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当移动区块链遇到边缘计算时
摘要
区块链，作为当前流行的比特币数字货币的骨干技术，已经成为一个有前途的去中心化数据管理框架。尽管区块链已被许多应用程序（例如金融，医疗保健和物流）广泛采用，但其在移动服务中的应用仍然受到限制。这是由于以下事实：区块链用户需要解决预先设置的工作量证明难题，才能向区块链添加新数据（即块）。但是，解决工作量证明会消耗大量的CPU时间和能量资源，不适用于资源受限的移动设备。为了在未来的移动物联网系统中促进区块链应用，多路访问移动边缘计算似乎是解决移动用户工作量证明难题的一种吉利解决方案。我们首先介绍用于移动区块链的边缘计算的新概念。然后，我们介绍了一种用于边缘计算资源管理的经济方法。此外，提出了具有移动边缘计算功能的区块链系统的原型，并提供了实验结果以证明所提出的概念的合理性。
1．简介
区块链作为分散的公共分类账，可以存储数据（即交易记录）。区块链的性能优于集中式分类帐方法，该方法由于瓶颈，单点故障和安全攻击以及道德风险而效率低下。备选地，数据由区块链记录为块（例如，交易的集合），其形成链表数据结构以指示添加到区块链的数据之间的逻辑关系。不需要中央实体或中介来维护数据块。取而代之的是，将数据块复制并在整个区块链网络上共享，以防止系统故障，数据操纵和网络攻击。区块链已应用于多种分布式系统场景中，例如内容交付网络[1]和智能电网系统[2]。
保证区块链中数据完整性和有效性的关键概念是定义为挖掘的计算过程[3]。要将新数据块追加到当前区块链，需要区块链用户或矿工解决计算密集型工作量证明（PoW），以获得将前一个区块链接到当前区块的哈希值。解决PoW后，结果将广播到网络中的其他矿工以进行验证。如果大多数矿工同意或达成共识，则成功添加新区块。多重共识协议奖励成功的矿工，作为解决PoW的诱因。 但是，由于需要进行PoW计算，资源有限的节点（例如，物联网（IoT）和移动
图1，启用了移动边缘计算（MEC）的区块链。
设备）无法直接参与挖掘和共识过程，这给物联网和其他应用的区块链应用带来了重大挑战移动服务。
引入了移动边缘计算（MEC）[4]体系结构以利用移动环境中的可用计算能力。 服务提供商将本地数据中心和服务器部署在移动网络的“边缘”，例如无线电接入网络的基站。MEC是满足第五代（5G）网络严格的低延迟要求的关键技术[6]。移动设备可以访问边缘服务器以增强其计算能力（例如，IoT感测数据处理）。借助此功能，边缘计算已成为移动区块链应用程序的有前途的解决方案，其优点如下。首先，通过合并更多的矿工，自然提高了区块链网络的健壮性。其次，移动用户从共识过程中获得的奖励中获得激励。但是，提供商将部署边缘计算服务以最大化其利益。因此，出现了边缘服务的定价问题。因此，给定边缘计算服务提供商采用的定价，矿工还需要优化其对边缘计算服务的需求，以解决PoW问题，从而最大程度地提高收益。定价是无线网络中普遍采用的激励技术[9]。例如，在[10]中，作者提出了一种定价机制来激励移动终端之间的协作通信，这可以显着减少通信和电池故障。
在本文中，我们考虑启用边缘计算的移动区块链网络，物联网设备或移动用户可以在其中访问和利用边缘计算服务提供商[5]的资源或计算服务来支持其区块链应用程序。首先，我们分别介绍了区块链和边缘计算架构的概况。我们提出了一种用于移动区块链的边缘计算系统的原型。然后我们为移动区块链的边缘计算服务提出了定价方案。提出了一些典型的数值结果，以显示提议的定价方案的重要发现。
2．区块链概述
区块链的基本思想是链状的数据结构，也称为区块链。每个数据块均包含历史验证数据或交易。可以复制区块链并将其传播到可公开访问的区块链网络中的所有参与者（即，用户），以使其在全球范围内同步。
区块链架构
区块链中的数据组织：图1显示了区块链结构图。区块链中的每个块通常包含两个部分：交易数据和哈希值。交易数据由区块链用户或系统（例如，移动感应设备）记录。哈希值用于存储编码或安全信息。块中的哈希值是根据前一个块的信息生成的，这类似于从当前块指向其前一个块的链接。区块链中的第一个区块称为创世区块。验证一个新生成的块，并将其顺序附加到创世块或更早的块上，以形成块链。
