能源區塊鏈的跨鏈服務安全技術研究進展

何云華 羅明順 胡 晴 吳 檳 王 超 肖 珂

1（北方工業大學信息學院 北京 100144）

2（中國兵器科學研究院 北京 100089）

3（信息安全國家重點實驗室（中國科學院信息工程研究所） 北京 100093）

（heyunhua610@163.com）

在“雙碳”目標推動下，作為碳減排主力的能源產業積極開展數字化轉型.區塊鏈（blockchain）作為當前數字技術自主創新的突破口和“新基建”的重要組成部分，因其具有分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制和加密算法等特點[1]，為能源產業數字化轉型提供新契機[2]，助力能源行業高效協作，重塑能源價值鏈.能源產業已經開展了區塊鏈的探索和試點.2017 年，中國中化集團有限公司開展了能源石化交易區塊鏈應用試點；2020 年國家電網開始“國網鏈”建設，在分布式電力交易、可再生能源電力消納、安全生產、電費結算和透明化調度管理等方面進行試點和應用；2021 年5 月，國家電網牽頭的全球首個“區塊鏈+碳交易”國際標準獲批立項.美國LO3 Energy 公司基于以太坊開展了全球第1 個點對點（peer to peer，P2P）光伏電力交易試點；2020 年，?BM與歐洲3 家電網運營商建立區塊鏈新能源平臺Equigy；澳大利亞Power Ledger 公司將區塊鏈應用到可再生能源行業推動可再生能源的生產、交易和認證.國際市場調查機構Alexa Reports 預測，2025 年應用于能源領域的區塊鏈市場價值將達34.7 億美元.

由于能源行業的綜合性、多樣性和數據分散性，能源、信息和資金的流動非常復雜，雖然互聯網可以實現信息高速流通，但由于主體信任問題，能源互聯網無法實現能源信息和能源的低成本、高效率流動[3].眾所周知，區塊鏈技術具有去中心化、可追溯、不可篡改等特點，是一種信任實現技術.區塊鏈目前發展迅速，運用場景廣泛.盡管在有些場景下區塊鏈的引入會帶來系統性能降低、共識算法復雜等問題，但是可以結合博弈論、激勵機制、共識算法設計與區塊結構設計等對區塊鏈系統進行優化，使其性能符合能源行業的要求[4].因此，區塊鏈適用于參與主體多、流程長的能源交易場景，能夠解決中心化環節的信任問題，并滿足場景業務性能要求.因此，能源區塊鏈的概念被提出并逐漸形成共識.能源區塊鏈是區塊鏈與能源生產、傳輸、存儲、消費以及能源市場深度融合的能源產業發展的一種新形態，以區塊鏈為底層基礎技術，深度融合能源互聯網，構建開放合作的主體信任體系，為各類開放融合的創新業務模式提供技術支撐與服務.能源區塊鏈打破產業鏈上中下游的信息流、實物流和資金流信息壁壘，促進產業鏈多方單證、合同、物流和銷售等業務的高效協同，將在能源數據共享、分布式電力交易、可再生能源消納、碳交易監管等應用領域中發揮重要作用.

能源區塊鏈的發展很大程度上依賴于區塊鏈跨鏈服務技術的突破.能源區塊鏈要實現同一行業內不同平臺的互聯，需跨鏈服務打破平臺之間的數據孤島，實現平臺之間的數據共享[5]；能源區塊鏈要實現跨區域互聯，需考慮區域內區塊鏈數據上鏈、查詢及業務計算的效率問題，區域內建立獨立的區塊鏈是必然趨勢，不同區域的獨立區塊鏈要實現互聯需依賴跨鏈服務；能源區塊鏈要實現業務或行業數據互通，需考慮不同業務或不同行業所構建區塊鏈的差異，需跨鏈服務聯通差異化的區塊鏈實現數據共享和融合[6].因此，區塊鏈跨鏈服務技術對能源區塊鏈的發展至關重要.

隨著能源行業數字化轉型的推進，能源區塊鏈逐漸得到關注，能源區塊鏈的研究及跨鏈服務安全技術也成為了學術界和工業界研究的熱點之一，目前已有部分學者就能源領域中區塊鏈的應用方面的研究工作進行了綜述[7-11]，但還沒有針對能源領域中區塊鏈跨鏈服務安全技術的進展進行系統性整理.我們從研究角度分析了相關綜述文獻與本文的主要區別，如表1 所示.

Table 1 Differences Compared with Existing Reviews表1 與現有綜述的區別

本文對近5 年區塊鏈在能源領域中的相關研究進行梳理，主要集中在電力行業期刊與會議，以及網絡安全行業的期刊與會議等，針對5 個方面做出調研分析：1）能源區塊鏈交易架構，包括單場景交易架構和多場景交易架構等；2）智能合約應用，包括能源交易、電力規劃、可再生能源消納、電力定價和能源數據共享等；3）跨鏈技術，包括常見的跨鏈技術應用和跨鏈技術在能源區塊鏈的探索工作；4）區塊鏈節點安全管理，包括區塊鏈節點接入認證、區塊鏈節點權限管理和區塊鏈節點行為審查；5）區塊鏈隱私保護，包括數據隱私保護與智能合約隱私保護.此外，為促進能源區塊鏈跨鏈服務安全技術的發展，本文提出多層次跨鏈協同監管的能源區塊鏈架構，并指出當前技術發展遇到的關鍵問題，為下一步研究指明方向.

1 基礎知識

本節對能源區塊鏈跨鏈服務安全技術所涉及的區塊鏈相關知識與跨鏈技術相關知識進行介紹，并提出能源區塊鏈國網鏈架構，明確能源區塊鏈跨鏈服務安全技術的概念.

1.1 區塊鏈相關知識

區塊鏈是通過去中心化的方式集體維護一個可靠數據庫的技術方案，由一串使用密碼學方法產生的數據塊即區塊組成，每一個區塊都包含了上一個區塊的哈希（Hash）值，從創世區塊（genesis block）開始連接到當前區塊，形成塊鏈[12].被納入新基建的區塊鏈，以數據不可篡改、可公開監管、便于查證的特性，廣泛應用于有多方參與的系統中，為多方交互的信息（行為、數據等）提供可靠的存證[13].

