本發(fā)明涉及車聯(lián)網(wǎng)通信與分布式數(shù)據(jù)處理，尤其涉及一種基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)能源安全交易方法，具體涉及節(jié)點(diǎn)間能源交易協(xié)同機(jī)制、匿名身份驗(yàn)證方法、交易資格證明方法、均衡定價(jià)策略以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載自適應(yīng)調(diào)控方法。
背景技術(shù)：
1、隨著電動(dòng)汽車技術(shù)及車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛逐步具備能源存儲(chǔ)與交換能力。基于車輛間能源共享的協(xié)同模式，有助于緩解局部能源供需不平衡問題，并提升整體能源利用效率。
2、現(xiàn)有技術(shù)中，車輛能源交易多依賴中心化協(xié)調(diào)機(jī)制。該類機(jī)制在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中存在若干局限。中心節(jié)點(diǎn)的存在使系統(tǒng)穩(wěn)定性受到單點(diǎn)故障影響，同時(shí)交易數(shù)據(jù)的可信性與一致性依賴于中心節(jié)點(diǎn)的可靠運(yùn)行。當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)整體功能易受到影響。
3、另一方面，車輛能源交易過程中涉及節(jié)點(diǎn)身份信息、交易行為信息及賬戶狀態(tài)信息。傳統(tǒng)交互模式下，節(jié)點(diǎn)身份與交易行為易被關(guān)聯(lián)分析，難以滿足隱私保護(hù)需求。此外，交易資格驗(yàn)證通常需要披露賬戶資源信息，存在敏感數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)。
4、在交易匹配與定價(jià)方面，傳統(tǒng)方法多采用固定規(guī)則或簡(jiǎn)單競(jìng)價(jià)策略。該類方法難以在不完全信息條件下形成穩(wěn)定均衡結(jié)果，容易導(dǎo)致交易失敗率升高或資源配置效率下降。
5、同時(shí)，在區(qū)塊鏈環(huán)境中，一致性機(jī)制的選擇直接影響系統(tǒng)吞吐能力與運(yùn)行延遲。固定共識(shí)策略難以適應(yīng)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下交易請(qǐng)求數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化。
6、因此，有必要提出一種能夠兼顧交易安全性、隱私保護(hù)能力、定價(jià)合理性及系統(tǒng)適應(yīng)能力的能源交易方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提出了一種基于區(qū)塊鏈的車聯(lián)網(wǎng)能源安全交易方法，旨在通過博弈論定價(jià)、動(dòng)態(tài)共識(shí)、匿名認(rèn)證與智能合約自動(dòng)執(zhí)行等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)安全、高效、公平的能源交易。
2、在本發(fā)明的方法中，首先由權(quán)威機(jī)構(gòu)為參與交易的車輛與路邊單元頒發(fā)數(shù)字證書，并為每個(gè)注冊(cè)用戶創(chuàng)建包含公私鑰對(duì)、數(shù)字證書、賬戶余額及能源量余額的賬戶，此即s1系統(tǒng)初始化與賬戶注冊(cè)步驟。當(dāng)車輛需要交易時(shí)，s2能源交易請(qǐng)求與廣播步驟啟動(dòng)，車輛根據(jù)自身能源狀況生成包含交易類型標(biāo)識(shí)、交易數(shù)量、可接受價(jià)格范圍和時(shí)間戳的交易請(qǐng)求信息，并使用自身私鑰簽名后發(fā)送至相連的路邊單元。s3請(qǐng)求驗(yàn)證與需求廣播步驟中，路邊單元收到請(qǐng)求后驗(yàn)證車輛身份與證書有效性，通過后在局部網(wǎng)絡(luò)中廣播該需求信息，廣播內(nèi)容包含時(shí)間戳、需求等待時(shí)限、交易數(shù)量及價(jià)格范圍。s4交易響應(yīng)收集步驟中，其他有意向的車輛驗(yàn)證廣播來源后，向該路邊單元發(fā)送包含交易意向、可提供的能源數(shù)量或需求信息及時(shí)間戳的響應(yīng)信息。s5交易匹配與智能合約執(zhí)行步驟中，路邊單元在需求等待時(shí)限內(nèi)收集響應(yīng)信息后觸發(fā)智能合約。智能合約基于預(yù)設(shè)的定價(jià)機(jī)制對(duì)買賣雙方進(jìn)行匹配，計(jì)算出最優(yōu)交易價(jià)格與交易量，生成匹配結(jié)果。s6交易執(zhí)行與結(jié)算步驟中，匹配成功的買賣雙方根據(jù)智能合約指令向托管賬戶支付定金，交易最終完成后智能合約自動(dòng)更新雙方賬戶中的余額與能源量，若一方違約則定金通過智能合約自動(dòng)轉(zhuǎn)移至守約方。
