CN111563830B - 一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易系统，包括持有EOS系统代币的参与节点以及轻量级服务节点；参与节点由见证人节点、备用见证人节点以及普通参与节点组成；见证人节点用于，提供除去被轻量级服务节点分担之外的石墨烯区块链全链所需要的计算和网络资源，轮流进行记账出块；备用见证人节点用于在记账周期内，当有见证人节点发生故障或产生作恶行为时，当前得票最多的的备用见证人节点对该见证人节点进行替换；轻量级服务节点为石墨烯区块链中的各参与节点提供记账与验证之外的服务来缓解见证人节点的压力。本发明有效解决了中心化交易模式中存在的信息安全、节点信任、交易成本和市场透明度问题，能快速实现的能源交易和能源融合。
Description
技术领域
本发明属于分布式能源交易技术，具体涉及一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易技术。
背景技术
随着分布式能源渗透率的不断提高和售电侧市场的日益放开，电力市场中涌现出大量新兴的主体，海量主体的加入使得电力市场对信息透明性、数据安全性和交易高效性的要求日益提高。在处理电力用户与分布式能源之间的直接交易时，传统的集中化交易模式受其中心化计算能力、交易信息不透明及用户隐私安全等诸多问题的影响，通常无法处理高频次的分布式能源交易，也无法保证交易的公开透明，从而限制了交易主体的积极性。而以P2P交易为代表的分布式交易模式具有交易信息公开透明、交易主体地位平等、交易规则简单高效、运行成本低等特点，满足含多分布式能源的能源系统对交易系统的要求。
当前采用P2P交易模式的能源交易平台在国际上已有诸多应用案例。Piclo是英国一个在线的可再生能源交易平台，该平台每半小时进行一次交易的匹配，并且用户可以选择与同步的发电商进行交易。Vandebron是荷兰的一个在线的能源交易平台，其功能与Piclo类似。但上述P2P能源交易平台由于存在数据易篡改、历史难追溯、主体不信任等方面的问题，从而难以有效应用。为解决上述问题可以引入区块链技术，区块链在实现信息公开透明的情况下可以保证数据的安全，为构建新型的能源交易系统提供了有效的解决方案。
另外，传统的区块链由于共识机制的原因，区块的生成和验证速度较慢，难以满足分布式能源系统对交易速度的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对传统区块链出块速度慢和共识效率低下的缺点，提供一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易模式的系统。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术手段是，一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易系统，包括持有EOS(EnterpriseOperation System, 商用分布式区块链操作系统)系统资产的参与节点以及轻量级服务节点；
参与节点由见证人节点、备用见证人节点以及普通参与节点组成；每一轮投票周期到，在参与节点中选出得票最多的前n个参与节点作为见证人节点，再在剩下的参与节点中选择得票最多的前m个参与节点作为备用见证人节点，其余的参与节点则为普通参与节点；
见证人节点用于，提供除去被轻量级服务节点分担之外的石墨烯区块链全链所需要的计算和网络资源，轮流进行记账出块；每一个记账周期中明确一个记账节点，其他n-1个节点作为验证节点，验证过程遵循股权授权证明（Delegated Proof of Stake, DPoS）共识机制；记账节点将接收的交易信息打包成区块并且签名广播，验证节点对生成的区块进行验证，并反馈验证结果；
