分布式新能源接入下的區(qū)塊鏈共識機制研究
方 響，馬 笛，侯偉宏，孫智卿，楊 翾，劉 劍
（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009）
方響, 馬笛, 侯偉宏等. 分布式新能源接入下的區(qū)塊鏈共識機制研究[J]. 浙江電力, 2019, 38(7):1-6.
0 引言
目前，以光伏為代表的新能源已逐漸取代傳統(tǒng)的集中式煤炭、天然氣發(fā)電，能源生產(chǎn)逐步向可再生能源轉(zhuǎn)型。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會數(shù)據(jù)統(tǒng)計，分布式光伏發(fā)電以70%以上的速度持續(xù)增長，高比例可再生能源將成為未來電網(wǎng)的重要特征，電網(wǎng)系統(tǒng)靈活性將大幅提升，但隨之而來的是對電網(wǎng)網(wǎng)架安全性、可靠性的更高要求，對電網(wǎng)調(diào)度專業(yè)調(diào)控能力、風險控制能力的更高要求。
新能源具有分布分散、潮流可控、產(chǎn)用靈活等特點，這些特點天然與區(qū)塊鏈技術(shù)相契合。通過將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到正在逐步成型的分布式新能源共享服務平臺中，可以有效促進信息與物理系統(tǒng)的進一步融合，實現(xiàn)新能源電力數(shù)據(jù)共享傳輸?shù)亩嘣偷统杀净痆1-2]。區(qū)塊鏈技術(shù)從提出至今已經(jīng)過十余年的優(yōu)化發(fā)展，在加密算法等領(lǐng)域技術(shù)已較為成熟，然而作為區(qū)塊鏈技術(shù)靈魂的共識機制領(lǐng)域，仍在隨著區(qū)塊鏈技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷擴展而推陳出新，選取合適恰當?shù)墓沧R機制算法將從本質(zhì)上影響該鏈的傳輸性能、容錯能力。目前各領(lǐng)域已獲得成熟應用的共識機制包括PBFT（實用拜占庭容錯）機制、POW（工作量證明）機制、POS（股權(quán)證明）機制、DPOS（委托權(quán)益證明）機制、PAXOS（提案選舉）機制、RAFT（領(lǐng)導者選舉）機制等。文獻[3]介紹了比特幣所采用的POW 機制，該機制將大量算力投入到防止惡意攻擊打垮比特幣網(wǎng)絡中，作為一種強一致性共識機制，效率較低。POS 機制、DPOS 機制作為基于POW 的改進型共識機制，在一定程度上減小了POW 的算力浪費和去中心化負面影響，但是仍未形成質(zhì)的飛躍。文獻[4]介紹了PBFT 機制，該機制基于拜占庭容錯技術(shù)，可以有效處理網(wǎng)絡中斷、惡意攻擊等問題，算法復雜度已降為多項式級；文獻[5]介紹了以PAXOS 機制、RAFT機制為代表的在不存在惡意節(jié)點的可信環(huán)境下使用的共識機制，該類機制在算法復雜度、容錯率等性能上有較大優(yōu)勢。
由于以分布式新能源為代表的電力信息數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務存在實時性需求，對所選用區(qū)塊鏈技術(shù)具有較高的傳輸速度要求[6-7]，以比特幣為代表的數(shù)字貨幣領(lǐng)域所使用的共識機制復雜度通常為多項式級甚至指數(shù)級，無法滿足電力領(lǐng)域的要求。PAXOS 和RAFT 等共識機制算法在復雜度等方面可以有效滿足相應要求，但對于區(qū)塊鏈節(jié)點要求滿足拜占庭容錯條件，即鏈中不存在惡意節(jié)點，只有可能存在故障節(jié)點，保證通信過程中避免在不可靠信道上探尋數(shù)據(jù)信息傳遞的一致性[14]。本文對電力信息數(shù)據(jù)傳輸場景滿足拜占庭容錯條件進行了說明，并以RAFT 算法作為本場景下的共識算法[8]，構(gòu)建分布式新能源信息互聯(lián)模式。
1 區(qū)塊鏈技術(shù)原理
