Blockchain المحمول يلتقي الحوسبة الطرفية: إدارة الموارد والتطبيقات

جدول المحتويات

• 1. المقدمة
• 2. Edge Computing for Mobile Blockchain
  • 2.1 نظرة عامة على الهندسة المعمارية
  • 2.2 تفريغ إثبات العمل
• 3. إدارة الموارد الاقتصادية
  • 3.1 نموذج نظرية الألعاب
  • 3.2 آلية التسعير
• 4. النتائج التجريبية
  • 4.1 مقاييس الأداء
  • 4.2 التحقق
• 5. التحليل الفني
• 6. تنفيذ الكود
• 7. التطبيقات المستقبلية
• 8. المراجع

1. المقدمة

تعمل سلسلة الكتل كسجل عام لا مركزي لتخزين سجلات المعاملات، متغلبة على قيود الأنظمة المركزية مثل أعطال النقطة الواحدة والثغرات الأمنية. يتم تنظيم البيانات في شكل كتل في قائمة مرتبطة، يتم نسخها عبر الشبكة لضمان السلامة. يعد التعدين، الذي يتضمن ألغاز إثبات العمل (PoW)، أساسياً لإضافة كتل جديدة ولكنه يتطلب موارد حاسوبية كبيرة، مما يعيق الاعتماد في أجهزة الجوال وإنترنت الأشياء محدودة الموارد. يبرز الحوسبة الطرفية للجوال (MEC) كحل من خلال توفير قدرة حاسوبية على حواف الشبكة، مثل المحطات الأساسية، مما يتيح تفريغ فعال لإثبات العمل. يعزز هذا التكامل متانة سلسلة الكتل ويوفر حوافز لمستخدمي الجوال من خلال مكافآت الإجماع. ومع ذلك، فإن التحديات الاقتصادية مثل التسعير وتخصيص الموارد تتطلب التحسين باستخدام نظرية الألعاب.

2. Edge Computing for Mobile Blockchain

يستفيد الحوسبة الطرفية من الخوادم المحلية عند حواف الشبكات المحمولة لدعم التطبيقات منخفضة الكمون، وهو أمر بالغ الأهمية لشبكات الجيل الخامس. بالنسبة لبلوك تشين، تسمح الحوسبة الطرفية للأجهزة المحمولة بتحويل ألغاز إثبات العمل إلى الخوادم الطرفية، مما يقلل استهلاك الطاقة ويعزز المشاركة.

2.1 نظرة عامة على الهندسة المعمارية

يتكون النظام من عمال المناجم المحمولين، وخوادم الحافة، وشبكة بلوك تشين. يقدم عمال المناجم مهام إثبات العمل إلى خوادم الحافة عبر روابط لاسلكية، وتقوم الخوادم بإرجاع الحلول للتحقق من صحة الكتلة. هذا النهج اللامركزي يقلل من التأخيرات ويعزز قابلية التوسع.

2.2 تفريغ إثبات العمل

PoW involves finding a nonce that produces a hash below a target value: $H(block \| nonce) < target$. Offloading this to edge servers saves mobile resources, with the hash function computed as $H(x) = SHA256(x)$.

3. إدارة الموارد الاقتصادية

يقوم النموذج الاقتصادي بتحسين توزيع الموارد بين مزودي الحوسبة الطرفية وعمال التعدين.

3.1 نموذج نظرية الألعاب

نموذج لعبة Stackelberg يحاكي التفاعلات: يحدد الموفر الأسعار، ويعدل المعدنون الطلب على الحوسبة. ربح الموفر هو $\pi_p = p \cdot d - C(d)$، حيث $p$ هو السعر، و$d$ هو الطلب، و$C$ هو التكلفة. يعظم المعدنون المنفعة $U_m = R - p \cdot d$، مع $R$ كمكافأة الكتلة.

