【《工业物联网能源P2P交易与区块链概述》8500字】

工业物联网能源P2P交易与区块链概述目录TOC\o"1-3"\h\u2392工业物联网能源P2P交易与区块链概述 1126151.1工业物联网能源P2P交易 152241.1.1工业物联网 1327461.1.2工业物联网能源P2P交易及问题分析 2198721.2区块链技术 517901.1.1内涵 5148061.1.2特点 7289641.1.3核心技术 7219301.3工业物联网能源P2P交易与区块链契合关系 10232901.3.1契合关系分析 10316971.3.2联盟区块链适用性 11本章通过对IIoT能源P2P交易和区块链技术相关基础知识介绍，实现对IIoT能源P2P交易和区块链技术的进一步了解，通过分析，IIoT能源P2P交易与区块链技术具有良好的契合关系。1.1工业物联网能源P2P交易1.1.1工业物联网物联网（IoT）是一个全球性的相互关联的对象和人类网络，通过物联网，单个寻址结构能够从一个连接到所有。使用基于数字和IoT的设施可创建大量数据，这些数据正在迅速增加。物联网的主要目的是广播物体的信息，反映公共生活的捏造、消费、运输以及每一个细节。工业物联网（IIoT）是通过工业资源、数据互通和系统互操作，实现制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态体系[55]。下图2-1为工业物联网与能源领域结合示意图。图2-1IIoT与能源领域结合简易图Figure2-1SimplediagramofthecombinationofindustrialInternetofthingsandenergy1.1.2工业物联网能源P2P交易及问题分析近年来，工业物联网（IndustrialInternetofThings,IIoT）利用具有无处不在的联网和计算能力的传感设备和执行器为工业系统提供智能与联通能力。然而对于工业系统而言，IIoT节点在数量和性能要求方面都在持续增长，对能源需求也在持续增长[56]。并且随着网络通信技术及分布式能源技术的广泛发展，能源用户的角色由能源购买方逐渐转向能源产消者，当节点存在能源过剩和短缺时，如何协调IIoT节点之间能源需求是一个巨大的挑战。为了应对这一挑战，众多的研究学者提出了在IIoT（例如电动汽车,智能建筑）之间的能源P2P交易模式。IIoT节点通过P2P方式与其他节点直接进行能源交易，从而满足一定的能源需求，提高交易效率，降低了能源传输所造成的消耗。当前，绿色工业系统已加入了众多的新兴技术，其中就包括无线电力传输技术和电动汽车入网技术。引入这些新兴技术，已开发出了多种多样高效且持续的IIoT点对点（P2P）能源交易系统。以下内容是对IIoT两个典型P2P能源交易场景的简单介绍：（1）微电网：具有太阳能电池板或风力发电机的智能建筑收集环境能量从而形成微电网，并可通过点对点的方式进行能量交易。（2）电动汽车接入网技术：电动汽车被用作能量存储设备，通过将其纳入电网的能源管理计划，更好地将电动汽车集成到电力系统中。通过系统中的本地聚合器，电动汽车可以通过P2P交易方式进行能源出售或购买。1.传统能源P2P交易模式IIoT能源P2P交易依托于单个集成化的能源交易平台，平台主要负责用户账户管理、信息的查询和交易信息的存储，并不直接参与到能源交易中，用户在平台中通过注册审核参与到能源交易中。能源提供方在该平台发布能源出售信息，购买方通过该信息，选择提供方进行能源交易，从而满足能源需求。如图2-2所示：图2-2IIoT能源交易传统P2P交易模式Figure2-2TraditionalP2PtransactionmodeofIIoTenergytransaction1.传统P2P能源交易模式问题分析传统能源交易基础设施都集中在一家公用事业公司和一家受信誉的机构周围，分别负责能源分配和实体注册，能源交易高度依赖集中式第三方服务器，若攻击者控制了数据库所有交易记录，就可以由此来分析用户帐户信息，最终将严重威胁用户的交易安全和隐私保护[57]。