文摘
工业物联网的技术支持,区块链技术已广泛应用于能源交易,交易数据,和网络的车辆。然而,大多数现有的能源交易模型只解决交易安全和交易隐私能源交易过程中出现的问题,忽视了资源分配的公平性和交易股票的交易过程。为了解决这些问题,一个叫做HO-TRAD能源交易计划提出了提高模型效率的交易同时确保能源交易的公平性。我们提出一个新的交易策略HO-TRAD能源交易计划保证公平交易资源配置通过引入一个实体的活跃的声誉价值。使用智能合同来实现事务的透明度,确保公平性的过程。基于该财团的身份验证基础链,该方案提高了现有PBFT共识算法和改进交易效率的模型。实验仿真表明,该计划需要更少的时间和更高的交易公平和安全事务。
1。介绍
为核心的解决方案,实现行业4.0 [1),工业物联网(物联网)已成为学术界关注的焦点。随着物联网技术的发展,物联网的智能特性也得到了相当大的增长。然而,由于工业技术的不断创新,对工业能源的需求增加,以及如何确保在物联网的能源供应已成为一个热门的研究点。为了克服这些问题,智能电网(2)、车辆能源网络3,4)和虚拟力量计划(5提出了先后。
然而,大多数现有的能源交易计划集中;有可能出现单点故障的自第三方被允许作为控制器来管理或控制所有事务和注册信息。原因是能量节点必须依靠中央实体处理能量分布、资源分配、实体注册和认证(6,7),这可能会带来一些潜在的安全问题。
事务和用户隐私的安全问题一直是一个关注工业物联网能源交易(8,9]。攻击者可能绕过用户身份验证机制(10,11),破坏能源交易中心收集事务的用户数据,并执行收购交易数据的隐私分析提取敏感的用户信息。因此,大多数现有的研究侧重于工业物联网的安全与隐私能源交易12- - - - - -14),而忽略能源交易工业物联网的公平。能源交易的过程中,高质量的交易资源将不可避免地导致恶性竞争,交易和资源分配不公平的交易肯定会减少交易系统的质量。此外,在传统PBFT共识模型中,每一轮的共识需要筛选主节点。这大大浪费系统资源,降低了交易系统的效率,和限制工业物联网的未来发展能源交易(15,16]。
为了解决上述问题,我们设计一个财团blockchain-based能源交易计划称为HO-TRAD,利用的财团链和分散的特点进行深入调查能源交易的公平和效率的情况下确保物联网的安全与隐私能源交易。HO-TRAD方案,采用能源交易实体的活跃的声誉价值,以确保交易资源的公平分配。该系统将基于交易的活跃的声誉价值分配资源实体,当能源交易节点争夺有限的交易资源。与聪明的合同,一个事务奖励和惩罚机制提出了确保公平交易的过程。在发生欺诈或终止交易,聪明的合同将激活交易奖励和惩罚机制。根据能源事务的情况下,实体,打破了交易将受到惩罚,而另一交易实体将会得到遵守交易规则。
简而言之,我们的贡献如下:(1)我们提出一个能源交易解决方案称为HO-TRAD更好地调节能源交易的过程工业物联网在一个开放和透明的方式。我们建立一个财团区块链存储所有能源交易信息,以确保交易数据的可验证性。提出了一种新的智能合同来取代传统的交易模式,确保公平和透明的交易过程。(2)系统记录的活跃的声誉价值交易主体在管理范围内,当有多个交易主体争夺相同的交易资源,系统将分配资源的基础上,积极的声誉价值的交易对象,提高了资源能源交易的公平性。(3)HO-TRAD方案,我们改进了传统算法BPFT共识通过替换原有的主节点选择系统指定主节点的方法,降低了资源消耗的共识算法和效率提高了共识。(4)安全这个方案从多个角度的分析和实验模拟表明,该方案可以有效地提高交易效率的能源交易实体和保证能源的公平交易和交易数据的隐私。
其余本文的组织结构如下:我们讨论能源交易在物联网的技术和方法2。物联网的能源交易模型的设计与区块链提出了部分3,紧随其后的是一个安全分析和绩效评估4。最后,部分5总结这篇文章。
