基于區塊鏈和IPFS的共享儲能安全交易系統應用研究

摘" 要：針對共享儲能存在隱私暴露、數據安全及監管、開銷大等問題，文章提出基于區塊鏈和IPFS的共享儲能安全交易系統。利用區塊鏈實現去中心化儲能交易，保證交易匿名性及交易記錄不可篡改。首先采用BF-IBE算法加密交易記錄，解決信息暴露的問題。引入IPFS分布式存儲加密訂單，提高存儲查詢效率。其次基于智能合約和區塊鏈，進行去中心化可追溯監管，解決監管開銷問題，確保交易金額完整，防止惡意競爭。再次結合智能合約和數字簽名技術進行身份認證，確保合法用戶修改儲能輸送狀態信息，保證數據完整。最后進行安全性證明、系統實現與實驗測試，分析鏈下、鏈上計算效率和資源消耗，實驗結果表明系統安全高效。

關鍵詞：星際文件系統；共享儲能；隱私保護；去中心化

中圖分類號：TP309；TP39" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）04-0145-07

Research on the Application of Shared Energy Storage Secure Trading System Based on Blockchain and IPFS

ZHAO Wanxiong， LI Juan

（Information Engineering Institute， Wuchang Institute of Technology， Wuhan" 430065， China）

Abstract： Aiming at the existing problems such as privacy exposure， data security and regulation， and high overhead in shared energy storage， this paper proposes a secure trading system for shared energy storage based on blockchain and IPFS. Blockchain is utilized to achieve decentralized energy storage transactions， ensuring transaction anonymity and immutability of transaction records. Firstly， the BF-IBE algorithm is employed to encrypt transaction records， addressing the issue of information exposure. And it introduces IPFS distributed storage for encrypted orders to improve storage and query efficiency. Secondly， it conducts decentralized and traceable supervision based on smart contracts and blockchain， resolving regulatory overhead issues， ensuring the integrity of transaction amounts， and preventing malicious competition. Thirdly， it combines smart contracts and digital signature technology for identity authentication to ensure that legitimate users modify the energy storage transmission status information and ensure data integrity. Finally， security proofs， system implementation， and experimental tests are conducted to analyze off-chain and on-chain computational efficiency and resource consumption. The experimental results demonstrate that the system is secure and efficient.

Keywords： IPFS; shared energy storage; privacy protection; decentralization

0" 引" 言

共享儲能交易產業以傳統運營模式為主，即由政府部門作為建設主導、以能源生產企業作為中心樞紐的運行方式，雖然這種方式很大程度上保障了共享儲能交易的穩定與安全[1]，但是仍然存在惡性競爭的情況導致建設資源浪費的問題，例如，惡意篡改用戶能源輸送狀態，修改交易金額，導致資金無法正常到達業主等。同時，在整個共享儲能交易的過程中，需要由政府部門主導的機構生成作為保證公平交易的仲裁憑證，即交易記錄，并進行存儲；交易記錄一般以中心化的形式存儲在政府監管機構的本地數據庫中。但這種存儲方式也面臨著一些問題，比如：交易記錄作為一種電子文件，在系統進行上傳、處理和存儲操作等過程中非常容易被修改；如果存儲電子文檔的中心數據庫被攻擊，不僅會丟失用戶的交易記錄，還可能會被竊取或篡改交易記錄[2]，用戶隱私無法得到安全的保障；電子文檔會因為系統的崩潰、中毒等問題造成數據缺失。

