CN115641139A

CN115641139A - 一种基于权重计划行为证明的区块链共识方法

Info

Publication number: CN115641139A
Application number: CN202210816746.4A
Authority: CN
Inventors: 唐长兵; 欧阳芳; 鲍峥; 林飞龙; 张尧
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明属于区块链技术领域，公开了一种基于权重计划行为证明的区块链共识方法，基于权重计划行为证明的区块链共识方法包括：用户通过调用智能合同提出交易请求，填写合同要求的参数后，用户签署交易并发送至区块链网络；进行交易验证，并基于计划行为理论结合计算得到的最优的信誉阈值筛选得到符合条件的用户作为高信誉授权组成员；进行区块生成、块验证以及区块上链。本发明提出的基于权重计划行为证明的区块链共识方法，优化了共识机制应用的可信度，提高了系统的性能，对区块链及其应用具有重要意义，在微电网能源交易等场景中具有实际应用价值。

Description

一种基于权重计划行为证明的区块链共识方法

技术领域

本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种基于权重计划行为证明的区块链共识方法。

背景技术

目前，区块链技术应用于能源交易等场景中可以解决去中心化和隐私保护等问题，但是传统的共识机制应用于微电网能源交易中存在可信度不高和系统性能低下等问题。近些年来，区块链技术在智能电网、能源交易等众多应用场景中被广泛使用。共识机制作为区块链的核心技术，由于其在效率和系统性能方面的良好平衡，逐渐成为研究的主流框架。基于权重计划行为证明的区块链共识机制应用于能源交易场景，可以提高能源交易中的可信度和系统性能。在 PoWPB中，首先建立了基于TPB的自主共识过程模型。利用该模型，得到了块数据授权人资格的可计算阈值。此外，动态授权人组机制被开发的可信性和分散性的考虑。与传统的共识机制PoA和PoT相比，PoWPB具有高效性和安全性的优点。

在能源交易场景中，存在可信度和系统性能两个挑战。基于TPB理论我们提出了PoWPB共识协议，配备一定计算能力和存储资源的任务参与者，共同来维护区块链的运行。同时，区块链记录了每个任务参与者参与任务后的信誉评估。PoWPB依据链上的信誉信息，结合竞争记账权的参与者总人数，综合衡量共识算法的信任度和去中心化程度，设置一个信誉门槛来选举验证委员会，推选成为验证者的委员会成员负责区块的生成和验证。与现有的共识协议相比， PoWPB进一步探讨了共识协议的理论建模和优化。

因此，设计一种新的基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识机制具有很重要的实际意义。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的共识机制应用于微电网能源交易场景中可信度低和系统性能不高，需要使用受信任的第三方或集中控制，使得系统的去中心化程度得不到保障。

(2)现有的共识机制应用于微电网能源交易，存在达成共识的过度延迟和有限的吞吐量问题；

(3)大部分现有的共识机制可扩展性不强，只能适用于一定的应用场景中；

(4)现有的区块链共识机制，应用于特定的场景中通常需要耗费大量的资源，并且普遍存在较大的延迟和吞吐量不高的问题，系统性能普遍偏低，系统整体的可信度和系统性能问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于权重计划行为证明的区块链共识方法。其中下文所提出的公式中，B_i代表个体最终的行为意图；α,β,λ表示个人意愿A_i、节点的信誉值C_i、算力P_i前面的权重系数；R_i表示授权人可获得预期的奖励，

ρ表示系数；N表示区块链网络中的节点个数；e_i表示平均能源交易量；N_AG表示授权者的数量；k表示当前最新的区块为第k个，K表示最新的K个区块；ρ表示系数；

T(i)和S(i)分别表示结构脆弱指数和状态脆弱性指数；ω表示加权系数，表示拓扑信息和状态信息在评估节点脆弱性中的比例。

本发明是这样实现的，一种基于权重计划行为证明的区块链共识方法，所述基于权重计划行为证明的区块链共识方法包括：接收交易请求的用户按照交易验证规则进行验证，并得到最优的信誉阈值，经筛选得到符合条件的用户作为高信誉授权组成员；