2。在物联网技术和能源交易的方法
2.1。区块链技术
自2008年区块链技术提出以来,经过长时间的发展,它已经有了一个相对完善的技术体系17- - - - - -20.]。根据不同的任务场景和用户需求,blockchains可以大致分为三个类别:公共区块链,私人区块链,财团区块链。区块链的结合和工业物联网扩大数据的使用场景和促进数据的安全使用21- - - - - -24]。在公共链,首先,由于分散的特点,没有中心节点保护和维护系统,所以每笔交易的共识在公共链需要参与整个网络的所有节点,和这一共识方法肯定会降低系统的交易效率。其次,公共链上的每个节点可以自由加入和退出网络,使系统无法区分诚实节点和恶意节点。最后,恶意节点收到惩罚之后不出所料,恶意节点将退出系统,加入一个新的身份,也没有办法真正保证系统的安全。在私营连锁,参与实体是固定在系统运行之前,更高的事务率和隐私保证。然而,因为提前参与实体是固定的,私人链不适合工业物联网能源交易场景。在财团链,所有实体是不允许访问系统,除非有授权的证书颁发机构。此外,该财团链中的节点分为两类:完整的节点完全事务信息,而光节点只保留自己的相关信息,满足不同类型的实体的需要。因此,本文采用工业物联网联盟链构建能源交易网络。区块链,信息技术领域的术语,本质上是一个共享的,透明的数据库。 It guarantees the fairness and security of transactions through smart contracts and digital signatures.
2.1.1。聪明的合同
智能数字定义协议合同。与传统的纸质合同,他们将触发条件和成一个单一的原子操作的执行合同。聪明的合同是部署在区块链,合同的内容是开放的,透明的,和防篡改。交易实体可以在不信任的环境交易安全。
2.1.2。数字签名
数字签名、身份验证机制的区块链,有两个函数。一方面,它验证消息的发送方和证实了消息的来源。因为私有密钥的独特性,其他实体不能伪造签名。另一方面,数字签名能够验证信息的完整性,保证发送方的消息的完整一致性通过数字摘要技术和碰撞阻力的哈希函数。
2.2。椭圆曲线密码
椭圆曲线密码被公认为最安全的加密算法对于一个给定的密钥的长度;它是深刻影响等工业物联网技术发展的智能监控(25),数据流管理(26),和数据预测(27]。椭圆曲线密码是一个基于椭圆曲线公钥加密算法。这是很难解决的K与已知的基点G和基点的倍数公斤在椭圆曲线上,这是一个基于椭圆曲线离散对数问题,K作为用户的私钥和公斤作为用户的公钥。椭圆曲线加密算法的原理如下:假设用户的私钥和公钥K和公斤分别在加密通信,加密方选择一个随机数字r将消息米成密文,
解密方法
当使用椭圆曲线密码签名,第一选择随机数r和计算点 。随后, 计算基于随机数r的散列值h消息的米和私钥k。计算完成后,该消息米和签名 被发送到接收器。
签名验证方法
2.3。方法在能源交易
有些作品提出优化工业物联网能源贸易在过去的几年里。
2.3.1。隐私在能源交易
作者在28]首先提出区块链技术的应用,工业物联网分布式能源交易场景。作者在29日称为DePET]提出一项计划,允许可靠的电动汽车和能源之间的交易节点在一个短的处理延迟。该方案使用k-anonymity方法构造联合请求隐藏位置信息并创建时钟地区基于无向图,使攻击者无法区分用户的真实位置信息,和实验结果表明,该方案可以有效地保护交易实体的位置隐私。在[3),一个当地vehicle-to-vehicle (V2V)能源交易架构提出了基于雾计算。在[2),联合blockchain-oriented方法提出解决隐私泄露的问题没有限制事务功能。在[30.),一个去中心化的拍卖策略微型智能电网"能源交易,交易,提出,有效保护隐私的拍卖参与者通过使用拉普拉斯算子的指数。实验表明,该方案可以防止交易实体的数据隐私的泄漏场景在不同的拍卖。
