基于PBFT區塊鏈技術的電網企業倉儲系統

楊春燕，賓冬梅，黎新

工程與應用

基于PBFT區塊鏈技術的電網企業倉儲系統

楊春燕，賓冬梅，黎新

（廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧 530012）

提出了一種基于實用拜占庭容錯（PBFT）算法的區塊鏈技術，首先對傳統的實用拜占庭容錯算法原理進行了闡述，該傳統算法包含前期、需求、預準備、準備、確認、答復6個階段，但傳統算法具有實時性差、缺乏懲罰機制、帶寬高的缺點。針對出現的這些問題，又對傳統算法進行了改進，具體涉及記賬節點、共識過程以及視圖切換過程。通過測試進一步證明了該改進算法的實用性，并將該算法應用于電網企業中，構建的虛擬倉庫實現了聯儲聯備，降低了庫存資金的耗費，并且提高了電網企業庫存管理的效率。

實用拜占庭容錯算法；區塊鏈技術；虛擬倉庫

1 引言

區塊鏈技術是目前最受矚目的技術之一，電網、物流等相關領域都有其身影，隨著其技術的發展，人們的社會生活變得更加智能化。目前在我國，越來越重視區塊鏈技術，中國科學院等研究機構都在研究提高區塊鏈技術的性能，參與到區塊鏈技術研究中的科研單位變得越來越多[1-5]。就區塊鏈的算法來說，實用拜占庭容錯（PBFT）算法具有吞吐量高、交易時延低等特點，是目前公認解決拜占庭問題最優秀的算法[6]。PBFT對原先拜占庭容錯算法而言，在口頭協議和書面協議的時間復雜度方面有了極大進步，其復雜程度也大大降低，因此從理論層面解決拜占庭問題過渡到了實際應用的層面。系統做出準確判定的前提是當拜占庭節點的數量為時，副本節點的數量為3+1。主節點在一個視圖中是獨一無二的。新的主節點只能在原主節點達成共識，系統重新執行視圖更換協議后產生。電網企業的分散式采購形成了相對封閉的物資儲備信息，使得應急情況下物資無法在分子公司間進行高效調配。本文采用基于PBFT的區塊鏈技術的電網智能虛擬倉庫平臺，解決以上問題。

2 實用拜占庭容錯算法

2.1 算法流程

實用拜占庭容錯算法包括前期階段、需求階段、預準備階段、準備階段、確認階段、答復階段，算法流程[7-8]如圖1所示。

下面對該6階段分別進行闡述。

（1）前期階段，設定相關時間節點，每通過一個時間節點時，利用投票法隨機挑選一個副本節點使其成為主節點，其余的節點作為備份節點使用。

（2）需求階段，相關服務的請求命令被傳送給區塊鏈系統客戶端的主節點。

圖1 實用拜占庭容錯算法請求命令的傳送流程

（3）預準備階段，當用戶端的請求命令到達后，主節點會整編其相應的信息，整編完成后，把該請求繼續傳遞給余下的副本節點，而得到的預生成區塊則當作特殊的共識請求處理。

（4）準備階段，副本節點得到相關的命令后，首先分析命令的合法性，分析通過后，就會對其余的節點傳遞信息。

（5）確認階段，對其余節點向相關副本節點傳遞的信息再進行分析，當接收到的請求命令一致時，再繼續進行信息傳遞。

（6）答復階段，當相關副本節點收到其余節點傳遞的肯定命令后，才會對相關請求命令進行執行，此時各個節點會把相關數據保存到區塊鏈中，給客戶端發送分析后的結果，當大部分的數據一致時，最終確認請求正確。

2.2 算法具體實施

同時滿足：

基于拜占庭容錯特性的共識需求，使其得到滿足，則有：

式（4）說明，在PBFT算法網絡下，當出現個非確認節點時，此時要確保有3+1個共識節點系統才能正常運行，所以PBFT算法允許的容錯率是33%，區塊鏈系統確保正常運行的前提是至少有2+1個無誤的副本節點。