区块授权人收集通过区块链网络广播的交易并将所述交易打包至块中；

根据块验证规则进行交易有效性、授权人组更新、授权人信用评分以及授权人合法性的验证；将已验证过的区块被添加到区块链中。

具体包括以下步骤：

步骤一，交易请求：用户通过调用智能合同提出交易请求，填写合同要求的参数后，用户签署交易并发送至区块链网络；

步骤二，交易验证：接收交易的其他用户按照交易验证规则进行验证，若一个用户成功验证事务，则将事务广播给所述用户的邻居；否则，丢弃所述事务；

步骤三，高信誉授权组产生：用户基于计划行为理论结合计算得到的最优的信誉阈值筛选得到符合条件的用户作为高信誉授权组成员；

步骤四，区块生成：区块授权人收集通过区块链网络广播的交易并将所述交易打包至块中；

步骤五，块验证：接收新块的用户根据块验证规则进行交易有效性、授权人组更新、授权人信用评分以及授权人合法性的验证；若验证成功，将块链接到区块链分类帐并在本地存储；主要网络节点成功验证块后，完成交易和新块的共识证明；

步骤六，区块上链：将已验证过的区块被添加到区块链中，立即开始生成下一个区块。

进一步，所述步骤二中，交易验证包括：

首先，进行区块头同步；其次，通过校验函数验证区块头中定义的字段是否合法，通过SPV验证交易是否存在且被区块链共识确认。

进一步，所述步骤三中，高信誉授权组产生包括：

(1)基于TPB，同时结合用户选择偏好设置权重参数，构建决定最终个人行为意图的线性组合模型；

(2)基于TPB建模的共识协议，从正态概率分布函数中确定授权人候选人资格的可配置信用阈值；

(3)计算最优候选节点数和信用阈值，并制定高信誉授权组规则。

进一步，所述决定最终个人行为意图的线性组合模型如下：

B_i＝αA_i+βC_i+λP_i；

其中：

P_i＝TS(i)

进一步，所述步骤(2)中，基于TPB建模的共识协议，从正态概率分布函数中确定授权人候选人资格的可配置信用阈值包括：

μ＝K(α⁺c⁺+α⁰c⁰+α^-c^-)；

其中，ε表示授权人候选人资格的可配置信用阈值；。

进一步，所述步骤(3)中，计算最优候选节点数和信用阈值包括：

1)获取任务参与者i的信誉C_i以及授权者的数量N_AG；

2)根据C_i的信用评分从高到低对节点进行排序；

3)利用下式计算申请人的平均信用值

其中，N_AP表示申请者的数量；

4)循环执行直至

取得最大值时，则利用下式计算信用阈值ε：

5)计算信任度

和去中心化程度

6)利用下式计算

7)if

max<

then

8)

9)N_CA'＝N_CA；

10)ε′＝ε。

其中公式7)到公式10)为N_CA的取值从N_AG到N_AP步长为1并且代入

中计算出

的值，不断的迭代循环进行，N_CA的取值每变化一次，通过公式7)比较一次

与

的值。如果

则把

的值赋值给

指导循环结束时，就可以得到最优的N_CA'和ε′。

进一步，所述(3)中，高信誉授权组规则包括：

规则1)授权人组初始化；

规则2)授权权限分配：当区块链启动时，授权者收集并验证事务，并将所述事务打包到数据块中；在每个区块期结束时，PoWPB协议将从授权人组中指定一名授权人作为轮流授权人；并按字母顺序排列授权者组中的授权者；

规则3)块签名和验证：当授权人获得生成新块的权利，更新块头，包括授权人组，包括组成员的信用评分C_i；同时，授权人签署新的块，并发送到区块链网络；当一个节点接收到新的块时，画出签名并计算公钥；同时节点确定来自公钥的地址是否存在于额外的数据字段中，并且相应的授权者具有块生成资格；如果是，则新块将被接受为有效块。