1.1 區(qū)塊鏈層次架構(gòu)
區(qū)塊鏈技術(shù)所具有的多方維護特性使得其在各個行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應用，有助于打破信息數(shù)據(jù)壁壘，推動顛覆性業(yè)務整合。區(qū)塊鏈層次架構(gòu)如圖1 所示，主要包含數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、應用層[9]。其中，數(shù)據(jù)層通過加密算法和數(shù)字簽名等手段對數(shù)據(jù)進行處理，以區(qū)塊形式進行數(shù)據(jù)信息存儲。網(wǎng)絡層使區(qū)塊鏈中各個節(jié)點通過網(wǎng)絡通信協(xié)議進行約定，以及對數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼鎸嵭?、合法性進行驗證。共識層基于以POW 機制為代表的共識機制來確保數(shù)據(jù)的正確性和系統(tǒng)的可用性，共識機制的算法決定了該區(qū)塊鏈系統(tǒng)的整體復雜度以及相應的信息傳輸速度。在應用層，基于智能合約的可編程性特點，可以在許多領(lǐng)域及產(chǎn)業(yè)獲得相關(guān)應用，且合約具有的自動判斷特性可以免除第三方的監(jiān)督。
圖1 區(qū)塊鏈層次架構(gòu)
1.2 區(qū)塊鏈鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
區(qū)塊鏈是一串使用密碼學方法相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每一個數(shù)據(jù)塊中都包含一次發(fā)用電的所有相關(guān)信息。該類信息不以交易的原始數(shù)據(jù)形式進行保存，而是利用hash 算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為固定長度的二進制形式的hash 值，并由區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用Merkle 樹對這些信息進行歸納表示。當一次電能轉(zhuǎn)化確實發(fā)生后，區(qū)塊鏈系統(tǒng)還會為其蓋上正確的時間戳，表明該電能量區(qū)塊所屬權(quán)已發(fā)生轉(zhuǎn)移，自動避免重復需求情況的發(fā)生[4，11]。區(qū)塊鏈的該算法流程既可用于驗證其發(fā)用電信息的有效性，同時還可生成下一個區(qū)塊，單個區(qū)塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 分布式新能源區(qū)塊結(jié)構(gòu)
1.3 區(qū)塊鏈共識機制介紹
1.3.1 共識機制概念
區(qū)塊鏈呈現(xiàn)出的諸多特性，如去中心化、集體維護性、智能合約、安全可信等，為分布式能源并網(wǎng)和運維的數(shù)據(jù)互操作和信息安全問題提供了新的解決方案，也使得利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建新型電網(wǎng)運行模式成為可能，使系統(tǒng)中不需要集中的中央存儲，所有節(jié)點都可以部分或全部地備份區(qū)塊鏈中的信息，任意節(jié)點的數(shù)據(jù)丟失都不會影響到系統(tǒng)的正常運行，因此在數(shù)據(jù)存儲上有很強的魯棒性和可靠性。
在共識機制中，所有參與的相關(guān)方均利用信息通信技術(shù)互聯(lián)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)授權(quán)和交互，并且交易中所有的操作、合約均會被記錄和追溯，數(shù)據(jù)將無法被篡改。共識機制可以保證任何分布式新能源相關(guān)方都可以通過注冊機制參與共識，任何信息都會被所有參與者記錄實現(xiàn)公開和透明，以及歷史交易數(shù)據(jù)幾乎無法篡改。