备用见证人节点用于，一个记账周期内，当有见证人节点发生故障或产生作恶行为时，当前得票最多的的备用见证人节点对该见证人节点进行替换；
轻量级服务节点用于，为石墨烯区块链中的各参与节点提供记账与验证之外的服务来缓解见证人节点的压力。
具体的，轻量级服务节点包括跨语言远程调用协议JSON-RPC服务节点、数据查询服务节点、区块同步服务节点和交易发送服务节点；
JSON-RPC服务节点用于，为前端应用提供远程过程调用RPC，是前端应用和区块链网络交互的快捷接口；
数据查询服务节点用于，为用户提供历史交易数据和当前市场信息的查询；
区块同步服务节点用于，为新加入参与节点提供区块同步服务，保证了所有参数节点数据的一致性和同步性；
交易发送服务节点用于，维护交易信息队列，将交易信息按时间顺序依次发送给负责记账的见证人节点。
本发明引入具有高并发、高可靠和高效率等优点的石墨烯区块链，并对石墨烯区块链的网络层进行了改进，有效解决了中心化交易模式中存在的信息安全、节点信任、交易成本和市场透明度等问题，并且能够实现快速的能源交易和良好的能源融合。
本发明的有益效果是：
（1）在见证人节点之间采用DPoS共识机制，极大地减少了参与区块共识验证的节点数目，能够达到秒级共识验证，因此系统具有非常快的交易速度。
（2）在网络层加入了备用见证人节点和轻量级服务节点，备用见证人节点在见证人节点发生故障或有作恶行为的时候，通过替换成为新的见证人节点，保证了系统的稳定性和安全性，功能性服务节点则是通过为分布式能源主体提供快速便捷的轻量级服务来缓解系统的压力。
附图说明
图1是实施例提供的一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易系统架构图。
图2是实施例提供的一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
为了方便描述，先对具体实施方式中出现的相关专业术语进行说明：
DPoS（Delegated Proof of Stake）股权授权证明，是一种共识算法，主要应用于石墨烯区块链中，通过投票选举出一定数量的代表节点负责区块的生产和验证。
石墨烯技术，是基于DPoS共识机制的区块链工具组，具有非常良好的性能，石墨烯底层在压测下可以达到近十万的TPS（Transactions Per Seconds）。
DAPP（Decentralized Application），是运行在区块链网络上的应用程序，区块链相对于DAPP来说就是应用运行的底层环境。DAPP就是前端界面加智能合约，前端界面和用户交互，智能合约和区块链交互。
记账节点接收的交易信息来自于用户通过DAPP发起的交易请求，DAPP包含有登录注册模块和挂单交易模块，DAPP会展示出能源市场信息，用户可据此进行能源的出售或购买，DAPP操作平台为用户提供了一个方便的可视化交易平台。
登录注册模块包含登录和注册两个功能，用户注册时系统为其分配唯一的密钥对，密钥对是用户资产的凭证，是用户进行链上操作的必要条件；在登录后，用户可对账户进行充值和提现等基本操作。
挂单交易模块包含电能的出售和购买两个功能，用户根据自身电能状况，若电能富余，则可以向区块链网络发布出售信息，若电能不足，则可以根据区块链网络上的挂单信息进行报价。
轻量级服务节点和备用见证人节点的保障体系。在本系统的网络层中，包含有见证人节点、备用见证人节点和提供轻量级服务的节点。
见证人节点通过全网节点选举得出，见证人节点负责区块的生成和验证，见证人节点轮流出块，同一周期内的其余见证人节点则对该区块进行验证。
备用见证人节点负责保障共识机制的完整性，当系统中的某见证人节点发生故障或产生作恶行为时，系统有权剥夺其见证人权利，然后从备用见证人节点中选出一个替代者，这为系统的安全运行提供了有效保障。作恶行为包括：记账节点生成的区块未被2/3以上的验证节点验证合格、验证节点对生成的区块的验证结果与系统内2/3以上的验证节点的验证结果不一致。
