基于區塊鏈技術的電動汽車充電鏈建設與應用

陸莎

（甘肅機電職業技術學院 甘肅省天水市 741000）

隨著科技的快速發展，汽車產業朝著電動化、智能化方向發展，純電動汽車加快了我國汽車產業轉型升級發展步伐。充電鏈建設是實現電動汽車產業化發展的關鍵所在。如何建立安全可靠、靈活方便、成本低廉，且能為多方主體創造更多經濟社會效益是當前需要思考的課題。接下來，談談對基于區塊鏈技術的電動汽車充電鏈建設的幾點思考。

1 區塊鏈技術相關概述

1.1 區塊鏈數據結構

區塊鏈技術概念分為廣義和狹義兩個方面。其中，廣義上的區塊鏈技術是通過塊鏈式數據結構儲存并驗證數據、通過密碼學增加數據訪問與傳輸安全性、通過分布式節點共識算法形成或更新數據，實現編程與操作數據的分布式基礎架構和計算范式。狹義上的區塊鏈技術主要是遵循時間順序將數據區塊化進而形成全新的鏈式數據結構。

區塊作為鏈式結構的基礎單元，每個區塊都包含了默克爾樹根、時間戳、加密數據以及父區塊哈希值。這里的父區塊哈希值是依據父區塊數據根據散列算法計算而產生的固定長度字符串，這些哈希值能夠精準的標識每個區塊，每一個節點都能夠利用快速哈希運算來驗證哈希值的準確性，精準檢測區塊內容有無被篡改。其次，每個區塊內都涵蓋了父區塊的哈希值，首尾相應，實現對全部區塊的有效串聯，進而產生區塊鏈。默克爾樹根是全部區塊數據信息組成的哈希二叉樹的根哈希值，它的存在讓區塊頭只要有根哈希值即可，無需再封裝全部底層數據，如此一來，哈希運算能夠在低功耗的終端設備上有效運行，這也在很大程度上有效檢驗了非完整區塊鏈網絡節點下數據的準確性。

1.2 數字簽名

分析區塊鏈數據結構不難發現，區塊鏈是能夠實現數據的鏈式傳輸和存儲。其次，為了有效提高安全性、精準驗證其所有權，區塊鏈技術多利用ECC、Rabin、RSA、D‐H 等諸多非對稱法來實現對數據的有效加密，如此一來，用一個密鑰加工，確保只存在一個能解開的密鑰。這一非對稱加密在區塊鏈技術內的利用就是數字簽名。只需發送方利用哈希算法計算原始數字摘要，利用非對稱密鑰實現對數字摘要的加密，那么經加密的數據就是數字簽名。接收方受到數字簽名原始數據后利用公鑰來解密，就能夠獲得原始摘要值，并利用相同的哈希算法計算摘要值，對比判定二者間的一致性，如果二者一致，說明簽名通過；如果不一致，則不通過。區塊鏈系統內的所有數據節點都存在一對公鑰、一對私鑰，如果節點成功發送數據，通過私鑰來簽名數據，并把簽名附于數據內，其余節點接受數據以后，第一步就是驗證數據內的簽名，只有數據的合法性、完整性達標以后，才能通過。

1.3 共識機制

區塊鏈系統內，每一個節點都在數據存儲中有所參與，共識機制的建立能在一定程度上確保每個節點都能夠存儲正確數據。現階段，區塊鏈系統共識算法可細分為四大類，即工作量證明類共識算法、拜占庭容錯算法、憑證類共識算法以及可執行環境共識算法。正是因為數據結構、數字簽名以及共識機制的存在，區塊鏈系統具備以下幾點優勢：

（1）無可篡改性。因為每個節點都需要參與數據的儲存與維護，驗證合格的數據形成共識后被寫進區塊，此時，區塊鏈系統通過數字簽名防偽認證、哈希函數單向性、分布式共識容錯等功能共同作用，確保每個節點都不能隨意篡改數據，大大降低了違法者肆意刪減、偽造和篡改數據的可能。

（2）去中心化。區塊鏈系統內全部節點都屬于對等節點，能夠平等存儲、維護、發送或接受數據，節點之間具有公平公正性、公開透明性。

（3）安全可靠。區塊鏈系統內所有節點在維護數據、參與系統共識時都存在對等性，某個節點發生問題后并不會影響系統的正常運行，且區塊鏈系統一直運用非對稱密碼學來實現對每個節點敏感數據的加密，確保只有經授權的節點才可訪問、使用，提高了區塊鏈數據安全可靠性。

