基于联盟区块链的电动汽车可信充电模型_穆蕾.pdf

基于联盟区块链的电动汽车可信充电模型穆蕾,安毅生,肖玉坤(长安大学信息工程学院,西安710064)通信作者:穆蕾,E-mail:摘要:基于中央服务器的传统架构是过去后台服务搭建的重要解决方案,但随着用户数与应用需求的爆发式增长,该架构对中心节点的计算与存储能力提出了更高的要求,同时也带来了信任危机.分布式系统的一个典型代表-区块链,作为比特币的核心技术,它的不可篡改,可追溯,不可伪造数据等特性使得它在近几年受到广大研究者的广泛关注.本文提出将联盟区块链应用到电动车,充电桩,智能电表,传输电网所组成的充电网络中,利用区块链技术来管理充电记录,以此来保护每一方的利益,为交易纠纷的解决提出一种数据层面的支撑.本文在提出专用联盟区块链的同时,也提出了一种新的适用于电动汽车可信充电模型的共识机制和对应的查询智能合约.实验结果表明所设计的共识机制能在该可信充电网络模型中安全高效的运行,同时也能够满足用户快速查询交易的需求.关键词:联盟区块链;智能合约;共识机制;电动车(EVs);充电记录管理引用格式:穆蕾,安毅生,肖玉坤.基于联盟区块链的电动汽车可信充电模型.计算机系统应用,2023,32(2):119127.http:/www.c-s- Charging Model for Electric Vehicles Based on Consortium BlockchainMULei,ANYi-Sheng,XIAOYu-Kun(SchoolofInformationEngineering,ChanganUniversity,Xian710064,China)Abstract:Thetraditionalarchitecturebasedonacentralserverisanimportantsolutionfortheconstructionofbackgroundservicesinthepast.However,withtheexplosivegrowthofthenumberofusersandapplicationrequirements,thisarchitecturehasputforwardhigherrequirementsforthecomputingandstoragecapabilitiesofthecentralnodeandbroughtacrisisofconfidence.Atypicalrepresentativeofdistributedsystems,namely,blockchain,isthecoretechnologyofBitcoin,andithasbeenwidelyconcernedbyresearchersinrecentyearsduetoitscharacteristicssuchastamperingprohibition,traceability,andforgerydataprohibition.Thisstudyaimstoapplytheconsortiumblockchaintothechargingnetworkcomposedofelectricvehicles,chargingpiles,smartelectricmeters,andtransmissionnetworksanduseblockchaintechnologytomanagechargingrecords,soastoprotecttheinterestsofeachpartyandprovidetransactiondisputeswithdata-levelsupport.Inadditiontoadedicatedconsortiumblockchain,thisstudyalsoproposesanewconsensusmechanismandacorrespondingsmartquerycontractsuitableforthetrustedchargingmodelofelectricvehicles.Theexperimentalresultsshowthatthedesignedconsensusmechanismcanoperatesafelyandefficientlyinthistrustedchargingnetworkmodelandcanmakeusersquicklysearchfortransactions.Key words:consortiumblockchain;smartcontracts;consensusmechanism;electricvehicles(EVs);chargingrecordmanagement计算机系统应用ISSN1003-3254,CODENCSAOBNE-mail:ComputerSystems&Applications,2023,32(2):119127doi:10.15888/ki.csa.008984http:/www.c-s-中国科学院软件研究所版权所有.Tel:+86-10-62661041基金项目:国家自然科学基金(52172325)收稿时间:2022-07-06;修改时间:2022-08-15;采用时间:2022-09-21;csa 在线出版时间:2022-11-29CNKI 网络首发时间:2022-11-30SystemConstruction系统建设119随着城市化的不断发展,能源互联网极大地改变了人们的生活,电动汽车作为智能交通系统中新兴的重要组成部分,不仅使人们的出行更加便捷,而且极大降低了碳排放与噪音污染.然而,电动汽车的不断普及对供电的需求提出了新的挑战,因此需要大量布设充电桩来解决该问题.Jochem 等1和 Jung 等2研究如何寻找一种最优部署方案来设置充电桩以满足用户的动态需求.Qin 等3和 Lu 等4研究如何通过优化电动汽车充电顺序来减少充电等待时间,以满足大量电动车的充电请求.