目前国内外对区块链的研究主要还是集中在数字货币支付方面,区块链的发展经历了三个阶段:区块链1.0、区块链2.0、区块链3.0。区块链1.0建立了一套密码学账本,提供了一套新的记账方法,此账本具备去中心化、不可篡改、不可伪造、可追溯的特点。主要应用场景使支付、流通,最典型的应用是比特币。区块链1.0非常成功地解决了数字货币中的“双花”和“拜占庭将军”难题,但是不支持再开发。
区块链1.0非常成功地解决了数字货币中的“双花”和“拜占庭将军”难题,但是不支持再开发。
区块链2.0最大的特点就是提出了智能合约,可以在此基础上进行其他应用的开发。以太坊是区块链2.0的典型代表。在区块链2.0中,区块链只是一个基础链,属于底层搭建,如以太坊目标是建成一个全球性大规模的协作网络,让任何人都可以在以太坊上进行运算、开发应用。这个版本赋予了区块链很多的应用场景和功能实现的基础。智能合约是一套不需要第三方监督的情况下还能保证合约得到执行的程序,任何人都不能阻止它的运行,并且这个程序能保证合同签署完后,签署任何一方都不能反悔,只要条件达成,这个系统会自动执行合同中约定的条款。区块链2.0虽然支持了其他应用开发,但是交易速度很慢,以太坊每秒不超过20笔交易,否则会造成网络堵塞。
区块链3.0会超越金融领域,进入社会公正、智能化等领域。2018年区块链进入3.0,针对区块链3.0进行底层设施开发的项目由EOS、NEO、AE、ADA、VEN等。
智能电网用电通信网中节点分布存在着非常明显的特征,节点的分布与电网拓扑有着密切的关系,用电通信网中节点分布存在如下的特点:
1)位置相对固定用电通信网中的常见的两种节点数据采集器和智能电表均是位置相对比较固定的,数据采集器多数依附于道路边的电杆上,而智能电表则多被安装在居民住宅中。
2)各地区节点密度差异较大用电通信网中节点分布在不同地区间差异是比较大的,在人口密度较大的城市中,节点密度也很高,而人口密度较小的郊区,节点密度则相对较低。
3)节点大多沿街道分布用电通信网中的数据采集器节点主要部署在沿街道分布的电线杆和环网柜中,街道大多数呈“井”字网格型,一条街道之间的各个节点距离一般不过十几米,节点都在相互通信范围内,而不同街道之间的节点则距离较远,几乎接收不到任何信号。
目前,我国智能电表量测数据呈现出如下所述几个个特点。
1)数据规模大我国的采集系统一般以省为中心进行集中式部署。每个系统中的数据采集器的数量级可达百万,而智能电表的数量级更达千万。这些设备产生的数据也是庞大的,假设某省有2000万用户,按照每只智能电表每天上传3KB,那么计量数据库中每天约会增加128GB数据。
2)采集频率高智能电表一般每隔15min便会将采集的用电数据上传一次。这种数据上传的频率要远高于传统抄表系统的频率。
3)数据存储时间长用电通信网中的数据一般会存储7-10年。数据保留时间可以说是较长,而每天更新的数据量也相对较大,因此总体数据量更为庞大,数据管理是相对较为困难的。
目前区块链技术在数字货币领域已经非常成熟,许多数字货币系统都非常完善,并且运行效果都很好。但是区块链技术在其他领域的发展仍然存在瓶颈,尤其是在物联网领域的应用,受到区块链共识达成消耗较大算力和存储区块链消耗较多容量的影响,结合过程较为缓慢。时至今日区块链应用在物联网中的方法大多是将物联网终端设备接入区块链网络中。但是这种做法并不能从根本上解决物联网中遇到的安全问题,也并没有很好的将区块链的特性应用到物联网中。如果能够使资源受限节点高效生产和存储区块链,将会给物联网带来巨大的变革。
传统的电力网络为满足电力行业的需求,正在逐步向智能电网(Smart Grid,SG)演进。智能电网有望将电力行业从生产者控制网络转变为集中度较低,消费者互动性较强的网络,并且有望改变整个行业的业务模式以及利益相关者、公用事业、监管机构、能源服务提供商、技术和自动化供应商和所有电力消费者之间的关系。智能电网实际上是传统电网技术的增强。传统电网通常用于从少数中央发电机向大量用户或客户输送电力,而智能电网使用双向电力和信息流来创建自动化和分布式的先进能量传送网络。通过现代信息技术,智能电网能以更有效的方式提供电力,可以以相应的策略响应电网中的发电、输电、配电和消费等各个环节发生的事件。
一个典型的例子是用电通信网变压器中压侧故障,智能电网可以自动改变功率流并恢复功率输出服务。
智能电网和传统电力网络有很多不同之处,如传统电网是机电化的,而智能电网是数字化的;传统电网是单工通信,而智能电网双工通信;
传统电网电能集中生产,而智能电网分布式生产;传统电网几乎没有传感器,而智能电网拥有大量传感器;传统电网监控是人工的,而智能电网可以自我监控;
传统电网需要人为参与恢复,智能电网则可以自愈;传统电网用户选择权较少,而智能电网用户会有更多选择,参与度更高。为了实现智能电网的实时控制,可靠的信息交换对于识别每个设备的需求和状态至关重要,因此保证智能电网通信网络安全正确的运行是实现智能电网的重要一环。无线Mesh网络采用分布式、自组织的形式组成网络,每个节点都具备路由功能,可以随时为其他节点提供路由和中继服务,被认为是实现智能电网通信网络,尤其是用电通信网的最佳候选者。无线Mesh网通过其自身优势可以帮助用电通信网解决许多瓶颈问题,但其自身安全漏洞又会给智能电网带来安全威胁,例如虚假数据注入攻击和DDoS攻击。
区块链因其去中心化、时间可追溯、自治性、开放性和不可篡改等特点,被认为是解决分布式物联网安全的关键技术。区块链可以帮助解决与确保快速、分布式、复杂能源交易和数据交换的完整性和可信赖性相关的几个复杂问题。但是目前存在的区块链网络生产区块需要消耗大量的算力,同时存储区块链也会耗费较多的存储资源,并不能直接套用到节点资源受限的智能电网用电通信网中。
区块链技术实际上是一种分布式数据库技术,通过密码学、p2p等技术具备了去中心化、防篡改、可追溯、高可扩展性等优势。这些优势正是智能电网用电通信网乃至物联网所需要具备的。但是传统的区块链技术需消耗大量的能源和存储空间,不能直接套用在资源受限的物联网中。为此,本文在传统区块链技术的基础上进行了改进,采用了基于网络消息堆积的DPOS算法,并加入了历史链压缩算法,使得区块链技术能够应用在资源受限的mesh网络的同时不会给原有网络带来过多负担。另外本文还对区块链底层使用的p2p协议做出分析,对底层p2p网络模块做出修改,使其能够有效抵抗eclipse攻击,从而从根本上保障区块链上层应用的安全。