轻量级服务节点包含JSON-RPC服务、数据查询服务、区块同步服务和交易发送服务等，有效缓解了系统的压力。JSON-RPC服务负责为前端应用提供RPC调用，是前端应用和区块链网络交互的快捷接口；数据查询服务为用户提供了历史交易数据和当前市场信息的查询；区块同步服务为新加入节点提供了快速便捷的区块同步服务，保证了各节点数据的一致性和同步性；交易发送服务维护了一个交易信息队列，将交易信息按时间顺序依次发送给负责记账的见证人节点，保证了交易的有序进行。
用户通过DAPP向区块链网络发布要出售电能的数量和定价信息或要购买电能的数量和报价信息；系统通过价格撮合形成含有交易双方数字签名的交易信息摘要，负责记账的见证人节点对交易信息摘要进行验证，并将通过验证的交易以智能合约的形式打包入区块，然后将区块交由其它见证人节点验证，其余见证人节点通过验证后就会将区块存储到本地区块链上，当 2/3 以上的见证人节点验证通过后，该区块所包含的交易合约就会实际存在并且不可篡改，系统到时会按照智能合约的内容自动执行相应操作。
实施例
如图1，交易系统的架构分为5个层次，其中虚线的箭头表示物理流，实线的箭头表示信息流，各层次包含的对象和具体功能如下：
用户层。用户层包含分布式电源、电网企业、企事业单位和社区家庭等基本能源产消者单位。用户层包含了系统信息流和物理流的集合，信息流通过层层流动最终被写入区块，物理流的流动情况则是信息流在智能合约作用下的结果。
应用层。应用层包含与用户直接交互的终端DAPP（去中心化应用）、能量调控系统和信息采集系统。用户可通过DAPP进行登录/注册、充值/提现、市场信息查询和买入/卖出等基本操作，DAPP负责将用户的操作生成信息流转交给相应的链上智能合约；能量调控系统则是系统的硬件控制模块，根据智能合约内容下发控制信息，控制能量的流量与流向，并且在线路出现问题时，及时采取保护措施；信息采集系统负责采集各节点的实时功率和流量，然后将来自用户层的物理流转换为信息流传递给合约层，合约层负责将测量信息存储到链上。
合约层。合约层包含交易、转账、注册、提现等基本系统合约函数，以及交易双方所达成的自定义合约函数。合约层保障了交易各方的合法权益，各方无需信任成本即可放心交易，交易达成后，系统会按照智能合约的内容自动执行相应操作。
网络层。网络层是分布式能源节点的在功能维度下的逻辑划分，用户层的所有节点也是网络层的一部分，但为了表示清晰，将二者单独划分，在划分后的网络层中含有n个法定数量的见证人节点、m个备用见证人节点以及一些为了分担系统压力而引入的功能性服务节点。见证人节点轮流行使记账权，区块的验证只在见证人节点内部进行；当见证人节点发生故障或产生作恶行为时，备用见证人节点将替换该见证人节点，负责该见证人节点承担的共识任务；功能性服务节点则是通过向其它分布式能源主体提供快速便捷的轻量式服务来缓解系统压力。
数据层。数据层是系统数据的实际存储层，随着时间的推移，网络层的见证人节点不断生成区块，区块之间通过区块头相连，每个见证人节点有义务存储系统运行以来的所有区块数据，以备其他节点实时同步和随时查询，其他节点则可以按需存储相应的区块数据，这可以有效缓解中小节点数据同步和存储的压力。
如图2所示，基于石墨烯区块链的分布式能源交易流程，包括以下步骤：
(1) 分布式能源出售者通过终端DAPP将要出售的电量和定价发布到区块链网络。
(2)分布式能源购买者通过终端DAPP查看市场实时信息，根据自身情况向区块链网络发布报价信息。
(3)系统将能源出售者的出售信息按售价从低到高排列，将能源购买者的购买信息按报价从高到低排列，系统通过价格撮合形成交易双方，交易双方在达成最终协议后，会生成一份含有双方数字签名的交易信息摘要，并发送到见证人节点负责维护的消息队列，同时能源出售方需要向系统抵押与出售能源价值等额的保证金，以备无法完成足额能源生产的情况发生。
