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区块链:研究与应用3(2022)100090研究文章URJA:智能电网Anjana Prabhakara,*,Tricha Anjaliba印度班加罗尔国际信息技术学院,邮编:560100bActyv,Bangalore,560034,IndiaA R T I C L E I N F O关键词:访问控制区块链智能电网智能合约可持续发展能源贸易A B S T R A C T能源一直是人类社会发展的基本要素之一。由于供需不平衡日益严重,我们必须改善能源管理。能源领域的新浪潮以脱碳、去中心化和数字化这三个D为特征。为了可持续的生活,有必要从可再生的替代能源中获取能源,以留下最小的碳足迹。为了将不同的电源与主电网集成,我们需要它们之间的双向通信。这使得消费者有权保护其隐私并使其成为其数据的唯一所有者变得良好的存取控制计划可确保数据安全,而有效率的交易平台可确保资源得到妥善运用。在这里,我们提出了一个框架URJA与访问控制方案和基于区块链的智能电网能源交易平台。本地可供使用的可再生能源与电网相连,从而在不影响效率和隐私的情况下有效管理供需。基于信任的定制共识方案确保了实时的快速操作1. 介绍从机器到汽车再到家用电器,所有的东西都需要能源来工作。自1990年以来,全球一次能源需求增长了50%,惟因COVID-19疫情而封锁的时期除外[1,2]。可以很好地推测,在十年内,能源需求将比现在高得多能源的供需之间总是越来越不平衡,因此能源与一个国家的经济之间存在着很强的相关性 因此,我们必须采用技术来管理稀缺的能源资源,并寻找可再生能源的替代来源。 空气污染和气候变化是世界卫生组织2019年全球健康主要环境威胁清单的首要问题,其主要贡献者是碳排放。与一项活动相关的二氧化碳排放量被称为碳足迹。 尽管COVID-19封城有助于二零二零年四月减少17%的碳排放,但长期累积仍不受影响。日益增加的碳足迹对环境、野生动物、人类健康和经济构成的威胁是深远的。碳足迹的水平可通过节约能源以及产生和使用更清洁的可再生能源来降低根据能源部的数据,美国国家可再生能源实验室[3]的数据显示,煤炭的碳足迹几乎是风能的90倍,而天然气的碳足迹则是40多倍。因此,我们必须转向更清洁的能源。能源的需求和生产总是波动的,因此必须有办法在消费者和生产者之间传达这些变化在大多数情况下,消费者也是生产者。产消者这个词就是用来代表这些实体的。例如,一个家庭产生的额外太阳能比自己使用所需的更多,可以选择将其出售给电网。由于产消者总是消费者的一个子集,所以我们没有在提到消费者的地方明确提到产消者。请注意,消费者一词中包含了产消者能源行业的转型以脱碳、去中心化和数字化这三个D为特征。在智能电网中,生产者和消费者之间交换不同类型的交易。它可以是能源需求报表、供应报表、价格谈判、验收等。 这种互动可以是智能电表和供应商之间的互动,也可以是电动汽车和供应商之间的互动。 智能电表与电网的双向通信有助于确定能源费用预算并相应地规划使用。参与者的数据可能是隐私-* 通讯作者。电子邮件地址:anjana. iiitb.ac.in(A. Prabhakar),tricha@actyv.com(T. Anjali)。https://doi.org/10.1016/j.bcra.2022.100090接收日期:2021年9月13日;接收日期:2022年4月30日;接受日期:2022年5月15日2096-7209/©2022作者。出版社:Elsevier B.V.代表浙江大学出版社。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表区块链:研究与应用杂志主页:www.journals.elsevier.com/blockchain-research-and-applicationsA. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000902敏感或机密,例如, 他们的能源消耗数据可能会泄露个人行为痕迹,或在一个周期内与产消者谈判的价格,如果泄露,可能会降低未来谈判周期的利润率。这意味着需要一个高效的能源交易平台和一个具有适当安全性和隐私性的细粒度访问控制方案。我们提出了一个名为URJA的框架,这是一个可再生能源联盟的首字母缩写,用于明智地使用替代能源。