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CN107423978A - 一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法 - Google Patents

一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法 Download PDF

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CN107423978A
CN107423978A CN201710456780.4A CN201710456780A CN107423978A CN 107423978 A CN107423978 A CN 107423978A CN 201710456780 A CN201710456780 A CN 201710456780A CN 107423978 A CN107423978 A CN 107423978A
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CN
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contract
Prior art date
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刘炜
杨晓宇
陈华
林予松
胡跃
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Zhengzhou University
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Publication date
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Abstract

本发明涉及一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,针对分布式能源在交易认证中的数据安全问题,提出一种基于联盟链技术的分布式能源交易认证模型及相关TCA交易认证算法和ET‑Pos权益证明方法,该方法利用区块链技术的数据加密、时间戳和分布式共识等手段优化了传统能源交易系统,解决了交易中心数据库安全性,用户信息隐私性以及多单元产能不协调等问题,提高了分布式能源交易数据安全性、信息透明性和自动化认证水。

Description

一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法
技术领域
本发明属于能源互联网技术领域,具体涉及一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法。
背景技术
随着国家经济的快速发展,工业和居民用电需求的高速增长,而能源资源短缺、环境污染与经济社会发展之间的矛盾也变得日益突出。以太阳能、风能为代表的分布式可再生能源的发展成为缓解上述矛盾的重要解决方案。但是,随着分布式能源的大规模建设,分布式能源市场中各个主体,如发电单元(Generating unit,GU)、用电单元(Power unit,PU)、调度中心(Dispatch center,DC)等,在交易过程中存在的问题也逐渐凸显出来:
1)目前的分布式能源交易系统大多采用中心式数据存储,集中存放所有交易细节,造成能源交易的安全性、稳定性被扼于一处,一旦系统瘫痪或被攻陷,将造成不可挽回的损失。
2)在完全中心化的系统中,分布式能源市场中各个主体的私有信息得不到全面的保障。财务相关信息、行为相关信息等,在一定程度上处于直接或者间接的被任意调取和访问之下,隐私问题未被真正重视。
3)用户间的能源交易,物理网络上能源流通,各个单元的产能方案存在着不匹配、不协调情况。能源传输、价值转换和资源变现分属于电网中心、通讯公司和银行机构,三者协同工作才能完成整个交易过程。
针对上述问题,提出一类基于联盟链的分布式能源交易认证模型,利用区块链技术的数据加密、时间戳和分布式共识等手段优化了传统能源交易系统。其中,分布式共享账本解决了交易数据过于中心化的问题;系统内外的数据分离在一定程度上保障了参与者的隐私;权益证明等手段优化传统能源的交易模式。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种安全可靠、验证过程简便、信息透明性高、缩短认证时间的基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法。
