Blockchain المحمول يلتقي بالحوسبة الطرفية: إدارة الموارد والتطبيقات

جدول المحتويات

• 1. المقدمة
• 2. Mobile Edge Computing للبلوكتشين
  • 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 من النظام
• 5. التنفيذ التقني
  • 5.1 الصياغات الرياضية
  • 5.2 أمثلة على الكود
• 6. التطبيقات المستقبلية
• 7. المراجع

1. المقدمة

تعمل البلوكشين 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. ومع ذلك، فإن اعتماد البلوكشين على ألغاز إثبات العمل (PoW) يتطلب موارد حاسوبية كبيرة، مما يجعلها غير مناسبة للأجهزة المحمولة محدودة الموارد. تستكشف هذه الورقة دمج الحوسبة الطرفية المتنقلة (MEC) لتفريغ حسابات إثبات العمل، مما يتيح تطبيقات البلوكشين المتنقلة في أنظمة إنترنت الأشياء.

2. Mobile Edge Computing للبلوكتشين

تقوم MEC بنشر موارد الحوسبة على حافة الشبكة (مثل المحطات الأساسية) لتقديم خدمات منخفضة الكمون. من خلال تفريغ ألغاز PoW إلى الخوادم الطرفية، يمكن للأجهزة المحمولة المشاركة في تعدين البلوكشين دون استنزاف مواردها.

2.1 نظرة عامة على الهندسة المعمارية

يتكون النظام من عمال المناجم المحمولين، وخوادم الحافة، وشبكة بلوكشين. يقدم عمال المناجم مهام إثبات العمل إلى خوادم الحافة، التي تعالجها وتعيد النتائج لتحقيق الإجماع.

2.2 تفريغ إثبات العمل

PoW involves finding a nonce such that the hash of the block header meets a target difficulty: $H(block\_header + nonce) < target$. Offloading this computation reduces mobile device energy consumption by up to 70%.

3. إدارة الموارد الاقتصادية

تم اقتراح نموذج اقتصادي لإدارة موارد الحوسبة المتطورة بكفاءة، باستخدام نظرية الألعاب لموازنة أرباح مقدمي الخدمة وتكاليف المعدّنين.

3.1 نموذج نظرية الألعاب

يتم نمذجة التفاعل بين مقدم الخدمة والمعدّنين كلعبة Stackelberg. يحدد مقدم الخدمة الأسعار $p$ لموارد الحوسبة، ويضبط المعدّنون طلبهم $d_i$ لتعظيم المنفعة: $U_i = R_i - p \cdot d_i$، حيث $R_i$ هو مكافأة التعدين.

3.2 آلية التسعير

يضمن التسعير الديناميكي القائم على الطلب كفاءة تخصيص الموارد. يتحقق أقصى ربح للمزود عندما $p^* = \arg\max_p \sum_i d_i(p) \cdot p$.

4. النتائج التجريبية

قام نظام نموذجي بالتحقق من النهج المقترح، مع قياس مقاييس الأداء مثل زمن الوصول واستهلاك الطاقة.

4.1 مقاييس الأداء

أظهرت التجارب انخفاضًا بنسبة 60٪ في استهلاك الطاقة للأجهزة المحمولة وانخفاضًا بنسبة 50٪ في وقت حل إثبات العمل مقارنة بالحوسبة المحلية.

4.2 التحقق من النظام

اشتمل النموذج الأولي على 100 عقدة محمولة و10 خوادم حافة. أكدت النتائج أن تفويض إثبات العمل إلى خوادم الحافة يحافظ على أمان سلسلة الكتل مع تعزيز قابلية التوسع.

5. التنفيذ التقني

5.1 الصياغات الرياضية

يتم تعديل صعوبة إثبات العمل كالتالي: $D_{new} = D_{old} \cdot \frac{T_{expected}}{T_{actual}}$، حيث يمثل $T$ متوسط وقت الكتلة. تقوم خوادم الحافة بحساب التجزئة باستخدام SHA-256: $H(x) = SHA256(x)$.

5.2 أمثلة على الكود

# Pseudocode for PoW offloading
def mine_block(block_header, target):
    nonce = 0
    while True:
        hash_result = sha256(block_header + str(nonce))
        if hash_result < target:
            return nonce, hash_result
        nonce += 1

# Edge server handles mining request
edge_server.submit_task(mine_block, block_data)

6. التطبيقات المستقبلية

تشمل التطبيقات المحتملة: سلامة بيانات إنترنت الأشياء، وتتبع سلسلة التوريد، والتمويل اللامركزي (DeFi). يمكن لدمجها مع شبكات الجيل الخامس أن يقلل زمن الوصول بشكل أكبر. قد تستكشف الأبحاث المستقبلية بدائل إثبات الحصة لتحسين كفاءة الطاقة.

7. المراجع

1. Z. Xiong et al., "When Mobile Blockchain Meets Edge Computing," arXiv:1711.05938, 2018.
2. NIST, "Blockchain Technology Overview," National Institute of Standards and Technology, 2020.
3. IEEE, "Edge Computing Standards," IEEE P1934, 2019.

Original Analysis

يعالج دمج blockchain للأجهزة المحمولة مع الحوسبة الطرفية عنق زجاجة حاسمًا في الأنظمة اللامركزية: الطبيعة كثيفة الاستخدام للموارد لإجماع إثبات العمل. بينما تجعل عدم قابلية blockchain للتعديل وشفافيته، كما هو موضح في نظرة NIST العامة حول blockchain، مثاليًا للتطبيقات مثل إدارة سلسلة التوريد، فقد كان استهلاكه للطاقة مصدر قلق كبير. يستفيد هذا العمل بشكل مبتكر من الحوسبة الطرفية، على غرار كيفية استخدام CycleGAN للشبكات الخصومة التوليدية لترجمة الصور، من خلال تفريغ العمليات الحسابية إلى خوادم قريبة. يضمن النموذج الاقتصادي باستخدام ألعاب Stackelberg تخصيصًا فعالًا للموارد، على غرار استراتيجيات التسعير في الحوسبة السحابية. تظهر النتائج التجريبية تحسينات كبيرة في كفاءة الطاقة وزمن الوصل، وهو أمر بالغ الأهمية لنشر إنترنت الأشياء. مقارنةً بالتفريغ السحابي التقليدي، تقلل الحوسبة الطرفية زمن الوصل بنسبة 30٪، كما هو مذكور في معايير IEEE للحوسبة الطرفية. يمكن للتوجهات المستقبلية دمج التعلم الآلي للتنبؤ الديناميكي بالموارد، مما يعزز قابلية التوسع. لا يؤدي هذا النهج فقط إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على الوصول إلى blockchain للأجهزة المحمولة، ولكنه يضع أيضًا سابقة للهياكل الهجينة في الأنظمة اللامركزية.