URJA是一个框架,包括访问控制方案和基于区块链的能源交易平台区块链可以在实体之间进行交易,否则彼此不信任,没有中心化中介的帮助,以透明,不可分割和可验证的方式。在这里,每笔交易首先由一组授权节点验证,然后以永久和防篡改的方式添加到区块链中。 这有助于基于区块链的加密货币的成功。尽管如此,区块链技术正在成功地用于加密货币,供应链管理等。并且由于事务确认的长延迟以及由于向整个网络广播事务和块而导致的低可扩展性,因此不能在智能电网的环境中采用URJA中包含的基于信任的共识确保了快速的实时操作。由于能源部门本身正在走向分散的性质,集中的机制不再方便此外,还可能出现单点故障和隐私泄露。智能合约中的访问控制策略确保交易发生在被授权发送和接收交易的实体之间,并保持数据的机密性和完整性。URJA通过激励生产者以最佳价值和放心地向消费者出售能源,确保明智地使用现有能源作为智慧城市和物联网(IoT)的一部分创建的骨干网络可以轻松将分布式电能集成到电网中分布式能源站(DES)具有除煤炭、天然气等不可再生能源之外的能源。 已经有效地发展了十年。 这具有减少能源成本和温室气体排放的双重好处。URJA由一个配备DES的智能社区组成,为居民提供必要的能源,如冷,热和电。这将导致减少对集中式能源供应的依赖,如电网,这反过来又防止了由于通过长距离电线传输而造成的损失。一致性算法TCON(信任依赖一致性)已在参考文献中讨论。[4],在这里,我们将描述如何将其修改为三分之一的拜占庭弹性并应用于智能电网。虽然区块链本质上是分布式的(即,多方持有分类账的副本),它并不总是分散的。在这里,URJA提供了一个去中心化的访问控制机制与一个单独的隐私区选项使用的层次结构,它已经采用。URJA是轻量级的因为不涉及复杂的工作量证明(PoW)。我们提出了一个智能电网基础设施,耦合DES,从可持续的来源产生能源,并将其分配到社区和住宅建筑,这是生产清洁能源的生产者,与主电网。通过使用更清洁的能源,并通过利用近距离产生的能源来减少传输损失,我们可以减少碳足迹。基于区块链的访问控制和能源交易平台将有效地优化能源消耗,并在不损失隐私的情况下促进更好地利用资源。基于信任的定制共识方案确保了实时的快速操作。贡献本文的贡献如下:一种隐私保护访问控制机制,具有用户所需的不同安全级别,即使在智能电表等资源受到限制时也是如此。基于智能合约的访问控制和令牌系统,确保区块链没有分叉。它还确保协议的公平和透明执行。智能合约控制的能源交易,确保能源交易的公平交易可持续能源分配的三层结构,最大限度地减少电力损失,鼓励绿色能源生产。本文的其余部分组织如下:在第2节中,我们讨论了相关的工作,并在第3节中,我们阐述了新颖的URJA框架。共识机制TCON的数学分析在第4节中进行,其实现在第5节中解释。性能分析见第6节。最后,第7节包括结论性意见。2. 相关工作如前所述,对于基于多个DES和产消者的去中心化架构,访问控制机制和能量交易机制是数据安全和隐私的必要要求需要一个强大且可信的第三方来管理访问控制,这可能会损害用户隐私。因此,在智能电网环境中设计具有隐私保护意识的分布式访问控制是至关重要的。 我们认为,区块链技术将是一种很有前途的方法,可以构建新一代分散和透明的访问控制解决方案,确保实体是其数据的唯一所有者。尽管物联网中有许多基于智能合约的访问控制框架[5,6],但它们在智能电网生态系统(也称为能源互联网)中的作用还没有得到太多的探索。Mollah等人[7]详细介绍了区块链在智能电网中可以发挥的各种作用,以及它的可能性和缺点。它还列出了未来的研究方向。Mandal [8]专注于区块链和智能电网中一些流行的基于共识的协议的安全和隐私方面然而,在智能电网的共识协议的发展中的信任/信誉的概念还没有被广泛探讨。Lombardi等人[9]提出了一种使用区块链进行智能电网运营的可靠且具有成本效益的然而,没有验证或原型的实现细节Zhou等人 [10]提出了密钥生成的共识。它简化了访问控制程序,节省了密钥的存储空间,降低了系统的通信成本,并保证了验证消息的机密性、完整性和不可否认性。它不照顾拜占庭式的失败。Alcaraz等人[11]进行了详细的研究,并得出结论,具有非耦合区块链网络的分散架构适合智能电网或互联网4. 0。他们还建议对存储增强进行优化,例如使用云/雾系统进行数据管理,使用侧链等。这将有助于快速实时操作。Guo等人[12]讨论了一个基于区块链的电力交易生态系统,并提出了一种可以达到Stackelberg均衡的分布式算法。3. URJA生态系统我们认为一个智慧城市由几个智慧社区组成,每个社区都有一个DES。