第三方基础设施容易遭受单点故障和隐私泄露，节点在不受信誉和不透明的市场进行能源交易是不安全的。任洪波等人以智能园区售电商作为产消者、一般能源消耗用户和中间商，通过以赚取差价获得利润为目标进行电能协调调度，实现园区内电能共享，然而，这却忽视了产消者可以进行能源P2P直接交易的特点[58-59]。吴界辰等人通过第三方智能园区平台协调调度多个产消者，最大化园区利益，然而第三方平台集中P2P管理，需要该平台充分掌握相关数据信息，数据安全系数较低[60]。将数据存储在第三方机构的数据库中，第三方机构管理所有能源用户帐户和历史交易信息，数据安全性很低，一旦数据库被攻击，数据就难以恢复。Fedele等人建立了分布式安全检查算法和弱集中管理方法，但该方法依赖于一个第三方中央机构，没有实现分散化，不能保证中央机构不会失败或泄漏信息[61]。LLin等人指出在P2P能源交易中，若依靠中央机构记录交易信息，可能会存在透明度低、中心故障、数据篡改和泄露等问题，将无法保障能源交易的有效性[62]。例如，在掌握了相关国家补贴发放政策的信息后，存在非法能源服务商伪造信息以欺骗补贴；一些不法用户篡改交易和能源数据以骗取高额补贴以及能源市场交易中因能源损耗造成的交易量与实际接收量不一致等现象。近年来，电网事件频繁发生，造成一系列破坏性后果。下面是两个示例，2015年12月17日，黑客攻击了乌克兰基辅的一个输电站，并判断这是自Stuxnet以来第一个攻击基础设施的真实世界恶意软件，这次袭击使这座城市的一部分被黑了，相当于其总电力容量的五分之一。2019年8月10日，两座发电站停电导致英国近百万人受灾，许多人被困在隧道和火车站。所有事件都表明，一个安全的能源系统对于一个正常运作的社会至关重要。通过以上分析可知，能源交易在IIoT中扮演着重要角色，但是传统P2P能源交易模式在数据安全和公平性等方面存在以下问题：1.数据安全（1）现阶段能源市场是不完全可信和不透明的，因此IIoT节点之间进行大量能源交易可能会存在安全和公平等威胁。例如，消费者通常愿意为购买绿色能源付出高昂的代价，但目前尚不能保证所购买能源的来源。消费者消耗的能源很可能来自最近的化石燃料发电厂。（2）由于担心安全性和隐私问题，有富余能源的IIoT节点大概率不愿参与能源交易。此时，IIoT节点之间的能源供需状态是不均衡的。（3）在P2P能源交易过程中，不能保证在使用中央机构审核和验证交易时，该机构不会出现单点故障或数据泄露等问题。特别是，当能源交易不受保护时，恶意节点数据收集将带来用户隐私暴露的风险，隐私数据可用于分析用户的生活或生产习惯，给用户的隐私、财产安全等带来麻烦。因此，实现IIoT能源市场安全高效且快速的P2P交易尤为重要。1.公平性在P2P能源交易期间，现有研究没有考虑交易公平性问题，屡次出现交易违规现象。存在能源商品交付不当、乱收费、故意给双方履约制造障碍导致违约等行为；能源出售方打破交易约定，拒绝向能源购买者转移约定能源量，对能源购买者有失公平。这种恶意攻击及违规行为将给能源交易带来灾难性后果，并最终赶走能源市场上的能源参与者。3.效率任何交易的执行都需要依附于物理平台进行，随着IIoT能源交易需求和规模逐渐增大，交易量大幅上升，交易的无序性不断增强[63]，交易审核和验证的时间不断增加，对P2P物理网络带来巨大压力。另一方面，在能源P2P交易过程中可能存在着拖延执行、毁约等行为，导致交易合约执行效率低下，不利于能源交易效率的提高。1.2区块链技术1.1.1内涵区块链最初出现在21世纪早期，仅仅是一个概念。这个想法相对简单，主要基于这样一种想法，即通过将一系列记录传播到较大的收件人群体，应始终有一个或多个易于访问的来源，据以建立和核实记录集的完整性和准确性。这个想法起飞相对缓慢，因为当时没有开发真正的基于区块链的实用程序。区块链技术直到文章"Bitcoin:APeer-topeerElectronicCachSystem"出现和以比特币为代表的加密货币系统出现和加密货币系统出现，才受到广泛关注[64]。