起初區塊鏈是以比特幣為代表的數字貨幣應用的底層技術，其應用場景包括支付、流通等.隨著以太坊加入智能合約功能，使得區塊鏈拓展到股權、產權的登記和轉讓、證券及金融合約的交易和執行等金融領域.伴隨可擴展性和效率的提高，區塊鏈應用范圍目前已拓展到身份認證、公證、審計、物聯網、醫療、能源等領域[14]，將成為未來社會的一種最底層的協議.

節點是區塊鏈架構的關鍵組成部分，承擔同步數據、參與共識、驗證區塊、執行交易等作用.根據區塊鏈節點的準入機制以及數據讀寫權限和管理權限的不同，區塊鏈可以分為公有鏈（public chain）[15]、私有鏈（private chain）[16]與聯盟鏈（consortium chain）[17].公有鏈中，網絡上的任何區塊鏈節點都可以自由加入系統，由于數據讀寫權限并未設置，鏈上節點可以任意查看區塊鏈上的信息，因此公有鏈開放性好.比特幣系統、以太坊系統等最著名的區塊鏈系統均為公有鏈.私有鏈所有節點屬于同一個組織，只有獲得管理員批準的計算設備才可以加入系統，因此私有鏈安全、隱私性較好.目前我國各大銀行內部運行的區塊鏈系統大多屬于私有鏈.聯盟鏈節點屬于有緊密聯系的若干組織或個人，介乎于公有鏈與私有鏈之間，由一組管理員來共同協調管理.因此聯盟鏈是開放性與安全隱私的折中.目前我國金融界的跨企業區塊鏈系統大多屬于聯盟鏈.

1.2 跨鏈技術相關知識

跨鏈技術是實現價值區塊鏈互聯網的關鍵，是實現區塊鏈可擴展性和連接性的橋梁.當前對跨鏈技術的研究主要有4 種策略：公證人（notary schemes）機制[18]、側鏈中繼（sidechains，relays）機制[19]、哈希時間鎖定（Hash time lock）機制[20]和分布式私鑰控制（distributed private key control）技術[21].目前主流的跨鏈技術及其代表項目如表2 所示.

Table 2 Cross-Chain Technology Comparison表2 跨鏈技術對比

1）公證人機制本質上是一種中介機制，即把受信任的第三方當作中介，以驗證和轉發雙方的跨鏈消息.公證人機制的優點是可以靈活地支持具有不同結構的各種區塊鏈，缺點是存在集中化的風險.

典型公證技術為瑞波提出的?nterledger 協議[22]，?nterledger 協議使2 個不同的記賬系統可以通過第三方“連接器”或“驗證器”互相自由地傳輸貨幣.記賬系統無需信任“連接器”，因為該協議采用密碼算法用連接器為這2 個記賬系統創建資金托管，當所有參與方對交易達成共識時，便可相互交易.該協議移除了交易參與者所需的信任，連接器不會丟失或竊取資金，這意味著，這種交易無需得到法律合同的保護和進行過多的審核，大大降低了門檻.同時，只有參與其中的記賬系統才可以跟蹤交易，交易的詳情可隱藏起來.“驗證器”是通過加密算法來運行，因此不會直接看到交易的詳情.理論上，?nterledger 協議可以兼容任何在線記賬系統，而銀行現有的記賬系統只需小小的改變就能使用該協議.從而使銀行之間可以無需中央對手方或代理銀行就可直接交易.

2）在側鏈中繼機制中，側鏈是指完全具有鏈功能的另一個區塊鏈，可以主動感知主鏈信息并采取相應的動作.中繼鏈是側鏈和公證機制的結合，具有驗證跨鏈消息和轉發跨鏈消息的能力.

典型的側鏈應用為BTC Relay[23]，BTC Relay 把以太坊網絡與比特幣網絡通過使用以太坊的智能合約連接起來，可以使用戶在以太坊上驗證比特幣交易.BTC Relay 通過以太坊智能合約創建一種小型版本的比特幣區塊鏈，但智能合約需要獲取比特幣網絡數據，比較難實現去中心化.BTC Relay 進行了跨區塊鏈通信有意義的嘗試，打開了不同區塊鏈交流的通道.

3）哈希時間鎖定機制是閃電網絡中提出的一種資產原子交換技術，它提供哈希值的原始值以在指定的時間內實現資產的原子交換，但是該技術只能實現資產交換，不能進行信息傳遞，因此其使用場景受到限制.

4）分布式私鑰控制技術是指通過對分布式私鑰實現鎖定和解鎖操作，把加密貨幣資產鎖定到基于區塊鏈協議的內置資產模板的鏈上，再部署智能合約解鎖來創建出新的加密貨幣資產.

根據上述4 種策略的相關工作，目前的跨鏈工作主要集中在資產交換和跨鏈通信[24-26].很少有信息交換過程中的真實性、實時性和跨鏈寫入互斥的相互研究.

1.3 能源區塊鏈國網鏈架構

作為數字時代的“信任機器”，區塊鏈技術是數字賦能，驅動數字經濟高質量發展的關鍵支撐.以國家電網公司為代表的國有企業把握科技創新，加強創新主體與跨界創新的持續融合，不斷突破地域和組織界限，為推動科技創新活力、發展我國數字經濟、搶占全球數字經濟發展制高點作出貢獻.

為專注區塊鏈專業研究與建設，國網區塊鏈科技（北京）有限公司于2019 年8 月22 日正式成立，開啟了構建以“區塊鏈+大數據+人工智能”為核心驅動的區塊鏈行業生態建設之路.截至目前，公司以自主研發的區塊鏈底層技術服務平臺為基礎，依托司法信用“天平鏈”、能源電力“國網鏈”、“央企聯盟鏈”3 大區塊鏈基礎設施，實現區塊鏈在新能源云、電力交易、優質服務、綜合能源等業務場景的融合.

其中“國網鏈”是國內最大的能源區塊鏈公共服務平臺，創造性地提出“一主兩側多從”的主體架構，如圖1 所示.“國網鏈”分為主鏈、數據側鏈、交易側鏈、網省從鏈、堆棧從鏈5 部分.截至目前，“國網鏈”已在國網北京、青海、遼寧等多個省電力公司部署應用，在共享儲能、電力交易等25 個具體業務場景落地實踐，上鏈數據超1 億條.

Fig.1 Architecture of state grid blockchain圖1 國內網鏈架構

2 能源區塊鏈的研究現狀

2.1 基于區塊鏈的能源交易架構

基于區塊鏈的能源交易架構在國內外都已經開展了不少研究工作，根據基于區塊鏈的能源交易場景的不同，把能源區塊鏈交易架構分為單場景交易架構和多場景交易架構.