3、上述定價(jià)機(jī)制基于貝葉斯納什均衡模型。首先在s211建立不完全信息博弈模型與公共信念步驟中，設(shè)定買方節(jié)點(diǎn)的私人類型為單位能源的真實(shí)估值，賣方節(jié)點(diǎn)的私人類型為單位能源的真實(shí)成本，兩者分別服從區(qū)間和上的均勻分布，并由此形成公共信念，即買方對(duì)賣方平均成本的期望，賣方對(duì)買方平均估值的期望。在s212中，這些先驗(yàn)分布參數(shù)由權(quán)威機(jī)構(gòu)設(shè)定并作為系統(tǒng)公共信念參數(shù)存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈中，供智能合約調(diào)用。在s213中，買方節(jié)點(diǎn)提交其能源需求范圍及可接受的單價(jià)范圍，賣方節(jié)點(diǎn)提交其可售能源量及可接受的單價(jià)范圍。
4、在s221定義策略空間、市場(chǎng)出清與期望效用函數(shù)步驟中，智能合約假設(shè)買賣雙方遵循線性報(bào)價(jià)策略，買方報(bào)價(jià)函數(shù)為，賣方報(bào)價(jià)函數(shù)為，其中，為交易量，為待求的策略參數(shù)，具體表現(xiàn)為，為買方愿意支付的最高單價(jià)，為邊際出價(jià)遞減率，也就是買方報(bào)價(jià)隨交易量增加而下降的速度，為賣方愿意接受的最低單價(jià)，為邊際要價(jià)遞增率，也就是賣方報(bào)價(jià)隨交易量增加而上升的速度，為傳輸損耗系數(shù)，為雙方公開距離。其中、均大于0。
5、s222中市場(chǎng)出清條件為買賣雙方報(bào)價(jià)相等即，由此解出均衡交易量。s223中基于不完全信息博弈的貝葉斯特性，定義買方期望效用和賣方期望效用。
6、在s23求解貝葉斯納什均衡策略參數(shù)步驟中，智能合約通過令期望效用函數(shù)對(duì)各自策略參數(shù)的一階偏導(dǎo)數(shù)為零來求解最大化期望效用的策略。s231中由買方期望效用最大化的一階條件推導(dǎo)出和。s232中由賣方期望效用最大化的一階條件推導(dǎo)出和。
7、在s24推導(dǎo)均衡交易解并預(yù)置為可執(zhí)行函數(shù)步驟中，將上述策略參數(shù)代入市場(chǎng)出清公式得到以私人類型、公開參數(shù)和公共信念表示的貝葉斯納什均衡交易量與均衡價(jià)格。s242中為將理論均衡轉(zhuǎn)化為智能合約可執(zhí)行的函數(shù)，建立私人類型與公開報(bào)價(jià)范圍中點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即設(shè)，并代入公共信念，最終推導(dǎo)出完全由公開提交參數(shù)和系統(tǒng)公共信念參數(shù)表示的顯式均衡解函數(shù)：
8、首先計(jì)算中間參數(shù)：
9、
10、進(jìn)而得到均衡交易量q和均衡價(jià)格p的計(jì)算公式：
11、
12、在s25由rsu觸發(fā)并執(zhí)行均衡匹配步驟中，路邊單元在收集并驗(yàn)證買賣雙方的交易請(qǐng)求與響應(yīng)后，將雙方提交的公開參數(shù)以及系統(tǒng)公共信息參數(shù)發(fā)送至智能合約以觸發(fā)執(zhí)行。智能合約接收到參數(shù)后調(diào)用其內(nèi)部配置的顯式均衡解函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到匹配結(jié)果并驗(yàn)證是否滿足雙方提交的公開約束條件，即且，同時(shí)。若驗(yàn)證通過則生成最終匹配成功指令，否則返回失敗。
13、為適應(yīng)不同交易負(fù)載，本發(fā)明還引入了一種基于能源交易負(fù)載感知的自適應(yīng)分層混合共識(shí)機(jī)制。s31能源交易負(fù)載強(qiáng)度計(jì)算步驟中，在每一新區(qū)塊生成周期開始前于預(yù)設(shè)統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口內(nèi)統(tǒng)計(jì)通過合法性校驗(yàn)的能源交易請(qǐng)求數(shù)量，并根據(jù)公式計(jì)算能源交易負(fù)載強(qiáng)度，其中為系統(tǒng)預(yù)設(shè)最大交易處理容量。s32共識(shí)模式判定步驟中，系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定負(fù)載判定閾值，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入低負(fù)載共識(shí)模式使用權(quán)益證明共識(shí)，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入高負(fù)載共識(shí)模式使用改進(jìn)型實(shí)用拜占庭容錯(cuò)共識(shí)。