（4）追溯性強。區塊鏈系統一來時間戳等給數據創造了時間維度，讓受眾能夠實時了解數據庫從源頭更新至最佳狀態的過程。

2 共享充電鏈技術方案

區塊鏈技術和電動汽車充電鏈建設之間的共享經濟發展模式成為國內諸多學者的研究焦點。有專家學者提出將比特幣區塊鏈作為底層支撐，結合閃電網絡、智能合約能建立安全可靠的點對點共享充電樁方案。比特幣在區塊鏈中的應用較為成熟，借鑒意義大。但是，比特幣區塊鏈是公鏈，具有公開用戶隱私、吞吐量低等劣勢。且因為比特幣價值缺乏穩定性，所以，將比特幣視作充電交易結算貨幣缺乏可靠性。構建聯盟鏈TPS 高、能有效滿足充電樁共享中的支付需求，且聯盟鏈能有效保護用戶隱私，成效顯著。目前來看，構建基于聯盟鏈的充電樁共享系統具有較大的現實意義。基于聯盟鏈的充電樁共享系統主要涉及以下幾點內容：

（1）共識機制。區塊鏈系統中無需中心化的節點來管理數據庫，因此，系統內全部的“改變”、“決策”等的實現都在很大程度上依賴于節點間的共識機制。

（2）底層區塊鏈。其為區塊鏈系統搭建了完善的底層框架，建立分布式、去中心化、全方位維護的實時動態加密數據庫，數據嚴格遵循時間戳順序來實現鏈式存儲，進而提高數據庫內數據的無可篡改性、安全可靠性。

（3）普通節點。普通節點不參與數據記錄與共識，僅接受系統提供的服務，其能夠向聯盟節點發出申請，要求審閱鏈上所記錄的數據，獲得批準后就能自由讀取充電交易數據。

（4）聯盟節點。其作為聯盟鏈內功能最齊全的節點，多以系統管理員、充電樁運營商為主，聯盟鏈能夠向底層區塊鏈寫進、更新并驗證數據，還可以賦予普通用戶讀取區塊鏈上數據的資格。

2.1 電動汽車充電樁共享系統模塊

（1）底層區塊鏈結構和種類。新形勢下，為建立全方位、多角度共同記賬和維護賬本、公平交易數據、保護隱私的充電樁共享系統，多將聯盟鏈視作底層區塊鏈。聯盟鏈內節點獲得授權后加入，有效提高節點的安全可靠性。相比普通節點，聯盟節點能夠向區塊鏈上寫進數據，但普通節點只能獲得批準授權才能訪問數據，那么交易數據就不會對外全部公開，在很大程度上保證了用戶隱私。聯盟節點將充電交易數據打包發送至區塊內，聯盟鏈內不同節點形成共識以后，利用哈希指針連接至最長區塊鏈，區塊頭內有時間戳，如此確保交易數據不可隨意被篡改。聯盟節點間利用P2P 網絡實現節點通信、節點間發現。利用非對稱加密算法來有效加密數據，確保用戶交易隱私不被侵犯（詳見圖1）。

圖1：電動汽車充電樁共享系統及其方案設計

用戶通過掃描二維碼，當服務器接收到用戶端指令之后，通過路由器進行數據傳輸，然后充電樁收到指示信號，將信息傳遞到主板，此時，經過主板分別將信號傳遞給通信模板和后臺的運營管理終端，當終端設備接收到通信模板信號之后，會開始運行，最后將數據輸出到用戶手機端。

（2）普通節點。就是指獲得充電樁充電服務的電動車，車主在利用手機安裝相關APP 以后，利用APP 打開充電樁接口來為汽車充電，在充電完成以后支付費用。其次，用戶還能利用APP 向聯盟節點申請查看交易記錄。

（3）聯盟節點。新能源汽車企業、充電樁運營商以及共享平臺運營商等時聯盟鏈中的聯盟節點，他們具備區塊鏈上的記賬權，且能夠向區塊鏈寫進充電交易信息數據，當數據被寫進鏈上后，就不能再篡改。