1）單場景交易

針對單場景交易，Yan 等人[27]提出了一種基于微電網的區塊鏈架構，便于用戶在微電網中進行碳配額交易和權衡交易速度、微電網收益與分銷網絡限制.該架構中區塊鏈網絡中的擬議參與者是配電系統操作員和微電網.微電網是通過配電系統操作員與同行進行能源和碳排放交易的市場參與者.位于微電網中的智能電表記錄交易、調度交易并將交易存儲在區塊鏈中.配電系統操作員使用微電網可用的通信網絡管理交易.微電網和配電系統操作員都參與區塊鏈驗證和共識過程.因此，配電系統操作員和微電網交換交易、創建數據塊，并將它們存儲在區塊鏈中.

具體流程如圖2 所示：①微電網將交易數據發送到市場清算智能合約；②市場清算智能合約向配電系統操作員發送交易數據；③配電系統操作員清算市場并向市場清算智能合約發送清算結果；④市場清算智能合約向微電網發送清算結果；⑤市場清算智能合約向交易確認智能合約發送清算結果；⑥交易確認智能合約查詢智能電表以獲取實時數據；⑦交易確認智能合約為每個微電網清算付款.

Fig.2 Transaction process圖2 交易流程

除該架構外，Yang 等人[28]為物聯網輔助智能家居構建了一種基于區塊鏈的新型交易式能源管理架構，使智能家居能夠與能源互聯網系統中的電網和其他用戶進行交互；Abishu 等人[29]在此基礎上提出了新的共識機制，利用了實用拜占庭容錯（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）和信譽共識（proof of reputation，PoR）的優勢保證了能源交易的高可靠性、高吞吐量、低延遲和網絡強擴展性；Zhang[30]提出一種基于信譽風險評估的共識機制，實現對分布式能源交易的交易方信譽管理.然而，面對如今能源區塊鏈日漸復雜的趨勢，單一的交易場景已經無法滿足現狀.

2）多場景交易

一些研究人員也在多場景交易方面進行了研究.在多能源交易方面，Deng 等人[31]提出一種電力和熱力分配市場的實時P2P 交易架構，如圖3 所示.

Fig.3 Electricity trading and heating energy trading of energy blockchain圖3 能源區塊鏈電力交易與熱能交易

該結構有助于打破不同能源市場的壁壘.其中區塊鏈技術專為分布式P2P 交易而設計，區塊中記下的信息是一段時間內交易費用的總和，中央運營商在不知道每個產消者的詳細價格和數量的情況下，獲得所有產消者的費用總和并完成產消者之間的價值轉移.

Hamouda 等人[32]開發了一個綜合交易能源市場框架，將大型電網的大容量發電、輸電和較小的互聯電網集群有效結合，既保護了公共事業公司的利益，又有利于客戶和分布式發電所有者；龔鋼軍等人[33]設計了區塊鏈聚合商與多個微網群聯盟交易架構，針對包含冷熱電聯供系統的微網及聚合商2 類節點，以多能互補為基本原則建立考慮碳配額機制及環境標識因數的節點模型；Yang 等人[34]為P2P 能源交易架構提供了交易市場信用評級，能夠根據用戶行為評級進行交易撮合；Abdella 等人[35]則為整個能源區塊鏈框架設計了性能評估功能，對區塊鏈的延遲、可擴展性、系統吞吐量等指標進行評估.

然而，雖然目前針對多場景能源交易區塊鏈的研究已有一些進展，但是多鏈架構未考慮跨平臺、跨區域、跨業務的層次化跨鏈服務，也很少考慮跨鏈監管和共識的問題.表3 簡要總結了基于區塊鏈的能源交易架構研究現狀.

Table 3 Research Status of Energy Trading Architecture Based on Blockchain表3 基于區塊鏈的能源交易架構研究現狀

2.2 能源區塊鏈智能合約應用

智能合約能夠用于實現各類能源交易相關的應用，是能源區塊鏈得以推廣應用的關鍵.目前，能源區塊鏈智能合約應用主要包括能源交易、電力規劃、可再生能源消納、電力定價和能源數據共享.

1）能源交易

能源交易、電力規劃是智能合約應用較多的場景.在能源交易場景中，van Leeuwen 等人[36]搭建了一個基于區塊鏈的綜合能源管理平臺，為微電網社區提供雙邊交易.通過采用區塊鏈和智能合約技術，提議的分布式算法可以以安全、可驗證的方式執行，確保市場參與者的獨立性和匿名性.在這些設置中，智能合約的作用至關重要.智能合約是部署在區塊鏈上的一段計算機代碼，可以在其他節點調用時執行某些功能.智能合約接管了這個中央聚合器的功能，從而有效地充當虛擬聚合器.在這個過程中，智能合約執行3 種功能：①執行部分交叉方向乘子法ADMM（alternating direction method of multipliers）算法；②與其他節點交換信息；③授予其他節點進行下一個操作的權限.該平臺內智能合約的功能如圖4 所示.

Fig.4 Functions of smart contracts圖4 智能合約的功能

Li 等人[37]提出采用智能合約技術實現整個微電網交易的流程，包括報價、匹配、電力轉移、交易結算、分析統計和安全檢查；穆程剛等人[38]將配售能源交易機制編寫成智能合約，設計了一種考慮市場供需關系與網絡約束的交易撮合模型；沈澤宇等人[39]提出基于區塊鏈的分布式能源交易方案，將寫有交易規則的能源交易智能合約部署上鏈，實現電力過網費差異的掛牌交易機制、可再生能源認證機制和信用管理機制等功能.

2）電力規劃

在電力規劃場景中，Kaur 等人[40]使用智能合約實現電網負載和供需的平衡.本文通過智能合約檢測供需差距情況，然后給供電端、用電端發送正或負響應需求，供電端、用電端計算其能源容量并傳回智能合約，智能合約根據能源容量結果來制定用電端的激勵策略.該文提出的框架為參與者提供了一種可信且安全的媒介，可以實時交流和分享他們的能源數據.此外，該框架還支持區塊鏈的自治和去中心化平臺，用于使用智能合約監控和執行交易.通過使用設計的智能合約，參與實體可以為有效的需求響應管理做出貢獻，以保持更高的電網穩定性，而無需依賴中心化的第三方執行有效的交易機制.該文中智能合約的主要函數如圖5 所示.