14、s33節(jié)點(diǎn)綜合共識(shí)權(quán)重計(jì)算步驟中，對(duì)參與共識(shí)的第i個(gè)路邊單元節(jié)點(diǎn)計(jì)算綜合共識(shí)權(quán)重
15、
16、其中，為節(jié)點(diǎn)綜合共識(shí)權(quán)重，為節(jié)點(diǎn)能源交易貢獻(xiàn)指標(biāo)，為節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)，為節(jié)點(diǎn)信譽(yù)指標(biāo)，為節(jié)點(diǎn)資源負(fù)載適配能力指標(biāo)，為權(quán)重系數(shù)且滿足。
17、s331中能源交易貢獻(xiàn)指標(biāo)
18、
19、其中，為能源交易統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗口，為節(jié)點(diǎn)在所述窗口內(nèi)完成的能源交易數(shù)量，為節(jié)點(diǎn)完成的第?k?筆能源交易量，為當(dāng)前時(shí)間，為交易發(fā)生時(shí)刻，為時(shí)間衰減因子。
20、s332中運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)
21、
22、其中，為節(jié)點(diǎn)成功完成的共識(shí)輪數(shù)，為節(jié)點(diǎn)參與的共識(shí)輪數(shù)，為節(jié)點(diǎn)在線比例。
23、s333中節(jié)點(diǎn)信譽(yù)指標(biāo)
24、
25、其中，為節(jié)點(diǎn)違規(guī)或異常行為次數(shù)，為系統(tǒng)設(shè)定最大容忍異常次數(shù)。
26、s334中資源負(fù)載適配能力指標(biāo)
27、
28、其中，為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前資源綜合占用比例，為系統(tǒng)設(shè)定最大資源容量。
29、s34權(quán)重系數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制步驟中，系統(tǒng)預(yù)設(shè)權(quán)重系數(shù)初始值并根據(jù)能源交易負(fù)載強(qiáng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新與歸一化處理。s35領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制步驟中，根據(jù)綜合共識(shí)權(quán)重選擇權(quán)重值最大的節(jié)點(diǎn)作為領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)，若領(lǐng)導(dǎo)者未在預(yù)設(shè)區(qū)塊生成時(shí)間內(nèi)完成區(qū)塊提案，則對(duì)其貢獻(xiàn)指標(biāo)和穩(wěn)定性指標(biāo)施加衰減因子并重新執(zhí)行節(jié)點(diǎn)選舉。
30、s36低負(fù)載共識(shí)模式執(zhí)行流程步驟中，采用權(quán)益證明共識(shí)流程，由領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)生成新區(qū)塊，授權(quán)節(jié)點(diǎn)對(duì)新區(qū)塊執(zhí)行合法性校驗(yàn)，獲得不少于授權(quán)節(jié)點(diǎn)總數(shù)簡(jiǎn)單多數(shù)確認(rèn)后提交區(qū)塊鏈賬本，若未在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)獲得確認(rèn)則重新執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)者選舉。
