子信息学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;2.广西大学 多媒体通信与网络重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 0 4;3.广东工
3、业大学 自动化学院,广东 广州5 1 0 0 0 6;4.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林5 4 1 0 0 4)摘要:为了解决基于区块链的分布式电能交易中存在的共识效率低、资源开销大、交易失效率高等问题,提出了一种面向 分 布 式 电 能 交 易 的 智 简 拜 占 庭 容 错 共 识 算 法(s i m p l i f i e dB y z a n t i n ef a u l tt o l e r a n tc o n s e n s u s,S B F C)。通过引入门限签名机制,共识节点只需和领导节点交互即可达成共识,从而将通信复杂度从O(n2)优化到了O(n),极大地减
4、少了共识所需的通信量。同时设计了一种拜占庭节点过滤机制,通过设置委员会对共识消息进行四阶段的交叉校验,将检测发现的拜占庭节点加入黑名单,阻止其继续参与共识,从而在降低通信量的同时保证了共识的安全性。仿真结果表明,S B F C在大规模分布式电能交易场景下能够显著缩短共识时延。关键词:分布式电能交易;区块链;共识算法;拜占庭容错中图分类号:T P 3 9 1.4 1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 6 7 5-0 9S i m p l i f i e dB y z a n t i n e f a u l t t o l e r a n t c
5、 o n s e n s u sa l g o r i t h mf o rd i s t r i b u t e de n e r g y t r a d i n gY EJ i n*1,2,L I AN GJ i a h u a1,2,KAN GJ i a w e n3,L IX i a o h u a n4(1.S c h o o l o fC o m p u t e r,E l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o n,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i
6、 n a;2.G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fM u l t i m e d i aT r a n s m i s s i o na n dN e t w o r kT e c h n o l o g y,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;3.S c h o o l o fA u t o m a t i o n,G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g
7、 z h o u5 1 0 0 0 6,C h i n a;4.S c h o o l o f I n f o r m a t i o na n dC o mm u n i c a t i o n,G u i l i nU n i v e r s i t yo fE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y,G u i l i n5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t oa d d r e s st h ep r o b l e m ss u c ha sl o wc o n s e n s u
8、se f f i c i e n c y,h i g hr e s o u r c ec o n s u m p t i o n a n d h i g h t r a n s a c t i o n f a i l u r e r a t ei n b l o c k c h a i n-b a s e d d i s t r i b u t e d e n e r g yt r a d i n g,as i m p l i f i e dB y z a n t i n ef a u l tt o l e r a n tc o n s e n s u sa l g o r i t h m(S
9、 B F C)i sp r o p o s e d.B yi n t r o d u c i n gt h r e s h o l ds i g n a t u r em e c h a n i s m,n o d e so n l yn e e d t o i n t e r a c tw i t ht h e l e a d e rn o d e第3期叶进,等:分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法t o r e a c hc o n s e n s u s,t h u s r e d u c i n gc o mm u n i c a t i o nc o m p l e x i t y
