Consortium Blockchain for Secure Energy Trading in Industrial Internet of Things

主题：用联盟链解决工业物联网的能量交易问题

主要工作：

1. 针对工业物联网(IIoT)里能量交易的安全与隐私问题，提出能量区块链(energy blockchain)
2. 为了减少由交易确认的延迟造成的交易限制，提出一个基于信用的支付方案，以支持快速和频繁的能源限制
3. 在体系里构建了一个能量银行，并使用Stackelberg 博弈进行基于信用贷款的最优定价
4. 对能量区块链解决的安全问题，能量区块链的性能，基于信用的支付方案的性能做分析

1. 问题背景

满足IIoT不断增长的能源需求是一个挑战，而且IIoT节点的数量和性能需求不断增长。之前的研究已经提到IIoT节点可以以P2P方式与其他节点交换其剩余能量，从而达到能量的供需平衡。结合energy harvesting, wireless power transfer, and vehicle-to-grid等技术，IIoT目前有三种典型的能量交易场景。

1. Microgrids：具有太阳能电池板或风力发电机的智能建筑物可形成微电网，其中建筑物在微电网中以P2P方式收集环境能量并相互交换能量。
2. Energy harvesting networks：具有能量收集能力的工业节点可以从可再生能源获得能量，也可以使用P2P的能量交易方式通过移动充电桩进行无线充电。
3. Vehicle-to-grid networks：电动车辆在电网负载小时充当能量存储设备，在负载高时把能量送回电网。也可以以P2P的方式把能量出售给邻近的需要充电的电动车辆。

现在面临的安全与隐私问题：

1. IIoT节点在不可信和不透明的能源市场中进行大规模分散能源交易是不安全的。
2. 具有剩余能量的IIoT节点由于担心隐私而可能不愿意作为能源卖家参与。在这种情况下，IIoT节点之间的能量供需是不平衡的。
3. 在P2P能源交易中，有一个中介来审核和验证IIoT节点之间的交易记录。

这篇文章用了联盟链来解决这些问题，提出了自己的方案，主要的工作如文章开头所述。联盟链的突出特征是区块链中存在有特殊权限的超级节点来维持链。下面分别介绍几个主要工作。

Energy blockchain

针对上面提到的三种典型的能量交易场景，提出一个通用的成本可接受的能量区块链。

通用的P2P能量交易框架

首先抽象三个场景得到一些实体：

1. Energy nodes：IIoT节点（例如，智能建筑，工业传感器和电动车辆）在P2P能源交易中扮演不同的角色：能源购买者，售卖者和闲置节点（不买也不卖）。每个节点根据能源状态和未来的工作计划选择自己的角色。

2. Energy aggregators：EAG作为能源中间人来管理与能源交易相关的事件，并为IIoT节点提供无线通信服务。在不同的能源交易场景中，EAG对应于不同的物理实体。例如，微电网中的高级计量基础设施、能量收集网络中具有计算和存储能力的enhanced-based station。vehicle-to-grids中的local aggregators。

   下图展示了EAG中的四个实体：交易服务器(transaction)，信用银行(credit bank)，账户池(account pool)，存储池(memory pool)。交易服务器从能量节点收集能量请求，并匹配能量交易。这里使用能量币(energe coin)来作为加密数字货币流通。每个能源节点都有一个能量币账户来存储个人交易记录。有一个相应的钱包来管理这个帐户中的个人能量币。用公钥作钱包地址，所有钱包和相应的钱包地址与能量币账户之间的映射关系存储在本地账户池中。EAG中的帐户池记录和管理能量节点的个人钱包地址中的能量币资金。内存池存储本地能量节点的所有交易记录。

   

3. Smart meters：每个IIoT节点中的内置智能电表可实时计算和记录交易能量。买家根据电表的记录向卖家支付费用。

区块链构建

传统区块链（文中指的应该是比特币区块链）是在所有节点间用高花费的PoW达成共识，这篇论文提出的energe blockchain由EAGs收集和管理交易记录，并只在它们中间达成共识，打包成块，然后存在存储池里。整个过程描述如下：