31、s37高負(fù)載共識(shí)模式執(zhí)行流程步驟中，采用改進(jìn)型實(shí)用拜占庭容錯(cuò)共識(shí)流程。s371共識(shí)子區(qū)域劃分中將路邊單元節(jié)點(diǎn)按照物理部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)共識(shí)子區(qū)域。s372區(qū)域內(nèi)一致性確認(rèn)中，領(lǐng)導(dǎo)者節(jié)點(diǎn)向所屬區(qū)域廣播新區(qū)塊提案，區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行區(qū)塊驗(yàn)證并廣播確認(rèn)消息，當(dāng)確認(rèn)消息數(shù)量達(dá)到不少于該區(qū)域節(jié)點(diǎn)總數(shù)三分之二時(shí)認(rèn)定區(qū)域內(nèi)達(dá)成一致。s373區(qū)域間一致性確認(rèn)中，各區(qū)域選舉區(qū)域代表節(jié)點(diǎn)，區(qū)域代表節(jié)點(diǎn)廣播區(qū)域一致性結(jié)果并進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)，當(dāng)確認(rèn)結(jié)果達(dá)到不少于區(qū)域代表節(jié)點(diǎn)總數(shù)三分之二時(shí)認(rèn)定全網(wǎng)達(dá)成一致。s374區(qū)塊提交中，在全網(wǎng)達(dá)成一致后各節(jié)點(diǎn)將新區(qū)塊寫入?yún)^(qū)塊鏈賬本。s38改進(jìn)型拜占庭容錯(cuò)共識(shí)結(jié)構(gòu)特征中，所述改進(jìn)型實(shí)用拜占庭容錯(cuò)共識(shí)通過區(qū)域分層結(jié)構(gòu)降低節(jié)點(diǎn)間通信開銷。
32、此外，本發(fā)明還集成了多種隱私保護(hù)與安全機(jī)制。s4環(huán)簽名匿名化機(jī)制中，在s41環(huán)密鑰生成中，假設(shè)系統(tǒng)里有個(gè)主要的簽名車輛。每個(gè)車輛都有一對(duì)公私鑰，公鑰是，私鑰是。所有這些公鑰放在一起，組成一個(gè)公鑰集合r，。
33、在s42環(huán)簽名生成中，當(dāng)某個(gè)車輛要給消息簽名時(shí)，它執(zhí)行下面幾步。s421選一個(gè)隨機(jī)數(shù)。s422算一個(gè)初始承諾值。s423對(duì)環(huán)里所有其他車輛，，依次選隨機(jī)數(shù)，然后計(jì)算。s424對(duì)實(shí)際簽名者，要選一個(gè)讓整個(gè)環(huán)閉合。這個(gè)要滿足。通過解這個(gè)方程，得到。最后生成的環(huán)簽名，把這個(gè)簽名和消息一起發(fā)出去。
34、在s43環(huán)簽名驗(yàn)證中，路邊單元收到消息和簽名后，用公鑰集合來驗(yàn)證。s431重新算，。s432依次迭代計(jì)算。s433檢查最后算出來的是不是等于簽名里的第一個(gè)值。如果相等，驗(yàn)證就通過，說明消息來自環(huán)里的某個(gè)合法成員，但不知道具體是哪一個(gè)。
35、s5零知識(shí)證明驗(yàn)證機(jī)制中，在s51零知識(shí)證明系統(tǒng)建立中，要證明的內(nèi)容是：證明人有一個(gè)有效的數(shù)字證書，這個(gè)證書對(duì)應(yīng)的私鑰是；證明人賬戶里的能源余額夠用，也就是；為所需交易量，且其聲明的交易參數(shù)，如價(jià)格范圍、數(shù)量范圍滿足內(nèi)部一致性約束。
36、在s52零知識(shí)證明生成中，構(gòu)造一個(gè)零知識(shí)證明，證明其知曉一組秘密見證滿足公開陳述：
37、
38、其中，為從和衍生的公鑰，為私有參數(shù)，如真實(shí)可接受價(jià)格下限，為公開聲明參數(shù)，為證書驗(yàn)證算法，為約束校驗(yàn)函數(shù)。
39、在s53零知識(shí)證明驗(yàn)證中，路邊單元節(jié)點(diǎn)作為驗(yàn)證方，收到證明及公開參數(shù)后，運(yùn)行驗(yàn)證算法；若輸出為真，則確信證明方擁有合法資格且聲明有效，但未獲得任何關(guān)于、精確值及的具體信息。
40、s6信息安全與驗(yàn)證機(jī)制中，s61在步驟s2中車輛節(jié)點(diǎn)使用自身私鑰對(duì)交易請(qǐng)求信息進(jìn)行數(shù)字簽名以確保信息的完整性與不可否認(rèn)性，s62在步驟s3中路邊單元節(jié)點(diǎn)使用請(qǐng)求車輛證書中的公鑰驗(yàn)證其簽名并驗(yàn)證其數(shù)字證書的有效性以確認(rèn)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的合法身份。s7交易約束與過濾機(jī)制中，s71在步驟s3中廣播信息包含需求等待時(shí)限，路邊單元節(jié)點(diǎn)在步驟s4中僅處理在該時(shí)限內(nèi)收到的響應(yīng)信息，超時(shí)信息將被丟棄，s72在匹配過程中智能合約優(yōu)先匹配地理距離較近的買賣雙方節(jié)點(diǎn)。s8智能合約還包括交易安全保障與違約處理機(jī)制，在步驟s5中賬戶余額與能源量余額的更新均由智能合約自動(dòng)執(zhí)行，若一方違約則智能合約自動(dòng)將違約方支付的定金劃轉(zhuǎn)至守約方賬戶。