10、 f r o mO(n2)t oO(n).A d d i t i o n a l l y,aB y z a n t i n en o d e f i l t e r i n gm e c h a n i s mi sd e s i g n e d t oc r o s s-v a l i d a t e c o n s e n s u sm e s s a g e s t h r o u g hac o mm i t t e e.T h ed e t e c t e dB y z a n t i n en o d e sa r ea d d e di n t ob l a c k l i s
11、tw h i c he n s u r ec o n s e n s u ss e c u r i t y w h i l er e d u c i n gc o mm u n i c a t i o n.S i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tS B F C c a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c ec o n s e n s u s l a t e n c y i nl a r g e-s c a l ed i s t r i b u t e de n e r g yt
12、r a d i n gs c e n a r i o s.K e yw o r d s:d i s t r i b u t e de n e r g yt r a d i n g;b l o c k c h a i n;c o n s e n s u sa l g o r i t h m;B y z a n t i n ef a u l tt o l-e r a n c e0 引言随着电力系统的快速发展,越来越多的分布式能源(d i s t r i b u t e de n e r g yr e s o u r c e,D E R)接入电网1。D E R主要由太阳能光伏阵列和风力发电机组组成,
13、具有间歇性、随机性、波动性等特点,直接并入配电网中会给电网带来冲击,因此,通常采用微电网的方式来组织这些D E R来实现点对点电能传输和区域内电能消耗。这种方式不仅降低D E R对电网的影响,同时还提高了微电网的灵活性和可扩展性2。为了进一步提高微电网中的电能利用率,一种行之有效的方法是建立分布 式电能交易 市场(d i s t r i b u t e de n e r g y t r a d i n gm a r k e t,D E TM)。传统的电力交易市场通常是发电厂与终端购电大用户之间直接进行交易。而在D E TM中,允许任何配备有D E R设备的用户互相协商电量和电价,最后根据协商结
14、果输送电能。实际上,D E TM已经在世界各地进行试点。例如,美国的T e M i x是一个电能交易平台,提供电能交易和分布式管理服务;在德国,P e e rE n e r g yC l o u d是一个基于商业云的虚拟市场,可实现本地电能交易;在英国,P i c l o是一个独立的交易市场,可再生能源、电池和电动汽车可以在平台上自由交易电能。然而,D E TM并没有得到大规模的推广,究其原因是D E TM的建立面临诸多挑战:D E R的数量庞大,而它们之间的电能交易具有额度小、频率高的特点3,对传统的集中式交易中心的运行提出了很大的挑战;市场参与者之间存在信任危机,一些不诚实的参与者通过欺诈
15、手段骗取他人的利益,使得交易的公平性和安全性难以得到保证;交易中心的数据存储非常集中,当受到黑客的攻击时很容易出现单点故障问题,甚至导致信息泄露。区块链本质上是一个新型的分布式的、链式结构的数据库,可以实现共享账本4。由于区块链具有防篡改、可追溯的特性,因此在许多行业都得到了有效应用5,已经有很多学者研究结合区块链来解决能源领域的问题。在文献6 中,区块链被应用于解决P 2 P电能交易市场的单点故障问题,同时保证了双向拍卖在可信交易的环境下的安全运行。文献7 设计了一种双层的分布式P 2 P电能交易平台,其中市场层负责拍卖池的结算,而区块链层利用智能合约为平台提供安全可靠的交易。在文献8 中,
16、提出了一种基于区块链的电能竞价机制和交易结构,并且利用F a b r i cH y p e r l e d g e r框架来实现安全交易和不可篡改的分布式账本。诚然,分布式电能交易中引入区块链后可以解决安全问题,却很少有研究注意到区块链依赖的共识算法也带来了资源开销大、吞吐量少的问题9,难以支持扩展分布式电能交易场景。共识算法的效率已经成为了系统发展的瓶颈之一1 0,因此探寻一种合适大规模分布式电能交易场景的共识算法是使区块链在能源互联网领域广泛应用的关键。1 能源区块链共识算法共识算法是区块链的重要组成部分,它使得区块链网络中的节点无需中心化管理和第三方监管即可协同工作1 1,从而使区块链成
17、为一种自组织的去中心化网络。目前用于分布式电能交易的共识算法可分为2类:挖矿共识算法和通信共识算法。挖矿共识算法中网络节点需要将交易信息按照一定的规则打包成块,这个过程需要花费网络节点576广西大学学报(自然科学版)第4 8卷的计算资源,称为挖矿,同时,进行挖矿的节点被称为矿工。挖矿的过程通常需要矿工消耗大量的计算资源(包括电能)来争夺区块打包的权利,即记账权。在文献1 2 中,基于工作量证明机制(p r o o fo fw o r k,P o W)共识算法构建了一个面向电能生产者和电能消费者的P 2 P交易平台。该平台通过智能合约定义生产者和消费者参与市场交易的规则,实现交易发布、竞价匹配、