基本的区块链实施：一般而言，区块链按以下步骤运行：
1. 区块链用户执行交易并创建新的交易记录。新交易将被转移到区块链网络中的相邻对等用户。
2. 每个对等用户在特定时间段内收集传输的交易。无效的用户交易（例如，假交易）将被丢弃。在该时间段之后，已收集了一组交易的用户将交易打包到一个块中，并通过解决PoW进行挖掘。这些用户称为矿工。
3. 然后，将已开采的块发送到网络中，以通知其他用户。接收到已开采区块的其他用户将使用安全性机制检查有效性。如果该区块被大多数用户证明是有效的，它将被附加到当前区块链的末尾。这是共识过程。
共识与采矿：
不信任网络上的信任覆盖
分布式共识：区块链可以为不信任的分布式网络中的交易和数据提供更多的加密技术。虽然在挖矿中采用了加密技术来防止恶意中间人用户更改，篡改或删除区块链，但可以保证许多用户都认可该区块链。共识是一种确保对网络信任的机制，这意味着网络中的用户通常会达成添加到现有区块链中的区块的协议。用户可以通过从网络获取并检查已确认的区块链来发现攻击者注入的虚假交易。这样，大多数用户可以“否决”放弃虚假交易。共识的部署对于具有独立用户的分布式计算系统（例如移动网络）很有用[7]。
基于工作量证明的挖掘：然而，共识可能仍然容易受到Sybil攻击等攻击，在该攻击中，攻击者创建了虚假的区块链信息以及网络中的许多匿名用户。虚假的区块链信息和假名用户可能导致攻击者产生虚假交易的共识。应对此类攻击的解决方案是提高挖掘的复杂性，以使攻击者无法拥有足够的计算能力来支持网络中的虚假用户。PoW用于增加挖掘的复杂性。这是一个很难产生但易于验证的工作过程。解决PoW必须计算一个值，该值使标头哈希值低于给定的“困难目标”。一组矿工执行确认并确保交易的完整性和有效性。
在许多区块链系统（例如，比特币）中，当成功将开采的区块成功添加到区块链中时，成功开采区块的矿工将获得开采奖励。共识保证了区块链系统的安全性和可靠性[3]。在采矿成本很高的区块链网络中，攻击者需要控制网络中所有计算能力的51％以上才能操纵区块链。对于攻击者来说，这是巨大的代价，在实践中几乎是不可能的。
3．移动区块链的边缘计算服务
超越比特币：移动区块链的边缘计算服务
最近，区块链在各种网络和分布式系统中发现了许多应用。物联网就是其中之一[8]。物联网系统将各种物理对象（例如移动设备，传感器和执行器）连接到Internet。物联网设备可以相互感知，通信和交换信息，以实现系统的某个目标，例如智能运输，物流，医疗保健和制造。但是，物联网设备通常是低功耗的，地理分布的并且可能是移动的。当将区块链应用于物联网系统时，特别是由于采矿过程，物联网设备的有限计算资源和能源供应成为主要障碍。相反，移动边缘计算可以为移动区块链提供计算和通信资源。MEC [4]允许服务提供商在移动互联网的“边缘”部署云计算服务，如图1.所示。例如，配备有小型数据中心的基站或无线电接入网络中的一组服务器可以接受来自相邻移动设备和物联网设备的卸载工作[11]。通过提供本地计算能力，边缘计算支持在物联网网络中部署区块链，以支持解决PoW难题，哈希，加密算法以及可能达成的共识。
边缘计算服务提供商与IoT设备或用户之间的交互可以建模为市场活动，其中提供商出售诸如数据和计算能力之类的资源，从而从IoT用户中获得收入。在实践中，已经实现了将云和区块链集成在一起的类似概念。例如，Microsoft在Azure云平台上提供了区块链即服务（BaaS）。英国一家名为Cloud- Hashing的公司提供比特币采矿即服务（MaaS），用户仅需在线购买软件服务即可开采比特币，而无需安装和部署硬件设备。IBM提供了Watson IoT平台来管理私有区块链分类帐中的IoT数据，该分类帐已集成在IBM业务级云服务中。尽管有所有基于云的区块链服务，但边缘计算系统中用于区块链交易的经济模型尚未得到很好的研究。此外，边缘计算服务能够提供更接近矿工的近端计算单元，例如雾节点或边缘设备，其延迟远小于云计算的延迟。
因此，它适用于对延迟敏感的物联网应用。
应用场景
移动区块链的边缘计算服务可以应用于各种应用场景。