（4）共識機制。聯盟鏈多使用拜占庭容錯共識算法來形成節點共識，節點共識過程為：首先，主要節點通過其它聯盟節點采集交易數據，并重新生成全新交易區塊，并利用私鑰在全新交易區內數字簽名，和新區塊哈希共同打包，并發給各從節點，從節點來驗證區塊內交易。系統選舉產生主節點，利用同個模運算，也可選擇存活節點編號最小的節點作為主節點，公式為：P=Vmod|R|，其中，P 代表節點編號，V 代表視圖編號，|R|代表節點數。若遇到主節點惡意更改或者掉線問題，應啟動視圖更換。其次，從節點接收主節點廣播得到的交易區塊以后，至關重要的一點是檢查區塊頭內區塊哈希值與數字簽名信息，進而有效檢驗交易的精準性、合法合規性，接著從節點在驗證結論上進行數字簽名，利用P2P 網絡傳輸至其它從節點，如此有利于共驗證新區塊的安全可靠性。另外，如果從節點接到其它節點傳至的新區塊驗證結論以后，比對自己所進行的新區塊驗證結論，獲得審計對比結果。從節點在這些結果上進行數字簽名，并發送至主節點。最后，主節點針對不同的審計結果進行有針對性的操作。若全部聯盟節點都認可線下交易區塊，主節點會在交易區塊上附上全部參與交易區塊驗證的從節點數字證書、數字簽名等信息，并全部發給全部從節點，當從節點接收到這些數據區塊以后實現數據的同步性，并遵循時間順序鏈接至當前聯盟鏈內。但是，若存在少數從節點不認可當前交易區塊，那么主節點會命令相關節點重新對交易區塊審計，結合最新審計結果，若出現超過一半的從節點認同數據區塊，那么主節點與從節點仍然會根據第一種情況把交易區塊增加到聯盟鏈內。如果第二次審計中還存在不認可的問題，那么主節點會深入探究，查看這些節點有無故意作惡的問題，若存在故意作惡問題，那么主節點嚴格處罰這些節點，如，將其直接清除等。

2.2 電動汽車充電樁共享系統實施過程

在確定好電動汽車充電樁共享系統模塊以后，要注重豐富并完善聯盟鏈功能，注重研發基于聯盟鏈的充電樁共享系統。系統框架中的底層聯盟鏈功能應包括用戶管理、充電費用結算、充電交易記錄等諸多功能。注重完善充電聯盟鏈基礎服務，研發基于底層聯盟鏈的去中心化應用EVSmart，EVSmart 從本質上來說是作為智能合約被安排在區塊鏈內的，旨在為外部應用完善接口服務，確保用戶能夠自由訪問鏈上數據等服務。還要結合實際情況為廣大用戶開發交互系統EVSmartAPP，應包括充電操作、充值以及余額查詢等功能，EVSmartServer 作為系統中由充電樁運營商維護的后臺服務系統，也能夠結合實際情況委托給平臺開發或者提供商來維護管理。EVSmart 客戶端和充電樁間的轉換器是關鍵，其功能包括充電權限校驗、啟動結束充電、調用充電樁接口、錢包等等。基于聯盟鏈的充電樁共享系統框架中的每個運營商都有一個server，在具體運用過程中可能夠利用一個server 支持兩個或者兩個以上運營商，如果有運營商需要接入，只要重新開發調用接口就行。EVSmart 管理系統中，不僅能夠為手機APP 后臺提供完善的支持服務，還具備了充電交易統計與查詢、用戶管理、服務監控等諸多完善的功能。

3 結束語

綜上所述，隨著科技的進步、經濟的發展，人們的環保意識越來越強，新能源汽車逐漸取代傳統的燃油汽車，具有廣闊的發展空間，但城市配套的充電設備卻跟不上新能源汽車發展步伐，充電樁數量匱乏、規模較小，充電難問題直接阻礙了新能源汽車的進一步發展。雖然政府也建設了一些公共充電樁，但這些充電樁無法滿足新能源汽車日益增長的充電需求。基于此，建立共享模式來共享私人充電樁成為緩解充電難的重要手段，也能有效減少政府對公共充電樁建設成本。但是，電動汽車車主和充電樁運營商間存在信任問題，難以針對充電交易、充電費用形成共識。新形勢下，區塊鏈技術因為其不可篡改、可追溯性、去中心化等優勢受到社會各界的廣泛關注。上文中主張的基于聯盟鏈的電動汽車充電樁共享系統的建立，讓多方記賬成為可能，在很大程度上增加了彼此之間的信任程度，且共識機制也在一定程度上滿足了對交易處理速度的要求，利用智能合約讓用戶在充電完成以后能夠自動結算電費，有效提升了充電費用的公開透明性、公平性，并獲得了多方認可。其次，只有聯盟節點才能夠查看充電交易記錄，如此有效確保了廣大用戶隱私不被侵犯。目前來看，文中主張的這一充電共享系統已通過驗證，也通過了驗證，各項功能均能有效實現，能夠滿足車主日常充電需求，具有廣闊的發展空間。