區塊鏈作為一種具備透明性和開放性的分布式數據庫，已廣泛應用于商業領域，并在儲能交易方面取得了一定成果。針對分布式能源交易，文獻提出了多種模型和機制，如結合區塊鏈與分布式能源的交易模式[3-4]、基于智能合約的分布式能源交易方案[5]、區塊鏈與分布式優化相結合的能源交易框架[6]、基于信用的P2P電力交易模型[7]以及去中心化電能源交易平臺[8]等。然而，這些研究大多未明確解決用戶隱私暴露問題或系統設計與實現方法的細節。Aitzhan等人[9]提出了基于代幣的私有去中心化能源交易系統，通過區塊鏈技術、多重簽名和匿名加密消息傳播流提供隱私和安全性，但未提供系統設計細節。Liu等人[10]和張顯等人[11]的研究分別提出了弱中心化管理的分布式新能源現貨交易方法和基于區塊鏈的綠色電力能源交易系統，但未解決區塊鏈存儲開銷大和無法儲存大文件的問題。本文針對共享儲能交易場景，提出使用以太坊賬戶保證交易匿名性，結合區塊鏈、IPFS和密碼學技術防止交易信息暴露，并通過智能合約提高儲存和交易效率，確保公平性和數據完整性，構建一個可監管的去中心化共享儲能安全交易系統。

1" 預備知識

1.1" 區塊鏈技術

區塊鏈是一個分布式系統，可以為彼此不完全信任的眾多節點提供可靠的服務。所有節點收集事務，形成一個塊，由公鑰、消息身份驗證碼（MAC）、簽名和抗沖突哈希加密，以提供高級安全保護。區塊鏈技術以加密與解密算法、點對點傳輸和分布式存儲為基礎，利用密碼學和共識算法確保多個對等節點可以復制、同步、共享同一個賬本，從而保證數據一致性、防止篡改，并提高數據安全性[12]。

1.2" 智能合約

智能合約[13]是由編程語言定義和編譯的一種協議，合約參與方可以在其上執行這些協議。開發者可以使用編程語言編寫智能合約，并通過區塊鏈網絡中的所有節點進行共同參與和監督。在編譯智能合約時，預先設定的條件將存放在區塊鏈中。當輸入外部數據時，智能合約會自動判斷該數據是否滿足預先設置的觸發條件，并按照規則執行合約代碼，最終更新整個合約運行狀態，并反饋執行結果。

1.3" 星際文件系統

星際文件系統（Inter Planetary File System， IPFS）是一個點對點分布式文件系統[14]，與傳統數據庫通過數據所儲存的具體位置進行查找不同，IPFS是根據所儲存的數據內容進行查詢，具有高效性和準確性。IPFS通過內容尋址來查找數據，將文件分塊后，為每個塊計算哈希值并構建文件檢索表，然后將所有塊的哈希值拼接起來并做一次哈希運算，從而得到文件的唯一標識符（CID）。資源請求者只需提供CID，IPFS便能根據文件檢索表和內部路由表自動查找并合并各文件塊，以還原原始文件。

1.4" Boneh-Franklin加密

Boneh-Franklin加密算法[15]是一種基于身份的加密體制，包括系統建立（Setup）、密鑰提取（Extract）、加密（Encrypt）、解密（Decrypt）。Boneh和Franklin利用Fujisaki-Okamoto轉換改進后，可抵抗選擇密文攻擊。

2" 方案設計

2.1" 系統概述

系統涵蓋應用層、業務層、文件存儲層、智能合約與區塊鏈層5部分，以及用戶節點、業主節點、儲能電站節點3個實體。應用層是用戶或業主與系統的交互入口，用戶或業主節點能在此完成交易信息上傳、文件索引上傳與查詢、金額交易等操作。業務層以密碼學的加密與解密算法為核心。用戶或業主節點提交重要交易記錄時，系統先加密再存儲，確保數據安全。交易雙方節點檢索文件時，系統進行解密處理。文件存儲層融入分布式的星際文件系統（IPFS），業主節點提交交易信息前先加密，上傳到IPFS確保安全存儲、防篡改，還具備高度隱秘性和可仲裁性，保障交易記錄完整性和可信度。系統設置自動操作，如身份驗證、金額交易等，借助智能合約模塊在去中心化前提下自動執行。區塊鏈層，用戶共享IPFS中訂單記錄索引信息，引入IPFS存儲加密訂單記錄，通過智能合約上傳檢索信息至區塊鏈，實現分布式存儲，降低開銷，提高效率。系統方案架構圖如圖1所示。