18、交易核算等完整的电能交易过程。在文献1 3 中,针对分布式P 2 P电能交易市场中P o W挖矿费用高、能耗大的问题,引入了一种改进的股权证明机制(p r o o fo f s t a k e,P o S)共识算法。与P o W相比,P o S对计算资源的需求相对较小,但仍然是一种无法忽略的浪费。此外,持有高股权的矿工更有可能获得记账权,导致持有低股权的矿工参与挖矿的意愿降低,形成马太效应。在文献1 4 中提出了一种基于信用证明的类P o S共识算法,信誉股权证明(p r o o f o f c r e d i t s t a k e,P o C S)共识算法。通过引入信誉机制,信誉值越高的节
19、点获得记账权的概率越大,从而激励节点诚实参与市场交易。通信共识算法是通过网络通信来实现网络节点之间的共识。在文献1 5 中,提出了一种基于实用拜占庭容错(p r a c t i c a lB y z a n t i n ef a u l t t o l e r a n c e,P B F T)的共识算法,应用于多能源主体交易场景。该算法的共识过程是通过划分多个能源监管主体作为主节点,并且进行轮流切换,实现共识的高鲁棒性,并有效阻止部分多能源主体的恶意行为。P B F T在达成共识的过程中需要大量的广播消息和验证消息,导致通信和计算资源的成本较高,因此达成共识的延迟也较大。在文献1 6 中,采用
20、类P B F T的共识算法设计分层的电能交易框架,通过委员会节点的相互验证来自普通节点的消息来检测拜占庭节点,然后将其加入到市场黑名单中,然而该共识过程需要大量的消息广播,市场价格的确定也需要多次迭代,需要大量的时间成本和计算成本。在文献1 7 中,对现有的应用于电能交易的共识算法进行了对比,其中R a f t共识算法在延迟和吞吐量方面表现优异;然而,它并不能容忍拜占庭错误,因此它只适用于严格授信的分布式网络,而不适用于真实的电能交易市场场景。综上所述,现有的挖矿共识算法虽然容错能力优秀,但是普遍需要消耗大量的计算资源,并且具有非常高的共识延迟。通信共识算法中R a f t算法虽然具有非常低的
21、延迟和计算复杂度;但由于其不可容忍拜占庭错误的特性,因此难以被应用于实际的电能交易场景中。拜占庭容错的典型案例是P B F T算法,该算法需要节点通过大量的网络通信来实现共识,随着网络节点的增多,共识的效率会迅速降低。而且需要强调的是,分布式电能交易通常以周期进行投标,单个周期为1 0m i n1 8,如果在周期内用户的发起的交易请求无法完成共识确认,用户将损失在该周期预期交易所获得的收益。而这个问题在大规模电能交易场景下更为凸显,由于共识算法的低效,高并发场景下部分用户请求无法在交易周期内完成共识,进而使交易失效,导致实际经济效益与理论经济效益差距甚远,使得用户参与的积极性受到打击。2 智简
22、拜占庭容错共识算法2.1 系统框架微电网内部配备了多个D E R设备,内部电能可以自产自销,实现小范围区域内的电能供需平衡,但微电网内部仍存在电能余量溢出或是电能供给不足的情况。为了进一步提高D E R的电能利用率,考虑将多微网连接构成区块链网络,实现电能跨微网交易。D E TM中的交易主体主要由3种角色构成,分别是社区、候选人和领导者,它们都是分布式电能交易的参与者。其中,候选人是从众多社区中选举出的委员会成员,在电能交易过程中,候选人作为监督者参与拜占庭节点过滤流程,通过交叉校验的方式阻止拜占庭节点扰乱共识结果,同时将这些拜占庭节点加入到黑名单中,剔除出本轮共识。而领导者是由委员会成员选举
23、出的唯一一个领导者,在电能交易过程中,作为区块链的核心节点参与完整的共识流程,负责收集共识投票和签名聚合,推进共识的进行。D E TM为日前交易市场,社区需要提前一天预测购电需求或售电需求,并通过分布式应用程序(d i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n,D A P P)在交易市场平台上发布。当售卖双方匹配成功,则会生成交易提案,发送给领导者请求全网共识。领导者随后将交易提案广播给D E TM中的所有社区执行共识算法。共识676第3期叶进,等:分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法成功之后,共识结果将记录在一个新区块内并提交到D E TM区块链当中,同
24、时各个社区将共识结果响应给客户端。配电网系统运营商(d i s t r i b u t e ds y s t e mo p e r a t o r,D S O)会检查新区块的生成,然后根据区块内记录的共识内容(即交易结果)来调度交易双方的D E R进行电能传输。本文提出一种面向分布式电能交易的智简拜占庭容错共识算法(S B F C),算法根据情况不同分为2种阶段:弱共识阶段和拜占庭节点过滤阶段,其算法流程如图1所示。在正常情况下,系统默认执行弱共识流程。弱共识过程中可以利用门限签名的特性聚合签名多个份额形成一个完整的聚合签名,通过验证聚合签名是否正确来检测是否存在参与者作恶。需要注意的是,如果
25、签名份额集合中有大于或等于一个被篡改过的签名份额,那么聚合得到的聚合签名无法通过验证,此时说明当前网络中存在作恶参与者。系统会切换到拜占庭节点过滤流程,通过委员会成员对不同社区提交的消息进行交叉校验,实现对作恶参与者进行检出,并将它们加入到黑名单中。图1 智简拜占庭容错共识算法流程F i g.1 P r o c e s so f s i m p l i f i e dB y z a n t i n e f a u l t t o l e r a n t c o n s e n s u sa l g o r i t h m2.2 弱共识流程P B F T算法中共识过程主要分为请求、预准备、准备、
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