PBFT算法是目前應用于區塊鏈中比較好的算法[9]，但是該算法存在許多問題，例如：PBFT算法的實時動態性較差，增減節點都需要初始化共識網絡；算法不具備懲罰機制；算法對帶寬要求較高，帶寬會由于節點數的增多而出現多項式級別增長的趨勢。

3 拜占庭容錯算法的改進

針對傳統算法的實時性差、缺乏懲罰機制、對帶寬要求過高等問題進行改進，包含記賬節點的選取、記賬節點之間的共識過程，以及視圖切換過程。

3.1 記賬節點的選取

區塊鏈網絡中制定智能合約，用來對候選節點進行選舉，并且該智能合約是不可以對其進行修改的，故在該網絡中，包含的節點可以參與選舉，進而成為候選節點，并可以在合約中提前設置好系統的通過率。為了防止系統中的拜占庭節點作惡，需要將通過率設置為大于2/3。

區塊鏈中的任何節點都可作為候選節點，并且在系統中的其他任何節點都可以投票給候選節點，投票選出的前個節點則可作為記賬節點，記賬節點的選取過程如圖2所示。這樣與傳統區塊鏈相比，其安全性得到了一定提升。

圖2 記賬節點選取過程

3.2 共識過程

用戶首先要對需要共識的部分進行簽名，并將簽名發送到區塊鏈的網絡中。用戶對共識請求進行廣播，若某個節點收到該共識請求，則接下來會對請求內容進行判斷，只有當內容滿足預先設定的條件時，才會對該交易進行轉播，之后再將該交易放入共識緩存序列。

當進行新一輪的共識時，區塊鏈系統首先會初始化本輪共識，之后網絡節點會在共識流程中體現，并且共識信息的封裝和簽名由PBFT的主節點來完成，主節點再將簽名后的消息進行全網廣播，網絡中的副節點要對該消息進行判斷，滿足條件的消息才會被副節點認可。

接下來副節點會對其進行判斷，如果該消息有效，則此節點會步入“準備”階段，對消息進行封裝和簽名，并向全網廣播，同樣副節點要在接收“準備”消息前判斷其有效性，當滿足判斷條件后，副節點會發出“確認”消息，接著還要進行下一步的判斷，判斷成功的“確認”消息會被加入“確認”序列，該“確認”消息表示共識網絡達成一致，至此共識過程完成。

3.3 視圖切換過程

視圖切換是指在規定的時間段內，主節點在區塊鏈中沒有響應，或在己經達成一定協議后，為了進入下一個共識階段而獲得新區塊的過程，視圖切換流程如圖3所示。可以將PBFT的視圖切換過程分為5步。

步驟1 大多數副節點在網絡中將共識視為不靈活或結束狀態時，會自動進入下一輪的共識過程中；如果是在不靈活狀態下，則該輪交易會被共識交易集合轉移。

步驟2 副節點創建“視圖改變”消息，會傳播在之前已經建立好的共識網絡中。

步驟3 副本網絡會接收“視圖改變”，但是在接收前依然要對其進行判斷。

步驟4 當“視圖改變”集合中存在2+1個“視圖改變”消息時，網絡會創建一個“新視圖”消息。

步驟5 當網絡中的副節點接收該“新視圖”消息之后，依然要判斷該消息的有效性。若滿足預先設定的條件，則該副節點進入下一個視圖狀態，并進入下一輪共識中。

圖3 視圖切換流程

改進后的PBFT算法的創新之處在于與傳統方法進行結合，在不需要所有節點都參與的情況下很好地解決了共識網絡的動態性和帶寬高的問題；并且由于該投票數據無法進行篡改，投票結果更具可靠性；網絡中的每個副節點需要滿足一定的判斷條件并添加了懲罰機制，使得網絡的安全性有所提高；記賬節點之間可以輪流分配到區塊權力，增加了區塊鏈的出塊效率；共識網絡中增加的超時重發機制可在一定程度上增加消息的到達率，進一步提高了網絡的共識效率。

