Blockchain Mudah Alih Bertemu Pengkomputeran Pinggir: Pengurusan Sumber dan Aplikasi

Kandungan

• 1. Pengenalan
• 2. Pengkomputeran Pinggir Mudah Alih untuk Blockchain
  • 2.1 Gambaran Keseluruhan Seni Bina
  • 2.2 Penyingkiran Beban 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 Sistem
• 5. Pelaksanaan Teknikal
  • 5.1 Formulasi Matematik
  • 5.2 Contoh Kod
• 6. Aplikasi Masa Depan
• 7. 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. Walau bagaimanapun, kebergantungan blockchain pada teka-teki proof-of-work (PoW) memerlukan sumber pengkomputeran yang besar, menjadikannya tidak sesuai untuk peranti mudah alih yang mempunyai sumber terhad. Kertas ini meneroka integrasi pengkomputeran pinggir mudah alih (MEC) untuk menyingkirkan pengiraan PoW, membolehkan aplikasi blockchain mudah alih dalam sistem IoT.

2. Pengkomputeran Pinggir Mudah Alih untuk Blockchain

MEC mengedarkan sumber pengkomputeran di pinggir rangkaian (contohnya, stesen pangkalan) untuk menyediakan perkhidmatan kependaman rendah. Dengan menyingkirkan teka-teki PoW ke pelayan pinggir, peranti mudah alih boleh mengambil bahagian dalam perlombongan blockchain tanpa menguras sumber mereka.

2.1 Gambaran Keseluruhan Seni Bina

Sistem ini terdiri daripada pelombong mudah alih, pelayan pinggir, dan rangkaian blockchain. Pelombong menyerahkan tugas PoW kepada pelayan pinggir, yang memprosesnya dan mengembalikan keputusan untuk konsensus.

2.2 Penyingkiran Beban Proof-of-Work

PoW melibatkan pencarian nonce supaya hash pengepala blok memenuhi sasaran kesukaran: $H(block\_header + nonce) < target$. Penyingkiran beban pengiraan ini mengurangkan penggunaan tenaga peranti mudah alih sehingga 70%.

3. Pengurusan Sumber Ekonomi

Model ekonomi dicadangkan untuk mengurus sumber pengkomputeran pinggir secara efisien, menggunakan teori permainan untuk mengimbangi keuntungan pembekal dan kos pelombong.

3.1 Model Teori Permainan

Interaksi antara pembekal perkhidmatan dan pelombong dimodelkan sebagai permainan Stackelberg. Pembekal menetapkan harga $p$ untuk sumber pengkomputeran, dan pelombong melaraskan permintaan $d_i$ mereka untuk memaksimumkan utiliti: $U_i = R_i - p \cdot d_i$, di mana $R_i$ ialah ganjaran perlombongan.

3.2 Mekanisme Penetapan Harga

Penetapan harga dinamik berdasarkan permintaan memastikan kecekapan peruntukan sumber. Keuntungan pembekal dimaksimumkan apabila $p^* = \arg\max_p \sum_i d_i(p) \cdot p$.

4. Keputusan Eksperimen

Sistem prototaip mengesahkan pendekatan yang dicadangkan, mengukur metrik prestasi seperti kependaman dan penggunaan tenaga.

4.1 Metrik Prestasi

Eksperimen menunjukkan pengurangan 60% dalam penggunaan tenaga untuk peranti mudah alih dan penurunan 50% dalam masa penyelesaian PoW berbanding pengiraan tempatan.

4.2 Pengesahan Sistem

Prototaip melibatkan 100 nod mudah alih dan 10 pelayan pinggir. Keputusan mengesahkan bahawa penyingkiran beban PoW ke pelayan pinggir mengekalkan keselamatan blockchain sambil meningkatkan kebolehskalaan.

5. Pelaksanaan Teknikal

5.1 Formulasi Matematik

Pelarasan kesukaran PoW mengikut: $D_{new} = D_{old} \cdot \frac{T_{expected}}{T_{actual}}$, di mana $T$ ialah purata masa blok. Pelayan pinggir mengira hash menggunakan SHA-256: $H(x) = SHA256(x)$.

5.2 Contoh Kod

# Kod pseudo untuk penyingkiran beban PoW
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

# Pelayan pinggir mengendalikan permintaan perlombongan
edge_server.submit_task(mine_block, block_data)

6. Aplikasi Masa Depan

Aplikasi berpotensi termasuk integriti data IoT, penjejakan rantaian bekalan, dan kewangan terdesentralisasi (DeFi). Integrasi dengan rangkaian 5G boleh mengurangkan kependaman lagi. Kerja masa depan mungkin meneroka alternatif proof-of-stake untuk kecekapan tenaga.

7. Rujukan

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.

Analisis Asal

Integrasi blockchain mudah alih dengan pengkomputeran pinggir menangani kebuntuan kritikal dalam sistem terdesentralisasi: sifat konsensus proof-of-work yang intensif sumber. Walaupun ketidakubahan dan ketelusan blockchain, seperti yang ditekankan oleh gambaran keseluruhan blockchain NIST, menjadikannya ideal untuk aplikasi seperti pengurusan rantaian bekalan, penggunaan tenaganya telah menjadi kebimbangan utama. Kerja ini secara inovatif memanfaatkan pengkomputeran pinggir, serupa dengan cara CycleGAN menggunakan rangkaian adversarial generatif untuk terjemahan imej, dengan menyingkirkan pengiraan ke pelayan berhampiran. Model ekonomi menggunakan permainan Stackelberg memastikan peruntukan sumber yang cekap, setara dengan strategi penetapan harga dalam pengkomputeran awan. Keputusan eksperimen menunjukkan peningkatan ketara dalam kecekapan tenaga dan kependaman, penting untuk penyebaran IoT. Berbanding dengan penyingkiran beban awan tradisional, pengkomputeran pinggir mengurangkan kependaman sebanyak 30%, seperti yang dinyatakan dalam piawaian pengkomputeran pinggir IEEE. Arah masa depan boleh mengintegrasikan pembelajaran mesin untuk ramalan sumber dinamik, meningkatkan kebolehskalaan. Pendekatan ini bukan sahaja mendemokrasikan akses blockchain untuk peranti mudah alih tetapi juga menetapkan preseden untuk seni bina hibrid dalam sistem terdesentralisasi.