1. 系统初始化

   能源节点要在可信管理机构（比如政府）注册后才能成为链中合法实体，并得到它的公私钥，证书和一组钱包地址。管理机构生成包含ID和这四部分的五元组，存在账户池里。当节点执行系统初始化时，把它使用的钱包地址上传到最近的EAG的账户池，检查钱包的完整性，并从EAG中的存储池和信用银行下载它钱包的最新数据。存储池把所有交易记录存在能量区块链里，信用银行记录基于信用的支付。

2. 选择自己在能量交易中的角色

   节点根据自己当前的能量状态和未来的工作计划选择作为能量的卖家还是买家

3. 交易能量

   买家发出的包含需要的能量数目的请求发到邻近EAG的交易服务器，交易服务器计算总的能量需求并把这些需求广播给卖家，同时，EAG作为能量交易的中介，会根据当前交易环境设定能量价格，刺激卖家的参与。卖家确定它们要卖的能量数目然后响应交易服务器，之后交易服务器匹配供需，最后通过电线或无线电力传输完成能量从卖家到买家的传递。

4. 能量币支付

   就是能量币在买卖双方钱包地址中的转移，能量币不够的买家可以根据它的信用从信用银行借能量币。买家生成交易记录，由卖家进行验证和签名。最后交易上传到EAG并达成共识上链。一笔交易完成后，买卖双方的信用值都会增加。

5. 生成块并上链

   过程和比特币差不多，仍然是通过包含前一个块的哈希成链，通过PoW做工作量证明，所有EAG验证里面交易的合法性和工作量，只是参与者只有EAGs。

这里唯一不同的是共识是在EAG之间达成的，所以比传统区块链块，当交易数量增加时，也可以很容易扩展其计算力和存储资源。无论这个P2P网络规模多大，当EAGs的数量固定时，达成共识的时间也是固定的。

2. 基于信用的支付系统

参与共识的只有EAGs，相比于传统区块链交易确认时间有了很大提高，但频繁的能量交易过程中，很可能能量节点想交易没能量币，所以这里面设立了能量银行机制。能量银行有足够的能量币，可以根据信用给能量节点贷款，信用的提升或降低是根据节点完成交易的行为确定的。而且，这里的贷款也不是直接把能量币打到贷款者的账户，而是开了一个贷款者和能量银行都能控制的共享账户。

3. 基于信用的支付系统的最优定价策略

用的是博弈论的思想，没有细看，话说这个和之前Dusit Niyato那篇“Edge Computing Resource Management and Pricing for Mobile Blockchain"挺像的，都是利用博弈论思想做定价分析，只不过这篇是节点从设立的能量币银行借能量币，那篇是资源有限的节点从主机或基站借算力。

4. 安全和性能分析

三方面，能量区块链解决的安全问题，能量区块链的性能，基于信用的支付方案的分析

能量区块链的安全分析

其实没什么新意，就是区块链技术相对于常规技术能解决的普遍的安全问题

• 去除可信中介
• 钱包安全和交易验证
• 数据不可篡改
• 没有双花问题

能量区块链的性能分析

由于参与共识的节点数量大大减少，交易的确认时间得到缩短。能量节点在没有能量币的情况下能从能量银行借贷，从而增加了单位时间的交易量，不至于因为没钱造成等待，从而抵消好不容易缩短的交易延迟。一句话，这个方案能支持快速和频繁的能量交易

基于信用的支付方案性能分析

最后的结果是这个方案对IIoT的能量交易时有效且高效的，并且能达到最大的经济效益

5. 总结

三个能量交易场景，一个能量区块链，一种基于信用的支付方案，一个基于Stackberg博弈的最优定价策略。

最后是安全性和性能分析。