各個電網分子公司可以根據需求提出倉單的申請，但必須在貨主倉儲資產價值內。倉庫審核倉單申請所填的倉儲資產情況，如實批準或拒絕該申請；監管公司進行商品質檢和倉儲資產確認，批準或拒絕該申請；平臺對倉單進行登記，并根據倉庫和監管的審核意見，決定批準或拒絕該申請。倉庫、監管、平臺分別審核，只要有一方審核失敗，此次申請就不通過并反饋給貨主，若三方都審核通過，則生成倉單。此外，每次審核后的數據都經過PBFT算法進行處理，并存入區塊中，形成一條完整的區塊鏈。

4 電網企業智能虛擬倉庫管理平臺構建

電網企業是資產密集型企業，分散式采購導致物資儲備在各分子公司，形成了相對封閉的物資儲備信息、地理隔離及系統壁壘，使得應急情況下物資無法在分子公司間進行高效調配，導致物資庫存居高不下、周轉緩慢等問題[10-12]出現。

現階段通過基于PBFT算法的區塊鏈技術構建物資聯盟網絡、搭建平臺、固化智能合約、持續優化并推廣應用，實現在省級分子公司范圍內對物資進行的統購統配和聯儲聯備[13-14]。進一步在區塊鏈技術的基礎上構建一種虛擬倉庫平臺，該平臺可以使電網系統中涉及的物資庫存進行實時查詢，再進一步實現共享和多形式的調撥。該方法能夠在一定程度上提高庫存物資的使用效率，并改善其自身的周轉率，在保證網絡正常運轉的前提下，降低了占用庫存物資的資金成本，進而也減少了儲備管理消耗。設計推進步驟如圖4所示。

系統采用分層和模塊化的技術體系，包括網絡通信層、網絡實體層、網絡服務層和智能合約層，公共支撐組件和安全防護組件，RPC API和Java SDK，最上層是區塊鏈應用和區塊鏈管理[15]。系統架構如圖5所示。

基于PBFT算法的區塊鏈技術在電網企業中具有良好的應用，通過基于PBFT算法的區塊鏈技術建立虛擬倉庫平臺，所有該區域分子公司的物資需求和庫存信息全部在虛擬庫層面共享，提高了庫存物資的統一管理水平，同時為區域內物資的調度調劑提供了可能，減少了庫存資源分布不均、信息不透明導致的過度訂貨和重復儲備[16-18]。庫存管理模式的改變提高了管理效益。虛擬庫的建立弱化了分子公司的二級庫存管理職能，整合了各分子公司相對獨立的庫存管理孤島。同時，物資庫存信息上鏈也大大提高了各分子公司的信息真實性和信任程度，降低了庫存信息更新滯后以及對供應商準時送貨不信任所導致的過度儲備，從而在一定程度上降低了占用庫存資金，并且實現了更好的供應鏈協同合作管理的效果。

圖4 設計推進步驟

系統基于聯盟區塊鏈平臺進行開發，通過物資虛擬倉庫管理平臺，建立在公司內部實時查詢、統一調配的共享機制，適用于電網公司全網。對應的架構及場景示意圖如圖6和圖7所示，系統分別由聯盟鏈層以及應用層兩大部分組成，其中指令的傳遞、應用數據的存儲、智能化協議的調配、基于智能化協議提供對應的應用服務等由聯盟鏈層負責。在這個聯盟鏈中，物資部和物資供應商一起構建聯盟，將省區市物資部和供應商之間、不同地市局物資部之間達成的商業協議，以智能合約代碼的形式進行定義，將流通環節的每一個部分都做好數據的登記與共享，其中包括物資的采購、運輸、入庫、出庫、轉儲、結算等。因為區塊鏈具有信息共享、透明、防篡改、可追溯特性，通過平臺運行，可以達到降低物資采購成本、降低庫存水平、提高物資供應效率的目的。

