分布式共识在区块链的作用 区块链 | 方翔等分布式新能源接入下的区块链共识机制研究

入门知识 3周前 (06-18) 25次浏览 0个评论

《浙江电力》

分布式新能源接入下的区块链共识机制研究

方翔,马迪,侯伟红,孙志清,杨轩,刘健(国网浙江省电力有限公司杭州供电公司,杭州310009)

方翔,马荻,侯伟红,等.分布式新能源接入下的区块链共识机制研究[J]. 浙江电力, 2019, 38(7):1-6.

0 前言

目前,以光伏为代表的新能源已逐步取代传统的集中式煤炭、天然气发电,能源生产逐步向可再生能源转型。据中国电力企业联合会统计,分布式光伏发电继续以70%以上的速度增长。高比例的可再生能源将成为未来电网的重要特征。电网系统的灵活性将大大提高。对电网安全可靠的要求更高,对电网调度的专业监管和风险控制能力要求更高。

新能源具有分布分散、趋势可控、生产应用灵活等特点,这些特点与区块链技术天然兼容。通过将区块链技术引入正在逐步形成的分布式新能源共享服务平台,可以有效促进信息系统与物理系统的进一步融合,实现新能源电力数据共享传输的多样化和低成本化[1-2]。区块链技术自提出以来经过十多年的优化和发展,在加密算法等领域的技术已经相对成熟。扩张与创新,选择合适的共识机制算法本质上会影响链的传输性能和容错能力。目前在各个领域已经成熟应用的共识机制包括PBFT( Fault )机制、POW(Proof of Work)机制、POS(Proof of Stake)机制、DPOS( Proof of Stake)机制、PAXOS( )机制、RAFT(leader选举)机制等。参考文献[3]介绍了比特币采用的POW机制,在防止恶意攻击破坏比特币网络上投入了大量算力。作为强共识共识机制,效率较低。作为基于 POW 的改进共识机制,POS机制和DPOS机制在一定程度上减少了算力的浪费和POW去中心化带来的负面影响,但还没有取得质的飞跃。参考文献[4]介绍了基于拜占庭容错技术的PBFT机制,可以有效处理网络中断和恶意攻击等问题,算法复杂度降低到多项式级别;参考文献[5]介绍了以PAXOS机制和RAFT机制为代表的共识机制,它是一种在没有恶意节点的可信环境中使用的共识机制。这种机制在算法复杂度、容错性等性能上都有很大的优势。参考文献[4]介绍了基于拜占庭容错技术的PBFT机制,可以有效处理网络中断和恶意攻击等问题,算法复杂度降低到多项式级别;参考文献[5]介绍了以PAXOS机制和RAFT机制为代表的共识机制,它是一种在没有恶意节点的可信环境中使用的共识机制。这种机制在算法复杂度、容错性等性能上都有很大的优势。参考文献[4]介绍了基于拜占庭容错技术的PBFT机制,可以有效处理网络中断和恶意攻击等问题,算法复杂度降低到多项式级别;参考文献[5]介绍了以PAXOS机制和RAFT机制为代表的共识机制,它是一种在没有恶意节点的可信环境中使用的共识机制。这种机制在算法复杂度、容错性等性能上都有很大的优势。参考文献[5]介绍了以PAXOS机制和RAFT机制为代表的共识机制,它是一种在没有恶意节点的可信环境中使用的共识机制。这种机制在算法复杂度、容错性等性能上都有很大的优势。参考文献[5]介绍了以PAXOS机制和RAFT机制为代表的共识机制,它是一种在没有恶意节点的可信环境中使用的共识机制。这种机制在算法复杂度、容错性等性能上都有很大的优势。

由于以分布式新能源为代表的电力信息数据传输业务的实时性需求,所选择的区块链技术对传输速度的要求很高[6-7],而以比特币为代表的数字货币领域使用了共识机制的复杂性通常是多项式甚至指数,不能满足功率场的要求。PAXOS、RAFT等共识机制算法在复杂度上可以有效满足相应要求,但对于区块链节点分布式共识在区块链的作用,则要求满足拜占庭容错条件,即链上没有恶意节点,只有可能存在成为故障节点。探索了不可靠通道上数据传递的一致性[14]。

1 区块链技术原理1.1 区块链分层架构

区块链技术的多方维护特性使其广泛应用于各行各业,有助于打破信息和数据壁垒,促进颠覆性业务融合。区块链的层次结构如图1所示,主要包括数据层、网络层、共识层和应用层[9]。其中,数据层通过加密算法和数字签名等方式对数据进行处理,以块的形式存储数据信息。网络层使区块链中的各个节点通过网络通信协议进行约定,验证数据传输的真实性和合法性。共识层基于以POW机制为代表的共识机制,保证数据的正确性和系统的可用性。共识机制的算法决定了区块链系统的整体复杂度和相应的信息传输速度。在应用层,基于智能合约的可编程特性,可以获得多个领域和行业的相关应用,合约的自动判断特性可以免除第三方监管。