2.3.2。能源交易的安全
工业物联网的安全能源交易,作者在31日]提出了blockchain-based电力交易(B-ET)生态系统,设计了一个智能合同,以确保交易安全可靠地进行。文献[32)构建了一个基于公元前财团,部分分散的电力交易系统,该方案提高了稳定、经济、安全的网格操作通过优化充电和放电状态在每一个时期。定性的安全和隐私分析表明,该方案有助于提高电力交易的安全和隐私。文献[33]区块链相结合,边计算,如果契约理论提出一个安全高效V2G CPS的能源交易框架。作者在34)提出了一个算法,可以实现在一个分布式的方式通过贸易伙伴,使能源交易。
2.3.3。能源交易的公平
为了应对交易欺诈以及交易公平问题出现在工业物联网能源交易。作者在文献[35)提出了一个blockchain-based能源交易计划。方案设计基于时间投入机制,确保公平的能源交易过程。实验结果表明,该方案可以提高交易的公平性,同时确保用户的隐私和安全。文献[36]分析了交易安全与交易公平下大量的已知的攻击模式使用multiple-signature机制,和方案具有更高的安全性和公平性与传统方法相比。
结合现有文献的分析,我们发现大多数当前的解决方案专注于如何确保能源交易工业物联网的隐私和安全的事务,和缺乏研究能源和交易效率和交易公平。因此,迫切需要设计一个能源交易计划,考虑能源效率与公平贸易工业物联网。
3所示。能源交易模型的设计与区块链物联网
在HO-TRAD解决方案,系统节点分为边缘用户节点,数量有限的局部能量聚合器,一个证书认证中心。的能源交易系统将由当地聚合器的共识,这大大减少了所需的时间为共识,增加交易系统的事务吞吐量。一方面,联盟的交易实体连锁需要审计证书身份验证中央在进入现有的财团链系统;这个访问机制保证了安全系统的节点。另一方面,交易的实体,不需要存储所有历史交易,减少了用户节点的资源消耗。工业物联网能源交易系统不需要任何交易费用当财团区块链选择交易。与公众的交易费用链相比,该财团区块链显然是一个不可用的好处为小型分散用户的事务。
3.1。系统架构
HO-TRAD如图的系统模型1。
的实体模型分为三个主要部分,即能源交易实体(高频),当地的聚合器(LAs),和证书颁发机构(CA),和这些实体的功能如下:(1)研讨会:计划,能源交易实体分为两大类、能源买家和卖家,几个贸易P2P的方式。同样可以作为一个能源卖方之间切换,作为一个能源买家,或被闲置,根据当前需求的自我。(2)洛杉矶:洛杉矶负责统计信息和贸易匹配该地区的能源交易。(3)CA: CA是一个可靠的机构,负责监督计划的交易数据和初始化交易模型。此外,所有拉斯维加斯以及模型中都是统一在CA进行身份验证,然后才能获得合法身份和公私密钥对。
都可以发布自己的需求信息和查询现有的财团事务信息链,他们需要查询交易信息后,他们可以匹配的事务与中央节点,而买家或卖家可以请求中央节点匹配的事务。都可以监视彼此的发布信息;如果找到任何非法信息,出版商将被禁止和取消交易。
3.2。系统交互
HO-TRAD方案,系统的事务信息加密和上传的洛杉矶,和特定的事务信息不可用几个以外的其他参与事务,确保几个的隐私。此外,洛杉矶将分配资源的基础上,积极的声誉价值都确保能源交易的公平性。方案的交互流可以分为四个模块:实体注册、能源匹配、能源贸易、能源共识,如图2。
3.2.1之上。实体注册
当一个适用于加入交易系统,高频需要提交CA的实体信息,将颁发数字证书审查后的高频实体的资格。