Fig.5 Main functions of smart contracts圖5 智能合約的主要函數

3）其他應用場景

智能合約實現可再生能源消納、電力定價和能源數據共享場景等工作也有少量的研究報道.在可再生能源消納場景中，Li 等人[44]提出使用智能合約使得可再生能源消納規范化，實現高效的信息交互和協調管理.在電力定價場景，Dabbaghjamanesh 等人[45]提出使用智能合約實現一種微電網的電力定價策略，根據電力需求為電力買家提供不同的報價；Zhang 等人[46]提出采用智能合約實現P2P 能源交易的供需定價過程，該過程包括用戶注冊、競價上傳、查詢、定價更新和交易觸發等功能.在能源數據共享場景，Wang 等人[47]提出了一種基于區塊鏈的電網數據共享方案，通過智能合約實現細粒度數據訪問控制，智能合約依賴于可信硬件的可信執行環境來保證安全性.

綜上所述，能源區塊鏈智能合約應用主要使用智能合約實現能源場景中的各實體之間的交互與協同，通常只考慮單一區塊鏈場景，較少考慮多鏈場景，以及跨鏈合約部署和跨鏈合約計算的問題.表4 簡要總結了能源區塊鏈智能合約應用研究現狀.

Table 4 Research Status of Smart Contract Application in Energy Blockchain表4 能源區塊鏈智能合約應用研究現狀

2.3 能源區塊鏈跨鏈技術

跨鏈技術是實現價值區塊鏈互聯網的關鍵，是實現區塊鏈可擴展性和連接性的橋梁.當前對跨鏈技術的研究主要有4 種策略[48]：公證人機制、側鏈中繼機制、哈希時間鎖定機制與分布式私鑰控制技術.本節我們將從常見的跨鏈技術應用與跨鏈技術在能源區塊鏈的探索工作2 方面展開綜述.

1）常見的跨鏈技術應用

Garoffolo 等人[49]提出了一種類似比特幣的區塊鏈系統的結構，它允許在不知道其內部結構的情況下與不同類型的側鏈進行創建和通信.Garoffolo 等人[49]認為主鏈是一個區塊鏈平臺，它支持使用一些原生資產硬幣（例如比特幣、Horizen 等）的基本支付功能；側鏈是一個附加的特定領域平臺，也使用硬幣資產（但不限于此）.而且認為側鏈并不意味著使用任何特定的數據結構或共識算法，主鏈結構與側鏈結構完全無關，主鏈結構可以是另一個去中心化的區塊鏈，一些由預先定義的權限維護的中心化數據庫，或者一個任意的應用程序.同時，Garoffolo 等人[49]使用zk-SNARKs 構建側鏈使用的通用可驗證傳輸機制，且設計的多鏈模型如圖6 所示.

Fig.6 Cross-chain model圖6 跨鏈模型

Ghosh 等人[50]提出了公有鏈和私有鏈之間的信息跨鏈方法，從公有鏈到私有鏈時采用跨鏈共識協議來控制信息的準入，從私有鏈到公有鏈時通過聯合簽名來實現信息的確認；Thyagarajan 等人[51]提出了一種跨幣轉化的通道來提升跨鏈資產轉化效率，并通過設計鏈式簽名技術保證通道中節點支付給下一節點數字貨幣后能獲得同等價值的數字貨幣.

大多數的跨鏈技術都應用在不同區塊鏈的資產轉化與資產留置上，以中心化形態為主，不能適應多層次跨鏈服務需求，而且較少考慮安全性.

設T時刻在目標位置P處用接收機同時測得4顆衛星1, 2, 3, 4到P點處的距離分別為S1, S2, S3, S4，4顆衛星的坐標分別是(Xi, Yi, Zi)，i=1, 2, 3, 4，則P點的坐標和時間T可通過式(1)解算得出：

2）跨鏈技術在能源區塊鏈的探索

在能源交易區塊鏈的跨鏈技術方面也開展相關研究工作.例如，Wang 等人[52]提出了一種基于跨鏈技術的日前協同電力—碳—可交易綠色憑證（tradable green certificate，TGC）市場框架及其實施方法，每日協同市場被設計為順序運行，以反映碳排放和TGC生產的時間屬性，并在電力市場中引入了懲罰因素，以表明來自碳市場和TGC 市場的市場間影響.此外，本文利用跨鏈技術形成協調3 個市場的統一框架，并重新設計每個市場的鏈結構以適應框架.

佘維等人[53]提出一種異構能源區塊鏈的跨鏈方法，通過中繼技術實現了能源索引交易中繼鏈（主鏈）到能源平行鏈（側鏈）的信息傳遞，具體架構如圖7所示.但是較少涉及跨鏈信息傳遞安全性和跨鏈合約計算問題.

Fig.7 Energy blockchain cross-chain architecture圖7 能源區塊鏈跨鏈架構

此外，He 等人[54]提出了一種跨鏈信息傳遞方法，保證跨鏈信息的真實性、實時性和鏈間寫互斥性；黃偉等人[43]提出了一種主從鏈技術以實現綜合能源系統調度，將大量的計算工作分配給從鏈計算，主鏈僅記錄計算結果并驗證其正確性，但未給出具體的設計方案.

綜上所述，能源交易區塊鏈的跨鏈技術大多以中繼鏈或側鏈方式為主，關于跨鏈信息準入、跨鏈信息傳遞安全、跨鏈合約部署和計算安全等問題較少考慮.表5 簡要總結了國內外能源區塊鏈跨鏈技術研究現狀.

Table 5 Research Status of Energy Blockchain Cross-Chain Technology表5 能源區塊鏈跨鏈技術研究現狀

2.4 能源區塊鏈節點安全管理

節點安全是區塊鏈安全的重要組成部分，能源交易區塊鏈節點是區塊鏈維護和跨鏈技術執行的實體，節點不合作或惡意行為會給區塊鏈系統造成拒絕服務、宕機、隱私泄露等嚴重的后果，因此需要對區塊鏈節點進行安全管理.目前，區塊鏈節點安全管理的研究工作主要分為接入認證、權限管理和行為審查.

1）區塊鏈節點接入認證

接入認證是指對接入區塊鏈系統的節點進行身份認證，包括注冊、證書分發、身份認證等工作.