规则4)授权人资格：如果一个用户申请成为一个新的授权人，将发送一个带有其信用评分的提案；收到提案的授权人将检查新申请者的信用评分；如果申请人的信用评分为C_i>ε，所述提案将被记录并添加到当地的提案池中；在每个块周期内，如果提案池不为空，现任授权人将为提案池中的随机应用者投票，并在块头中声明投票结果；每个授权者维护一个本地数据库作为投票计数，以计算应用者的投票；当收到一个新的投票块时，每个授权者将检查投票结果，并更新本地的投票计数；当一个应用者获得超过一半的投票，所述应用者将成为一个新的授权者，并将在下一个块中声明；

规则5)授权人资格：当出现以下两种情况时取消现有授权人的资格：

情况1，如果一个授权人的间隔时间超过了最大连续工作时间，将被取消资格；否则，将间隔时间增加1；

情况2，用户发送一个建议，如果超过一半的授权人同意取消授权人的资格，则所述授权人将成为普通用户；当授权人被取消资格，所述授权人的地址和相应的信息将从下一个后续块中的额外数据字段中删除；且不合格的用户不得规定的沉默期内申请授权人。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于权重计划行为证明的区块链共识方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执所述基于权重计划行为证明的区块链共识方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于执行所述基于权重计划行为证明的区块链共识方法。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明基于TPB理论，依据链上的信誉信息，结合竞争记账权的参与者总人数，综合衡量共识算法的信任度和去中心化程度，通过Jain公平指数转化为一个最优化问题计算出一个信誉阈值，根据信誉阈值来选举验证委员会，推选成为验证者的委员会成员负责区块的生成和验证，有利于选出高可信度的授权候选节点，降低共识过程的可信度和过度延迟问题，有效提高区块链与信息物理系统(CPS)集成的效率，显著改善了系统的可信度，进一步提高了微电网能源交易的系统性能，在微电网能源场景下具有实际应用价值。本发明提出的基于权重计划行为证明的区块链共识机制经实验验证可以高效解决区块链与信息物理系统集成的能源交易问题。同时本发明提出的共识机制不仅仅局限于能源交易的场景，在一些比如像数据交易等涉及到区块链技术的应用场景中都可以很好应用本发明去解决一些传统共识机制存在的可信度和系统性能不高的问题。

本发明将孪生跟踪器中的正负样本选择从静态设计提升为动态分配模式，并实现分类和回归任务的联合优化。

本发明提供的基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识机制是基于分类得分、距离和回归得分自动学习的，它几乎没有超参数，对于基于锚框和基于无锚框的孪生网络跟踪模型均具有重要意义；本发明提供的基于基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识机制，显著改善了微电网能源交易的可信度，提高了系统性能。本发明与现存的一些经典的共识机制进行了对比实验，从系统公平性和系统性能与其他共识机制进行对比。实验结果表明，本发明提出的基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识机制在不引入额外开销的情况下提高了系统可信度和系统性能。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提出的基于权重计划行为证明的区块链共识方法，优化了共识机制应用的可信度，提高了系统的性能，对区块链及其应用具有重要意义，在微电网能源交易等场景中具有实际应用价值。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明提出的基于权重计划行为证明的区块链共识方法应用于区块链与物理信息系统集成的微电网能源交易中可显著提高系统的可信度和系统性能。本发明的技术方案转化后的预期收益是可以解决传统的微电网能源交易的效率低下和交易的可信度问题，大大提高微电网能源交易的效率，减少传统能源交易中可信度不高而造成的各种损耗问题。本发明的技术方案转化后的商业价值是可以将本发明技术广泛应用于微电网能源交易中，进而取代传统的微电网能源交易的方式，大大提高能源交易的效率，为微电网能源交易方带来巨大的商业价值。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：国内外业内技术中微电网能源交易有少部分涉及到了区块链技术，但是大部分都是用传统的共识机制来解决能源交易的问题。本发明提出的基于权重计划行为证明共识机制填补了国内外业内技术的空白，是首次将一个新设计的共识机制应用于区块链与物理信息系统集成的微电网能源交易中。