应用是应用程序的信息,CERCA颁发的数字证书,UID的ID会好的,时间都是应用程序注册时间,PK是几个的公钥。RES系统审核的结果吗 ,允许1意味着节点加入到交易系统如果审核通过,和0意味着节点不允许加入交易系统如果审核没有通过。接受用户提交的信息后,CA生成一个公私密钥对用户使用系统的椭圆曲线密码(ECC)。CA然后传送公私密钥对生成申请人节点用自己的私钥加密和用户的身份令牌迹象,和其他几个可以验证CA的签名来确定用户的身份令牌。
3.2.2。能量匹配
访问交易系统后,都需要发布公钥信息和下载的事务数据,近期他们属于洛杉矶管理范围内。当几个需要出售或购买能源,他们需要广播事务需求,附加广播消息的签名。广播消息应该包含于高频的ID,事务需求,请求的时间,自己的签名。当实体已经获得一个事务匹配或需要取消这个交易,应该再广播一条消息,需要取消交易,并将自己的签名添加到消息的广播。
在上面的方程中,UID表示身份ID交易的实体,窝代表交易实体的能源需求,标志的实体特征区块链上的信息的来源。
都可以查看对方的发布交易信息;后自己找到一个匹配的贸易需求,他们可以使贸易匹配请求到拉斯维加斯。在收到从几个贸易匹配请求,拉斯维加斯需要检查几个贸易的资格,包括所有的能量都和资金的数量。确认的交易资格后会好的,拉斯维加斯将匹配交易实体对能源交易。实体交易匹配完成后,拉斯维加斯将记录买方用户的ID,卖家用户ID、交易时间、交易的钱包,和硬币数量。
在这个公式,细胞膜表示交易实体的钱包,因为同样的能源交易实体可能有多个交易的钱包,这是为了方便记录交易信息的验证,和作为表示这个交易的交易金额。
3.2.3。能源交易
LA记录交易信息,然后将整个事务转移到聪明的合同执行。智能锁相对应的存款合同交易实体的钱包基于该事务的数量。交易数量被锁定后,交易实体将无权做任何的冻结部分金额直到这个交易关闭。都可能使多个能源事务在同一时间。当事务匹配,几个的账户将被冻结的相应部分,虽然这笔交易不是,几个的帐户余额应当减少相应的金额在以下物理事务。交易匹配后,都需要支付交易总额的10%作为交易保证金。如果一方想终止协议后,交易是匹配或未能完成交易一步约定时间,他们需要向另一方支付存款作为补偿。如果事务成功完成,买方的帐户将被锁定在能量转移到能量通过智能合同卖方帐户,如果任何不可预见的情况下导致交易失败,锁定数量由买方在能源将解锁和访问数量将会恢复。交易的买家需要返回一个确认消息接收的能量后,和聪明的合同将转移金额扣除提前交易卖方帐户在收到此消息。如果交易实体不同意交易过程中,都可以发送的分歧回到洛杉矶裁决。 The system transaction flow is shown in Figure3。
合同的过程实现智能算法所示1:
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3.2.4。交易达成共识
考虑到财团链的访问机制和该方案的实际场景,共识效率可以提高通过减少共识节点时,节点的数量的参与不作恶。基于上述情况,我们做一个改进现有PBFT共识方案;新的共识方案分为两个部分如下。(1)选择主节点:如果系统在几个主节点被选中,主节点为每一轮的交易可能不同,和交易系统需要主节点广播信息到其他节点范围内的其他系统,从而提高系统的通信开销。从拉斯维加斯都可信节点在CA认证,选择拉斯维加斯作为系统的主节点,在拉斯维加斯参加共识在每一轮的交易中,并上传交易信息的分布式分类可以提高系统的通信效率。(2)共识过程:共识过程是由洛杉矶发起的事务主要系统中其余的拉斯维加斯,一揽子交易信息和广播系统。在共识阶段,拉包这个交易信息到其他拉斯维加斯,拉斯维加斯将广播签名验证结果连同其他审计实体审查交易数据后检查。审计信息包括审计实体ID、审计结果,审计时间,实体签名。
LA统计审计接收到的消息;如果它收到超过三分之二的同意参与实体的数量信息,洛杉矶将散列该事务信息,并上传区块链分类帐,冻结资金在买方的帐户将被解锁的能量和能量转移到卖方账户。共识过程如图4。
