【区块链应用】-“面向分布式电力交易的区块链算法应用研究综述”

这一期论文分享，阅读原文知网提高下载率。

摘要：当下分布式电力交易呈现出中心化网络风险验证和市场竞争过小等问题。区块链技术去中心化、防篡改及分布式存储等特点与分布式电力交易中存在的问题高度契合，将区块链技术应用于分布式电力交易中受到广泛关注。文章从安全防护类算法、数据同步类算法及共识类算法3个方面梳理了区块链相关算法，将其结合分布式电力交易的部分适用场景展开分析，总结现有区块链核心算法在分布式电力交易中优缺点。最后，对区块链技术现在存在的问题及各类算法在未来分布式电力交易的适用性进行分析，通过对3类算法分析综述，从安全、共享、共识3个方面提高分布式交易的交易速率和可靠性，为未来区块链核心算法在分布式电力交易领域的应用提供研究思路。

（1）安全防护类算法

对比Aurora算法、zk-SNARKs算法和国密算法，虽然都属于安全防护类算法，但其针对不同的区块链架构层应用，在区块链Aurora算法对应于区块链数据层的数据节点安全防护，防止恶意节点攻击，保证交易上链安全；zk-SNARKs算法对应的是区块链的合约层安全防护，可以解决分布式电力交易中买卖双方的合约制定的安全性问题；国密算法对应于区块链的加密层，相应的SM2、SM3、SM4、SM9可替代目前主流的国际加密算法，解决分布式电力交易中数据上链存储时的安全隐私问题。

随着分布式能源的发展，无需监管的分布式P2P电力交易将成为可能，交易中的隐私安全问题也将更加关注。上述分析的3类算法对于解决分布式电力交易隐私安全具有一定的优势，有望在之后的研究中将其应用实际落地。

（2）数据同步类算法

网络传播类算法比较情况如表2所示，将3类算法进行比较发现，3类算法仅适用于部分小规模交易网络中，且在区块链分布式交易网络中使用大多都仅用于区块链网络，而在能源电力领域，首要考虑的是资源耗费问题，相较之下，前2种算法更适用于在分布式电力交易场景中使用。3种算法都可用作数据同步场景，以及对消息扩散时产生的重复信息进行丢弃，防止数据冗余。洪泛路由算法实现相对较简单，适用于实时性要求高的场合和小规模交易市场；DD路由算法由于三阶段的传输，更适用于远期交易市场；Gossip算法在实时性、实现上处于三者中的适中状态，所以在对该类算法的应用上已有专家结合分布式电力交易做了相关研究。

3种算法应用于分布式电力交易中的研究均属于初步阶段，更多功能和效果实现还需进一步分析研究。

（3）共识类算法

共识算法是在分布式节点之间达成一致的信任化方法，也是区块链共识层的关键算法，目的是实现网络中不互信节点间的可信性。但如今区块链技术在电力交易应用时采用的共识算法存在各种问题，如成本过高、恶意攻击、共识过程过长和耗能大等。因此本文结合每种共识算法的特点给出了在分布式电力交易适用场景。根据区块链部署类型不同，把区块链共识算法大致可以分为3类：证明类(proof of X，PoX)共识算法、拜占庭故障类共识算法、失效-停止失效类算法。

区块链技术应用在分布式电力交易场景下，根据不同场景的需求不同，设计目标不同，不同的交易场景采用不同的共识算法。一般来说，对于私有链和联盟链，主评价对一致性和正确性有很强的要求。一般来说，应该使用强一致性的共识算法。然而，在公共链情况下，通常不可能达到100%的一致性和正确性，通常采用最终一致性的共识算法。

常见共识算法性能比较如表4所示，综合分析后结合分布式电力交易，在可信环境下，联盟链可以使用PBFT，证明类共识算法更适用于公有链和一些大规模电力交易场景，最常用的PoW算法，最大的缺点就是计算量大且耗能问题，且容易受到51%攻击，所以对于大规模的电力交易大多会选择用PoS或DPoS代替PoW作共识,也可对相关算法进行结合或改进。根据对手的信任程度，可以自由选择共识机制，对于小规模私密性要求高的场景下，多使用一些私有链特有的共识算法，例如Raft和一些Raft的改进算法。对于安全性能要求高的交易场景应先考虑使用Raft、DPoW和PoM等算法。

三类算法总结：

1）对于区块链技术应用中存在的隐私安全问题， Aurora算法可在安全性能较低的网络中使用，当用能数据上链以后，出现恶意节点，或是出现恶意集团时，该算法可以保证诚实节点退出恶意集团，保证数据安全。但因该算法较新，在应用时无太多实例，还需继续探索。zk-SNARKs算法可在保证在对尽量少的数据交换同时对数据的安全可靠性进行检验，解决智能合约用于电力双方交易时存在的身份真实性问题。而对于国密算法，可保障参与交易的用户身份安全隐私，在未来对3种算法进行深度研究相互结合，或提出其他更适合的算法研究出特定的方法解决女巫攻击、DDoS攻击、Eclipse攻击，以解决区块链在分布式电力交易中的安全性问题。

2）在分布式电力交易的任何一个场景下做分布式存储都需要数据的同步，所以本文提出的数据同步算法在该领域非常受用。Gossip算法用于半分布式场景，在数据同步的同时减少数据堆积冗余。洪泛路由算法用于小规模场景下用户之间的P2P交易用来提高数据同步速率，达到实时交易。DD路由算法对于一些中长期电能市场、容量市场等场景下来增加交易适配性。

3）对于区块链技术本身的共识机制问题，近年来研究较多，在未来应用也应该结合不同场景的需求，选取最合适的共识算法。同时，在对共识机制的研究中发现，对特定的主流共识算法进行改进与一些特定协议结合以及将现有的主流共识算法进行集成运用将会解决一些单共识机制的一些问题，因此这将成为对共识算法在分布式电力交易研究的方向之一。

针对区块链技术目前存在的安全问题、资源耗费问题和政策问题，目前在国内外已有些解决方案如表6所示。