Novo 等人[55]提出了一種基于區塊鏈的用于管理物聯網設備的新架構，提出的框架如圖8 所示.

Fig.8 Access control system圖8 訪問控制系統

該架構利用智能合約實現區塊鏈系統用戶的注冊、撤銷、查詢規則和接入策略，從而實現對節點接入進行記錄和管理.該合約定義了訪問控制系統中允許的所有操作且該合約是唯一的，不能從系統中刪除.管理器與智能合約交互，可以定義系統的訪問控制策略.

Cui 等人[56]提出一種基于區塊鏈的多個傳感網絡的身份認證方案，在每個傳感網絡內建立本地區塊鏈，整個網絡建立公共區塊鏈，通過設計本地區塊鏈和公共區塊鏈的認證交互流程來實現傳感器節點的注冊、證書生成和身份認證；Feng 等人[57]提出一種基于區塊鏈的5G 無人機網絡跨域認證機制，每個域內建立私有鏈，通過聯盟鏈連接各個域內的私有鏈，域內私有鏈記錄域內無人機的身份信息，聯盟鏈記錄所有無人機的身份信息，用戶訪問域間無人機時通過聯盟鏈中轉到無人機所在的域進行認證.能源交易區塊鏈的接入認證研究工作報道得較少.Che等人[58]提出了一種基于聯盟鏈的能源分布式交易認證方案，通過包含證書授權（certificate authority，CA）功能的匹配單元進行鏈下認證，驗證發電單元（generation unit，GU）和用電單元（power unit，PU）的身份并頒發證書，并構建證書撤銷列表，認證后的節點可以進入區塊鏈網絡對能源交易進行確認.

能源交易區塊鏈的接入認證研究工作較少，未考慮跨鏈或跨域的節點接入認證問題，而且也未考慮跨鏈節點的特殊性和重要性，跨鏈節點的可信度直接影響區塊鏈系統的安全性.

2）區塊鏈節點權限管理

權限管理是指對接入區塊鏈系統的節點所具備的權限進行限制和管理，包括節點訪問權限、數據訪問和操作權限等.Liu 等人[59]提出了一種名為fabric-?oT 的物聯網訪問控制系統.該系統基于Hyperledger Fabric 區塊鏈框架和基于屬性的訪問控制（attributed based access control，ABAC），包含3 種智能合約，分別是設備合約、策略合約和訪問合約.設備合約提供了一種方法來存儲設備產生的資源數據的統一資源定位符（uniform resource locator，URL），以及一種查詢方法.策略合約為管理員用戶提供管理ABAC 策略的功能.訪問合約是實現普通用戶訪問控制方法的核心程序.結合ABAC 和區塊鏈技術，fabric-?oT 可以在物聯網中提供去中心化、細粒度和動態的訪問控制管理.系統的架構如圖9 所示.

Fig.9 Architecture of fabric-?oT圖9 fabric-?oT 架構

Yu 等人[60]提出了一種密文策略基于屬性加密（ciphertext-policy attribute-based encryption，CP-ABE）的訪問控制方案，將通過CP-ABE 加密后的數據記錄到區塊鏈上，用戶根據屬性相關聯的規則實現對區塊鏈數據的細粒度訪問控制；為了進一步保障訪問控制的安全性，Huang 等人[61]提出了一種基于信譽的物聯網設備工作量證明機制（proof of work，PoW），將節點的信譽值與PoW 機制關聯，PoW 機制的難度根據每個節點的信譽值自適應調整，節點進行非法操作時，其信譽值降低，其PoW 任務難度增加，該方案通過增加攻擊成本來鼓勵節點的合作行為.能源交易區塊鏈也開展了少量關于節點的權限管理的工作.Yang 等人[62]使用CP-ABE 方案建立了一種基于區塊鏈的P2P 能源交易訪問控制機制，對區塊鏈上的交易數據設置屬性關聯訪問權限，從而實現交易數據的隱私保護.

能源交易區塊鏈的權限管理研究工作較少，未考慮跨鏈場景下的節點權限管理，以及節點操作權限管理.

3）區塊鏈節點行為審查

行為審查是指對于節點的行為進行跟蹤與監督，包括行為特征提取、行為識別跟蹤和異常審查等.Goyat 等人[63]提出了一種基于區塊鏈的物聯網傳感器節點行為監控方案.所有傳感器節點的注冊和認證過程由區塊鏈執行，完成認證過程后，所有關鍵參數都存儲在由簇頭控制的不可篡改密鑰機制（untamperable key mechanism，UKM）中.簇頭將收集到的信息從其成員廣播到區塊鏈，將這些感測到的大量數據與云共享，以獲得更可靠的存儲，關鍵參數進一步被記錄在區塊鏈上，以提高所獲得數據的不變性和透明度，通過認證撤銷過程消除故障傳感器節點.文獻[63]的網絡架構如圖10 所示.

Fig.10 Architecture of network圖10 網絡架構

Michalski 等人[64]提出一種利用節點特征主動探測區塊鏈節點的機器學習方法，該方法通過提取節點特征來量化節點的行為，并使用監督學習算法依據節點的行為特征發現并跟蹤節點；Peng 等人[65]在疫苗生產中提出了一種雙層區塊鏈結構的節點行為審查方案，通過雙層區塊鏈將公共數據與私有數據分隔，主審查節點驗證公有數據備份的正確性，預備審查節點用于替換主審查節點或恢復丟失的數據，審查節點對驗證的公有數據備份進行審核和發布，從而實現對公有區塊鏈數據的審查同時保護私有數據的隱私.能源交易區塊鏈的行為審查研究工作較少.Li 等人[66]提出了一種基于區塊鏈的能源交易審查方案，區塊鏈會記錄交易并對交易進行審核，當出現交易爭議時，可實現對惡意能源賣家行為進行懲罰.

綜上所述，能源交易區塊鏈的行為審查研究工作剛剛起步，未考慮跨鏈場景下的節點行為管理，以及審查數據的隱私保護.表6 簡要總結了國內外能源區塊鏈節點管理技術研究現狀.

Table 6 Research Status of Energy Blockchain Node Management表6 能源區塊鏈節點管理的研究現狀

2.5 能源區塊鏈隱私保護

隨著《中華人民共和國網絡安全法》《中華人民共和國數據安全法》《中華人民共和國個人信息保護法》等相關法律的實施，如何在保護隱私的前提下開展能源區塊鏈的數據共享與應用是未來需要研究的重要課題.現有區塊鏈應用的隱私保護研究主要包括：區塊鏈數據隱私保護和合約隱私保護.