电网代理(APG)与DES进行交易,DESs依次与该城市的生产消费者的智能电表进行交易。所有城市的APG相互连接,形成完整的能源交易生态系统。所提出的框架,包括能源和信息系统的生态系统,如图所示。1.一、能源子系统由三层组成,分别是:智慧社区,包括智能家居、智能医疗、电动汽车、充电站等; DES,包括太阳能公园、风车公园等; 和常规发电和输电系统APG每个智能社区都有自己的实体连接到各自的管理器,比如智能家居管理器、智能交通管理器等。社区中的每个实体都有一个智能电表,用于测量能耗,并直接连接到DES。●●●●A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000903图1.一、 URJA生态系统的一个例证。APG:电网代理,DES:分布式能源站。社区中的产消者将多余的能源出售给DES。它们在可持续和具有成本效益的能源系统中发挥着不可或缺的作用 其鼓励开发当地可获得的可再生能源,从而提高整体系统效率及减少对环境的破坏。它为居住在智能社区的居民提供多种能源,特别是电力 DES还具有管理器和智能仪表,分别用于与中继网络和APG通信。APG是代表电网公司的代理商,该电网公司从该城市的所有DES收集电力[12]。 它是能源市场上的垄断者,购买城市中由DES产生的电能。DESS将剩余的能源(在其社区消费后)出售给APG以赚取收入。URJA如果扩展到多个城市,可以创造一个更大的可持续生态系统。 所有APG彼此互连以形成用于共享功率的对等(P2P)网络。由中继网络、智能社区和云基础设施处理的联盟区块链构成了架构的信息子系统 中继网络中的节点在混合P2P网络中相互连接,并通过gossip中继最新的信息。中继网络被分组为簇,并且每个簇具有簇头。为了简单起见,中继簇头将被称为簇头(CH)。CH和经理扮演的角色相当于加密货币术语中的矿工。CH实例化联盟区块链。 联盟区块链是公共和私有区块链的混合体。智能社区和DES中的管理器维护一个本地不可变账本和私有区块链,分别用于以时间顺序的方式记录内部交易。Zheng等人 [13]解释了公共、联盟和私有区块链之间的区别。拥有多个区块链(私有和联盟)来存储数据的好处是双重的:(a) 私有区块链确保数据的可见性仅限于本地集群,从而降低了隐私泄露的风险(b) 由于存在多个链中发生的并行事务智能设备使用云存储来存储和共享集群外的数据。3.1. 框架的核心组成部分本节将详细讨论架构中使用的一些关键术语1. 地址:智能社区、DES和APG中的每一台设备都必须有一个身份,才能成为能源互联网子系统的一部分尽管我们的框架支持几乎无限数量的地址(加密身份),但为了确保其交易的隐私性,必须对其进行限制。限制地址的数量将有助于遏制像Sybil攻击这样的攻击。网络是公共的,并在网络中共享但是,A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000904使得外人难以将该地址映射到该设备。作者在Ref。[14]使用ECDSA公钥的散列作为地址,拥有相应私钥的设备被称为拥有该地址。在文献中有很多可供选择的密钥生成技术,但我们不在本文中讨论它们。请注意,一个设备必须至少创建一个地址,并且一个地址只能由一个设备创建。2. 事务:任何两个实体之间的通信称为事务。能量子系统的三个层中的交易以三种不同的格式存储在信息子系统中,因为它们具有不同级别的安全和隐私要求。智能社区(例如智能家居)的各个实体内的交易记录在由其各自的管理者维护的不可变的本地分类账中。本文不讨论这些事务,因为它们不是网格操作的一部分智能社区内实体之间通过DES管理器进行的交易记录在私有区块链中,而具有APG的交易则包含在联盟区块链中。 事务需要由两个实体(请求者和被请求者)签名,才能被视为有效事务。这样的事务称为多重签名事务。 该事务有两个自定义字段,分别表示当前事务的请求者和被请求者之间接受和拒绝的事务总数Ta和Tr [15]。URJA框架由以下访问控制相关事务组成:Genesis:用于向智能社区添加新实体(例如智能电表),Access:访问存储在管理器的云或本地存储器中的数据,Store local:用于将数据存储在本地存储器中,Store:用于将数据存储在云中,Monitor:在有限时间内访问设备的实时数据,Kill:从网络中删除设备在启动新的能源交易之前,生产者和消费者之间将进行互动。