1.3.2 傳統(tǒng)基于證明機制的區(qū)塊鏈共識
以比特幣為代表的數(shù)字貨幣區(qū)塊鏈是一種對全網(wǎng)完全公開，不包含全局地址記錄的鏈式系統(tǒng)，以個體用戶為主體的任意節(jié)點均可在系統(tǒng)中進行記賬及區(qū)塊驗證，可隨時任意加入或退出區(qū)塊鏈系統(tǒng)。系統(tǒng)對用戶節(jié)點的掌握度較弱，無法明確節(jié)點之間的聯(lián)通狀況。
以POW 機制為例，該共識機制為全網(wǎng)節(jié)點提供一個較復雜的計算問題，由全網(wǎng)節(jié)點（礦機）開始同步計算。問題具有難計算、易驗證的特性，當某一節(jié)點完成計算后，將計算結(jié)果與記錄內(nèi)容統(tǒng)一打包為區(qū)塊，傳播給聯(lián)通的所有其他節(jié)點（礦機）進行正確性驗證，驗證通過后接受該區(qū)塊[12-13]。
1.3.3 拜占庭容錯
拜占庭容錯是以區(qū)塊鏈為代表的分布式領(lǐng)域的經(jīng)典容錯問題。拜占庭是東羅馬帝國的首都，因為國土遼闊，所以需要避免戰(zhàn)爭時期不同位置的將軍可能存在叛變和間諜問題，實現(xiàn)全拜占庭軍隊范圍內(nèi)的一致共識。在現(xiàn)代通信中的含義即為如何在存在消息丟失的不可靠信道上探尋數(shù)據(jù)信息傳遞的一致性[14]。該問題廣泛存在于以比特幣為代表的貨幣區(qū)塊鏈應用中，也因此衍生出了包括POW 和POS 等一系列的共識機制。然而，對于以電網(wǎng)分布式新能源為代表的區(qū)塊鏈應用領(lǐng)域，本身依靠電力系統(tǒng)、電網(wǎng)合約等形式的約束，可以確保參與區(qū)塊鏈的分布式新能源節(jié)點不存在擅自修改信息數(shù)據(jù)的可能性。同時，電網(wǎng)分布式新能源信息傳輸具有對于算力、傳輸速度、算法復雜度等方面的高標準和高要求，因此，提出使用基于RAFT 共識算法的電力區(qū)塊鏈機制。
2 RAFT 共識算法
2.1 復制狀態(tài)機理論
相較于以比特幣為代表的數(shù)字貨幣區(qū)塊鏈，電網(wǎng)分布式新能源區(qū)塊鏈具有半開放特性，即參與節(jié)點（分布式電站）需通過電網(wǎng)公司審核、簽訂協(xié)議后方可加入。該類區(qū)塊鏈不存在拜占庭容錯問題，可以采用基于復制狀態(tài)機理論的算法作為共識機制，一般常見的有PAXOS 和RAFT 等。復制狀態(tài)機主要進行復制日志工作，通過各個模塊質(zhì)檢互相通信，來確保每個日志以相同的順序被復制[15]。在正確復制的前提下，每個模塊的狀態(tài)機按照日志順序進行命令處理，并將處理結(jié)果反饋給客戶端，過程如圖3 所示。
2.2 RAFT 算法原理
2.2.1 算法概述
RAFT 是一種基于PAXOS 的改進型算法，相較于PAXOS 算法，在具備同等容錯性、傳輸特性的基礎上，架構(gòu)更簡化，適用于實際的生產(chǎn)環(huán)境[16]。RAFT 主要包含節(jié)點選舉、日志復制兩大重要功能。參與節(jié)點被定義為主導者、跟隨者、候選人3 種狀態(tài)。其中，主導者節(jié)點負責處理系統(tǒng)的服務請求，跟隨者節(jié)點負責被動接收及回復主導者節(jié)點發(fā)送的信息，候選人節(jié)點為在主導節(jié)點發(fā)生故障宕機狀態(tài)下重新進行節(jié)點選舉時的過渡狀態(tài)。
圖3 狀態(tài)機復制流程
2.2.2 節(jié)點選舉