本发明的技术方案如下:
一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,构建分布式能源交易的认证模型CB-TCMDE,所述CB-TCMDE认证模型的具体定义如下:
CB-TCMDE=(GU,PU,DC,ET,CB,ρ)
其中,
(1)GU={gui|i∈N+}为发电单元的有限集,i表示第i个发电单元,N+表示非零的自然数集;
(2)PU={puj|j∈N+}为用电单元有限集,j表示第j个用电单元;
(3)DC={dck|k∈N+}为调度中心有限集,k表示第k个调度中心;
(4)为发电单元gui经调度中心dck向用电单puj元提供能源的交易集;
(5)CB={cbl|l∈N+}为联盟区块链中的验证和记账节点的有限集,l表示第l个验证和记账节点;
(6)ρ:DC→CB为DC到CB的映射函数,该映射函数用来筛选记账节点;
根据所述CB-TCMDE认证模型,在发电单元gui和用电单元puj的预交易阶段,将发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck形成一条交易通路et,所述交易通路et仅应用本次调度;调度完成后,将由验证和记账节点cbl将对应的交易信息写入区块链中。
所述在形成一条交易通路et的同时,CB-TCMDE认证模型同时生成一个随机数RndN,所述随机数RndN随着对应的交易通路et中的发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck的选取而产生,并与这三者绑定,该条交易通路的交易过程中,随机数RndN将持续写入脚本合约之中,通过验证RndN的一致性,确保与其绑定的发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck不变。
使用CB-TCMDE认证模型进行一次调度的过程如下:
步骤1、发电单元gui及用电单元puj各自向调度中心dck申请一组公钥和私钥并生成各自的交易地址;
步骤2、发电单元gui向调度中心dck提交发电信息后,调度中心dck向发电单元gui反馈计划发电量E,同时还包括一个与特定计划绑定的随机数RndN,在随后的交易过程之中,该随机数被锁定,发电单元gui将E进行广播,并监听PU请求;
步骤3、用电单元puj筛选广播信息,判断发电单元gui广播的电量与电价的合理性并利用联盟区块链的通讯协议与发电单元gui进行协商,发电单元gui与用电单元puj经由调度中心dck形成一条能源供给通路et∈ET;
步骤4、发电单元gui与用电单元puj达成共识后,发电单元gui将交易信息写进脚本合约,并通过双方的私钥签名,调度中心dck完成交易的验证和广播,由ρ(DC)获得一个联盟区块链的验证和记账节点cbl,并写入区块链。
所述CB-TCMDE认证模型包含三种脚本合约Script、RScript以及DScript;
其中,Script合约由发电单元生成,包含有待交易电量、电价、发电单元的数字签名、交易通路的随机数以及时间戳,待有需求的用电单元接收;
RScript由发电单元修改交易信息后生成的预确认合约,该合约在Script合约的基础之上新增用电单元的数字签名,等待最终确认;
DScript为调度中心确认交易信息的最终合约,该合约在RScript的基础之上新增对应调度中心的数字签名,DScript最终合约最后由ρ(DC)筛选出的认证节点写入区块链。
所述ρ:DC→CB为DC到CB的映射函数,所述映射函数为一个能源交易权益证明过程,该过程中,参与记账的节点选取为各调度中心;
该过程的具体步骤为:
步骤1、对每个参与记账的节点dck∈DC,求取其交易权益证明Qdck
其中,vk为节点dck某笔交易的权益衡量值,n为交易总数;
步骤2、对每个参与记账的节点dck∈DC,求取交易权益累积值Sdck
Sdck=Qdck*m
其中,m为节点dck距离上次记账经过的时间;
步骤3、由DC各个节点的交易权益累积值Sdck构成交易权益累积值集合,DC中币龄最长的节点dcj被遴选为记账节点,将特定时间段内所有的交易打包记入区块链;