相关的交易是:OfferToSell-生产者(DES或prosumer)以特定的单位价格出售出售要约电力,AcceptToBuy-消费者的回应,其愿意以报价购买的电量,以及EnergyTraded-消费者在能源交易后的回应。该框架不包括本工作中与支付相关的谈判或访问控制策略写在一个名为TradeContract的智能合约中,交易策略存储在区块链中名为TradeContract的智能我们框架中的访问事务是一个四步过程,我们使用基于令牌的方案FairAccess的修改版本来解释它[14,16]。该框架也可以独立于令牌方案工作我们不详细说明发行令牌的过程,而只是我们建议对实体进行粒度访问控制的修改。访问事务的四个步骤如下:(a) GrantAccess事务:各个实体的管理者创建它,管理者作为请求者,而Contract的地址作为被请求者。它用于在区块链中部署智能(b) RequestAccess事务:它由请求者(任何实体)创建,其中一个公共地址作为请求者,被请求者的公共地址作为被请求者。然后,被请求方的管理器将请求重定向到其智能合约,称为智能合约。因此,智能合约被触发。然后它独立执行,如果满足智能合约中的标准,则会生成授权令牌。如果满足标准,URJA会发出一组令牌(带有到期计时器),前提是请求者具有高信任度并且需要频繁访问。 当请求者必须多次访问被请求者时,这可以节省时间。(c) AllowAccess事务:它由CH在RequestAccess事务中验证请求者和被请求者地址后创建,并相应地向请求者颁发授权令牌如果在在任何时间点,被请求者想要拒绝请求者的访问,它可以通过在智能合约中进行必要的改变来撤销令牌来这样做。 DES管理器为它的每个实体维护一个授权令牌列表。这确保了在DES级和实体级的双重有效性检查(d) GetAccesstransaction : 它 由 具 有 与 GrantAccess 和RequestAccess中使用的公共地址相同的公共地址的请求者创建,因为令牌是为一对请求者和被请求者地址颁发的。此交易赎回授权令牌。 提供令牌并不意味着请求者可以确定地访问被请求者。被请求者总是可以决定是否接受令牌。因此,终端设备完全控制其数据。3. 私有区块链:属于一个社区的所有实体根据所需的安全和私有级别分为三类这有助于为连接的实体提供基于需求的安全和隐私我们任意选择了一组三个类;在某些用例中,它可以最小化为两个甚至一个,这取决于所需的安全和隐私级别。DES维护一个私有区块链,用于记录每个类的交易每笔交易都被写入一个区块,这些区块被附加到区块链上,而不需要任何复杂的共识协议。这是因为DES管理器维护的私有区块链是许可和集中的。 这意味着管理器是唯一有权添加块的点。然而,一些受信任的中继节点维护区块链的副本,以确保服务的快速可用性并避免单点故障。这样做是最佳的,也是优选的,因为它是专用网络。然而,联盟区块链是授权和分散的,即, 任何具有正确权限的CH都可以向区块链添加区块。4. 联盟区块链:中继网络中的每个节点都维护联盟区块链的副本,以便可验证的签名交易立即可用于整个网络。因此,与集中式架构的情况不同,不存在资源不可用的可能性,并且处理中的延迟显著减少。然而,只有CH参与提议、验证和添加块。为了确保所有节点都拥有相同版本的区块链,有必要制定共识协议。该框架使用基于信任的共识方案TCON [4],在第3.4节中作为协议进行了详细说明。5. 区块结构:区块链中的每个区块都包含一个区块头、一个策略头和一组交易,如图所示。二、区块头包含前一个区块的哈希值,以保持区块链不可变。策略头包含最新Access- Contract和TradeContract的地址管理层合约持有由各管理者界定的存取控制策略,以规管及授权对其数据的存取。 它是一个存储在区块链上的具有唯一地址的脚本。对于每一个产消者,他们各自的管理者定义了一个负责访问策略的可扩展合约。TradeContract持有卖方就交易其能源而界定的能源交易政策它包括诸如出售能源的最佳价格、何时触发能源请求或出售能源的要约等策略。 最新的块包括已经广播到网络的最新的加密合约和交易合约,如果它们还没有被包括的话。 图 2代表具有交易格式和加密合约的联盟区块链。请求者参数引用请求者的公共地址。对于社区内的交易,此字段由智能电表或智能车辆的设备ID填充策略标头中的第二列指示事务类型策略头中的第三列是被请求实体的设备ID,最后一列action指示是否授予权限。交易存储在区块链中,如图所示。