(3)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：传统的能源交易不能满足人们日益增长的高效能源交易需求，随着区块链与物理信息系统集成的微电网能源交易出现，能源交易效率有了明显的改善。但是应用传统的共识机制还是存在可信度和效率不高的问题，人们也一直在寻找新的方法去解决亟待改善的问题。本发明提出的基于权重计划行为证明的共识机制可以用来解决现存的这些问题。

(4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：本发明设计的基于权重计划行为证明共识机制应用于一个全新的区块链与物理信息系统集成的微电网能源交易中。这克服了传统的思想中技术与场景与固定配合来使用的技术偏见，可以为人们带来一个新的思路，一些新的技术可以应用于一些新的场景，从而解决一些目前存在的很难解决的问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于权重计划行为证明的区块链共识方法原理图；

图2是本发明实施例提供的PoWPB的共识流程图；

图3是本发明实施例提供的基于行为的信誉模型筛选验证委员会流程图；

图4是本发明实施例提供的总共识信用值的增长图；

图5是本发明实施例提供的节点作恶时信用值的变化图；

图6是本发明实施例提供的节点善意投票时节点信用值的变化图；

图7是本发明实施例提供的PoWPB共识机制与PoPB共识机制的对比图；

图8是本发明实施例提供的PoWPB与PoPB应用于微电网场景中系统性能对比图；

图9是本发明实施例提供的PoWPB与PoW应用于微电网场景中系统性能对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的基于权重计划行为证明的区块链共识方法包括：

S101，交易请求：用户通过调用智能合同提出交易请求，填写合同要求的参数后，用户签署交易并发送至区块链网络；

S102，交易验证：接收交易的其他用户按照交易验证规则进行验证，若一个用户成功验证事务，则将事务广播给所述用户的邻居；否则，丢弃所述事务；

S103，高信誉授权组产生：用户基于计划行为理论结合计算得到的最优的信誉阈值筛选得到符合条件的用户作为高信誉授权组成员；

S104，区块生成：区块授权人收集通过区块链网络广播的交易并将所述交易打包至块中；

S105，块验证：接收新块的用户根据块验证规则进行交易有效性、授权人组更新、授权人信用评分以及授权人合法性的验证；若验证成功，将块链接到区块链分类帐并在本地存储；主要网络节点成功验证块后，完成交易和新块的共识证明；

S106，区块上链：将已验证过的区块被添加到区块链中，立即开始生成下一个区块。

本发明实施例提供的基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识方法具体包括以下步骤：

步骤一、交易请求：用户通过调用智能合同提出交易请求。填写合同要求的参数后，用户签署交易并发送到区块链网络；

步骤二、交易验证：接收交易的其他用户按照交易验证规则进行验证，如果一个用户成功验证事务，将事务广播给其邻居。否则，将丢弃该事务；

步骤三、高信誉授权组产生：用户基于计划行为理论(TPB)，通过算法计算出来的最优的信誉阈值筛选出符合条件的用户作为高信誉授权组成员；

步骤四、区块生成：区块授权人将收集通过区块链网络广播的交易并将其打包到块中；

步骤五、块验证：接收新块的用户可以根据块验证规则进行验证，包括涉及交易的有效性，授权人组的更新和授权人的信用评分，以及授权人的合法性。如果用户成功验证块，它将块链接到区块链分类帐并在本地存储。主要网络节点成功验证块后，完成交易和新块的共识证明；

步骤六、区块上链，已经验证过的区块被添加到区块链中，立即开始生成下一个区块。

步骤一中，本发明实施例提供的交易请求过程具体包括：选择若干个高信用节点作为授权候选节点，授权组中的任意节点之间可以互相进行交易。需要进行能源交易的节点可以发起能源交易请求，满足交易的能源节点可响应此交易请求。