3.3。积极的声誉价值
当几个贸易能源系统中,对几个不同的贸易规模将有不同的影响;因此,我们提出一个贸易影响因子来衡量的影响程度不同的交易在交易实体(上限为1)。计算影响因子
的公式,是当前能源事务数量和的帐户余额实体能源交易之前。
在这个方案中,我们使用实体活动价值代表了几个最近的活动状态。研讨会的活动价值高表明该实体最近一直积极交易系统中,并尽快将关闭交易的实体有一个成功的匹配。
几个选择最近的LA经过CA审计,和洛杉矶会给实体初始实体活动的价值= 10在收到实体信息。实体活动的价值将计算和存储那儿,它将作为一个参考标准的交易资源的分配。活动的价值计算如下。
当完成一个能源交易行动,实体的实体活动计算和更新的值。
当一个高频启动能源贸易匹配没有经过一段时间的能源贸易,洛杉矶计数沉默的交易实体的长度和更新实体的活动值于高频基于沉默的长度(最低的活动值为0)T天的沉默时间长度(单位)和α是一个随机值选择拉(α是一个血统参数大于1且小于5)。
实体声誉价值:我们使用实体声誉值,表示会好的在能源交易的完整性。实体声誉值表示的完整性在能源交易,和一个高频高声誉价值能够符合能源交易系统交易规则。后都选择洛杉矶,洛杉矶将会好的的声誉值进行初始化= 20。的声誉价值与实体的交易行为都将会改变。
当实体完成这笔交易,
当一个交易实体违反交易规则或不完整的能源交易,
能源交易系统,都张贴他们的交易需求的形式在系统中签名。可能会有多个都要求贸易匹配相同的交易资源。如果系统随机选择几个匹配,公平的贸易将丢失。为了解决这个问题,这个提案提出处理交易资源配置的基础上,积极的声誉的价值。对于多个竞争对手争夺一个统一资源,最高的高频活跃的声誉将合格的贸易价值。如果都有相同的积极价值,更高的声誉价值的实体将合格的贸易。疾病的积极的声誉价值计算如下:
在这个方程,β和δ是调节系统的参数。当爱因斯坦场方程的活跃的声誉价值不断上涨或下跌,系统将调整β和δ这样的变化率活跃声誉值降低。
4所示。模拟和实验分析
4.1。安全分析
以下4.4.1。身份验证
HO-TRAD方案提出,所有的都和拉斯维加斯由CA之前必须经过相同的身份验证进入交易系统。CA生成公私密钥对的规定椭圆曲线密码并确定疾病的独特性被分配不同的公私密钥对身份和CA证书。发布的所有信息都在HO-TRAD方案需要签署的附属实体,和任何信息可以追溯到的发行人信息。实验证明了一个攻击对手执行窃听的实验条件下获得预测机模型和成功的概率不大于1/2 +窃听ϑ(ϑ是一个微不足道的函数),这是法律的数学问题,所以敌人将无法破解的身份验证方案。
4.1.2。隐私
在这个方案中,实体认证和实体交易过程的所有信息是加密的,都将把他们的签名发布信息,以确保消息的来源和可靠性。当一个事务,洛杉矶将散列交易信息和上传联合链分类帐,这样即使敌人获得系统的事务分类,不能获得相应的事务信息,保护隐私的事务。
4.1.3。资源公平
当系统遇到的情况多几个争夺相同的交易资源,是不公平的分配随机分配的资源。因此,在这个方案中,拉斯维加斯将测量当前交易资源配置的基础上,积极的声誉价值交易实体的系统,和积极的声誉最高的实体价值将得到的所有权交易资源。如果积极的声誉值的诚实交易后仍然很高,这个研讨会将永远享有分配交易资源。因此,该提案提出,如果都不交易一段时间或不诚实行为的事务,积极的声誉价值都将显著降低,确保交易都享有公平竞争资源。
4.1.4。贸易公平
当几个能源交易,洛杉矶检查双方交易的资格,当双方有资格贸易、能源事务进一步转移到一个聪明的合同执行。聪明的合同将冻结相应的账户基金交易账户提前执行贸易之前,根据这种贸易的数量。在合同的执行,当一方违反交易规则,高频的冷冻的丧失和转移到其他交易对手作为补偿。当一个事务成功结束,相应的基金交易买方的帐户将被扣除,从智能合同转移到交易时卖方帐户交易买家确认收到能量,和几个可以参考如果有异议裁定的拉斯维加斯事务。