二、的A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000905图二. 由中继网络和分布式能源站(DES)管理器维护的区块链概述,以及交易,加密合约和贸易合约格式。前两个字段用于将同一设备的交易彼此链接,并在区块链中唯一地标识每个交易。 第三和第四字段指示请求者和被请求者的设备ID。字段指示交易的类型,并且签名的交易被存储在用于交易历史的字段中。 这有助于在任何时间点检查交易的有效性。6. 管理器:DES管理器是一种集中处理社区传入和传出事务社区中的所有实体都由管理员注册。访问控制和交易政策由各实体的管理人员单独设计 这些策略的框架使得数据始终属于所有者。管理器负责验证、授权和审计事务。管理器使用共享密钥与实体进行交互。管理器还参与生成创世纪事务、分发和更新密钥以及更改事务结构。管理器根据事务请求将数据存储在本地存储或云中。7. 集群头(CH):CH具有与管理员类似的功能。与处理私有区块链的管理者不同,CH处理的是联盟区块链和共识机制此外,管理器与本地存储和云交互,而CH仅与云交互。3.2. 访问控制机制1. APG之间:APGContract确保APG被授予对彼此的访问权限。然而,为了透明,每一笔访问交易都记录在联盟区块链中。2. APG和DES之间:考虑APG想要访问DES服务的情况。最初,所有DES 管理器向中继网络中的它们的可信CH列表(TCL)CH广播GrantAccess事务。CH会将交易记录在一个区块中,一旦它成为联盟区块链的一部分就会为其所有设备/服务部署一个区块链合约。请求者APG在需要时发出访问DES服务的请求,如果它还没有这样做的授权令牌。然后DES管理器将其重定向到部署在区块链中的加密合约。APG管理器检查它是否遵守了CNAS合约中的访问控制策略,并获得输出。然后经由RequestAccess事务将其发送到中继网络CH(TCL成员)。然后,CH触发智能合约并验证APG是否符合策略。 一旦发现兼容,CH生成授权令牌并通过AllowAccess事务将其转发给APG。当DES想要访问APG时,步骤相反3. 在prosumers和DES之间:在这里,社区中的所有消费者管理器都向DES管理器发送GrantAccess事务。 DES管理器会将交易记录在一个区块中,一旦它成为私有区块链的一部分,就会为其所有设备部署一个加密合约。然后请求者向DES管理器提交请求访问事务DES管理器充当分布式策略分发点(dPDP),其通过执行由被请求设备的管理器部署的HTTP合约来验证事务并检查请求是否符合定义的策略自动执行的EASPContract决定是否通过一个AllowAccess事务向请求者地址AllowAccess交易记录在相应的区块链中,令牌出现在请求者的授权令牌列表中。最后,请求者通过GetAccess事务将授权令牌提供给被请求实体。被请求方的管理者通过参考区块链来检查授权令牌的有效性这使得在被请求方端易于验证交易如果有效,则授予访问权限;否则,拒绝访问权限一旦获准访问,请求者就可以利用被请求者提供的任何与能源贸易有关的3.3. 能源交易机制DES主要有三个高级功能:i)通过向居住在其社区的居民提供所需的能源来为他们服务,ii)向其相应城市的APG出售电力以获得收入,以及iii)从产消者购买剩余能源以获得额外的能源供应代理人的效用是以较低价格购买电力并以零售价格出售电力所获得的如果APG提供了一个高价格,DES将出售更多的电力单位但这会减少他们的利润。这可以作为一个优化问题来解决,就像在参考文献[1]中一样。[17]或者像参考文献中的博弈论问题[12 ]第10条。解决方案不是本文的重点我们假设,实体将采用一种合适的技术,并选择一个最优的价格购买电力。根据合约理论,智能合约TradeContract是为有效的能源交易而设计的。 智能合约可以被设计为在消费者端触发事件,例如消费者的能量水平低于某个阈值时,只要生产者以低于阈值的单价提供报价,等等。除了APG,消费者只能从那些有出售要约的生产商那里购买能源1. DES和产消者之间:在社区内,DES管理者和产消者管理者之间的互动是相互的A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000906≤þþþþþþþþr¼0r产消者管理者制定其能源贸易政策,以确定何时触发出售出售要约请求以及何时接受要约。因此,作为一个产消者,它不仅可以在能源方面自给自足,而且还可以销售和赚取收入。