系統應用主要包括功能模塊如下。

（1）身份授權與權限管理

系統具有密鑰調配、權限管理以及身份認證等功能，運行模式與安全受限的聯盟鏈方式一致，只有經過身份授權與權限管理驗證的組織才可訪問使用虛擬倉庫管理平臺。

圖5 系統架構

圖6 應用結構

圖7 場景應用示意圖

（2）物資補庫業務管理

系統按照采購預算資金和耗費比例調配物資的補庫比例，主要是由于系統允許物資補庫業務上鏈。當物資數據上鏈以后，便可在區塊鏈環境下的不同部門之間流轉、共享。

（3）物資入庫與出庫

系統支持物資數據在區塊鏈上共享，物資所有權組織可以對鏈上物資進行入庫和出庫的管理。當物資入庫、出庫時，將相關信息寫入區塊鏈。

（4）庫存物資轉儲購銷

系統支持庫存物資信息在不同組織之間進行流轉，實現物資在全系統內的共享使用，降低庫存成本。區塊鏈上的流轉支持實時結算，擁有物資所有權的組織可以對物資進行出庫使用。

（5）分析看板

系統支持授權部分組織查詢區塊鏈上的數據信息，包括物資采購周期、庫存信息、數量和狀態信息，并且可以在區塊鏈上追溯物資的流轉過程。

（6）外部系統接口

系統還支持對物流系統的對接功能，可以在一定范圍內查詢到物資流轉和承接的信息。系統支持對接資金系統，可以跟蹤查詢統購統配資金流轉及狀態等信息。系統支持對接物聯網系統接口，可以實現物資流轉信息和狀態可信接入上鏈，保證數據的可靠性。

表1 區塊鏈模型產生的平均TPS

（7）消息推送

系統支持物資庫存更新消息推送，如果鏈上庫存金額、狀態或流轉信息進行了更新，可以主動推送消息到相關組織。支持資金信息更新消息推送，當鏈上資金信息有更新時，可以主動推送消息到相關組織。

相較于傳統的解決方案，區塊鏈技術賦能的虛擬倉庫，可以將分散在電網的各分子公司的庫存信息加密后進行開放、共享，既保證了企業數據的保密性，又實現了一定區域內的物資儲備信息共享，更好地應對緊急情況。同時，區塊鏈防篡改的優勢，也保障了物資庫存數據的真實性。

5 算法測試與分析

通過使用Python軟件對交易數為500~10 500的處理請求進行發送，在一定的時間內，區塊鏈完成了HTTP的請求，并按照請求創建了賬戶。由此可以看到在部分情況下，由于事務隊列的限制以及機器性能等問題，出現了事務處理失敗等問題。因此在這幾種情況下需要重新發送HTTP指令，保證事務處理都是成功的。進行一次測試得到的數據具有一定的隨機性與不確定性，因此需要再次進行測試情況下的生成賬號事務處理，并取兩次測試結果的平均數作為該情況下的TPS（transactions per second，每秒傳輸的事物處理個數，吞吐量）性能。每次計算HTTP的請求時，區塊鏈模型產生的平均TPS見表1。

通過表1可以看出區塊鏈通過請求發送單個HTTP交易數量所表現出來的吞吐量。在此基礎上可以通過HTTP請求使得區塊鏈可以進行資產交易。由于機器硬件的限制，現將單個HTTP請求中的事務處理數量從1 500增加到4 500，經過試驗后得到的結果基本一致。現對資產交易狀況進行與創建賬戶交易同樣的分析，當單個HTTP請求的交易數量為1 500~4 500時吞吐量的變化情況見表2。

表2 吞吐量變化情況

利用Python腳本對區塊鏈的資產交易能力進行測試，得到測試結果后再進行分析與討論。同樣，利用HTTP請求對區塊鏈進行資產交易，并且逐步増大單個HTTP請求中的事務處理數量的要求。進行了多次重復實驗之后的數據基本相同。現將資產交易情況下的數據進行一定的處理，從而便于分析吞吐量（TPS）的情況。

由于環境和局域網等多方面限制，HTTP請求的發送時延可以在一定程度上被忽略，因此HTTP命令中存在的事務處理請求時延可以被看成只源于區塊鏈自有的共識過程時延，創建賬戶狀態下的數據整合見表3。

表3 創建賬戶狀態下的數據整合

通過以上數據能夠看出，在創建賬戶時區塊鏈模型的共識過程時延只是毫秒級別，只要請求的TPS在可控的范圍內，系統的平均時延只有2 ms左右。區塊鏈模型在一定程度上避免了共識時間伴隨節點數量變化呈指數升高的問題，這體現出了區塊鏈技術在TPS性能和時延性能方面都表現得十分優秀，即使在現實的生產需求中，區塊鏈依然能表現很好，并且在虛擬倉庫管理中扮演著十分重要的角色。