步骤4、记账节点dck记账完毕后,根据智能合约清空该节点的交易权益累积值Sdck与交易权益证明Qdck
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、安全性,CB-TCMDE以联盟区块链为基础,较传统的中心化管理方式更加安全:
1)当某个dci的共享账本损坏后,其他联盟节点之间的分布式共享账本将同步到该节点;
2)交易数据一旦写入区块,就无法修改,无法销毁,方便电量交易监管与数据追溯。
2、计算负荷,CB-TCMDE采用ET-Pos权益证明,大大简化了以比特币为代表的公有链工作量证明的认证方式,取代了以消耗大量电力去计算数学难题的过程。不同于公有链全网节点参与验证的方式,CB-TCMDE仅在数量较少的调度中心之间产生记账权,简化了繁琐的验证过程。
通过在分布式能源交易中融入联盟区块链,提高了分布式能源交易数据安全性、信息透明性和自动化认证水平,同时降低了原认证过程的计算复杂度,缩短了认证时间。
附图说明
图1为本发明的能源交易认证模型序列图。
图2为本发明的交易通路示意图。
图3为本发明的权益衡量值产生示意图。
具体实施方式
下面将结合附图,对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施方式,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提供的基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,包括用于构建分布式能源交易的认证模型CB-TCMDE,CB-TCMDE认证模型的具体定义如下:
CB-TCMDE=(GU,PU,DC,ET,CB,ρ),
CB-TCMDE为一个六元组,
其中,
(1)GU={gui|i∈N+}为发电单元的有限集,i表示第i个发电单元,N+表示非零的自然数集;
(2)PU={puj|j∈N+}为用电单元有限集,j表示第j个用电单元;
(3)DC={dck|k∈N+}为调度中心有限集,k表示第k个调度中心;
(4)为发电单元gui经调度中心dck向用电单puj元提供能源的交易集;
(5)CB={cbl|l∈N+}为联盟区块链中的验证和记账节点的有限集,l表示第l个验证和记账节点;
(6)ρ:DC→CB为DC到CB的映射函数,该映射函数用来筛选记账节点;
上述的N+表示非零的自然数集,其中发电单元、用电单元、调度中心的数目可以相同可以不相同。
如图2所示,CB-TCMDE认证模型在特定的发电单元和特定的用电单元在预交易阶段,会将对应的发电单元pui、用电单元guj、以及对应的调度中心dck闭合形成一条特定的交易通路et,该条交易通路et单独的用于该次调度;该条交易通路et在形成的同时,CB-TCMDE认证模型还会生成一个随机数RndN,该随机数RndN随着对应的发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck而产生,并与这三者绑定,在进行电量调度形成交易通路et的同时,随机数RndN被锁定,交易的过程之中,随机数RndN将持续写入脚本合约之中,用该随机数RndN保证调度时交易信息的准确性,在调度完成之后进行交易验证的时候,交易开始与结束的时候,随机数RndN必须保持一致,用该随机数RndN保证调度时交易信息的准确性,在调度完成之后进行交易验证的时候,交易开始与结束的时候,随机数必须保持一致。
在CB-TCMDE认证模型中,采用脚本合约的方式来表述具体的交易过程。脚本合约中应该包含交易的电量E,对应电量的价格M,交易通路对应的随机数RndN,交易的时间戳Timestamp以及交易参与者对脚本合约的认证数字签名。
如图1所示,CB-TCMDE中包含三种脚本合约:初步合约Script、预确认合约RScript以及最终确认合约DScript,对于一次能源调度而言,这三种脚本合约应是分步递进完成的,Script(Ei,Mi,Addrgui,RndNi,Timestamp)为最初的脚本,由发电单元生成,待对应的用电单元接收,是一种初步的合约,经过协商后,合约进行修改,此时,为预确定合约,预确定合约RScript(E,M,Addrgui,Addrpuj,RndNi,Timestamp)由发电单元、用电单元商议修改电价之后生成的预确认合约,此合约带有用电单元和发电单元的数字签名,等待最终确认;DScript(E,M,Addrgui,Addrpuj,Addrdck,RndNi,Timestamp,Done)为最终确认合约,是调度中心确认交易信息的最终合约,带有所有参与者的数字签名;DScript最终将由认证节点写入区块链。