能源贸易政策包含在贸易合同中每次实体想要出售时,它都会向相应的管理器发送一个OfferToSell事务,其中包含请求者和被请求者的地址。OfferToSell是一个请求,AcceptToBuy是一个响应。这意味着只有当存在有效的OfferToSell请求时才能发送AcceptToBuy事务。如果请求者和被请求者属于同一个社区,则使用智能电表的设备ID;否则必须使用公共地址来代替这两个地址。生产者管理器然后将要约交易转发到DES。然后,DES管理器在其私有区块链中验证并记录交易任何买家现在都可以向DES发送AcceptToBuy交易DES管理器检查地址字段,并确定它是集群内操作还是集群间操作。其随后根据最新TradeContract验证交易的有效性,并据此进行能源所有交易,包括EnergyTraded交易,都记录在私有区块链中,以保持交易历史和可供销售的净能源单位2. APG和DES之间:在社区之外,互动是在DES管理器和APG管理器之间。制定能源贸易政策的是卖方经理。DES记录了它自己和当地产消者能产生多少能量。 基于能源供需报表,它接受从电网购买/出售能源。 每当DES想要出售/购买时,它向TCLCH发送OfferToSell/AcceptToBuy交易。在这里,DES不需要等待来自APG的OfferToSell请求来引发AcceptToBuy响应,因为电网是主要的发电机并且报价总是开放的。CH会将交易记录在一个区块中,一旦它成为联盟区块链的一部分,就会部署一个TradeContract。中继网络转发接受的交易,直到找到相应的卖方管理器。卖方管理器然后将响 应 重 定 向 到 其 TradeContract 。 最 近 的 TCL CH 通 过 执 行TradeContract验证交易并检查请求是否符合定义的策略。交易合同的自动执行决定是否交易能源。然后,EnergyTraded交易记录在区块链中,并更新可供销售的净能源。交易合同和贸易合同确保交易只发生在授权方之间。能源的供应可能来自多个来源,因此,消费者必须根据价格优化由哪个供应商提供总需求的哪一3.4. 多数诚实环境TCON是一个分布式的基于信任的共识方案,提供基于需求的安全性和隐私性。适用于URJA的这种共识机制的主要特征如下[4]:1. 每个管理器都保留一个被称为可信CH列表(TCL)的可信CH列表。2. 只有合格的CH才能验证区块以快速达成共识。3. 数学上制定的信任度量决定了必须验证新区块的CH数量以及要验证的交易数量4. 一致性算法的收敛性根据所需的安全级别进行调整。5. 恢复三分之一的拜占庭投票权。我们假设中继网络是部分同步的,消息的传递时间有一个有限但未知的上限。 这意味着网络中存在任意但有限的延迟。还假设所有非拜占庭节点都可以访问内部时钟,该时钟可以在短时间内保持足够准确,直到达成共识。不要求时钟必须在全球时间上达成一致,甚至可以相对于全球时间以某种有界速率漂移[18]。该算法适用于八卦网络上的区块链,容忍高达三分之一的拜占庭投票权。对于前几个区块,所有实体都被设置为信任因子零,所有交易都必须被验证,就像比特币区块链一样。每个经理都将其交易转发给各自TCL中的CH 根据信任函数的值和成功验证的区块数量,必须根据其优先级类别验证不同的交易集。名为LeaderContract的智能合约选择leader CH来提议并添加(提交)新区块。一个LeaderToken被发行给CH领导者,它赎回令牌以在区块链中添加一个新的区块。令牌的引入避免了链的分叉。中继网络由N个CH组成,其中最多t N/3个CH是恶意的。我们考虑拜占庭攻击的情况下,不诚实的节点不需要遵循正确的共识程序这些社区卫生组织可以相互合作,也可以根据自身利益策略独立工作。 在这样一个生态系统中,只有当大于t的多数同意一个区块时,共识才有可能。因此,在TCON中,基于t1个投票(加密签名)来接受或拒绝块一个有效的块获得至少t1赞成票,只有当它是vali- dated由2t 1验证器,因为有一个可能性t恶意CH的坏话的有效块。一个块只有在它从2个 t1验证器收到至少t1个赞成票时才被视为有效然而,对于一个要被拒绝的无效块,有t1个反对票就足够了,不需要通过2个t 1个验证器。 由于一个无效的块最多只能收到t个赞成票,因此确保有t 1个反对票将确认一个无效的块。简而言之,TCON试图节省计算和通信能量、成本和时间。一致性算法在图1中的流程图中详细描述。 3. 