節(jié)點選舉發(fā)生在建鏈初始化階段或主導者節(jié)點任期滿后停止發(fā)信后的重新選舉過渡階段。其中，在初始化階段，所有節(jié)點均作為候選人節(jié)點，向所有其他節(jié)點發(fā)送選舉請求，當某候選人節(jié)點獲得超過半數(shù)其他節(jié)點的支持，將當選為主導者節(jié)點；若沒有候選人節(jié)點滿足選舉條件，在節(jié)點內(nèi)置時鐘經(jīng)過一定周期后，再重新進行選舉。對于主導者節(jié)點在內(nèi)置時鐘周期滿后停止發(fā)信的狀況下，由于其他所有跟隨者節(jié)點在內(nèi)置時鐘經(jīng)過一定周期后都無法獲得主導者節(jié)點傳輸?shù)男畔?，自動進入過渡階段，進行重新選舉。由于每個節(jié)點內(nèi)置時鐘的周期不完全一致，因此在過渡階段為最先達到周期條件的節(jié)點作為候選人節(jié)點進行選舉。節(jié)點選舉流程如圖4 所示。對于主導者節(jié)點因外部原因?qū)е鹿收匣蝈礄C，其情況同重新選舉過渡階段，由于其他所有節(jié)點停止收到主導者節(jié)點發(fā)送的信息而提前進入重新選舉。
圖4 節(jié)點選舉轉(zhuǎn)換流程
2.2.3 日志復制
RAFT 算法的日志復制流程總體遵循狀態(tài)機復制的原則和流程，其核心在于節(jié)點內(nèi)置時鐘周期及跟隨者節(jié)點反饋機制。其中，內(nèi)置時鐘周期主要服務于節(jié)點選舉機制，確保主導節(jié)點的輪換及故障宕機情況下的系統(tǒng)可持續(xù)性。
跟隨者節(jié)點反饋機制是讓主導者節(jié)點確認日志條目已被跟隨者節(jié)點安全接收及復制，主要用于處理跟隨者節(jié)點可能出現(xiàn)的故障宕機、網(wǎng)絡延遲等問題，主導者節(jié)點通過不斷重復發(fā)送追加日志條目的方式來確保跟隨者節(jié)點存儲的日志條目與本身一致，實現(xiàn)共識。另外，在跟隨者節(jié)點向主導者節(jié)點進行反饋后，不會立即將日志條目進行同步，必須等待主導者節(jié)點提供的下一輪日志條目中包含了主導者節(jié)點已將上一輪條目同步的確認信息，再將條目進行同步，具體流程如圖5所示。
圖5 日志復制流程
3 分布式新能源接入下的改進型RAFT算法
3.1 基于數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)導者節(jié)點選舉
根據(jù)國網(wǎng)公司提出的“三型兩網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略，各省市都在積極探索推進“三站合一”建設方案，即將原有變電站改造為變電站、充換電站、數(shù)據(jù)中心的多功能合一站所。傳統(tǒng)RAFT 共識算法中的選舉機制不考慮節(jié)點間的差異性，具有普適性的特點?？紤]到數(shù)據(jù)中心相較于區(qū)塊鏈中其他節(jié)點具備的高性能、高可靠性優(yōu)勢，極為適合作為領(lǐng)導者節(jié)點。同時，未來數(shù)據(jù)中心將在各地區(qū)進行多點布局，因此本文在傳統(tǒng)RAFT 算法的基礎上，將選舉機制中可作為候選者的節(jié)點由鏈中所有節(jié)點縮減為數(shù)據(jù)中心站所在節(jié)點。即當主導者節(jié)點時鐘周期滿后，由布置在其他數(shù)據(jù)中心站的候選節(jié)點進行選舉，非數(shù)據(jù)中心站節(jié)點將不再有資格作為候選者節(jié)點或領(lǐng)導者節(jié)點，如圖6 所示。
圖6 改進型選舉機制
該改進方法充分利用了數(shù)據(jù)中心站節(jié)點相較于其他節(jié)點的高可靠性，解決了原有RAFT 算法在主導者節(jié)點故障宕機情況下需重新選舉而存在真空期的問題。同時，如圖5 所示，假設n 為節(jié)點總數(shù)，其中主導者節(jié)點數(shù)量為1，跟隨者節(jié)點數(shù)量應為n-1，主導者節(jié)點在日志復制流程中所需進行的數(shù)據(jù)交換次數(shù)分別為發(fā)送日志階段n 次、反饋確認階段n-1 次、同步完成階段n 次，而對任意跟隨者節(jié)點，所需進行數(shù)據(jù)交換次數(shù)為3 次，即主導者節(jié)點所做數(shù)據(jù)交換次數(shù)為跟隨者節(jié)點的pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=5倍，需要以數(shù)據(jù)中心站為強大的算力支撐。