本发明采用CB-TCMDE进行依一次调度的调度过程采用了交易认证算法(Transaction certifi-cation Algorithm,TCA),具体步骤如下:
步骤1、发电单元gui及用电单元puj各向调度中心dck申请一组公钥和私钥并生成各自的交易地址;
步骤2、发电单元gui向调度中心dck提交发电信息后,调度中心dck向发电单元gui反馈计划发电量E,同时还包括一个与特定计划绑定的随机数RndN,在随后的交易过程之中,该随机数被锁定,发电单元gui将E进行广播,并监听PU请求;
步骤3、用电单元puj筛选广播信息,判断发电单元gui广播的电量与电价的合理性并利用联盟区块链的通讯协议与发电单元gui进行协商,发电单元gui与用电单元puj经由调度中心dck形成一条能源供给通路et∈ET;
步骤4、发电单元gui与用电单元puj达成共识后,发电单元gui将交易信息写进智能合约,并通过双方的私钥签名,调度中心dck完成交易的验证和广播,由ρ(DC)获得一个联盟区块链的验证和记账节点cbl,并写入区块链。
交易认证算法(TCA)的形式化描述为:
CB-TCMDE基于联盟链,参与验证的节点选取为各调度中心DC,参与记账的调度中心的数目为n.参与记账的DC将全网一段时间内的所有交易信息打包,并由全网其他DC进行验证,经验证确保交易信息准确无误之后,方可将信息写入到主链当中。
采用ρ:DC→CB为DC到CB的映射函数,这是一个能源交易权益证明过程,该过程采用能源交易权益证明(Proof of stake on energy transaction,ET-Pos)算法,其具体步骤为:
步骤1、对每个参与记账的节点dck∈DC,求取其交易权益证明Qdck
其中,vk为节点dck某笔交易的权益衡量值,n为交易总数;
步骤2、对每个参与记账的节点dck∈DC,求取交易权益累积值Sdck
Sdck=Qdck*m
其中,m为节点dck距离上次记账经过的时间;
步骤3、由DC各个节点的交易权益累积值Sdck构成交易权益累积值集合,DC中币龄最长的节点dcj被遴选为记账节点,将特定时间段内所有的交易打包记入区块链;
步骤4、记账节点dck记账完毕后,根据智能合约清空该节点的交易权益累积值Sdck与交易权益证明Qdck。能源权益证明(ET-Pos)算法的形式化描述为:
在CB-TCMDE中PU、GU都不能参与竞争区块的记账权,区块的记账权在各个DC之间竞争产生,实现了交易和记账的分离。PU、GU和DC形成能量交易通路,智能合约向发电单元GU所属的调度中心DC发送与此次调度电量等值的权益衡量值Vi,其产生过程由如图3所示。
且在本能源权益证明(ET-Pos)算法中,DC是记账节点,但是因为在调度过程中实现的是GU与PU之间的电量与电价的价值转换,DC在调度中没有交易属性,所以将发电中心GU的经由与DC流通的电价E等值的由权益衡量值V表示,在记账成功之后,只清空DC的V而不影响实际的交易额。这样,DC调度的电量越多,其权益衡量值就越高,竞争记账权的可能性就越高,形成正向的经济激励。
本发明中,CB-TCMDE从创世区块开始,各区块按时间顺序排列,每个区块带有时间戳,且下一个区块总是包含着上一个区块中独一无二的特征信息。在CB-TCMDE中,交易信息具有可追溯性,通过逆向线性遍历方式即可追溯到所有交易信息。各DC节点在本地都保存有分布式冗余账本,确保了数据安全性。
仿真实验与分析
1仿真实验
为了验证CB-TCMDE模型的相关特点,本实施例使用matlab构建了调度仿真程序,并以一个分布式能源交易认证过程为例进行仿真实验和对比分析。
设发电单元GU、用电单元PU及调度中心DC分别为:GU={gu1,gu2,gu3,gu4,gu5};PU={pu1,pu2,pu3,pu4,pu5};DC={dc1,dc2,dc3,dc4,dc5}。其中,GU中的发电单元及发电量如表1。
首先,GU从相应DC节点获得了反馈以及相应随机数RndN1~RndN5,各节点发电量分别对应E1~E5,然后GU各节点将各自的信息写入合约,即Script(Ei,Mi,Addrgui,RndNi),并广播。
表1各发电单元及其发量