步骤二中，本发明实施例提供的交易验证具体子步骤包括如下：

步骤2-1，区块头同步：采用的区块链系统为以太坊来进行说明，这里采用以太坊的Full mode来进行区块头同步，Full mode可以从节点同步完整的区块数据，保存数据较为完整，使得全节点可追溯所有历史数据，安全性最高；

步骤2-2，区块头验证：区块头交易验证主要分为2部分：合法性校验和简单支付验证。其中通过校验函数验证区块头中定义的字段是否合法，简单支付验证(SPV)主要通过SPV验证交易是否存在且被区块链共识确认。

用于PoWPB实现的所有链上数据都被指定并记录在块头中。它主要是重复使用以太坊区块链的规范块标头的数据字段，包括额外的、Coinbase和Nonce。额外的内容保留在可变长度的块头中，其中可以写入任何信息。因此，数据字段用于记录每个授权人的地址、信用评分和值班时间。来自授权者的块签名也会被写入到额外的数据字段中。由于块生成器的地址可以从其签名中获得，并且PoWPB中不使用PoW的哈希谜，所以块头中的CoinBase和Nonce字段可以重用用于投票过程。具体来说，投票授权者的地址在CoinBase字段中列出，投票结果在Nonce字段中显示。

步骤三中，本发明实施例提供的高信誉授权组产生：用户基于计划行为理论(TPB)，通过算法计算出来的最优的信誉阈值筛选出符合条件的用户作为高信誉授权组成员包括：

首先，根据本发明设计的算法计算出最优的授权候选节点数N_CA和最优的信用阈值ε。

其次，使用正态分布概率函数可以计算出高信用授权组。采用授权人组机制解决了如何使能源交易节点成为授权人和哪个授权人有权在每个块生成期间以分散的方式生成数据块这两个问题。为授权人组组织设计了一套规则如下。

规则1)授权人组初始化：第一组授权人，在第一个最先生成的块中指定，所有授权人的地址记录在第一个块的额外数据字段中。自然地，授权者的第k 个块周期组用N_AG表示。此外，还设置了一个名时间计数器来计算每个授权者i 的值班块周期，这也被记录在额外的数据字段中。

规则2)授权权限分配：当区块链启动时，授权者收集并验证事务，并将其打包到数据块中。在每个区块期结束时，PoWPB协议将从授权人组中指定一名授权人作为轮流授权人。让按字母顺序排列授权者组中的授权者。如果授权人在第k个区块期间i满足k可以整除N_AG，则指定为轮流授权人，其他均为关闭授权人。该算法保证在每个块周期中只选择一个轮流授权人。轮流授权人可以立即签署其块，并将其广播到区块链网络。由于轮流授权人可能离线，轮流授权人也被允许签名和广播他们各自的块，但在一个随机的时间延迟之后。因此，块生成的鲁棒性以及反过来授权者的优先级都得到了保护。

规则3)块签名和验证：一旦授权人获得生成新块的权利，它将更新块头，包括授权人组，包括组成员的信用评分。然后，授权人签署新的块，并将其发送到区块链网络。当一个节点接收到新的块时，它会画出签名并计算公钥。随后，节点检查来自公钥的地址是否存在于额外的数据字段中，并且相应的授权者具有块生成资格。如果是，则新块将被接受为有效块。

规则4)授权人资格：如果一个用户申请成为一个新的授权人，它将发送一个带有其信用评分的提案。收到提案的授权人将检查新申请者的信用评分。如果申请人的信用评分大于授权候选人信用阈值，其提案将被记录并添加到当地的提案池中。在每个块周期内，如果提案池不为空，现任授权人将为提案池中的随机应用者投票，并在块头中声明投票结果。每个授权者维护一个本地数据库作为投票计数，以计算应用者的投票。当收到一个新的投票块时，每个授权者将检查投票结果，并更新本地的投票计数。一旦一个应用者获得大于总投票的一半时，该应用者将成为一个新的授权者，并将在下一个块中声明。

