CN112134959A - 一种基于区块链的异构边缘资源共享方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于区块链的异构边缘资源共享方法，首先设计基于区块链的异构边缘资源三层系统架构并对MEC服务器的功能模块进行了划分；然后基于上述架构设计了资源设备注册流程，为设备提供分布式的注册服务并且可以满足设备的快速认证；同时对资源设备查询与选择决策进行分析，同时设计资源设备选择策略，并支持用户自主定义策略；最后设计了正常和监督两种基于区块链的计费模式,可以减少交易过程中的不可信行为。

Description

一种基于区块链的异构边缘资源共享方法
技术领域
本发明属于互联网技术领域，尤其涉及一种基于区块链的异构边缘资源共享方法。
背景技术
随着移动互联网用户和物联网设备的数量呈现爆炸式增长,以集中式计算和存储为主 要特征的云计算很难满足新型应用和服务的低时延、高复杂度、高可靠性的需求。多接入边 缘计算(MEC)技术通过将高复杂度、高能耗计算任务卸载到靠近用户的移动网络边缘，可以 提供分布式计算功能和本地化云服务,迅速成为5G的一项关键技术。但是随着一些边缘设备 的计算存储能力不断发展与设备到设备(D2D)通信技术的应用，边缘服务资源呈现异构化、 分布式的特征，MEC对于异构边缘设备资源的统一管理和利用上有着明显的不足，同时 MEC还面临着移动性管理问题、计费问题和缺乏定价与激励机制等诸多挑战。区块链作为 比特币(Bitcoin)的底层技术，通过集成P2P协议、非对称加密、共识机制、块链结构等 多种技术,实现了允许在没有任何银行或任何中介的情况下完成付款。区块链可用于各种金 融服务，此外还可以应用于其他领域,包括智能合约，公共服务，物联网，信誉系统和安全 服务。因此将区块链技术应用于异构边缘设备资源的协作共享，通过区块链将边缘设备的身 份、设备和交易信息进行分布式存储记录对于解决上述问题有很大的意义。
在智能终端资源共享方面，已有一种MEC环境下基于D2D通信的蜂窝系统数据卸载方法。在该方法下，移动用户首先判断其卸载区域内是否存在D2D节点，如果确定其卸载 区域内存在D2D节点时,该移动用户选择接入D2D模式,并将自身的计算任务卸载至距离最 近的D2D节点或向其请求内容文件，这个距离最近的D2D节点接收该移动用户发送的内容 请求或计算任务并执行,将相应的执行结果或内容文件通过共享信道发送至该移动用户；如果确定其区域内不存在D2D节点时,该移动用户选择将自身的计算任务卸载至距离最近的MEC服务器节点或向其请求内容文件，这个所述距离最近的MEC服务器接收该移动用户 的内容请求或计算任务并执行,并将相应的计算结果发送至该移动用户。
上述已有通过D2D进行资源共享的方法在以下几方面还存在问题：
(1)设备的移动性管理：由于MEC服务器来自于不同的运营商，当设备发生移动时，不同运营商的MEC服务器之间并不能进行信息的共享，所以设备还需要 向附近MEC进行注册于认证，对服务体验造成很大影响。
(2)资源设备可信查询:在移动用户选择卸载对象时需要一个安全可信的设备信息 提供方提供可选设备信息，进行安全可信的资源请求。
(3)没有考虑激励与收费问题，由于进行计算需要消耗能量和进行通信产生会产生 费用的问题，现实中作为资源提供设备需要为其资源设置价格来获得收益，这 样才能激励更多的资源提供设备来共享资源。
发明内容
本发明针对上述问题设计一种基于区块链的异构边缘资源共享方法。其主要特征如下：
(1)提出了一种边缘异构资源共享架构，将MEC服务器和边缘用户设备的资源综合考虑，除D2D通信设备外，蜂窝通信设备、有线或Wi-Fi通信设备都被考虑 其中，可以作为计算或缓存资源的提供者。并且MEC服务器之间若出现资源 不足的情况也可以向附近MEC服务器或边缘设备请求资源。
(2)对MEC服务器进行了功能模块的划分，利用MEC服务器组成区块链网络提供 的分布式、不可篡改和可追溯的用户身份与设备信息管理服务，即使当用户设 备发生位置上的变化，并不需要再次向MEC服务器进行注册，可以快速进行 设备的认证.并且可以为资源需求设备提供一个可信的设备信息列表供设备选 择。
(3)资源提供设备的设备信息中还包含有对资源的定价，当双方满足条件时可以进 行资源的共享。在资源共享过程中可在正常模式和监督模式下构造转账交易发 送到MEC服务器组成的区块链网络中。
综上所属，本发明可以满足用户设备的快速认证，并且激励边缘异构设备进行资源共享， 可以大大满足边缘设备的请求并提高服务质量。