(4)当前负责记账的见证人节点从消息队列头部提取消息，首先会验证消息的有效性和合法性，如果验证不通过，则直接丢弃该消息，如果验证通过，则将该交易以智能合约的形式打包入当前区块，当区块打包了足够的交易消息后，见证人节点会将该区块发送给其余见证人节点进行验证。
(5)负责验证的见证人节点在收到待验证的区块后，会按照法定的步骤和方法对区块进行有效性和合法性的验证，如果验证不通过，则直接丢弃该区块，如果验证通过，则将该区块链接到自身维护的区块链上，当有 2/3 以上数量的见证人节点通过区块验证并保存后，该区块所包含的交易就会实际存在且不可逆。
(6)根据智能合约上规定的交易时间、数量和价格，系统会按时自动执行交易，将智能合约规定的能源数量导向能源购买者，将智能合约规定的资产数量转移到能源出售者所拥有的地址处。
(7)根据能源出售方输出的实际数量对出售方的保证金进行处理。若按规定完成能源输出，则退回保证金，若输出能源不足量，则出售方的保证金补偿购买方的差额后再退回。
下面对传统能源交易模式、基于以太坊区块链的分布式能源交易模式和基于石墨烯区块链的分布式能源交易模式进行对比分析，结果如表1所示。
表1从6个维度对比了传统能源交易模式（模式A）、基于以太坊区块链的分布式能源交易模式（模式B）和基于石墨烯区块链的分布式能源交易模式（模式C）的优劣点，为了分析方便，分别以模式A、模式B和模式C代替。
1）信息安全。模式A由于采用中心化的数据处理和数据存储，因此存在一定的信息安全问题；模式B和模式C由于都是采用区块链技术，因此信息安全度高。
2）信任成本。模式A需要第三方机构的信任背书，因此信任成本高；模式B和模式C都通过有效的共识机制达成信任，信任成本低。
3）交易成本。模式A由于交易步骤多、交易手段繁杂，因此交易成本高；模式B由于需要用户支付Gas才能进行交易，需要一定的成本；模式C交易时需要抵押资产，交易完成时会退回抵押的资产，交易成本低。
4）交易速度。模式A由于交易步骤多、审核严格，因此交易速度一般；模式B由于出块和验证速度慢，因此交易速度慢；模式C能够达到秒级共识验证，以EOS为例，可以达到3000以上的TPS，因此具有很快的交易速度。
5）市场透明度。模式A由于采用中心化的交易模式，造成交易各方信息不对等，市场透明度低，还在一定程度上打击了各方的交易积极性；模式B和模式C具有信息公开透明的特点，因此市场透明度高，各能源主体也会积极主动参与市场交易。
6）能源融合度。模式A由于没有达成物理接口的统一化，因而无法做到不同类型能源之间的相互流通；而模式B和模式C可以做到点对点的电力交易，无需将各种能源统一存储，可以按需按场合进行不同能源的就地消纳，从而做到不同类型能源的无隔离。
结合表1和以上分析可知，本发明所提出的分布式能源交易模式在信息安全、信任成本、交易成本、交易速度、市场透明度和能源融合度等方面都具有一定的优势，证明了本发明所提出分布式能源交易模式的先进性和实用性。
以上对本申请所提供的基于石墨烯区块链的分布式能源交易模式进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (5)
1.一种基于石墨烯区块链的分布式能源交易系统，其特征在于，包括持有EOS系统资产的参与节点以及轻量级服务节点；
所述轻量级服务节点包括跨语言远程调用协议JSON-RPC服务节点、数据查询服务节点、区块同步服务节点和交易发送服务节点；
参与节点由见证人节点、备用见证人节点以及普通参与节点组成；每一轮投票周期到，在参与节点中选出得票最多的前n个参与节点作为见证人节点，再在剩下的参与节点中选择得票最多的前m个参与节点作为备用见证人节点，其余的参与节点则为普通参与节点；