尽管所有验证者都有相同的投票权,但值得信赖的CH会收到更多的区块,因此有更多的机会成为共识的一部分当三分之二的验证者签署了该块的提交投票时,该块被认为是提交的共识机制提供了更高的事务吞吐量,同时减少了流量和处理开销。因此,TCON可以增强URJA的操作。惩罚:每当一个区块被丢弃时,除了无效交易之外的所有交易都将进入未控制的交易池(本地缓存)。无效事务的所有者(管理者)被告知特定CH已经使其事务无效,并且管理者跟踪无效事务请求和识别它的CH。 这将有助于阻止未来的无效交易,如果他们是从发送者的国际。此外,它防止CH故意说交易无效(说坏话),因为每当其交易被拒绝时,由管理器维护的CH的信任得分就会递减。因此,CH将不会从管理器获得任何交易,因此将具有较少数量的交易来形成块。这将使它不能成为领导者节点并提出一个块。4. TCON的数学分析假设一个区块中有n笔交易 假设X是一个交易被验证的事件,P是一个交易被验证的概率。 交易被至少t个CH(诚实多数)验证的概率如下:PX≥t11-Xtvp1-pv-r(1)A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000907≥ þ≥ þ≥ þ≥其中v是验证器的数量图三. 协商一致机制的流程图CH:簇头。从0.33 μ 1到0.99 μ 1变化,即,34%-100% 。可以看出该事件的概率分布Eq. (1)发生在诚实的大多数情况下,P(X t1)是块中所有交易成功验证的明确指示符(参见引理1)。为了便于分析,我们认为信任值在所有CH中是统一的请注意,这个假设与实际的实现并不矛盾,在实际的实现中,CH可以具有不同的信任值。图4示出了对于5000个交易的块,在100个CH的网络中,交易验证概率从0.5变化到1的P(X t 1)的变化。这些值是针对不同的验证器计数计算的当每个验证者每个区块验证的交易数量(交易验证概率)增加时,交易被诚实多数验证的概率增加。 如果基准被固定在P(X t1)0.99,则可以实现具有0.5的事务验证概率和88%的验证器计数的配置。同样的基准测试可以用较低的验证器数量(比如66%)和较高的事务验证概率(0.65)来实现。事务验证概率和验证器计数之间的权衡可以帮助获得事件概率的所需级别A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000908≥ þ图四、 由诚实多数CH验证的事务的概率分布:簇头。图五. 在验证者占66%、交易计数为1/4 1000的网络中,P(X ≥ t <$1)随交易验证概率的变化。从图 5,我们可以理解,在一个CH数小于100的网络中,只有当交易验证概率超过0.7时,概率才会增加到90%以上。然而,在具有1000个CH的网络中,即使在0.55的较低验证概率下也会发生这种情况这是因为随着CH数量的增加,验证器的数量也会增加。在这里,我们将验证器的大小固定为网络大小的66%因此,我们可以推断,每个交易被诚实多数验证的概率取决于每个验证者CH的交易验证概率和验证者CH的数量图6比较了网络中P(X t 1)的变化,其中CH的数量不同,交易验证概率从0.5到1变化的验证器为66%。结果与块大小无关与前面的情况类似,当每个验证者每个区块验证的交易数量增加或CH的数量(反过来,验证者的数量)增加时,交易被诚实多数验证的概率增加可以看出,在100个CH的网络中,当每个CH验证的交易数量超过90%时,交易被诚实的大多数验证的概率超过90%。图第六章 当事务计数为1/4 5000且验证器为1/4 66%时,对于不同事务验证概率,P(X ≥ t <$1)随网络中簇头(CH)数量的变化。A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)1000909þþþþþþþþþþþþþ þþ块至少为60%。然而,当在400个CH的网络中时,每个区块验证的交易数量等于55%时,就会发生这种情况我们还可以观察到,0.65给出了优异的性能,即使当CH的数目低至100时。因此,65%将是交易验证概率的最佳值我们可以推断,每个交易被诚实的大多数人验证的概率取决于交易验证概率和验证者CH的数量根据上述发现,这些参数中的每一个都是变化的,使得每个交易被诚实的大多数验证的概率保持大于由用户应用程序的安全要求必须在验证者的数量和事务验证概率之间进行权衡,即,必须选择验证较少事务的更多验证器或者每个块验证较多事务的较少验证器。根据用例,我们可以选择最大化验证器或事务。假设如果通信时间更多或者每个事务的验证时间更少,那么验证器的数量应该减少。