附图说明
图1系统架构图；
图2MEC功能模块划分；
图3设备注册流程图；
图4设备查询示意图；
图5资源请求决策示意图；
图6正常计费示意图；
图7监督计费示意图。
具体实施方式
本发明的对基于区块链的异构边缘资源共享方法从总体架构到具体流程进行了详细说 明.首先设计了一种基于区块链的异构边缘资源三层系统架构并对MEC服务器的功能模块 进行了划分；然后设计了一种基于区块链的资源设备注册流程，为设备提供分布式的注册服 务并且可以满足设备的快速认证；同时对于资源设备查询与选择决策进行分析，设计了一种 资源设备选择策略，并支持用户自主定义策略；最后设计了正常和监督两种基于区块链的计 费模式,可以减少交易过程中的不可信行为。
1.本发明架构与功能模块划分
如图1所示本发明将涉及到资源请求过程的所有对象分为三层分别为设备层，边缘计算 层和云计算层。
(1)设备层由不同的类型、不同架构的用户设备组成,例如智能手机、无人机、物联网设 备和智能车辆等。用户设备可以使用蜂窝网络、有线网络或者Wi-Fi等多种通信方 式经转发设备与MEC服务器进行通信。并且随着设备到设备(Device to Device,D2D) 通信技术的不断发展,用户设备之间还可以通过直连链路进行通信,而不需要经基站 转发,大大提高了网络频谱效率和能源效率。用户设备在资源需求的划分上可以分为 资源需求设备和资源提供设备,资源需求设备的本地资源有限需要请求计算、网络或 者存储资源；资源提供设备为在当前时刻拥有空闲计算、网络或者缓存的设备,可以 进行计算任务的计算、内容文件的缓存与共享或者网络资源的分享,用户可以对提供 的资源进行定价来获得收益。
(2)边缘计算层由不同运营商的MEC服务器和通信设备(基站(Base Station,BS)、路 由器、无线路由器等)组成。通信设备用于为设备层提供网络传输服务。MEC服 务器除了像传统MEC提供服务器平台支持移动增值服务和应用,如位置服务、流量 卸载、计算卸载、内容传输优化等。MEC服务器还通过P2P连接组成区块链网络, 为边缘设备提供基于区块链的计费、身份认证和管理等服务。
(3)云计算层由传统云服务器组成,具有足够的存储资源与计算资源,但由于该层在网络 位置上与设备层较远,与边缘设备通信时需要经过多次转发存在较大时延,所以云计 算层可以作为计算卸载的最后选择和对一些“无用”区块或其它数据进行储存。
图2显示了MEC服务器的上的功能模块划分,总体架构以MEC和区块链技术为核心,采用模块化和层次化的架构,每个模块可能包含多层,底层模块可为上层模块提供服务和支 持。所有模块简介如下：
(1)硬件资源与虚拟化模块:MEC硬件资源包括CPU、硬盘、内存资源等。为了屏蔽硬件体系结构差异,隔离不同的应用程序,可以使用虚拟机或容器技术(Hypervisor、 QEMU、KVM和Docker等)对硬件资源进行资源虚拟化,为上层模块提供虚拟计算、 存储和网络资源。
(2)服务支持模块:主要是为边缘应用提供各项支持服务,边缘应用可以通过API接口访 问服务支持模块的各项服务,如位置服务、实时编码解码、流量统计、DNS代理等。
(3)区块链模块:区块链模块从上到下可以分为数据层、网络层、共识层和合约层。在共 识层已经有多种共识算法被提出与应用,例如工作量证明(PoW,Proof of Work)、股权证明(PoS,Proof of Stake)、股份授权证明(DPoS,Delegated Proof of Stake)、实用拜占庭容错(PBFT,Practical Byzantine Fault Tolerance)和消逝时间证明(PoET,Proofof Elapsed Time)。因为边缘设备的计算存储和网络资源有限,所以在本架构中参与共 识的成员来自运营商所部署的MEC服务器。可以认为它们其中大多数成员是受信 任和有效的,所以选择块链类型为联盟链,并且由于MEC服务器的主要功能是为用 户设备提供资源,要选择共识过程中的资源消耗低,性能高的共识算法。通过对比不 同共识算法,选择适用于联盟链、资源消耗低的PBFT作为共识层算法。但是随着架 构开放程度的要求和共识算法的发展,今后也可以选择公有链和其它共识算法。设 备管理模块:负责对边缘设备提供基于区块链模块的注册和管理,并当用户设备请求 服务时进行认证。由于区块链技术的加入,使设备可以自主的选择MEC服务器进行 注册与认证,即使当前基站没有部署MEC服务器,也可以向临近基站的MEC服务器 发出请求。当用户发生移动时,也可以向临近的MEC服务器进行请求,快速的完成认 证。