图 1 区块链层次结构

1.2 区块链链式数据结构

区块链是一系列通过密码学方法关联起来的数据块,每个数据块都包含了发电和用电的所有相关信息。这种信息不是以交易原始数据的形式存储的,而是使用哈希算法将数据转换为固定长度的二进制哈希值,区块链系统使用默克尔树对信息进行汇总和表示。当确实发生电能转换时,区块链系统会给它打上正确的时间戳,表明电能块的所有权已经转移,并自动避免重复需求的发生[4, 11]。区块链的算法流程可以用来验证其发电和消费信息的有效性,并且还可以生成下一个块。单个块的数据结构如图2所示。

图2 分布式新能源区块结构

1.3 区块链共识机制介绍

1.3.1 共识机制概念

区块链所呈现的去中心化、集体可维护性、智能合约、安全可信等诸多特性,为分布式能源并网和运维的数据互操作和信息安全问题提供了新的解决方案。也使得利用区块链技术构建新的电网运行模式成为可能,使系统不需要集中中央存储,所有节点都可以部分或全部备份区块链中的信息,避免数据丢失在任何节点都不会影响系统的正常运行,在数据存储方面具有很强的鲁棒性和可靠性。

在共识机制中,所有参与方通过信息通信技术互联互通,通过区块链技术实现授权和交互,交易中的所有操作和合约都会被记录和追溯,数据不会被篡改。共识机制可以保证任何分布式新能源相关方都可以通过注册机制参与共识,任何信息都会被所有参与者记录,实现公开透明,历史交易数据难以被篡改。

1.3.2 基于证明机制的传统区块链共识

以比特币为代表的数字货币区块链是一个对全网完全开放且不包含全球地址记录的链式系统。任何以个人用户为主体的节点都可以在系统中进行记账和区块验证。,您可以随时加入或退出区块链系统。系统对用户节点的把握能力较弱,无法明确判断节点间的连通性。

以POW机制为例,这种共识机制为全网节点提供了更复杂的计算问题,全网节点(矿工)同步开始计算。这个问题很难计算,也很容易验证。当一个节点完成计算后,将计算结果和记录的内容统一打包成一个区块,传送给中国联通所有其他节点(矿工)进行正确性验证,验证通过后接受。块 [12-13]。

1.3.3 拜占庭容错

拜占庭容错是以区块链为代表的分布式领域的经典容错问题。拜占庭是东罗马帝国的首都。由于其幅员辽阔,要避免战争中不同岗位的将领的兵变和间谍问题,要在整个拜占庭军队内部达成共识。现代通信中的意义是如何探索数据信息在不可靠信道上传输的一致性与消息丢失[14]。这一问题广泛存在于以比特币为代表的货币区块链应用中,因此衍生出包括POW、POS在内的一系列共识机制。但是,对于以电网分布式新能源为代表的区块链应用领域,依托电力系统和电网合约等形式的约束,可以保证参与区块链的分布式新能源节点不存在未经授权修改信息和数据的可能。同时,电网分布式新能源信息传输对算力、传输速度、算法复杂度等具有高标准和高要求,因此提出了基于RAFT共识算法的电力区块链机制。

2 RAFT共识算法2.1 复制状态机理论

与以比特币为代表的数字货币区块链相比,电网分布式新能源区块链具有半开放的特点,即参与节点(分布式电站)必须经过电网公司审核并签署协议后才能加入。这类区块链不具备拜占庭容错能力,可以采用基于复制状态机理论的算法作为共识机制,如PAXOS、RAFT等。复制状态机主要执行复制日志的工作,通过各个模块的质检相互通信,保证每条日志的复制顺序一致[15]。在正确复制的前提下,各个模块的状态机按照日志顺序处理命令,并将处理结果反馈给客户端。该过程如图 3 所示。

2.2 RAFT算法原理

2.2.1 算法概述

RAFT 是一种基于 PAXOS 的改进算法。与PAXOS算法相比,在相同的容错性和传输特性的基础上,架构更加简化,适用于实际生产环境[16]。RAFT主要包括节点选举和日志复制两个重要功能。参与节点被定义为三个状态的领导者、追随者和候选人。其中,Leader节点负责处理系统的服务请求,节点负责被动接收和回复Leader节点发送的信息,候选节点是节点重新选举时的过渡状态当领导节点失败并宕机时运行。

图3 状态机复制过程

2.2.2 节点选举

节点选举发生在链初始化阶段或任期届满后领导节点停止发送信件后的重选过渡阶段。其中,在初始化阶段,所有节点都充当候选节点,向所有其他节点发送选举请求。当一个候选节点获得超过一半的其他节点的支持时,将被选举为Leader节点;如果没有候选节点满足选举条件,经过节点内置时钟一定时间后,重新进行选举。如果Leader节点在内置时钟周期结束后停止发信,由于所有其他节点在经过一定的内置时钟周期后无法获取Leader节点传输的信息,将自动进入过渡阶段并进行改选。由于每个节点的内置时钟的周期不完全相同,首先达到周期条件的节点被选举为过渡阶段的候选节点。节点选举过程如图4所示。对于Leader节点由于外部原因失败或宕机,情况与重选过渡阶段相同,因为所有其他节点都停止接收Leader节点发送的信息并提前进入连任。

