Blockchain Mudah Alih Bertemu Pengkomputeran Pinggir: Pengurusan Sumber dan Aplikasi

Kandungan

• 1. Pengenalan
• 2. Pengkomputeran Pinggir untuk Blockchain Mudah Alih
  • 2.1 Gambaran Keseluruhan Seni Bina
  • 2.2 Penyaluran Proof-of-Work
• 3. Pengurusan Sumber Ekonomi
  • 3.1 Model Teori Permainan
  • 3.2 Mekanisme Penetapan Harga
• 4. Keputusan Eksperimen
  • 4.1 Metrik Prestasi
  • 4.2 Pengesahan
• 5. Analisis Teknikal
• 6. Pelaksanaan Kod
• 7. Aplikasi Masa Depan
• 8. Rujukan

1. Pengenalan

Blockchain berfungsi sebagai lejar awam terdesentralisasi untuk menyimpan rekod transaksi, mengatasi batasan sistem berpusat seperti kegagalan titik tunggal dan kelemahan keselamatan. Data distrukturkan sebagai blok dalam senarai berpaut, direplikasi merentasi rangkaian untuk memastikan integriti. Perlombongan, yang melibatkan teka-teki proof-of-work (PoW), adalah penting untuk menambah blok baharu tetapi memerlukan sumber pengkomputeran yang besar, menghalang penggunaan dalam peranti mudah alih dan IoT yang terhadap sumber. Pengkomputeran pinggir mudah alih (MEC) muncul sebagai penyelesaian dengan menyediakan kuasa pengkomputeran di pinggir rangkaian, seperti stesen pangkalan, membolehkan penyaluran PoW yang cekap. Integrasi ini meningkatkan keteguhan blockchain dan menawarkan insentif untuk pengguna mudah alih melalui ganjaran konsensus. Walau bagaimanapun, cabaran ekonomi seperti penetapan harga dan peruntukan sumber memerlukan pengoptimuman menggunakan teori permainan.

2. Pengkomputeran Pinggir untuk Blockchain Mudah Alih

Pengkomputeran pinggir memanfaatkan pelayan tempatan di pinggir rangkaian mudah alih untuk menyokong aplikasi kependaman rendah, yang penting untuk rangkaian 5G. Untuk blockchain, MEC membolehkan peranti mudah alih menyalurkan teka-teki PoW ke pelayan pinggir, mengurangkan penggunaan tenaga dan meningkatkan penyertaan.

2.1 Gambaran Keseluruhan Seni Bina

Sistem ini terdiri daripada pelombong mudah alih, pelayan pinggir, dan rangkaian blockchain. Pelombong menghantar tugas PoW ke pelayan pinggir melalui pautan tanpa wayar, dan pelayan mengembalikan penyelesaian untuk pengesahan blok. Pendekatan terdesentralisasi ini meminimumkan kelewatan dan meningkatkan kebolehskalaan.

2.2 Penyaluran Proof-of-Work

PoW melibatkan pencarian nonce yang menghasilkan hash di bawah nilai sasaran: $H(blok \| nonce) < sasaran$. Penyaluran ini ke pelayan pinggir menjimatkan sumber mudah alih, dengan fungsi hash dikira sebagai $H(x) = SHA256(x)$.

3. Pengurusan Sumber Ekonomi

Model ekonomi mengoptimumkan peruntukan sumber antara pembekal pinggir dan pelombong.

3.1 Model Teori Permainan

Permainan Stackelberg memodelkan interaksi: pembekal menetapkan harga, dan pelombong melaraskan permintaan pengkomputeran. Keuntungan pembekal ialah $\pi_p = p \cdot d - C(d)$, di mana $p$ ialah harga, $d$ ialah permintaan, dan $C$ ialah kos. Pelombong memaksimumkan utiliti $U_m = R - p \cdot d$, dengan $R$ sebagai ganjaran blok.

3.2 Mekanisme Penetapan Harga

Penetapan harga dinamik mengimbangi penawaran dan permintaan, serupa dengan teknik dalam rangkaian tanpa wayar [9]. Sebagai contoh, [10] menggunakan penetapan harga untuk komunikasi koperatif, yang disesuaikan di sini untuk sumber pengkomputeran.

4. Keputusan Eksperimen

Eksperimen mengesahkan rangka kerja yang dicadangkan.

4.1 Metrik Prestasi

Metrik utama termasuk penjimatan tenaga, kependaman, dan kadar kejayaan perlombongan. Penyaluran PoW mengurangkan penggunaan tenaga mudah alih sehingga 70% berbanding pengiraan tempatan.

4.2 Pengesahan

Prototaip menunjukkan bahawa pengkomputeran pinggir mengurangkan masa penyelesaian PoW sebanyak 50%, dengan pelombong mencapai ganjaran yang lebih tinggi di bawah penetapan harga optimum. Carta menggambarkan keluk permintaan vs. harga dan peningkatan kecekapan tenaga.

5. Analisis Teknikal

Kertas kerja ini menjambatani blockchain dan pengkomputeran pinggir, menangani keamatan sumber PoW. Berbeza dengan model tradisional, ia menggabungkan insentif ekonomi, selari dengan trend dalam sistem terdesentralisasi seperti dalam CycleGAN untuk rangkaian generatif adversarial [11]. Pendekatan teori permainan memastikan keadilan, seperti yang dilihat dalam kajian pembelajaran terpersekutuan [12]. Formulasi matematik, seperti $U_m = R - p \cdot d$, menyediakan rangka kerja boleh skala untuk peruntukan sumber. Eksperimen menunjukkan manfaat praktikal, tetapi cabaran kekal dalam persekitaran dinamik. Berbanding penyelesaian berasaskan awan, pengkomputeran pinggir menawarkan kependaman yang lebih rendah, kritikal untuk aplikasi IoT masa nyata. Sumber luaran, seperti tinjauan IEEE mengenai MEC [13], menyokong potensi integrasi untuk 5G dan seterusnya.

6. Pelaksanaan Kod

Kod pseudo untuk penyaluran PoW:

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

# Pelayan pinggir mengendalikan permintaan
edge_service(block, miner_id):
  result = mineBlock(block, TARGET)
  charge_fee(miner_id, PRICE)
  return result

7. Aplikasi Masa Depan

Aplikasi potensi termasuk bandar pintar, penjejakan rantaian bekalan, dan IoT penjagaan kesihatan. Sebagai contoh, blockchain berdayakan pinggir boleh mengamankan data pesakit dalam masa nyata. Kerja masa depan mungkin meneroka integrasi pembelajaran mesin untuk penetapan harga adaptif dan algoritma PoW rintang kuantum.

8. Rujukan

1. Rangkaian penghantaran kandungan, IEEE Transactions, 2015.
2. Sistem grid pintar, ACM Journal, 2016.
3. Perlombongan dalam blockchain, Kertas Putih Bitcoin, 2008.
4. Pengkomputeran pinggir mudah alih, Kertas Putih ETSI, 2014.
5. Rangkaian 5G, Piawaian 3GPP, 2017.
6. Penetapan harga dalam rangkaian tanpa wayar, Tinjauan IEEE, 2010.
7. Komunikasi koperatif, IEEE Transactions, 2012.
8. CycleGAN, Kertas ICCV, 2017.
9. Pembelajaran terpersekutuan, Penyelidikan Google, 2016.
10. Tinjauan MEC IEEE, 2019.