1）區塊鏈數據隱私保護

區塊鏈數據隱私保護是指采用隱私保護技術，使得區塊鏈系統中存儲的數據或交易不能推斷出用戶身份、偏好、交易金額及位置等敏感信息.

Gai 等人[67]提出了一種將物聯網與邊緣計算和區塊鏈相結合的新方法，稱為基于區塊鏈的邊緣互聯網模型.所提出的模型充分利用邊緣計算和區塊鏈的優勢以及差分隱私（differential privacy，DP）技術來建立隱私保護機制，所提出的隱私保護模型如圖11 所示.

Fig.11 Privacy protection model of transaction data圖11 交易數據的隱私保護模型

Gai 等人[67]利用區塊鏈的特性，使用一種可追溯的機制來解決邊緣計算中的任務分配問題，在區塊鏈系統中使用差分隱私技術以防止區塊上的信息受到基于數據挖掘的攻擊，達到保護區塊數據隱私的目的.

Ping 等人[68]提出一種電車充電區塊鏈的充電交易隱私保護方法.與集中式協調機制不同，所提出的基于ADMM 的算法中的充電站不需要將有關其自身和現場電動汽車的那些敏感信息暴露給中央協調器，而只需要有限的信息，在充電功率配額交易期間保護了交易數據隱私；Guan 等人[69]提出了一種基于區塊鏈的隱私保護能源交易方案，通過CP-ABE 方法將分布式交易加密后發送給仲裁節點檢查，再發給記賬節點打包上鏈，由于交易被設置了訪問控制，交易雙方的隱私得到保護；趙丙鎮等人[70]提出了基于區塊鏈的電力交易數據隱私保護方法，通過概率公鑰加密算法實現區塊鏈交易用戶真實身份的隱藏，采用Pedersen 承諾和零知識證明技術，實現監管機構對交易監管的同時對交易金額的隱私保護.

以上區塊鏈數據隱私保護方法通過上鏈數據的擾動或加密處理實現隱私保護，但未考慮隱私保護的開銷過大、處理后數據的查詢及共享的問題.

2）智能合約隱私保護

智能合約隱私保護是指采用隱私保護技術，防止智能合約在執行過程中造成用戶的敏感數據泄露.

Cheng 等人[71]利用可信硬件的可信執行環境（trusted execution environment，TEE）執行智能合約以處理機密用戶數據，合約計算流程如圖12 所示，但是可信硬件的使用會產生額外的硬件造價開銷.

Fig.12 Contract calculation process圖12 合約計算流程

Unterweger 等人[72]試圖開發能夠運用于能源領域的隱私保護智能合約并部署到以太坊區塊鏈上，但是發現即使采用鏈下預計算和鏈上gas 開銷優化，也存在開銷較大的問題；Abdelsalam 等人[73]提出了一種基于區塊鏈的隱私保護電力節能機制，該機制在智能合約進行電力調配計算時不共享用電消費者的用電量，僅共享功率變化百分比（percentage power change，PPC），從而達到保護用電消費者隱私的目的.

以上智能合約的隱私保護方式通常開銷較大或者通用性不強，較難應用于融合多類能源交易場景的能源區塊鏈中.表7 簡要總結了國內外能源區塊鏈隱私保護技術研究現狀.

Table 7 Research Status of Energy Blockchain Privacy Protection表7 能源區塊鏈隱私保護研究現狀

3 能源區塊鏈的跨鏈架構

根據能源區塊鏈的發展現狀，我們發現目前能源區塊鏈發展受限的原因之一，是目前的架構不能適應多層次跨鏈服務需求，且未考慮層次化跨鏈服務、跨鏈監管和共識.因此，本文根據能源區塊鏈跨平臺、跨區域、跨業務的特點，考慮節點、交易及合約的差異性，提出多層次可監管的能源區塊鏈跨鏈架構.

3.1 多層次可監管的能源區塊鏈跨鏈架構

雖然區塊鏈的多場景交易架構已經存在，但能源區塊鏈為了實現更大范圍的互聯，不僅涉及多場景交易，還需考慮跨平臺、跨區域、跨業務的層次化跨鏈服務，不同層級跨鏈服務在架構設計中應存在差異.

目前，區塊鏈多鏈協作生態的構建與發展還不成熟，而且存在較多合規性和安全性問題，又因為能源交易具有特殊性，即能源交易不只是純粹的交易，往往還是國家戰略的組成部分，關系著國家的經濟命脈與民生大計，并與國家安全緊密相連，實現對能源交易的監管約束尤為重要，且對多鏈協作生態構建與健康發展也尤為重要.

此外，單一的監管模式不適用能源區塊鏈多鏈協作生態，因為能源區塊鏈多鏈協作生態涉及跨平臺、跨區域和跨業務互聯，存在較多差異較大的節點、交易及合約.為應對能源區塊鏈節點與交易和合約的差異性，可對能源區塊鏈節點采用多類別的監管模式，但該監管模式也可能會出現監管效果局部好、全局差的問題，而且能源區塊鏈共識機制的設計同樣會影響局部和全局監管的效果.因此，如何耦合共識機制實現多層次協同高效監管，是亟待解決的關鍵問題.

綜上所述，在能源區塊鏈跨鏈架構設計時應考慮監管的問題，包括能源區塊鏈的節點監管、數據監管和合約監管；在新的架構下，共識機制也需要作出相應的調整，以適應多層次跨鏈和多級監管功能設計的需求.

3.2 能源區塊鏈監管架構組成

圖13 給出了本文提出的多層次跨鏈協同監管的能源區塊鏈架構，與目前國網鏈提出的“一主兩側多從”架構不同，本文提出的架構由1 條主鏈與多條跨平臺或跨區域的側鏈構成，將為能源生產者、能源儲備輸送商、各類能源運營商、能源消費用戶、監管機構等提供多方共建的信任環境.該架構可以實現多個現存能源交易平臺間、不同能源交易區域間甚至不同能源業務或行業間的數據安全共享、多級協同監管.多級協同監管機制耦合鏈內、鏈間及全網的多層級共識機制，實現對參與能源交易各方身份信息及能源交易過程的全面監管.