(4)计费模块:负责接收设备层产生的交易信息,通过智能合约检查交易正确性并写入到 区块链中。若用户双方处于不信任状态,还需要对用户资源交易的过程进行监听记录 到区块链中。
(5)资源管理与调度模块:资源管理责对各种边缘应用进行统一管理与配置。如果当前应 用资源处于占用状态,对于后来的用户请求,该模块可以通过区块链模块查询并选择 合适的资源提供设备、附近空闲MEC服务器或云服务器进行任务的调度。
(6)应用模块:该模块由各种移动边缘应用组成,并通过API接口为用户提供服务,如本地 内容快速交付、物联网数据处理、任务迁移等。
2.设备注册流程
设备注册与认证主要可以分为四个阶段,即初始化、注册与验证、共识和返回信息，具 体如图3所示。
(1)初始化阶段:在这个阶段,用户需在本地执行一系列操作来来初始化一些系统参 数。首先根据系统约定的加密算法(RSA加密算法、椭圆曲线算法等)产生公 钥(Plk)和私钥(Prk),并通过公钥生成设备的钱包地址(Walk)。
(2)注册与验证阶段:用户将生成的公钥与钱包地址和设备信息发送到任意邻近MEC服务器,MEC服务器接收到用户信息后对信息进行验证,若验证通过则生成 证书(Cfk)进入下一阶段。
(3)共识阶段:MEC服务器自动执行智能合约将设备信息广播并写入区块链中；返回信息。
(4)等到新的区块产生将Cfk和设备信息所在区块位置作为编号(Id)返回给设备。这 样设备就有了一个五元组{Id,Prk,Plk,Walk,Cfk}来表示设备身份和跟踪资源事务,即使设备发生移动也可以迅速通过附近的MEC服务器认证使用资源或者提供 资源。
对于资源提提供设备,首先需要部署计算服务应用或者缓存部分数据内容文件,然后对其 资源进行定价.在注册阶段将设备的配置信息、资源定价和地理位置等作为注册时的设备信 息发送到MEC服务器,MEC服务器首先检验信息是否正确然后执行智能合约将信息记录到 区块链,如果设备信息发生变化需要重新将信息发送到MEC服务器记录到区块链中。对于之 前已经失效的信息区块可以将其上传到云计算器层当作历史记录来查看,减少MEC服务器 的存储消耗。
3.资源设备查询与选择决策
设备经过注册之后可以参与资源共享过程。资源需求设备进行资源的请求过程如图4 所示，边缘设备产生计算请求或者内容文件请求,边缘设备向MEC服务器查询附近的资源提 供设备。MEC从区块链中查询并将设备信息返回。
在选择决策上，用户设备可以根据自己的策略选择资源请求对象,如图5所示，从经济 和能源消耗来看,由于D2D通信的通信距离短和频谱利用率高,加上D2D通信通常是免费的, 用户在只需支付很少的能源消耗的费用,采用D2D通信比通过基站传输、数据要便宜得多, 所以当可以通过D2D传输时优先使用D2D传输。若设备列表中存在符合条件(如价格，资 源量等)的D2D设备则选择D2D设备进行资源请求。若没有符合的D2D设备则查看MEC 服务器是否符合资源请求条件，若符合则选择MEC服务器作为资源提供设备。若以上都不 满足则选择其它通信方式设备或云服务器进行请求。同时对于MEC服务器,当自身计算资源不足时需要把计算任务再次进行调度,为了更好的用户体验,相对于云服务器可以优先把任务 发送到附近有空闲资源的MEC服务器,以更快的获得计算结果。同样对于缓存资源,也可向 附近缓存有目标内容文件的MEC优先请求。
4.计费
如图6所示正常情况下,当用户选择好要资源提供设备要进行计算资源或者内容资源的 请求时,首先向资源提供设备发送资源请求,若资源提供设备决定提供资源则发送确认消息。 当用户收到资源提供设备的确认信息，将计算数据发送到资源提供设备。资源提供设备收到 数据则开始进行计算或者准备内容文件然后将用户的请求结果或者内容文件发送回用户。用 户在收到结果或资源文件后需要构造转账交易信息发送给MEC服务器通过智能合约写入区 块链中完成计费。
在现实中由于用户双方是互不信任的可能出现欺骗等恶意行为,例如用户收到结果后拒 绝付款,资源提供设备提供资源有误等。所以当用户双方是不可信情况下,如图7所示可以通 过MEC服务器进行监督,资源共享双方可以将交易过程中的通信过程信息发送到MEC服务 器作为交易过程中的证明,例如当用户收到资源提供设备的确认信息,发送计算任务数据或内 容文件请求时同样可以发送到MEC服务器记录并转发,确保双方收到请求，若资源设备没有 回复请求则记录到资源设备的设备信息中。当资源设备收到计算任务时可将发送方的身份信 息和计算结果或摘要信息发送到MEC服务器,MEC设备可对结果再次进行转发确保信息的 到达,若MEC服务器转发结果后在规定时间没有收到用户的交易信息,则记录到用户的信息 中。这些信息会影响用户对于资源设备的选择和资源设备是否提供服务。