3.2 آلية التسعير

يوازن التسعير الديناميكي بين العرض والطلب، على غرار التقنيات المستخدمة في الشبكات اللاسلكية [9]. على سبيل المثال، يستخدم [10] التسعير للاتصال التعاوني، وقد تم تكييفه هنا لموارد الحوسبة.

4. النتائج التجريبية

تؤكد التجارب صحة الإطار المقترح.

4.1 مقاييس الأداء

تشمل المقاييس الرئيسية توفير الطاقة وزمن الوضع ومعدل نجاح التعدين. يؤدي تفريغ PoW إلى خفض استهلاك الطاقة للأجهزة المحمولة بنسبة تصل إلى 70٪ مقارنة بالحساب المحلي.

4.2 التحقق

يظهر النموذج الأولي أن الحوسبة المتطورة تقلل وقت حل إثبات العمل بنسبة 50٪، مع تحقيق المعدنين مكافآت أعلى تحت التسعير الأمثل. توضح الرسوم البيانية منحنيات الطلب مقابل السعر ومكاسب كفاءة الطاقة.

5. التحليل الفني

تقدم هذه الورقة جسراً بين تقنية البلوكشين والحوسبة الطرفية، معالجةً الكثافة المواردية لإثبات العمل (PoW). على عكس النماذج التقليدية، فإنها تدمج الحوافز الاقتصادية، متوافقةً مع اتجاهات الأنظمة اللامركزية مثل تلك الموجودة في CycleGAN للشبكات الخصومية التوليدية [11]. يضمن النهج القائم على نظرية اللعب العدالة، كما هو موضح في دراسات التعلم الموحد [12]. توفر الصيغ الرياضية، مثل $U_m = R - p \cdot d$، إطاراً قابلاً للتطوير لتخصيص الموارد. تظهر التجارب فوائد عملية، لكن التحديات لا تزال قائمة في البيئات الديناميكية. مقارنةً بالحلول القائمة على السحابة، تقدم الحوسبة الطرفية زمن انتقال أقل، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقات إنترنت الأشياء في الوقت الفعلي. تدعم المصادر الخارجية، مثل دراسات IEEE حول الحوسبة الطرفية المتعددة النفاذ (MEC) [13]， إمكانات التكامل لتقنيات 5G وما بعدها.

6. تنفيذ الكود

الكود الزائف لتفريغ إثبات العمل:

function mineBlock(block_data, target):
  nonce = 0
  while True:
    hash = sha256(block_data + nonce)
    if hash < target:
      return nonce, hash
    nonce += 1

# Edge server handles request
edge_service(block, miner_id):
  result = mineBlock(block, TARGET)
  charge_fee(miner_id, PRICE)
  return result

7. التطبيقات المستقبلية

تشمل التطبيقات المحتملة المدن الذكية، وتتبع سلاسل التوريد، وإنترنت الأشياء في الرعاية الصحية. على سبيل المثال، يمكن لبلوكتشين المدعوم بالحوسبة الطرفية تأمين بيانات المرضى في الوقت الفعلي. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية دمج التعلم الآلي للتسعير التكيفي وخوارزميات إثبات العمل المقاومة للحوسبة الكمية.

8. المراجع

1. شبكات توصيل المحتوى، IEEE Transactions، 2015.
2. أنظمة الشبكة الذكية، ACM Journal، 2016.
3. التعدين في سلسلة الكتل، الورقة البيضاء للبيتكوين، 2008.
4. الحوسبة الطرفية النقالة، الورقة البيضاء لمعهد ETSI، 2014.
5. شبكات الجيل الخامس، معايير 3GPP، 2017.
6. التسعير في الشبكات اللاسلكية، مسح IEEE، 2010.
7. الاتصال التعاوني، معاملات IEEE، 2012.
8. CycleGAN, ورقة ICCV, 2017.
9. Federated learning, أبحاث جوجل, 2016.
10. IEEE MEC survey, 2019.