2.2" 系統處理流程

在交易過程中，用戶節點使用業主節點的公鑰加密交易信息（包括用戶隱私信息如地址、儲能類型和需求量等），然后將加密信息與賬戶地址發送給業主節點。業主節點解密交易信息后，將其整合為訂單并再次加密，存儲在IPFS中，并將IPFS生成的加密訂單索引信息發送給用戶。用戶確認訂單后，通過系統交易界面完成支付操作。支付完成后，業主節點通過區塊鏈驗證用戶支付金額的正確性，并授權儲能電站按照交易信息中記錄的電量輸送儲能。儲能輸送完畢后，用戶節點需通過系統界面進行身份驗證，以獲取修改儲能狀態的權限。最終，智能合約根據儲能狀態自動完成業主的提現操作。系統處理流程圖如圖2所示。

2.3" 安全性分析

本節針對提出的安全目標進行安全性分析具體內容如下：

1）匿名性。用戶在交易協商中使用系統生成的偽身份，確保攻擊者無法推斷其真實身份。資金交易使用哈希函數生成的以太坊賬戶，具備隱蔽性，即使交易記錄在區塊鏈上，也無法通過賬戶推測出真實身份。

2）交易記錄的機密性。交易記錄經BF-IBE算法加密后存儲，即便惡意節點獲取了加密后的記錄，由于無法獲取用戶的私鑰，無法解密交易信息，確保了交易記錄的機密性。

3）數據完整性。交易記錄存儲于IPFS分布式系統，防止通過攻擊儲能電站或業主本地數據庫竊取記錄的風險。區塊鏈的不可篡改性保證了數據的可追溯性和完整性。智能合約作為資金流的載體，記錄并監管資金流動，確保資金流和物流信息的完整性。只有經過身份認證的合法用戶才能修改物流信息，防止惡意節點篡改。

4）資金流的正確性。在支付階段結束前，智能合約記錄并永久存儲支付方的以太坊賬戶和支付金額，業主可以驗證支付金額的正確性，確保資金流向正確。當用戶通過身份認證并修改物流狀態后，智能合約自動扣除支付平臺余額并將金額轉移至業主，保證資金最終到達業主。

5）身份認證。確認收貨階段，若惡意節點偽造身份試圖修改輸送狀態以獲取資金，即便其知曉用戶以太坊賬戶，也無法通過驗證，確保交易安全性。

3" 系統實現

系統采用Geth 1.10作為搭建區塊鏈的底層架構，區塊鏈底層基于VM虛擬機Ubuntu 16.04操作系統實現部署，并配置go-1.16等服務。智能合約開發使用Solidity語言，采用Remix平臺作為編譯和部署合約以及可視化界面的底層框架。使用MetaMask工具與Remix連接的方式，能夠更清晰地觀察交易詳情，同時引入IPFS作為業務數據庫。系統開發環境：Windows 10操作系統、Intel Core i7處理器、內存16 GB、硬盤空間512 GB。下面介紹關鍵代碼的編寫過程。針對交易信息交互階段，采用基于Java語言的Boneh-Franklin加密算法進行功能實現，其中Java版本為14.0.1，編譯平臺選用InterlliJ IDEA 2020。

3.1" 交易記錄加解密

3.1.1" 生成參數

首先使用import關鍵字導入所需的模塊文件，主要需要JPBC庫里面的Element、Field、Pairing、PairingFactory這4個包文件，編寫代碼如下系統首先需要生成特定參數，用于各實體節點的匿名身份標識、公私鑰生成。一般需要調用JPBC庫中的特定函數newElement（），getGT（）生成，代碼如下：

#1.變量初始化

pairing = PairingFactory.getPairing（\"a.properties\"）;

checkSymmetric（pairing）;

Zr = pairing.getZr（）;

r = Zr.newElement（）;

#2.生成公私鑰以及相關參數

G1 = pairing.getG1（）;

Ppub， Qu， Su， V = G1.newElement（）;

#3.初始化元素群

Field GT = pairing.getGT（）;

T1，T2 = GT.newElement（）;