在下表2-1中提供了不同版本的区块链定义。表2-1区块链的定义Table2-1Definitionofblockchain区块链版本定义区块链1.0对应于原始的加密货币用途。区块链1.0以太坊平台于2014年1月推出，是一个开放源代码平台，可增强智能合约并专注于金融交易，例如贷款，股票和金融合约。区块链3.0介绍以涵盖一系列非金融交易，例如在卫生，艺术，科学和能源监管中心中的使用。区块链最大的应用是比特币的基础技术，提供了加密货币的安全性和可信度。区块链是由网络中许多不同节点托管的电子分类帐。任何节点持有的总账的每个副本都与其他副本相同，唯一被认为有效的事件是大多数人认可的事件。因此，区块链中的条目将可被所有节点访问，并且未经多数人同意不得添加。图2-3提供了一个区块链的结构示意图，其中区块链被表示为一系列按顺序彼此链接的块。如果区块链相当于一本账本，则一个区块相当于该账簿中的一页；其中记录了在特定时间范围内发生的事件的集合。图2-3区块链结构图Figure2-3Structurediagramofblockchain块由块头和块主体组成。块头依次由以下各项组成：上一个区块的哈希值、上一区块的地址、时间戳记和Merkle树的根哈希值。首先，在块标题中包含前一个块的哈希值会在前一个块和新块之间建立连接。这将创建一个防篡改数据库，其中一个块中内容的更改会导致当前块和后续块中哈希值的更改。如果黑客想要修改分类帐的记录，则就需要创建所有当前块和后续块，同时保持网络中新块创建的速度，这需要控制网络中至少51％的计算能力，因此，区块链被认为是不可变的。块头包含有关块创建时间的信息，由于计算块的哈希值需要时间戳，因此时间戳不能反映创建块时的确切时间，取而代之的是，时间戳只需要在一两个小时内准确即可。标题和正文通过默克尔树根链接。作为交易默克尔树的根节点，默克尔树根使区块链网络中的每个节点能够快速验证事务的存在和正确性。块中任何事务信息的更改将导致默克尔树根发生更改。作为区块链的重要数据结构，默克尔树根可以快速排序和验证块数据的存在和完整性。默克尔树是从底层（个人交易）到顶层的层次结构，在每个阶段都使用哈希函数。具体来说，在第一阶段，在底层计算单个交易的哈希值，在第二阶段，将两个单独交易的哈希值分组并进行哈希处理，该过程一直进行到到达所有哈希值都汇总为一个哈希值（即根哈希值）的顶层为止，块头包含该根哈希值（即Merkle树根哈希值），该值对块中的所有交易进行汇总。1.1.2特点区块链特有的数据结构和组织形式，使其具有去中心化、不可篡改性、可追溯性和透明化四个主要特征。（1）去中心化：区块链网络是一个对等网络（P2P），节点之间可以在没有第三方中央机构的情况下直接进行交易。区块链网络中的所有节点相互之间都是平权的，皆可对数据区块进行验证。（2）不可篡改性：系统中的每个节点都有数据库的最新完整副本。修改单个节点的数据库是无效的，因为系统将自动比较并确定最常见的数据记录是真实的。（3）可追溯性：区块链技术能够提高能源交易的透明度以及跟踪所有交易，在区块链网络中任何交易信息都是可追溯的[65]。（4）透明化：区块链会在多个节点上进行冗余备份，且更新数据信息时必须在多节点上进行多重验证，以保证区块链的一切操作是公开透明的[66]，且节点不能欺瞒其他节点。区块链分散，透明和不可篡改等特征在各种应用中都是其优势所在。因此，许多不同行业，包括食品行业[67]，军事行业[68]和医疗保健行业[69]等，正在研究区块链在其业务领域中的应用与发展。1.1.3核心技术（1）数据存储结构区块链高效、透明地记录所有交易信息，数据安全性高，区块链将数据分成不同的块，每个块通过特定信息链接到上一个块，以显示一整套顺序数据。块通常由块头和块主体组成。块头包含上一个块的哈希值，通过计算上一个区块块头的哈希函数获得，区块按哈希值链接到以前的块以形成链。区块主体包含所有已验证的交易记录，并通过特殊的数据结构（例如默克尔树）进行存储。（2）P2P网络协议区块链采用P2P分散化网络协议，确保了该网络中的每个主体处于平等地位，而没有任何特殊节点。