本发明的有益效果：
1.本发明提供了一种基于区块链的异构边缘资源共享方法，设计了系统架构，并就功能模 块进行了具体划分。其特征在于允许拥有计算或缓存资源的设备通过D2D等多种通信 方式进行异构边缘资源的共享，满足边缘设备的资源需求并提高服务质量。
2.本发明设计了适用于MEC环境下的边缘设备注册认证流程，通过区块链实现身份数据 可信记录，即使设备发生移动也可以快速的认证。
3.本发明设计了基于区块链的资源设备查询流程和选择策略，同时此资源设备选择策略也 支持用户自主选择。
4.本发明允许资源设备对资源进行定价，激励边缘设备参与资源共享。
5.本发明设计了一种边缘异构设备间资源共享的计费方法，在监督模式下通过记录双方通 信过程作为凭证记录到设备信息中，减少双方不可信行为。

Claims (5)

1.一种基于区块链的异构边缘资源共享方法，其特征在于，包括：
步骤1、设计基于区块链的异构边缘资源三层系统架构并对MEC服务器的功能模块进行了划分；
步骤2、设计基于区块链的资源设备注册流程，为设备提供分布式的注册服务并且可以满足设备的快速认证；同时对于资源设备查询与选择决策进行分析，同时设计资源设备选择策略，并支持用户自主定义策略；
步骤3、设计正常和监督两种基于区块链的计费模式。
2.如权利要求1所述的基于区块链的异构边缘资源共享方法，其特征在于，步骤1具体为：将涉及到资源请求过程的所有对象分为三层分别为设备层、边缘计算层和云计算层，总体架构以MEC和区块链技术为核心，采用模块化和层次化的架构，每个模块可能包含多层，底层模块可为上层模块提供服务和支持，其包含：硬件资源与虚拟化模块、服务支持模块、区块链模块计费模块、资源管理与调度模块、应用模块。
3.如权利要求1所述的基于区块链的异构边缘资源共享方法，其特征在于，步骤2中，设备注册与认证分为四个阶段,即初始化、注册与验证、共识和返回信息；对于资源提提供设备，首先需要部署计算服务应用或者缓存部分数据内容文件，然后对其资源进行定价；在注册阶段将设备的配置信息、资源定价和地理位置作为注册时的设备信息发送到MEC服务器，MEC服务器首先检验信息是否正确然后执行智能合约将信息记录到区块链，如果设备信息发生变化需要重新将信息发送到MEC服务器记录到区块链中；对于之前已经失效的信息区块将其上传到云计算器层当作历史记录来查看。
4.如权利要求1所述的基于区块链的异构边缘资源共享方法，其特征在于，步骤2中，在选择决策上，若设备列表中存在符合条件(如价格、资源量)的D2D设备，则选择D2D设备进行资源请求；若没有符合的D2D设备则查看MEC服务器是否符合资源请求条件，若符合则选择MEC服务器作为资源提供设备；若以上都不满足则选择其它通信方式设备或云服务器进行请求；同时对于MEC服务器，当自身计算资源不足时需要把计算任务再次进行调度；相对于云服务器可以优先把任务发送到附近有空闲资源的MEC服务器，同样对于缓存资源,也可向附近缓存有目标内容文件的MEC优先请求。
5.如权利要求1所述的基于区块链的异构边缘资源共享方法，其特征在于，步骤3中，当用户选择好要资源提供设备要进行计算资源或者内容资源的请求时，首先向资源提供设备发送资源请求，若资源提供设备决定提供资源则发送确认消息；当用户收到资源提供设备的确认信息，将计算数据发送到资源提供设备；资源提供设备收到数据则开始进行计算或者准备内容文件然后将用户的请求结果或者内容文件发送回用户；用户在收到结果或资源文件后需要构造转账交易信息发送给MEC服务器通过智能合约写入区块链中完成计费；
当用户双方是不可信情况下，通过MEC服务器进行监督，资源共享双方可以将交易过程中的通信过程信息发送到MEC服务器作为交易过程中的证明，当用户收到资源提供设备的确认信息,发送计算任务数据或内容文件请求时同样可以发送到MEC服务器记录并转发，确保双方收到请求，若资源设备没有回复请求则记录到资源设备的设备信息中；当资源设备收到计算任务时可将发送方的身份信息和计算结果或摘要信息发送到MEC服务器，MEC设备可对结果再次进行转发确保信息的到达，若MEC服务器转发结果后在规定时间没有收到用户的交易信息，则记录到用户的信息中。
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