规则5)授权人资格：有两种情况取消现有授权人的资格。情况I，如果一个授权人的规定时间超过了最大连续工作时间，它将被取消资格；否则，将规定时间增加1。案例二，用户发送一个建议，以取消一个授权人的资格，例如授权人的不诚实行为。与规则4中的投票规则类似，如果超过一半的授权人同意取消授权人的资格，那么它将成为普通用户。一旦授权人被取消资格，其地址和相应的信息将从下一个后续块中的额外数据字段中删除。此外，不合格的用户不得在沉默期内申请授权人。

步骤三中，本发明实施例提供的高信誉授权组产生：用户基于计划行为理论(TPB)，通过算法计算出来的最优的信誉阈值筛选出符合条件的用户作为高信誉授权组成员。具体过程包括：

步骤3-1，基于TPB，同时考虑到用户选择偏好设置权重参数，提出决定最终个人行为意图的线性组合模型；

步骤3-2，基于TPB建模的共识协议，可以从正态概率分布函数中确定授权人候选人资格的可配置信用阈值ε；

步骤3-3，考虑Jain的公平性测度，最优候选节点数和信用阈值可以通过一个优化问题来确定，最终通过算法计算出结果；

步骤3-4，高信誉授权组规则制定。

步骤3-1中，本发明实施例提供的基于TPB(B＝A+C+P)，能源节点i将申请授权人的概率：

B_i＝αA_i+βC_i+λP_i (1)

其中B_i代表个体最终的行为意图。α,β,λ为A_i,C_i,P_i前面的权重系数。这里的个人意愿A_i在能源交易场景中相当于单个节点的交易意愿。

假设区块链网络中存在N个节点。PoWPB协议是组织和稳定一个在N个节点中具有N_AG成员的授权者组，在数据块验证和生成方面具有很高的信誉。如前所述，一个节点的信用累积了对过去服务的信用评估。在每个区块期间，节点i 提供平均强度α_i的能源交易服务，这意味着在每个区块期间，节点i都发生了α_i的能源交易(从统计的角度来看)。进一步地，假设平均能源交易量为e_i。

为了奖励块生成器，设置授权费，它与系数为ρ的交易量成比例。根据授权人组机制，授权人可以获得预期的奖励为：

信用系统是综合用于评估区块链网络中节点的可信度和可靠性。系统根据节点反馈的历史评价来评估每个参与节点的信誉。为方便起见，分别设置了三种评估的信用评分，即信用评分为C⁺的正面评估，信用评分为C⁰的中等评估和信用评分C^-的负面评估。C⁺可以设置为正数以进行信用奖励，C^-可以设置为负数以进行信用惩罚，C⁰可以设置为零。节点的信誉值C_i通过以下公式得到。若当前最新的区块为第k个，那么任务参与者i的信誉可由最新的K个区块计算得到：

算力P_i的表达式为：

P_i＝TS(i) (5)

这里：

其中T(i)和S(i)分别表示结构脆弱指数和状态脆弱性指数，ω为加权系数，表示拓扑信息和状态信息在评估节点脆弱性中的比例。

A_i、C_i和P_i的值可以保证0<B_i<1。从统计学的角度来看，申请者的数量(记为N_AP)是由

步骤3-2中，本发明实施例提供的授权人候选人资格概率：

其中μ＝K(α⁺c⁺+α⁰c⁰+α^-c^-) (9)

证明：考虑三种信用评价，假设α_i的

部分给予积极信用评价，α_i的

部分给予适度信用评价，α_i的

部分给予消极信用评价。进一步，假设信用评估的分布是随机的，其中

和

然后，参考(4)c_i的期望可以由

的分布可以通过

得到，其中μ和σ²分别由(9)和(10) 定义。

利用(11)中的

代替(7)和(8)中的c_i，可以通过(8)推导出

的正态概率分布函数。最后，可以通过(8)来求解信用阈值ε。

步骤3-3中，在PoWPB共识协议中，有两个相互矛盾的考虑：一方面，希望高信誉的参与者担任验证者来保证协议安全可信；另一方面，出于去中心化考虑，所有用户都应有相同的机会成为验证者。因此，综合衡量共识算法的信任度和去中心化程度是一个值得考虑的难题。定义信任度