由于缺乏集中式服务器，P2P网络天生具有抵御攻击的能力和高度的容错能力。每个节点在P2P网络中具有相同的状态，并且服务分布在每个节点上，因此，对某些节点或网络的攻击不影响整个网络的运行。（3）加密演算法区块链技术主要包括：哈希算法，对称加密，非对称加密，数字签名，数字证书等。在区块链分布式分类账披露的情况下，最大程度上提供了隐私保护能力。哈希算法也称为数据摘要，其原理是将一条信息转换为具有以下特征的定长字符串：如果两条信息相同，则字符也相同；否则，字符串是混乱且随机的，并且完全无关。（4）分布式分类帐区块链的功能基于一个分散的分布式分类账系统（DLT），该系统在每个区块链节点之间共享，分类帐上的信息是公开和透明的，因此，即使从系统开始的每一笔交易都可以使用这种透明性质进行审计。相较于传统分布式系统，分布式分类帐技术具有以下两点显著不同的特征。第一，传统的分布式存储系统实现了由中央节点控制的数据管理机制，而分布式分类帐则基于某些共识规则，并使用多方决策和通用维护进行数据存储和复制。随着网络数据的爆炸性增长，由单个中央机构构建的数据管理系统面临更多挑战，服务提供商必须继续投资建设大型数据中心。系统的规模和复杂性不断增加，带来了越来越严重的可靠性问题。但是，DLT的分散式数据维护策略可以有效减轻系统负担。第二，传统的分布式存储系统将数据分解为几部分进行存储，而分布式分类帐系统中的每个节点都保留完整的数据副本，任何节点的数据丢失或修改不会影响区块链网络的数据。在传统的业务系统中，高度集中化的数据管理系统在数据可信度和网络安全方面的弊端日益暴露出来。为了保证数据安全，相关专家增加了其他管理机制，但是传统业务系统的维护和运营成本将进一步增加，并且不利于系统运营效率的提高。分布式分类账(DLT)可以从根本上改善这种现象，由于每个节点都维护完整的数据副本集，因此任何单个节点或少量群集都无法修改数据以影响其他副本。（5）共识机制共识机制被配置为确定如何将新块添加到区块链中，它是区块链中的主要层。在区块链方面，共识机制可帮助节点就是否应该接受或拒绝交易以及按照什么顺序等方面达成协议。交易指定了区块链状态的转换。如果交易通过有效性和验证（交易验证）检查，它将包含在将来新的区块中，该区块将进一步扩展区块链。共识机制在区块链系统的运作中起着核心作用，以确保信息的有效性和一致性。共识机制主要解决分布式系统中的哪个节点发起提案，以及其他节点如何就提案达成协议等问题。根据传统分布式系统和区块链系统之间的差异，共识算法可以分为两类：受信任节点之间的共识算法和不信任节点之间的共识算法。前者适用于集中式系统，但在去中心化的区块链网络中，节点是由多个不了解彼此并相互不信誉的参与者提供和维护的，因此这种共识算法并不可靠。共识算法主要包括PoW（工作量证明）、PoS（权益证明）和PBFT（实用拜占庭容错）等。（6）智能合约智能合约是NickSzabo首次引入的一段计算机代码，存储在区块链网络中（在每个参与者节点数据库中），是一种自营和自执行程序，使用软件代码和计算基础结构激活特定协议或合同的条款和条件。在区块链上执行代码，允许开发和探索加密货币以外的区块链驱动应用程序。在传统意义上，合约是两个或两个以上各方之间达成的协议，同意做某事或不做某事以换取某事，合约的任何一方都必须彼此信任并履行其义务。智能合约的特征在于它们仅需要彼此同意或不同意，不再需要彼此信任，这是智能合约在预定义条件下实现自动化且强制性的执行，并在对等体条件下触发，无需集中的第三方干预。基于区块链的智能合约构建和执行包括以下内容：1）合约构建。区块链中的两个或两个以上用户参与制定智能合约；2）合约存储。通过P2P网络，该合约传播到网络中每个节点，并存储于链上；3）合约执行。智能合约会定期检查自动机的状态，以验证符合条件的交易，并在达成共识后自动执行并通知用户。智能合约是一种计算机协议，其允许可信任的直接交易而无需第三方，具有可追溯性和不可逆性。作为一种计算机技术，智能合约不仅可以有效地处理信息，还可以确保合约双方可以在不引入第三方授权的情况下执行合约，从而避免违约。