3.2 電網(wǎng)解列情況下的共識組狀態(tài)
電力系統(tǒng)在遭受到巨大干擾后可能發(fā)生失穩(wěn)及解列等情況，大電網(wǎng)系統(tǒng)分解成為幾個部分單獨運行，無法同步。在未來分布式新能源分布量足夠巨大的前提下，區(qū)塊鏈也應能繼續(xù)保持正常運作。在該狀態(tài)下，區(qū)塊鏈內(nèi)節(jié)點也根據(jù)解列情況劃分為幾個獨立的信息交換共識組，如圖7 所示。各個共識組的運作模式和機制與傳統(tǒng)RAFT共識算法一致。
圖7 解列后共識組劃分
當電網(wǎng)故障恢復，各個獨立子系統(tǒng)恢復同步運行后，各共識組也將重新合一。針對組合前后主導者節(jié)點數(shù)量不一致問題，遵循比較組內(nèi)跟隨者節(jié)點數(shù)量來進行判定。對于組內(nèi)跟隨者節(jié)點較少的共識組，在其主導者節(jié)點內(nèi)置時鐘周期滿后自動降為跟隨者節(jié)點，所有該組節(jié)點統(tǒng)一歸入較大的共識組中。
3.3 節(jié)點數(shù)據(jù)容錯分析
本文選擇RAFT 算法是基于分布式新能源接入不存在拜占庭問題為基礎，但是針對節(jié)點共識過程或日志訪問過程中可能存在的數(shù)據(jù)傳輸誤碼性錯誤，仍然需要進行分析。如圖8 為跟隨者節(jié)點1 和跟隨者節(jié)點2 分別在共識階段和訪問階段出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤的情況。
圖8 節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸錯誤情況
該類節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸錯誤情況可能發(fā)生在共識階段和數(shù)據(jù)訪問階段，假設系統(tǒng)錯誤節(jié)點數(shù)量為m，則應當滿足關(guān)系：
式中：Consensusfault為共識階段錯誤節(jié)點數(shù)；Queryfault為數(shù)據(jù)訪問階段錯誤節(jié)點數(shù)。
以圖8 中3 節(jié)點情況為例，當且僅當數(shù)據(jù)錯誤發(fā)生在同一個節(jié)點的共識和訪問過程中，此時客戶端訪問得到結(jié)果為2 個正確節(jié)點及1 個錯誤節(jié)點信息，可以判斷篩除錯誤信息保證容錯。如如圖8 所示，跟隨者節(jié)點1 發(fā)生共識錯誤，跟隨者節(jié)點2 發(fā)生訪問錯誤，則最終客戶端無法通過篩除獲得正確信息。綜上所述，系統(tǒng)可容錯節(jié)點數(shù)量m 與系統(tǒng)總節(jié)點數(shù)量n 的關(guān)系應為：
pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=5
3.4 節(jié)點算法復雜度分析
RAFT 算法的核心共識過程即為如圖5 所示的日志復制，根據(jù)3.1 所述，在該過程中的數(shù)據(jù)交互總數(shù)應為主導者節(jié)點進行3n-1 次、n-1 個跟隨節(jié)點分別交換3 次，共計6n-3 次，總體算法復雜度僅為n 的倍數(shù)級，記為O（n），對硬件設備要求較低。
4 結(jié)語
本文提出的針對分布式新能源接入的區(qū)塊鏈共識算法充分利用了電力系統(tǒng)內(nèi)不存在惡意節(jié)點的拜占庭情況，同時，根據(jù)未來國網(wǎng)公司大力推廣“三站合一”模式進行提前布局，將主導者節(jié)點選舉機制改為轉(zhuǎn)讓機制，充分利用未來數(shù)據(jù)中心站的高可靠性、易維護性，采用的基于RAFT 的電網(wǎng)改進型算法適用于處理電網(wǎng)獨有的故障解列問題。另外，相比于其他共識算法，該算法具備的高容錯性、低復雜度特性可以更好地滿足電力信息傳輸?shù)募磿r性要求。
參考文獻：（略）