图4 节点选举转换过程

2.2.3 日志复制

RAFT算法的日志复制过程一般遵循状态机复制的原理和过程,其核心在于节点内置的时钟周期和节点的反馈机制。其中,内置时钟周期主要服务于节点选举机制,以保证优势节点的轮换以及在故障和宕机情况下的系统可持续性。

节点反馈机制是让leader节点确认日志条目已经被节点安全接收和复制。日志条目的方式保证了节点存储的日志条目与自己一致,达成共识。另外,节点向leader节点提供反馈后,日志条目不会立即同步,必须等待leader节点提供的下一轮日志条目中包含leader节点已经同步上一轮的确认的条目。信息,然后同步条目。具体流程如图5所示。

图5 日志复制过程

3 分布式新能源接入下改进的RAFT算法3.1 基于数据中心的Leader节点选举

根据国家电网公司提出的“三类两网”发展战略,各省市都在积极探索和推进“三站一体”建设规划,即将原有变电站改造为多-变电站、充电站和数据中心的功能集成。车站。传统 RAFT 共识算法中的选举机制不考虑节点之间的差异,具有普适性的特点。考虑到数据中心相对于区块链中其他节点的高性能和高可靠性优势,非常适合作为领导节点。同时,未来数据中心将部署在各个区域的多个位置。所以,本文在传统RAFT算法的基础上,将选举机制中可以成为候选人的节点从链上的所有节点减少到数据中心站所在的节点。即当Leader节点的时钟周期到期时,将选举安排在其他数据中心站的候选节点,非数据中心站节点将不再有资格成为候选节点或Leader节点,如图6.

图 6 改进的选举机制

改进后的方法充分利用了数据中心节点相对于其他节点的高可靠性,解决了原有RAFT算法在Leader节点故障宕机时需要重新选举的真空期问题。同时,如图5所示,假设n为节点总数,leader节点数为1,节点数应为n-1,leader需要的数据交换次数节点在日志复制过程中的发送次数为日志阶段为n次,反馈确认阶段为n-1次,同步完成阶段为n次。对于任何一个节点,需要的数据交换次数是3次,即leader节点执行的数据交换次数是节点的数据交换次数。

时代,需要数据中心站作为强大的算力支撑。

3.2 断电情况下的共识组状态

电力系统遭受巨大扰动后,可能会出现不稳定和脱钩现象。大电网系统被分解成几个独立运行且不能同步的部分。在未来分布式新能源配送量足够大的前提下,区块链也应该继续正常运行。在这种状态下,区块链中的节点也根据退市情况划分为若干个独立的信息交换共识组,如图7所示。每个共识组的运行模式和机制与传统的RAFT共识算法一致。

图7 退市后共识组划分

当电网出现故障,各个独立子系统恢复同步运行时,共识组也将重新团结起来。对于组合前后leader节点数不一致的情况,通过比较组内节点数来确定。对于组内节点较少的共识组,在其leader节点的内置时钟周期到期后,会自动缩减为节点,并将该组内的所有节点统一为一个更大的共识组。

3.3 节点数据容错分析

本文选择的RAFT算法基于分布式新能源接入不存在拜占庭问题。但是,仍然需要分析节点共识过程或日志访问过程中可能出现的数据传输错误。如图 8 所示, 节点 1 和 节点 2 在共识阶段和访问阶段分别存在数据传输错误。

图8 节点数据传输错误情况

此类节点数据传输错误可能发生在共识阶段和数据访问阶段。假设系统误差节点数为m,应满足关系:

式中:为共识阶段错误节点数;是数据访问阶段的错误节点数。

以图 8 中 3 个节点的情况为例,当且仅当同一个节点的共识和访问过程中出现数据错误,客户端的访问结果是 2 个正确节点和 1 个错误节点信息,可以使用判断过滤器。排除错误消息可确保容错。如图8所示,如果节点1出现共识错误分布式共识在区块链的作用,节点2出现访问错误,最终客户端无法通过筛选获得正确信息。综上所述,系统容错节点数m与系统总节点数n之间的关系应为:

3.4节点算法复杂度分析

RAFT算法的核心共识过程是日志复制,如图5所示。根据3.1,这个过程中数据交互的总次数应该是3n-1次,由leader节点进行n-1次以下节点分别交换3次,共6n-3次。整体算法复杂度仅为n的倍数,记为O(n),需要较少的硬件设备。

4。结论

本文提出的分布式新能源接入区块链共识算法充分利用了电力系统中不存在恶意节点的拜占庭情况。将Leader节点选举机制改为传输机制,充分利用未来数据中心站的高可靠性和易维护性,改进的基于RAFT的电网算法适用于处理数据中心特有的故障解决问题。电网。此外,与其他共识算法相比,该算法具有容错性高、复杂度低的特点,能够更好地满足电力信息传输的即时性要求。

参考文献:(略)

DOI:10.19585/j.zjdl。

开放科学(资源服务)标识符 (OSID):

作者简介:方翔(1992),男,助理工程师,主要研究方向为电网运行与控制、智能配电网、泛在物联网。

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