Fig.13 Our proposed energy blockchain cross-chain architecture圖13 本文提出的能源區塊鏈跨鏈架構

以下以混合的分布式能源交易場景為例，說明架構的組成和運作方式.本文架構的1 條側鏈或多條側鏈可對應一個能源區塊鏈交易平臺，能源區塊鏈交易平臺為能源消費者和能源供應商提供交易撮合服務，參與交易的各方均將身份信息保存至區塊鏈上；跨鏈服務可聯通多個能源區塊鏈交易平臺，實現跨平臺、跨區域交易撮合.平臺根據交易意向中的能源供需數量、交易價格、交易時間等信息創建交易合約，若消費者或生產者在交易過程中未按照交易意向規定需求或供給能源，則監管機構可根據鏈上信息對違約者實施懲罰措施，以實現對交易過程的監管.當交易完成后，由監管機構對整個交易結果進行確認；確認無誤后，將交易信息打包至能源區塊鏈存儲.各個側鏈中的共識機制根據自身的業務需求設定，側鏈之間的跨鏈共識機制在基于信譽的共識機制上進行改進，主鏈與側鏈之間的跨鏈共識應采用高效的共識算法.

3.3 跨平臺、跨區域、跨業務的多級協同監管機制

本文提出跨平臺、跨區域、跨業務的多級協同監管機制，將監管從單一區塊鏈的單類能源交易擴展到多平臺、多區域乃至多業務范圍的監管，更接近于實際能源交易的監管需求，從而實現能源區塊鏈的節點監管、數據監管和合約監管.

以混合的分布式能源交易場景為例，說明監管機制的大致流程.本文方案擬采用穿透式監管的方式，對能源區塊鏈中參與交易的各方向上穿透監管，核查其身份信息的真實性與交易的合規性；對能源區塊鏈上的每筆能源交易向下穿透監管，核查交易的能源量、交易金額、交易時間等數據；通過耦合跨鏈服務和共識機制，實現整個能源區塊鏈跨平臺、跨區域、跨業務的有效監管.監管架構考慮目前能源領域區塊鏈技術應用情況，可實現公有鏈與聯盟鏈、聯盟鏈與私有鏈、聯盟鏈間安全可靠的數據流通與有效的監管.

3.4 鏈內、鏈間及全網共識的多層級共識機制

本文提出鏈內、鏈間及全網共識的多層級共識機制，根據跨鏈監管需求和現有共識機制的特點，設計能源區塊鏈的鏈內、鏈間及全網共識的多層級共識機制，以達到跨平臺、跨區域、跨業務能源交易高效共識和監管的目的.

以下以混合的分布式能源交易場景為例，說明鏈內、鏈間及全網共識的多層級共識機制的設計.目前，能源交易區塊鏈大多未涉及跨鏈，鏈內共識算法通常采用基于信譽的共識機制來改進，通過可信的記賬節點來完成交易確認和打包上鏈，本文方案可兼容現有平臺鏈內的共識算法，也可根據平臺特點推薦使用與平臺相匹配的共識算法或改進現有共識算法.鏈間共識算法考慮能源區塊鏈跨平臺和跨區域交易場景，跨平臺交易場景應考慮算力優勢攻擊，共識算法設計應確保來自統一平臺的節點數量不超過參與共識節點數量的1/3；跨區域交易場景應考慮安全和效率問題，可采用安全頂會ACM CCS 上提出的RapidChain 共識算法[74]，利用時間分片技術，隨機建立分片和更替挑選委員會，不必頻繁重構委員會，提升了共識的效率，實現能源交易信息在全網分散安全存儲，達到了鏈間信息安全共享的目的.全網共識算法考慮由各鏈的監管節點來實現，需結合監管業務設計與監管需求相關的共識算法，例如可采用改進的權益證明（proof of stake，POS）共識機制[75]，為不同等級的監管節點賦予不同的權值，使高效的監管助力能源區塊鏈全網共識.

4 關鍵問題與發展方向

從目前國內外已有的電力行業優秀期刊與會議以及網絡安全行業的期刊與會議來看，區塊鏈在能源中應用的已有不少研究工作，但是目前的大部分工作專注于區塊鏈技術在能源領域的應用以及智能合約在能源領域的實現等，雖然有少部分文獻針對此過程的能源數據隱私與合約的計算隱私，但是由于跨平臺、跨區域、跨業務的需求，需要引入跨鏈技術為能源區塊鏈提供跨鏈服務.由于跨鏈技術的引入，能源區塊鏈的隱私與安全要求進一步提高，但目前針對能源區塊鏈跨鏈場景下的跨鏈技術、跨鏈節點安全管理和跨鏈隱私保護的問題研究較少，能源區塊鏈共識算法也是值得研究的目標.

為促進能源行業數字化轉型，推動能源區塊鏈項目落地，能源區塊鏈需要可驗證、高可信、高安全的跨鏈服務，本節提出能源區塊鏈跨鏈服務安全技術的關鍵問題與發展方向.

4.1 安全高效的能源區塊鏈跨鏈技術研究

針對能源區塊鏈，雖然跨鏈技術助力區塊鏈多鏈協作生態的構建，但也帶來了跨鏈信息傳輸與合約計算的安全問題，同時跨鏈效率與安全性也對能源區塊鏈性能造成影響.

跨鏈技術是跨鏈服務的關鍵，現有的跨鏈技術大多用于實現資產轉化，較少考慮跨鏈信息傳遞安全和跨鏈合約計算安全，導致傳遞信息不準確或計算結果不正確，如何實現和驗證信息傳遞安全和合約計算安全是亟待突破的難題.

目前的跨鏈技術大多數的研究工作集中在資產交換上，主要在跨鏈效率、安全性、兼容性等方面進行改進.然而，能源區塊鏈除了資產交換之外，還涉及信息跨鏈傳遞、合約跨鏈部署及計算，需設計相應的跨鏈技術實現這些功能.能源區塊鏈的跨鏈技術還處于起步階段，目前還不存在高效、安全和兼容的方案.

跨鏈信息傳遞時，應考慮傳遞信息的準入、跨鏈傳遞信息的真實性和實時性、鏈間寫互斥性等問題；跨鏈合約部署時，應考慮協同制定合約內容與需求的匹配性，以滿足能源業務合約的功能需求；跨鏈合約計算時，應考慮合約計算過程的正確性與計算結果的完整性.另外，跨鏈信息傳遞、跨鏈合約部署、跨鏈合約計算的安全方案應該是公開可驗證的.