3.1.2" 加密操作

在生成特定參數后，系統根據用戶輸入的身份信息生成對應的匿名身份信息，同時為所有實體節點生成公私鑰。用戶節點通過系統操作界面對交易記錄進行加密操作。調用newRandomElement（）函數獲取隨機數用戶計算加密公式，然后分別計算V = α·P，W = r⊕H2（（e（Ppub，QU）α），T = m⊕H4（r），代碼如下：

#1.計算用于加密的參數

α=pairing.getGT（）.newRandomElement（）.getImmutable（）;

r = Zr.newRandomElement（）.getImmutable（）;

V = P.mulZn（r）;

#2.計算密文

T1 = T1.powZn（r）.getImmutable（）;#計算H2（e（Ppub，Qu）^r）

W = xorEncode（m， pairing.getGT（）.newElement（）.setFromHash（T1.toBytes（）， 0，3）.getImmutable（）.toBytes（））;

T=xorEncode（m，pairing.getZr（）.newElement（）.setFromHash（α.toBytes（） ，0，α.toBytes（）.length）.getImmutable（）.toBytes（））;

3.1.3" 解密操作

業主節點通過系統操作界面對交易記錄進行解密操作。利用getImmutable（）函數對加密后的交易記錄進行逆向計算r = W⊕H2（e（V，SU）），m = T⊕H4（r），代碼如下：

#1.利用私鑰計算密文

T2 = pairing.pairing（V， Su）.getImmutable（）;

Element T3 = pairing.getGT（）.newElement（）.setFromHash（T2.toBytes（）， 0， 3）.getImmutable（）;

byte[] m = xorEncode（W.toString（），T3.toBytes（））;

#2.計算長度為128位的數字簽名

int byt = V.getLengthInBytes（）;#求V的字節長度，假設消息長度為128字節

System.out.println（m）;

3.1.4" 驗證消息

業主節點獲取解密信息后，需要進行驗證消息的操作，即設置α = H3（r，m）并檢查等式V = αP是否成立如果成立，代碼如下：

Element Viden = P.mulZn（r）;

System.out.println（\"verify results V：\"+Viden）;

3.2" 智能合約設計

用戶節點進行支付操作、身份驗證、修改物流信息，以及業主節點進行上傳IPFS文件檢索信息等操作時，需要通過系統后臺連接到智能合約，前端界面則通過Remix平臺進行智能合約部署、代碼編譯和生成。用戶節點和業主節點需要在Remix前端界面中對應的表單輸入信息并運行。

3.2.1" addUser（）函數

addUser（）函數主要實現了用戶可進行身份注冊的功能。用戶Ui調用智能合約錄入用戶身份，輸入內容為EAUi和Ui，其中EAUi為待注冊身份用戶Ui的以太坊地址，UIDi為用戶Ui的匿名身份。輸入完成后會觸發功能函數addUser（EAUi，UIDi），智能合約將用戶Ui賬戶地址和偽身份整合并存放在LUser中。

3.2.2" setIndex（）函數

setIndex（）函數業主在上傳index值至區塊鏈時使用的方法。業主Sj調用智能合約的setIndex（EASj，index）方法，智能合約首先判斷調用方的錢包賬戶EASj是否正確，若正確則將業主Sj輸入的index值存儲在區塊鏈中，其中index表示訂單記錄儲存在IPFS的索引地址。具體過程如算法1所示。

算法1" setIndex（EASj， index）

輸入：EASj， index

輸出：bool（true or 1）

1. if（msg.send ！=EASj）

2." " return 1

3. struct newFile

4." times=now

5." "newFile.index=index

6. return true

3.2.3" payment（）函數

payment（）函數主要實現兩個功能，用戶支付以及業主提現。當用戶需要調用payment（）函數時，設置VALUE屬性值并觸發提交條件，智能合約會將用戶資金轉賬至儲能電站管理員的臨時錢包賬戶，具體過程如算法2。其中，EAUi是當前用戶的錢包賬戶，EAp是儲能電站管理員的錢包賬戶，而price則表示此次交易需要支付的金額，即VALUE=price。