见证人节点用于，提供除去被轻量级服务节点分担之外的石墨烯区块链全链所需要的计算和网络资源，轮流进行记账出块；每一个记账周期中明确一个记账节点，其他n-1个节点作为验证节点，验证过程遵循股权授权证明DPoS共识机制；记账节点将接收的交易信息打包成区块并且签名广播，验证节点对生成的区块进行验证，并反馈验证结果；
备用见证人节点用于，记账周期内，当有见证人节点发生故障或产生作恶行为时，当前得票最多的备用见证人节点对该见证人节点进行替换；判定为作恶行为包括：记账节点生成的区块未被2/3以上的验证节点验证合格、验证节点对生成的区块的验证结果与系统内2/3以上的验证节点的验证结果不一致；
轻量级服务节点用于，为石墨烯区块链中的各参与节点提供记账与验证之外的功能性服务；
分布式能源交易系统在进分布式能源交易时，包括以下步骤：
区块链网络接收能源出售者发布的要出售的电量和定价，接收能源购买者发布的报价信息；
(2) 分布式能源交易系统将能源出售者的出售信息按售价从低到高排列，将能源购买者的购买信息按报价从高到低排列，系统通过价格撮合形成交易双方，交易双方在达成最终协议后，会生成一份含有双方数字签名的交易信息摘要，并发送到见证人节点负责维护的消息队列，同时能源出售方需要向系统抵押与出售能源价值等额的保证金，以备无法完成足额能源生产的情况发生；
(3)当前负责记账的见证人节点从消息队列头部提取消息，首先会验证消息的有效性和合法性，如果验证不通过，则直接丢弃该消息，如果验证通过，则将该交易以智能合约的形式打包入当前区块，当区块打包了足够的交易消息后，见证人节点会将该区块发送给其余见证人节点进行验证；
(4)负责验证的见证人节点在收到待验证的区块后，会按照法定的步骤和方法对区块进行有效性和合法性的验证，如果验证不通过，则直接丢弃该区块，如果验证通过，则将该区块链接到自身维护的区块链上，当有 2/3以上数量的见证人节点通过区块验证并保存后，该区块所包含的交易就会实际存在且不可逆；
(5)根据智能合约上规定的交易时间、数量和价格，系统会按时自动执行交易，将智能合约规定的能源数量导向能源购买者，将智能合约规定的资产数量转移到能源出售者所拥有的地址处；
(6)根据能源出售方输出的实际数量对出售方的保证金进行处理；若按规定完成能源输出，则退回保证金，若输出能源不足量，则出售方的保证金补偿购买方的差额后再退回。
2.如权利要求1所述系统，其特征在于， JSON-RPC服务节点用于，为前端应用提供远程过程调用RPC，是前端应用和区块链网络交互的快捷接口；
数据查询服务节点用于，为用户提供历史交易数据和当前市场信息的查询；
区块同步服务节点用于，为新加入参与节点提供区块同步服务，保证了所有参数节点数据的一致性和同步性；
交易发送服务节点用于，维护交易信息队列，将交易信息按时间顺序依次发送给负责记账的见证人节点。
3.如权利要求1所述系统，其特征在于，记账节点接收的交易信息来自于用户通过可视化操作平台DAPP发起的交易请求，DAPP是用户与区块链网络交互的直接终端；包含有登录注册模块和挂单交易模块，DAPP会展示出能源市场信息，用户可据此进行能源的出售或购买。
4.如权利要求3所述系统，其特征在于，登录注册模块包含登录单元和注册单元；
注册单元用于，用户注册时为其分配唯一的密钥对，密钥对是用户资产的凭证，是用户进行链上操作的必要条件；
登录单元用于，保障用户的单点登录状态，以及在用户登录后，提供用户对账户的充值和提现等管理服务。
5.如权利要求3所述系统，其特征在于，挂单交易模块包含电能出售单元和电能购买单元；
电能出售单元用于，向区块链网络发布出售的电量和价格信息，由区块链网络生成挂单；
电能购买单元用于，根据区块链网络上的挂单信息进行报价。
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