其中，申请人的平均评价信誉

表示申请人的平均评价信誉。定义去中心化程度

其代表共识机制所实现的区块验证者的分布程度。其中N_CA为高信用的节点或授权人候选节点，PoWPB协议中组织和稳定具有N个节点中有N_AG个授权者。随后，期望在共识的信任度和去中心化程度之间取得良好的权衡，运用Jain公平理论，可以等价为以下问题解决：

可以通过算法1确定最优候选者数量N_CA和信用阈值ε。

至此，PoWPB找到了最优的验证者候选人数N_CA，以及相应的信誉门槛值ε，完成了共识算法验证委员会的推选。

步骤3-4中，本发明实施例提供的为授权人组组织设计了一套规则如下。

规则1)授权人组初始化。

规则2)授权权限分配：当区块链启动时，授权者收集并验证事务，并将其打包到数据块中。在每个区块期结束时，PoWPB协议将从授权人组中指定一名授权人作为轮流授权人。让按字母顺序排列授权者组中的授权者。

规则3)块签名和验证：一旦授权人获得生成新块的权利，它将更新块头，包括授权人组，包括组成员的信用评分C_i。然后，授权人签署新的块，并将其发送到区块链网络。当一个节点接收到新的块时，它会画出签名并计算公钥。随后，节点检查来自公钥的地址是否存在于额外的数据字段中，并且相应的授权者具有块生成资格。如果是，则新块将被接受为有效块。

规则4)授权人资格：如果一个用户申请成为一个新的授权人，它将发送一个带有其信用评分的提案。收到提案的授权人将检查新申请者的信用评分。如果申请人的信用评分为C_i>ε，其提案将被记录并添加到当地的提案池中。在每个块周期内，如果提案池不为空，现任授权人将为提案池中的随机应用者投票，并在块头中声明投票结果。每个授权者维护一个本地数据库作为投票计数，以计算应用者的投票。当收到一个新的投票块时，每个授权者将检查投票结果，并更新本地的投票计数。一旦一个应用者获得超过一半的投票，该应用者将成为一个新的授权者，并将在下一个块中声明。

规则5)授权人资格：有两种情况取消现有授权人的资格。情况1，如果一个授权人的间隔时间超过了最大连续工作时间，它将被取消资格；否则，将间隔时间增加1。情况2，用户发送一个建议，以取消一个授权人的资格，例如授权人的不诚实行为。与规则4中的投票规则类似，如果超过一半的授权人同意取消授权人的资格，那么它将成为普通用户。一旦授权人被取消资格，其地址和相应的信息将从下一个后续块中的额外数据字段中删除。此外，不合格的用户不得规定的沉默期内申请授权人。

步骤四中，本发明实施例提供的区块生成，区块授权人将收集通过区块链网络广播的交易。如果一个授权人依次验证并生成块，它将未经验证的事务打包到块中。授权人组的修改和授权人的信用评分也将记录在该块中。然后，依次由授权人在新的块上签名；

本发明实施例提供的微电网能源交易主要在区块链智能合约上执行。具体步骤如下所述：

1)合同能源交易申请：本合同是为能源交易节点授予人发布新的能源资源或更新而设计的属于这个授予者的能源交易的状态。它分别提供了进行能源交易申请创建和能源交易状态更新的两种功能。在能源交易创建功能中，合同允许一个授予人创建一个新的能源交易，并将授予人自动分配为最匹配的能源所有者。在能源交易更新功能中，一个管理员可以在通过要求功能成功检查能源交易管理员的标识后，更新指定能源交易节点的状态(例如，所需能源数量和可用于交易的能源数量)。