算法2：payment（EAUi，EAp，price）

輸入：EAUi ，EAp， price

輸出：bool（true or 1）， TransactionUi

1. if（msg.send ！=EAUi）

2." " return 1

3. receiver = EAp

4. msg.value = price

5." "receiver.transfer（msg.value）

6. return true， TransactionUi

3.2.4" authenticateUser（）函數

authenticateUser（）函數提供用戶進行身份驗證的功能。用戶Ui驗證當前共享儲能是否正確輸送，若驗證通過，則調用方法authenticateUser （EAUi，UIDi），輸入身份信息觸發智能合約進行身份驗證，具體過程如算法3。用戶Ui通過認證后，智能合約會根據用戶當前儲能電數量自動修改當前儲能輸送狀態；若輸送完畢，則智能合約會自動調用setStatus（）函數修改狀態信息為“儲能已輸送完畢”。

算法3：authenticateUser （EAUi ， UIDi）

輸入：EAUi ， UIDi ，complete

輸出：bool（true or 1），status

if（msg.send ！= EAUi）

return 1;

while（1）

if（LUser[i] == UIDi） {

setStatus（complete）; }

else return 1;

break；

return true， status；

智能合約在儲能輸送狀態信息發生改變之后，payment（）函數會先根據當前的狀態信息來決定是否執行提現操作。如果檢測到輸送狀態信息顯示為“儲能已輸送完畢”，那么智能合約將會從儲能電站管理員的錢包賬戶上扣除相應的金額，并將資金轉移至業主賬戶地址。

3.3" 實驗結果分析

代碼編寫完成后，分別對加解密算法，智能合約代碼進行編譯，并將智能合約部署到系統后臺中。用戶節點與業主節點可以通過系統輸入交易信息，進行對應的加密、解密、驗證簽名等操作。同時，進行鏈上操作的時候，可以通過系統進入到智能合約操作界面，如圖3所示。

在該方案中，采用基于身份加密機制中的Boneh-Franklin加密算法（BF-IBE）來完成業主與用戶之間交互數據以及需要儲存的數據的加解密操作。所有的加解密操作都在鏈下進行，并計算各階段所需的時間。表1中統計了20次Boneh-Franklin加密算法各部分的耗時時間，其中包括GID、Enc、Dec、VALM、Sum。GID表示：預處理中系統生成用戶偽身份。Enc表示：用戶User使用系統生成的業主公鑰對交易信息進行加密。Dec表示：當業主Store收到用戶User發送的加密信息后，使用自己的私鑰對加密信息進行解密。VALM表示：當業主Store解密用戶User發送的加密信息后，通過計算驗證消息的可靠性。Sum表示：整個偽身份產生，加解密及驗證信息過程中所消耗的時間之和。其中生成偽身份所需平均時間（Average time）為47.30 ms，加密所需平均時間為32.86 ms，解密所需平均時間為12.35 ms，驗證信息所需平均時間為15.51 ms，整個算法所需平均時間為108.02 ms。

表2中包括執行方法、執行者、消耗的gas值、實際成本以及USD，其中消耗的gas值包含交易成本與執行成本，User表示用戶，Store表示儲能商業主，SC（Smart Contract）表示當前部署的智能合約。交易成本指將交易送至區塊鏈所消耗的費用，基于數據的大小來決定gas的大小。執行成本指以太坊虛擬機（EVM）執行所需的費用。本方案部署在以太坊測試鏈上，并將gasPrice值設置為28 Gwei，其中1Gwei=109wei=10-9ether。方案中設置以太坊gas消耗總上限為3 000 000 gas，在表3中每個函數的執行成本都沒有超過限制的gas，說明方案的智能合約是可部署的。

通過實驗結果可以看出，鏈下操作部分中使用Boneh-Franklin加密技術生成用戶和業主的偽身份，完成對二者之間傳輸數據的加密、解密、驗證消息等操作所需平均時間僅為108.02 ms，耗費的時間較少；鏈上操作部分執行智能合約實際成本較低。因此，該方案是高效的，可行的。