以PU中的节点pu1为例描述交易认证过程:1)pu1在筛选所有交易信息广播后选择gu2进行协商,则pu1接受gu2的广播合约Script(E2,M2,Addrgu2,RndN2)。此时,智能合约将随机数RndN2锁定,确定了交易对象的唯一性。2)gu2生产新的合约newScript(E,M,Addrgu2,Addrpu1,RndN2),与pu1最终达成协议RScript(E’,M’,Addrgu2,Addrpu1,RndN2)并将该合约发送给dc2。3)dc2获得预确认合约RScript(E’,M’,Addrgu2,Addrpu1,RndN2)后,认证gu2和pu1的身份信息、E’的真实性、M’的充足性以及RndN1的完整性之后,进行价值转移并产生最终合约DScript(E’,M’,Addgu2,Addrpu1,Addrdc2,RndN2,Done)。4)随后dc2将其在DC={dc1,dc2,dc3,dc4,dc5}中广播,等待记入区块链。
PU全部节点的交易结果如表2。
表2交易结果记录表
为了方便计算,设所有的节点距上次记账间隔n皆为1。则权益证明过程如表3所示。
表3权益证明过程记录表
由表3可知,调度中心dc4为5682权益最高,所以dc4竞得本时间段的记账权,dc4将对应交易记录打包,写入区块链,同时清空dc4的所有交易权益累积和交易权益证明。
2、数据安全性分析
为了评价实验结果的数据安全性,本文采用一种定性的数据安全等级评价方法,如表4所示,安全等级从0到4递增,等级越高数据安全性越高。
表4安全性等级说明表
由于CB-TCMDE以联盟区块链为基础,较传统的中心化管理方式更加安全:1)当某个dci的共享账本损坏后,其他联盟节点之间的分布式共享账本将同步到该节点;2)交易数据一旦写入区块,就无法修改,无法销毁,方便电量交易监管与数据追溯。因此,CB-TCMDE的安全性等级可达3~4级。
3、计算负荷分析
CB-TCMDE采用ET-Pos权益证明,大大简化了以比特币为代表的公有链工作量证明的认证方式,取代了以消耗大量电力去计算数学难题的过程。不同于公有链全网节点参与验证的方式,CB-TCMDE仅在数量较少的调度中心之间产生记账权,简化了繁琐的验证过程,其与公有链方式认证的对比如表5。
表5公有链与CB-TCMDE对比表
4、信息透明性分析
区块链模型的初衷是为了解决非安全环境下的信任问题,将传统的能源交易验证方式放入陌生环境下,并以密码学的方式保障数据的安全性以及采用匿名化的方式是区块链的最大优势。CB-TCMDE对比与传统的能源交易验证模型,全用户皆可追溯历史上的任何一笔交易,可以查询任一匿名用户的支付情况和历史余额,是对传统认证方式的巨大改进。同时对比与公有链,CB-TCMDE以联盟链为基础,各个DC可以对参与调度节点的公私钥在一定程度上进行掌控,改善公有链无法监管的特性,具体对比如表6所示。
表6信息透明性对比表
5、自动化认证水平分析
传统的能源交易认证需要根据能源传输、价值转换和资源变现等多方需要,统筹电网中心、通讯公司和银行机构,自动化认证水平仍有提升的空间。而CB-TCMDE在区块链技术的基础之上可以程序化的执行能量输入、电量检测、能源存储、用户匹配、电价商议、信息核实、电力调度及交易记录等多方面功能,有良好的自动化水平。
综上,本发明提出了一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证模型及相关的TCA交易认证算法,并且分别从网络结构、合约状态和认证方式三个方面刻画CB-TCMDE的子特征。通过在分布式能源交易中融入联盟区块链,提高了分布式能源交易数据安全性、信息透明性和自动化认证水平,同时降低了原认证过程的计算复杂度,缩短了认证时间,仿真实验验证了模型的有效性。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,其特征在于:构建分布式能源交易的认证模型CB-TCMDE,所述CB-TCMDE认证模型的具体定义如下:
CB-TCMDE=(GU,PU,DC,ET,CB,ρ)
其中,
(1)GU={gui|i∈N+}为发电单元的有限集,i表示第i个发电单元,N+表示非零的自然数集;
(2)PU={puj|j∈N+}为用电单元有限集,j表示第j个用电单元;
(3)DC={dck|k∈N+}为调度中心有限集,k表示第k个调度中心;
(4)为发电单元gui经调度中心dck向用电单puj元提供能源的交易集;