4.1.5。可验证性
在这个方案中,所有节点的交易记录都伴随着签名处理事务。如果恶意拉或敌人改变了交易数据,CA可以快速检查错误的来源和改变基于签名,和unforgeability区块链保证交易数据的可验证性。
我们比较HO-TRAD与现有工作,结果如表所示1我们可以很容易地分辨出不同的解决方案。
4.2。实验设置
我们实例化HO-TRAD与16.00 GB RAM运行Windows笔记本电脑10家和PyCharm Community Edition使用AMD Ryzen 5 4600 h(电子邮件保护)和NVIDIA GeForce GTX 1650显卡运行实验平台。我们选择Hyperledger织物的区块链平台解决方案,获得交易实体的公钥和私钥对椭圆曲线 ,和上传交易信息通过哈希函数SHA256散列到区块链。Hyperledger织物是一个实验blockchain-based平台,允许建立共识机制,满足用户的需求。
4.3。结果与讨论
物联网能源交易计划提出了本文实验将反映系统资源分配的公平性通过积极的声誉值的改变能源交易实体和说明了通过事务持续时间交易方案的性能。实验通过观察来收集交易实体的最近的活动和跟踪和记录交易实体的交易行为。实验模拟500年能源交易实体交易系统和拦截最近二十交易实体参数实体 在交易系统已经运行了一段时间。在图所示的实体活动值5如图,声誉值6。这些二十交易实体的初始实体参数是一致的,和实验记录实体参数作为数组和数组中记录更改的值根据他们的交易行为。很明显的图后实体参数有显著改变系统中的实体已经在一段时间内的交易行为。
实验模拟了实体参数在不同场景下基于当前系统的实体值,实体活动价值变化如图7,实体声誉价值变化如图8。从实体活动的角度值,用户2停止交易一天后第四个事务和终止事务恢复交易后第八天到第六天,和实体活动减少的速度值与事务中断的长度成正比。用户1保持一个非常高水平的事务参与整个事务期间,所以实体活动往往会增加价值。从实体声誉值的角度来看,用户1和3之间一直保持着良好的贸易实践,所以实体的声誉价值处于缓慢增长的状态,而用户2不符合交易规则在第四事务,所以实体的声誉值显著下降。图9显示了积极的声誉价值实体随实体的交易行为。
与交易效率提出了(4],指定了共识主节点算法共识过程中PBFT这方案不需要尝试旋转协议执行。此外,由于凝固的共识主节点,所花费的时间在视图中检查协议相比,每轮共识进一步减少[4]中提出的方案。为了通用性,200年的平均延时交易与不同数量的节点进行比较分析。我们可以看到在图10这个计划的事务延迟相比减少了近1/3的(4),这个计划的事务性能更加突出当共识节点数量的增加。
5。结论
在本文中,我们提出HO-TRAD,基于财团链安全的能源交易计划,解决问题的有限的能源资源分配和交易欺诈交易。模型实现隐私、unforgeability和可验证性的能源交易数据与技术支持的财团链。实验结果表明,该方案可以有效地保证系统的公平交易和系统交易效率的提高。这个方案更符合物联网能源交易场景从交易公平的角度。然而,能源交易的公平性应该不仅反映在交易资源的分配,而且在交易价格,我们将使用博弈论方法来解决交易价格的问题在我们的未来的工作。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
我们的研究工作是由中国国家自然科学基金(批准号61962009),贵州省重大科技专项项目(20183001),贵州科技支持计划([2020]2 y011),贵州大数据和人才工程学院贵州省级重点实验室的公共大数据([2018]01)。