文献 5 研究了利用区块链保证车辆通信数据传输安全与用户隐私,同时利用网联电动车辆的群体智能辅助智能驾驶.文献 6 研究了利用区块链记录网联车辆之间的交易信息以鼓励资源共享.文献 7研究了一种存储电动车充电交易记录的最优代价存储模型,文献 8 研究了将区块链与物联网相结合保障智能交通系统中的数据安全性与隐私保护.如上所述,对于区块链在智能交通领域的应用,现有研究主要围绕车辆社交网络(vehicularsocialnetwork,VSN)展开,利用区块链来存储车辆间共享数据的交易记录以及车辆在途数据,构建一个安全的,可靠的,协同工作的,隐私保护型的 VSN.然而,很少有工作针对电动车在充电过程所发生的潜在交易问题进行研究,例如:(1)传输的电量全由充电桩一方计量,电动车处于被动接受的地位.有存在电动汽车充满电的情况下,充电桩恶意放电,提高充电金额的可能性9.同时,也存在因电动车电池老化,充满电会消耗更多电量,引发车主与充电站纠纷的可能性.(2)电动汽车用户的重要隐私数据存储在多个第三方平台上,数据容易受人为或者设备故障而泄露.(3)传统中心式存储机制相对于分布式存储,其数据集中存放,中心节点发生故障会导致大规模业务瘫痪,无法响应用户的请求.(4)由于充电桩设备工作状态异常,在充电过程中会对电动车造成损坏,若日后电动车出现问题,难以追溯责任源头.针对以上问题,在电动汽车充电业务中急需一种技术方案来确保交易数据可信,其核心在于确保充电交易数据被安全的,不可更改的,可多方验证的存储.1相关工作区块链是一种不依赖于中心机构的分布式账本技术,由各方验证,在异构、不可信的网络环境中实现各个节点交易数据的一致性.区块链涉及到诸多领域,例如密码学10,分布式存储11,端对端传输12,以及共识机制13等.在一个区块中,数据按照时间戳顺序被封装,经由多方验证后被添加到区块链中.区块链主要解决两个问题:1)如何使上链的数据不可篡改,不可伪造,可追溯;2)如何在去中心化的环境中达成交易数据的一致性.前者使用密码学技术如公钥,私钥,数字签名等保证.后者使用共识机制保证,例如工作量证明(proofofwork,PoW)14,权益证明(proofofstake,PoS)15,实用拜占庭容错协议(practicalByzantinefaulttolerance,PBFT)16等共识机制.比特币采用 PoW 实现共识,每一个记账员节点要想夺取记账权,必须不断修改区块的 nonce 值(即区块头中的随机数)以使该区块的 SHA256 摘要满足以一定数目的零开头.由于在夺取记账权的过程中会消耗大量算力和时间,因此PoW 不适合于商业应用场景.PoS 共识机制规定一个记账员节点要想夺取记账权,必须要将一定数量的货币作为筹码存入网络,筹码的多少决定选择该记账员节点生成区块的可能性.PBFT 共识机制可以容忍小于等于(N1)/3 个恶意节点(N 为网络节点个数),但该共识机制通信复杂度高,安全性与活跃度高依赖于网络质量17.这 3 类共识机制的对比见表 1.表 1常用共识算法的优点与缺点共识算法优点缺点PoW完全去中心化消耗大量算力与时间PoS节能,带宽利用率高,比PoW效率高单个节点容易统治整个网络,威胁整个系统的安全18PBFT高效率,高安全性通信复杂度高,严重依赖于网络质量比特币是区块链的一个重要应用,为其他区块链产品奠定了理论基础.区块链中的区块由区块头与区块体构成,区块体存储全部的交易信息,交易数据每两两进行哈希运算生成 Merkle 根存于区块头中.区块头中存储前驱区块的哈希值,时间戳,Merkle 根,难度系数,随机数等.区块链网络中的每个节点都在努力改变随机数,使其整个区块的哈希值前缀满足规定个数连续的零.满足要求的节点有资格将区块加入到区块链中从而获得收益.在比特币网络中如果恶意节点想要篡改,接管整个区块链,那么它必须拥有一半以上的算力,由于代价是非常大的,所以这就迫使每个节点按规定工作.区块链按照公开化程度分为公共区块链(public计 算 机 系 统 应 用http:/www.c-s-2023年第32卷第2期120系统建设SystemConstructionblockchain),私有区块链(privateblockchain)和联盟区块链(consortiumblockchain)13.在公共区块链中,任何节点都有权力参与到共识流程中,获得建块权力得到奖励,且所有公众对区块链都有读权限,比特币是公共区块链的典型代表.不同于公有区块链,联盟区块链的共识流程是由挑选出的特殊节点参与,由多个组织组成一个联盟,只有加入到这个联盟才可以参与区块链服务,实现部分去中心化.而私有区块链的共识则是由一个特定组织来确认,已经不具备去中心化的特点.所以联盟区块链是半去中心的,私有区块链则是全中心的.对于上述电动汽车与充电桩运营商之间可能存在的交易问题,综合考虑到系统的安全性和效率,本文采用联盟区块链技术来实现,这将限定只有经过合法注册的用户才可以加入到区块链网络,并且只有符合特定要求的节点才可以参与到共识过程中,以此来保证该架构的安全运行.之所以使用区块链而不使用其他数据存储方式的原因如下.1)区块链可以确保电动车与充电桩交易数据真实,不会存在造假的可能,确保交易双方的权益.2)分布式特性使交易信息更加安全,同时使充电网络具有更高的容错性、可拓展性与灵活性.3)经过加密的数据可以防止用户隐私的泄露.4)交易记录可追溯,每笔交易都要接受双端确认,形成有效交易并加入区块链,使用户明确知道每笔花费的详细信息,给交易纠纷提供了一个可能解.2基于区块链的可信充电模型如前所述,为了降低构建该区块链可信充电网络模型的成本且使网络更加可控,将采用联盟区块链用以实现分布式数据存储与数据的安全访问.不同于传统的公有区块链,联盟区块链所有实体加入该网络必须得到认证.充电交易数据在得到电动车与充电桩的签名后,由智能电表发往离它最近的区块链记账员(dataaggre