4" 結" 論

本文提出了一種基于區塊鏈和IPFS的共享儲能安全交易系統模型。利用BF-IBE加密機制生成用戶唯一身份標識和安全密鑰，保障身份注冊和信息加密，從而確保交易匿名性。智能合約實現了資金流的去中心化監管、身份注冊認證、儲能狀態修改和信息存儲等功能，保護用戶隱私并保證交易信息的隱秘性和完整性。通過安全性分析和實驗評估，分析了模型鏈下操作的效率及鏈上操作的性能，證明了該模型的高效性與可行性。本系統在提高安全性的同時，確保了共享儲能交易的去中心化管理，有效避免了資源浪費。未來工作將聚焦于大規模用戶場景下的并發處理及效率提升。

參考文獻：

[1] 王慧敏.基于區塊鏈技術的共享儲能交易模型分析 [J].儲能科學與技術，2023，12（3）：1004-1005.

[2] 楊水麗，來小康，丁濤，等.新型儲能技術在彈性電網中的應用與展望 [J].儲能科學與技術，2023，12（2）：515-528.

[3] 王蓓蓓，李雅超，趙盛楠，等.基于區塊鏈的分布式能源交易關鍵技術 [J].電力系統自動化，2019，43（14）：53-64.

[4] 李彬，覃秋悅，祁兵，等.基于區塊鏈的分布式能源交易方案設計綜述 [J].電網技術，2019，43（3）：961-972.

[5] 沈澤宇，陳思捷，嚴正，等.基于區塊鏈的分布式能源交易技術 [J].中國電機工程學報，2021，41（11）：3841-3851.

[6] CHEN S J，SHEN Z Y，ZHANG L，et al. A Trusted Energy Trading Framework by Marrying Blockchain and Optimization [J/OL].Advances in Applied Energy，2021，2：100029[2024-06-20].https：//doi.org/10.1016/j.adapen.2021.100029.

[7] ZHOU K L，CHONG J，LU X H，et al. Credit-Based Peer-to-Peer Electricity Trading in Energy Blockchain Environment [J].IEEE Transactions on Smart Grid，2022，13（1）：678-687.

[8] 馬騰，劉洋，許立雄，等.基于區塊鏈的配電側多微電網電能去中心化交易模型 [J].電網技術，2021，45（6）：2237-2247.

[9] AITZHAN N Z，SVETINOVIC D. Security and Privacy in Decentralized Energy Trading Through Multi-Signatures， Blockchain and Anonymous Messaging Streams [J].IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing，2018，15（5）：840-852.

[10] LIU J Y，CAI Z Y，LIU D N，et al. Research on Distributed Energy Transaction Technology Based on Blockchain [J] E3S Web of Conferences.Harbin：E3S Web of Conferences，2021，236：02011（2021-02-09）.https：//doi.org/10.1051/e3sconf/202123602011.

[11] 張顯，馮景麗，常新，等.基于區塊鏈技術的綠色電力交易系統設計及應用 [J].電力系統自動化，2022，46（9）：1-10.

[12] JIA M，CHEN J，HE K，et al. Redactable Blockchain from Decentralized Chameleon Hash Functions [J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security，2022，17：2771-2783.

[13] JIANG Z G，ZHENG Z B，CHEN K，et al. Exploring Smart Contract Recommendation： Towards Efficient Blockchain Development [J].IEEE Transactions on Services Computing，2023，16（3）：1822-1832.

[14] SONG M，HAN J，EOM H，et al. IPFSz： An Efficient Data Compression Scheme in InterPlanetary File System [J].IEEE Access，2022，10：122601-122611.

[15] SHARMA D K，TOKAS B，JAKKINAPALLI V R，et al. Boneh-Franklin IBE [M]//Functional Encryption.Springer，Cham，2021：137-149.

作者簡介：趙萬雄（1997—），男，漢族，湖北仙桃人，教師，碩士，研究方向：應用密碼學與信息安全、區塊鏈技術；李娟（1977—），女，漢族，江蘇淮安人，教授，博士，研究方向：計算機應用技術。

收稿日期：2024-07-28

基金項目：武昌工學院校級科學研究項目（2024KY09）；湖北省教育廳科研計劃項目（B2019296）