安全的智能家居：将大量家庭和个人数据上传到由智能设备制造商或零售商控制的集中式数据库的家电可能会面临严重的隐私问题[8]。因此，具有区块链的物联网边缘计算可以为智能家居中的私有数据管理提供透明，安全的替代框架。
智能电网：智能电网系统[12]包含异构传感器（例如，智能电表）。对于智能电表，会记录能耗数据和能源交易。边缘计算可以与智能电表集成在一起，以自动处理复杂的工作（例如，准备交易，执行智能电合同和平衡电网负载）[13]。 类似的概念可以应用于插电式混合动力汽车（PHEV）[2]，以支持能量存储共享。
开放式问题
尽管区块链已应用于许多应用程序，但仍存在一些未解决的问题。
安全性：尽管区块链为分布式数据处理和存储提供了吸引人的安全功能，但是当将区块链与边缘计算（尤其是私有区块链）一起使用时，仍会出现一些安全
图2. a）使用以太坊进行的真实移动区块链挖掘实验设置，这是一种流行的开放式分类帐； b）将实验结果与分析结果进行比较
问题。一种可能的实现方式是小规模的“白名单”物联网网络[8]，其中所有网络节点都相互信任，并且不需要PoW。在这种情况下，当交易数据从移动或物联网设备传输到边缘计算服务器时，可能会发生攻击。设备和服务器之间需要安全可靠的网络。可以轻松地发起分布式拒绝服务（DDoS）攻击，以破坏移动区块链的连接和操作。同样，由于移动和物联网设备依赖于无线传输，因此干扰攻击会破坏区块链数据交换。最后，使用PoW，移动区块链会遭受典型的51％攻击，其中攻击者控制了大部分计算能力。由于移动和物联网设备的计算能力有限和/或可能不依赖于昂贵的外部计算服务，因此这种攻击变得很可能。
资源利用和分配：如上所述，移动或物联网用户可以将边缘计算服务用于移动区块链。但是，边缘计算服务的容量有限，可能不足以支持所有用户的需求。出现了边缘计算资源分配问题。一方面，用户对边缘计算服务的评估不同。估值取决于某些因素，例如奖励和移动区块链块中包含的交易数量。这些因素影响用户的计算资源需求。应该得出需求，以最大程度地利用用户。另一方面，用户可以竞争提供者提供的边缘计算服务。
因此，提供者可以通过调整价格来最大化其利润。例如，当边缘计算资源需求高时，可以增加价格。相反，当需求低时，可以降低价格。因此，经济模型成为资源分配的合适方法。
4．移动区块链边缘计算的原型
为了演示前面介绍的用于移动区块链的边缘计算的可行性和实用性，我们实现了一个原型系统。如图2a所示，在移动区块链网络中，节点（例如，移动或IoT设备）需要在边缘计算服务器上执行挖掘。该原型使用一个工作站，其中Intel Xeon CPU E5-1630作为边缘计算服务器，而Android设备作为移动节点。节点充当矿工，安装移动区块链客户端应用程序。该应用程序可以使用内部传感器（例如，加速度计和GPS）或移动对等数据传输的交易记录数据。在图2a中，方框1和2中显示的计算机屏幕显示以太坊，它是在工作站上运行的最常用的区块链平台之一（即方框5）。方框4中的移动设备使用移动区块链客户端应用程序通过网络集线器（方框3）连接到边缘计算服务器。基本的挖掘步骤可以如下实现。矿工从服务器请求计算服务，并在相应提供的以太坊服务的协助下开采一个区块。区块链中的挖出的区块可以通过以太坊功能进行访问和分配。
我们进行以下实验以评估性能。我们首先使用Node.js创建1000个块，然后使用移动设备启动对这些块的挖掘。我们考虑两个案例，其中三个矿工和四个矿工。在三矿工的情况下，我们首先将两个矿工的边缘计算服务需求（CPU利用率）固定为40和60,，然后改变另一矿工的需求。
在四个矿工的情况下，我们将三个矿工的需求固定为40，50，和60，并改变另一个矿工的需求。每个已开采区块中的交易数量为10；也就是说，一个块的大小是相同的。请注意，如前所述，我们可以通过调整解决PoW的“困难目标”来控制实验的时间范围。
实验结果如图2b所示，其中我们可以看到，随着边缘计算服务需求的增加，矿工成功挖掘区块的可能性更高。我们还将实验结果与[14]中得出的分析结果进行比较。显然，分析结果和实验结果吻合得很好。
5．移动区块链的边缘计算资源管理
在本节中，我们首先介绍移动区块链边缘计算的系统模型。再次，部署移动边缘计算服务的提供
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