然而,如果通信延迟低或处理时间高,我们必须减少每个验证器的事务数我们选择67%的CH进行65%的事务验证,1/4N/3。考虑存在N个CH的情况,其中在最大tCH可以是恶意的,其中t≤N/3(即,三分之一的拜占庭攻击)。引理1.任何至少有t的块 通过2t 1后获得1张赞成票CH可以有效。Given:块是有效的。假设:假设有效区块得到t个downvotes。(假阴性)证明:由于最多只有t个拜占庭CH,所以一个有效区块可以获得的最大反对票数量是t,剩余的投票将来自诚实的CH。诚实的CH诚实地遵循验证过程,因此,当有效块遍历t1个诚实CH时,它肯定会获得至少t1个赞成票因为对于该块,多数赞成票(t1)比多数反对票(t)多,所以该块被认为是有效的。必须验证块是2t1(1/4t 1) CH。因此,在通过2t1个CH之后具有至少t1个赞成票的任何块可以被认为是有效的。引理2.任何带t的块 通过至少t1后的1个downvoteCH可视为无效。案例二:误报:无效区块获得支持。Given:块无效。假设:假设无效区块得到t个支持。证明:一个无效的区块可以获得至少t个支持,因为最多有t个拜占庭CH。如果无效区块中的无效交易不存在于其选择的待验证交易列表中,则诚实CH可能会对无效区块投赞成因此,有必要确保每个事务至少由t 1个CH进行验证。 这是通过固定交易验证概率和验证者数量来确保的(如上所述)。 一旦一个诚实的CH识别出一个无效的交易,它就把这个区块发送回已经投票的CH,通知无效的交易ID。诚实的CH检查交易,如果他们还没有这样做。因此,它确保了只从t拜占庭CH获得赞成票。在最坏的情况下,区块必须遍历2t 1个CH以获得t1个否决。然而,如果第一个t1个CH是诚实的,他们将在遍历t1个CH时获得t1个反对票这意味着t1个downvotes是块无效的指示符有效块不可能获得t1个否决,因为只有t个拜占庭CH。为了确保终止,所需的票数不应取决于拜占庭CH的票数;拜占庭CH可以延迟投票或根本不投票换句话说,一个有效块可以预期的最大赞成票和反对票数量分别为2t和t一个无效的区块可以获得2t个反对票和t个赞成票。使用传统方法的细粒度访问控制导致系统复杂,并且添加新角色通常需要系统范围的这阻碍了系统的可扩展性URJA采用了基于智能合约的访问控制技术,这使得访问控制策略的实施和未来更新变得容易。URJA的性能必然依赖于TCON的平稳运行TCON的安全性和性能优点也适用于URJA [4]。它比其他非基于信任的区块链有了显著的改进。5. 执行图图7显示了模拟智能电网应用的概念验证原型,该应用旨在实现最大效率和可再生能源使用。该模型有两种类型的源连接到它;一个是不可再生的电网,另一个是可再生的,如太阳能电池板。 电网提供交流电,但太阳能发电是直流电,因此必须使用逆变器转换为交流电。继电器开关用于在两个电源之间交替。继电器是一种机电开关,当线圈被磁化或消磁时(电磁感应原理)打开和关闭电路 它现在被用于每一个智能小工具,以实现远程操作[19]。 作为设计原则,电路默认连接到太阳能电池板。智能电表使用基于ESP8266的物联网板实现电流传感器和图第七章 实施概念验证。A. Prabhakar,T.Anjali区块链:研究与应用3(2022)10009010×电压传感器通过Wi-Fi连接到智能电表使用ThingSpeak公共信道能量监测器(信道ID:123773)的读数模拟传感器电路[20]。ThingSpeakAPI是一种物联网分析平台服务,允许人们在云中聚合,可视化和分析实时数据流[21]。数据可以下载并存储在本地以备将来使用。 我们创建了一个私有通道URJA(通道ID:1340231)[22]来从公共通道获取读数并模拟我们的系统。该应用程序可用于更改切换继电器的功率阈值 它还有助于使用手机或电脑远程监控物联网设备。 当电路通电时,智能电表会检查Wi-Fi网络,一旦连接,它会请求传感器读数并将其转换为RMS值。在这种情况下,它使用API密钥来请求API客户端,该API密钥对于智能仪表是已知的 如果使用真实传感器,则可以通过Wi-Fi或有线连接获得传感器读数。电流和电压传感器读数分别为I和V用于使用公式P-VI计算消耗的功率P的智能合约被编码为,如果电力消耗超过预定义的限制或太阳能电池板的电力生产,它会向继电器发送信号,将电力从太阳能电池板切换到电网。这样做是
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