智能合约的优点是：智能合约具有制定效率高、维护成本低和执行精度高等特点。尽管智能合约优于传统合约，但智能合约的深入研究和应用仍在探索中，新兴技术的潜在风险仍然存在。通过以上分析，区块链可以概括为以下内容，如图2-4所示：图2-4区块链核心技术概括Figure2-4BlockchainCoreTechnologySummary1.3工业物联网能源P2P交易与区块链契合关系1.3.1契合关系分析通过以上分析可知，区块链技术对IIoT能源市场基础设施的实现具有重要作用。区块链技术可以较好地运用到IIoT能源P2P交易中。区块链在操作模型、拓扑和安全性方面自然适用于能源P2P交易市场[70]，并指导市场建设。工业物联网（IIoT）作为工业4.0的实现方法，已成为学术界和工业界的亮点，将成为未来工业体系的重要成分。虽然IoT在规模和性能上不断进步，为工业系统提高了相关性和智能性，但满足IIoT应用不断增长的能源需求依然面临着巨大的挑战。要解决此问题，点对点（P2P）能源交易在IIoT节点（如智能电表（SMs）和车辆）中，已经提出了具有一定前景的技术集成，例如微电网分布式能源和电动汽车接入电网。特别是，IIoT节点可以将其备用能源出售给其他节点，以满足能源需求、盈利和提高整体能源使用效率，确保工业4.0能源交易的可持续性，其中所有能源交易都需要一个安全和公平的环境。但目前大多数IIoT能源交易属于传统点对点（P2P）能源交易，依然存在第三方集中式存储设施，第三方集中式基础存储设施易遭受单点故障和隐私泄露，因为集中式基础存储设施一旦被攻破则很难恢复，整个能源交易网络将陷入瘫痪。能源生产和存储的权力下放，是对集中式交易的良好补充。虽然目前世界上大部分地区还是集中式交易为主，但是，在IIoT分布式能源技术和储能系统不断完善的情况下，众多中小型用户进入能源市场。在分散节点链接和实现P2P能源交易完善等方面，区块链技术具有一定的优势：（1）区块链技术为本地能源和消费者启用了自动化高效的计费系统，通过提供快速和实时结算，促进P2P能源交易，这实现了更多能源优化管理。（2）区块链实现了在能源系统中完全透明，这意味着能源购买方可以根据自身需要选择能源提供方。智能合约可以为能源P2P交易中的双方提供保护，确保P2P交易安全顺利进行。区块链防篡改性质可以以数字方式保护所有相关信息，对攻击和伪造具有高弹性，有助于对共享信息进行验证。在能源分散化和数字化时代，数据集中化可能不是最有效的方法，这使得区块链技术在解决集中化问题方面具有巨大的潜力。（3）分布式分类账技术可防止数据丢失、记录篡改以及加密货币的双重支出。由此可见，区块链网络是由所有节点共同维护网络数据安全性和信息质量，而不是仅由一个中央机构独自维护，真正消除了第三方和交易中介成本，保证能源交易的公平性，并实现交易双方之间的精准计费。综上分析，与传统IIoT能源P2P交易相比，区块链技术降低了能源市场运行成本，提高了能源P2P交易安全。1.3.2联盟区块链适用性区块链拓扑和通信将影响交易的安全性和隐私保、交易吞吐量、资源消耗、网络效应、交易功能和社会交互，这表明拓扑选择会影响本文中探讨的几个维度。虽然IIoT能源交易网络是一个专用网络，但未来大规模基于区块链的能源系统的拓扑结构尚不清楚。图2-5显示了三种类型区块链拓扑结构，分别为私有、公有、联盟。私有和联盟区块链的能耗水平低于公有拓扑，因为共识机制在较少的节点或云解决方案中执行。安全问题和隐私泄露等在公有区块链中尤为突出，并且在规模较大的IIoT节点之间构建公有链的成本很高且运行效率较低，因此直接用于IIoT的P2P能源交易反馈并不理想。在联盟区块链中，联盟拓扑结构对于具有预选权威节点的IIoT能源P2P交易具有很大优势，有利于控制更广泛网络中的节点访问和共识。图2-5三种类型区块链拓扑结构概述Figure2-5Overviewofthethreetypesofblockchaintopologies下表2-4所示，从不同角度出发比较私有，公有和联盟