4.2 安全動態的跨鏈節點管控技術研究

在能源區塊鏈跨鏈交易時，跨鏈節點作為跨鏈技術執行的主體，其不合作和惡意行為將導致跨鏈服務的不可用和質量差的問題，因而實現跨鏈節點的安全管控尤為重要.

跨鏈節點需要完成跨鏈數據訪問、數據中轉、數據發送及接收處理、信息審核確認等任務，這些任務之間有較大差異，而且某些任務可能涉及多人協作，因而需按類別和重要性進行分級協作管理，實現管理技術的可信任；跨鏈節點管理的重點是權限管理和行為審查，兩者相互聯系且隨時間動態變化，因而管理技術還應考慮整體的動態優化調整機制；另外，跨鏈節點管控還應考慮鏈間寫互斥性和鏈間數據隱私保護等安全問題.因此，如何實現可信任的跨鏈節點權限和行為安全動態管控，是具有挑戰性的關鍵問題.

跨鏈安全方案最終的執行實體是跨鏈節點，跨鏈節點的不合作和惡意行為將導致區塊鏈系統的拒絕服務、宕機等問題，因此跨鏈節點的管控至關重要.然而，目前關于跨鏈節點的管控研究工作幾乎沒有，僅有少量區塊鏈節點管控的相關工作，主要集中在接入認證、訪問控制、行為審查方面，而且這些研究工作未考慮跨鏈節點的跨鏈特點和重要性.

跨鏈節點安全管控應考慮跨鏈節點的可信任問題，并根據信任度來進行節點的分級權限管理，從而實現細粒度的訪問控制；另外，跨鏈節點行為審查可能會泄露多條鏈的隱私，因此跨鏈節點行為審查還應考慮保護跨鏈的隱私問題.

4.3 安全輕量的跨鏈數據及合約隱私保護技術研究

隱私問題是目前制約區塊鏈技術規模化應用的主要因素之一，而且隱私在跨鏈數據共享和合約計算應用場景中將更加難以保護，在能源區塊鏈的發展中也不得不面臨這個問題.

跨鏈數據共享會涉及數據的頻繁查詢和訪問，因而需設計輕量級的跨鏈數據隱私保護算法，在保證數據隱私安全的同時，實現數據的快速檢索和高效訪問控制；跨鏈合約可能涉及對大量數據的處理和計算，但合約的運行環境和編程語言較難實現開銷較大的運算，因而需設計輕量級跨鏈合約隱私保護算法，在保證合約計算隱私安全的同時，提升大規模協作計算的效率.因此，如何設計輕量級的跨鏈數據共享及合約計算的隱私保護算法，是亟待解決的關鍵問題.

能源區塊鏈在實現數字化協作生態的同時，帶來了區塊鏈數據和智能合約隱私泄露的風險，而且跨鏈技術的運用會聯通多鏈的數據及合約，也帶來了更大的隱私泄露風險和危害.現有的隱私保護方案大多開銷較大，較難適應區塊鏈分布式環境，而且未考慮跨鏈隱私泄露的問題.另外，隱私保護技術會對數據查詢與共享、合約部署與計算的效果造成一定的影響.

因此，在數據隱私保護設計時，應考慮設計輕量級的跨鏈數據高效查詢與共享方案；在合約隱私保護設計時，應考慮設計輕量級的跨鏈合約協同部署與計算方案.

4.4 安全適配的能源區塊鏈共識算法研究

共識算法是區塊鏈系統中的核心機制之一，在能源區塊鏈網絡中，共識節點通過算法交換信息達成共識，維護區塊鏈系統的數據一致性，共識算法也是未來的重要研究方向.

由于跨鏈場景的存在，以及鏈內、鏈間及全網共識的多層級共識機制，共識算法需要滿足各場景業務的性能需求.能源區塊鏈場景復雜多樣，如能源交易、電力規劃、可再生能源消納、電力定價和能源數據共享等，通用的共識算法往往不能完全滿足能源區塊鏈各場景的需要，需針對各場景研究高適配的能源區塊鏈共識算法，并在安全性、一致性、可用性、分區容忍性等層面對共識算法進行評估分析，解決了目前區塊鏈系統的引入帶來的效率降低問題.因此，如何設計安全適配的能源區塊鏈共識算法，是亟待解決的關鍵問題.

共識算法的設計需考慮拜占庭容錯問題、CAP定理和DSS 猜想.拜占庭容錯問題意味著即使某些節點出錯或存在惡意行為，拜占庭容錯系統也能夠繼續運轉.CAP 定理即在一個分布式系統中，一致性（consistency）、可用性（availability）與分區容錯性（partition tolerance）這3 個要素最多只能同時實現2個要素.DSS 猜想即去中心化（decentralization）、安全性（security）、和可擴展性（scalability），在區塊鏈系統中最多只能在這3 個特性中選2 個實現.在能源區塊鏈跨平臺、跨區域、跨業務的跨鏈場景下，各鏈共識算法各異，通用的共識算法并不能兼顧所有場景下的業務需求與性能需求，為能源區塊鏈共識算法的選擇帶來難題.

因此，在能源區塊鏈共識算法設計時，應考慮設計鏈內、鏈間及全網共識的多層級共識機制方案，并針對各場景業務設計安全適配的能源區塊鏈共識算法.

5 總結

隨著能源行業數字化轉型的推進，能源區塊鏈逐漸得到關注，能源區塊鏈的研究以及相關跨鏈解決方案也成為了學術界和工業界研究的熱點之一，而能源區塊鏈的發展很大程度上依賴于跨鏈服務技術的突破.本文針對能源區塊鏈的5 個方面分別展開調研，即能源區塊鏈架構、智能合約應用、跨鏈技術、區塊鏈節點管理和區塊鏈隱私保護，分析了這些安全技術的研究現狀，并考慮這些技術在能源區塊鏈跨鏈交易場景下的可行性，并提出多層次跨鏈協同監管的能源區塊鏈架構，總結國內外能源區塊鏈跨鏈服務安全技術研究所面臨的關鍵問題，分析出未來可能的研究方向.

作者貢獻聲明：何云華負責論文總體規劃、指導論文撰寫；羅明順調研與分析文獻；胡晴整理文獻；吳檳負責圖形制作；王超指導論文撰寫；肖珂負責論文的審核與修訂.