2)合同能源交易匹配：本合同适合能源交易用户购买或取消能源交易订单 (通过边缘云服务器)。要购买能源，能源交易节点可以调用能源交易订单合同。在能源订单功能中，交易节点在成功检查能源交易用户的ID并验证目标能源节点的订单状态后，在指定的时间购买能源并更新其订购状态。如果能源交易用户想要取消购买能源订单，可以调用合同中的能源交易取消功能，需要检查能源交易用户ID。在通过区块链网络与能源交易节点提出的能源订单交易达成共识后，目标能源节点也将确认能源订单服务。

3)合同能源交易完成：本合同旨在处理能源交易节点和能源授予人之间的能源交易服务。合同能源交易服务包括两个基本功能，分别命名为购买能源和出售能源。如果本地的能源聚合器收到交易请求，能源聚合器(aggregator)将首先呼叫合同能源交易服务。合同负责检查能源交易节点的余额，该节点的账户中有一个正余额。然后，如果收到能源交易订单，则对相应的属性进行更新。在确认授权人用户在结构体属性中记录了正确的交易节点ID后，将自动结算能源交易服务费。然后，将更新能源交易用户属性，并声明在此服务交易中获得的能源交易节点和能源授予者的信用评分。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。本发明具体实施应用于区块链与物理信息系统集成的微电网能源交易中，同时通过与其它现存的共识机制就公平性和系统性能方面进行比较分析实验，实验结果如图7,图8,图9所示。实验结果表明，本发明设计的基于权重计划行为证明的共识机制可以显著提高微电网能源交易的可信度和系统性能。

本发明实施例提供的基于权重计划行为证明的区块链共识方法，优化了共识机制应用的可信度，提高了系统的性能，对区块链及其应用具有重要意义，在微电网能源交易等场景中具有实际应用价值。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

将本发明实施例提供的基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识机制与现存的共识机制PoW和PoPB进行对比实验。选择微电网能源交易场景，实验结果证明本发明实施例提供的基于权重计划行为证明(PoWPB)的区块链共识机制可以有效地提高可信度和系统性能。

通过实验仿真验证了本发明实施例提供的PoWPB共识能够有效地改善微电网能源交易中存在的交易可信度不高以及系统性能有限问题。本发明实施例提供的PoWPB共识机制相比于其它区块链共识机制，在交易可信度和系统性能方面有很大的提升，与已有的共识机制进行实验比较。由图4可以看出，经过多次共识后总共识信用值的增长速度趋近于零，其值不再增长，证明本发明实施例提出的PoWPB共识中基于信用阈值选择授权候选人机制可合理控制节点信用值增长，不会出现单个节点过高从而威胁网络安全的情况。

为了更直观地看到节点进行善意交易及恶意交易后共识信用值上升与下降的情况，设置2种场景：场景1中，一个信用良好的共识参与者在第10次共识时连续恶意投票，如图5所示。场景2中，节点连续进行善意投票，如图6 所示；记录各场景中节点共识信用值的变化情况，由图可得，本发明实施例提供的基于节点信用值评估机制可以有效地完成节点信用值的评估，当节点进行善意投票时，其节点合约信用值可以缓慢增长，当节点进行恶意投票时，节点合约信用值会快速下降。

同时，本发明进一步对节点信用值进行可视化。TPB模型受态度、主观规范和感知行为控制等因素的影响。其中，主观规范受到信用的影响，而知觉行为的控制则受到个体奖励的激励。如图6所示，当节点的信用评分越高时，节点参与共识的意愿就越强。节点的信用评分越高，意味着节点参与共识的责任感就越高。此外，当系统提出的授权组节点数较多时，打算参与共识的节点数略有减少。随着授权组中节点数量的增加，每个节点获得的报酬将会减少。因此，在一定程度上，节点参与共识的意愿会略有降低。

最后，本发明更进一步把提出的PoWPB共识与其他共识就公平性和系统性能方面进行了对比。如图7，图8，图9所示。通过实验仿真可以得出本发明提出的PoWPB共识应用于区块链与网络物理系统集成的微电网应用场景中在可信度和系统性能方面都有特别明显的优势。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。