通過區塊鏈技術在電網企業中的實施，電網在以下方面得到了改變。

（1）物資需求計劃與預測

基于節點中的存儲數據等相關信息都相同的特點，各基層單位所看到的需求量與當前的庫存水平是完全相同的，所以在此基礎上做出的全局預測會更為精準，并且該特點能夠有效降低當前庫存水平。

（2）物資采購

將物資與供應商關系，以及供應商各項數據上鏈，為決策提供數據支撐。

（3）物資結算管理

通過智能合約運作，7×24 h自動審核，減少相關人力投入，提升效率。

（4）物資儲備管理

企業的各基層單位能夠實現對于物資信息的共享，通過物資分析看板，能夠多方面地分析物資采購周期、庫存、數量和狀態等信息，進而可以實現全方位的統籌管理，提高物資儲備資金的應用效率，在一定程度上降低了物資儲備的管理成本。

（5）物資調配管理

通過智能合約的固化，減少人工干預，自動審批，提升效率。

基于PBFT算法的區塊鏈技術在電網企業中具有良好的應用，通過基于PBFT算法的區塊鏈技術建立虛擬倉庫平臺，所有該區域分子公司的物資需求和庫存信息全部在虛擬庫層面共享，提高了庫存物資的統一管理水平，同時為區域內物資的調度調劑提供了可能，減少了庫存資源分布不均、信息不透明導致的過度訂貨和重復儲備。庫存管理模式的改變提高了管理效益。虛擬庫的建立弱化了分子公司的二級庫存管理職能，整合了各分子公司相對獨立的庫存管理孤島。同時，物資庫存信息上鏈也大大提高了各分子公司的信息真實性和信任程度，降低了庫存信息更新滯后以及對供應商準時送貨不信任所導致的過度儲備，從而在一定程度上降低了庫存資金占用，并且達到了更好的供應鏈協同合作管理的效果。

6 結束語

本文通過將區塊鏈中的智能合約技術思想和PBFT算法在一定程度上進行結合，并在此基礎上對PBFT算法的實現過程進行改進，從而達到了對基于PBFT的區塊鏈技術的優化。此外，對于區塊鏈的優化使得該技術能夠更快投入使用，進而使得企業的生產效率有所提升。

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Storage system of power grid enterprise based on PBFT blockchain technology

YANG Chunyan, BIN Dongmei, LI Xin

Electric Power Research Institute of Guangxi Power Grid Company, Nanning 530012, China

A blockchain technology based on practical Byzantine fault tolerance (PBFT)algorithm was proposed. First of all, the traditional practical Byzantine fault tolerant algorithm was explained. The traditional algorithm included six phases: pre-stage, demand, pre-preparation, preparation, confirmation, and response. However, traditional algorithms had the disadvantages of poor real-time performance, lack of penalty mechanisms, and high bandwidth. In response to these problems, the traditional algorithm was improved, which specifically involved the accounting node, the consensus process, and the view switching process. The feasibility of the improved algorithm was further proved by testing. Applying this algorithm to power grid enterprises, the federal reserve system was implemented by the constructedvirtual warehouse, which also reduced the consumption of inventory funds. And the efficiency of inventory management in power grid enterprises was improved.

practical Byzantine fault tolerance algorithm, blockchain technology, virtual warehouse

F724

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021023

2020?06?23；

2020?10?02

廣西電網公司科技項目（No.GXKJXM20180280）

The Science and Technology Project of Guangxi Power Grid Co., Ltd.(No.GXKJXM20180280)

楊春燕（1991?），女，廣西電網有限責任公司電力科學研究院工程師，主要研究方向為網絡安全管理、電子信息技術、信息與信號處理。

賓冬梅（1990?），女，廣西電網有限責任公司電力科學研究院工程師，主要研究方向為網絡安全管理。

黎新（1987?），男，廣西電網有限責任公司電力科學研究院高級工程師，主要研究方向為網絡安全管理。