(5)CB={cbl|l∈N+}为联盟区块链中的验证和记账节点的有限集,l表示第l个验证和记账节点;
(6)ρ:DC→CB为DC到CB的映射函数,该映射函数用来筛选记账节点;
根据所述CB-TCMDE认证模型,在发电单元gui和用电单元puj的预交易阶段,将发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck形成一条交易通路et,所述交易通路et仅应用本次调度;调度完成后,将由验证和记账节点cbl将对应的交易信息写入区块链中。
2.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,其特征在于:所述在形成一条交易通路et的同时,CB-TCMDE认证模型同时生成一个随机数RndN,所述随机数RndN随着对应的交易通路et中的发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck的选取而产生,并与这三者绑定,该条交易通路的交易过程中,随机数RndN将持续写入脚本合约之中,通过验证RndN的一致性,确保与其绑定的发电单元gui、用电单元puj、调度中心dck不变。
3.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,其特征在于:
使用CB-TCMDE认证模型进行一次调度的过程如下:
步骤1、发电单元gui及用电单元puj各自向调度中心dck申请一组公钥和私钥并生成各自的交易地址;
步骤2、发电单元gui向调度中心dck提交发电信息后,调度中心dck向发电单元gui反馈计划发电量E,同时还包括一个与特定计划绑定的随机数RndN,在随后的交易过程之中,该随机数被锁定,发电单元gui将E进行广播,并监听PU请求;
步骤3、用电单元puj筛选广播信息,判断发电单元gui广播的电量与电价的合理性并利用联盟区块链的通讯协议与发电单元gui进行协商,发电单元gui与用电单元puj经由调度中心dck形成一条能源供给通路et∈ET;
步骤4、发电单元gui与用电单元puj达成共识后,发电单元gui将交易信息写进脚本合约,并通过双方的私钥签名,调度中心dck完成交易的验证和广播,由ρ(DC)获得一个联盟区块链的验证和记账节点cbl,并写入区块链。
4.根据权利要求3所述的一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,其特征在于:
所述CB-TCMDE认证模型包含三种脚本合约Script、RScript以及DScript;
其中,Script合约由发电单元生成,包含有待交易电量、电价、发电单元的数字签名、交易通路的随机数以及时间戳,待有需求的用电单元接收;
RScript由发电单元修改交易信息后生成的预确认合约,该合约在Script合约的基础之上新增用电单元的数字签名,等待最终确认;
DScript为调度中心确认交易信息的最终合约,该合约在RScript的基础之上新增对应调度中心的数字签名,DScript最终合约最后由ρ(DC)筛选出的认证节点写入区块链。
5.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链的分布式能源交易认证方法,其特征在于:所述ρ:DC→CB为DC到CB的映射函数,所述映射函数为一个能源交易权益证明过程,该过程中,参与记账的节点选取为各调度中心;
该过程的具体步骤为:
步骤1、对每个参与记账的节点dck∈DC,求取其交易权益证明Qdck
<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>v</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow>
其中,vk为节点dck某笔交易的权益衡量值,n为交易总数;
步骤2、对每个参与记账的节点dck∈DC,求取交易权益累积值Sdck
Sdck=Qdck*m
其中,m为节点dck距离上次记账经过的时间;
步骤3、由DC各个节点的交易权益累积值Sdck构成交易权益累积值集合,DC中币龄最长的节点dcj被遴选为记账节点,将特定时间段内所有的交易打包记入区块链;
步骤4、记账节点dck记账完毕后,根据智能合约清空该节点的交易权益累积值Sdck与交易权益证明Qdck
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