CN112711468B - 基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法及系统，所述方法包括以下步骤：S1，资源监控，即在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约模块对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行监控；S2，任务管理，即通过对资源验证合约模块的管理，实现对区块链的全周期管理。根据本发明的方法，具有安全性更高、实时监控性更强和资源分配更公平的优势。

Description

基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法及系统

技术领域

本发明涉及信息安全技术领域，尤其是涉及一种基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法及系统。

背景技术

随着物联网技术的飞速发展和4G/5G无线网络技术的普及，物联网时代已经到来。随着联网汽车、智能家居、智能城市等商业模式的出现，各类设备产生的数据量呈现井喷式增长。面对如此庞大的数据量，云计算在数据延迟和网络带宽方面面临的困难越来越严重，云服务的移动性和实时性要求越来越高。

边缘计算作为一种新兴技术，具有实时性高、网络依赖性小等特点，通过云计算边缘设备可以有效地缓解云计算边缘设备所面临的困难，作为云计算和边缘计算的结合，云雾端计算模型以其高可控性、低延迟等特点，正逐渐取代传统的集中式云计算模型。然而，该模型在边缘设备的资源感知方面存在一定的缺陷。两个问题是最突出的，一是难以对边缘设备的资源进行公平的测量，二是对资源状态进行实时监控是一个挑战。这种情况严重限制了该模型的应用。因此，上述技术存在改进空间。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，所述方法，具有安全性更高、实时监控性更强和资源分配更公平的优势。

本发明还提出了一种具有上述基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法的系统。

根据本发明实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，包括以下步骤：

S1，资源监控，即在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约模块对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行实时监控；

S2，任务管理，即通过对资源验证合约模块的管理，实现对区块链的全周期管理。

根据本发明的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，具有安全性更高、实时监控性更强和资源分配更公平的优势。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，资源的模型为：

R_i＝{R_addr，R_ID，R_com，R_RCoin}，

即依次包括设备地址、资源ID、计算资源和令牌数量。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，资源验证合约模块包括：保证金管理模块和资源挑战模块。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，资源挑战模块包括：合约主体模块、验证模块和时间控制模块，合约主体模块包括：消耗计算能力模块、存储容量测试模块和宽带容量测试模块，合约主体模块用于处理设备资源的数学问题，验证模块中加载有验证函数，时间控制模块中加载有时间控制函数。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，数学问题包括：内存相关问题和带宽相关问题，内存相关问题用于衡量设备的计算资源，带宽相关问题用于衡量设备的带宽资源，数学问题的模型为：

f(x)＝A，

其中f()是质询函数，x是接收验证的节点生成的随机数，而A是计算设备的计算目标。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，令牌数量RCoin的对应关系式表示为：

其中，RCoin_j是指执行第j个任务的节点获得的RCoin，RCoinN_i用于度量X个任务的执行状态。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，任务管理的模型为：

T_i＝{t_addr，t_ID，t_com，t_data，t_result}，

依次包括任务ID、计算资源量、完成任务所需的数据和计算结果。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，任务管理包括：任务部署、任务分配、任务执行和任务删除。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，任务分配采用最小松弛优先调度算法，算法公式为：

laxity＝t_deadline-t_run-t_now，

其中t_deadline指的是任务必须完成的最终期限，t_now为现在的时间，t_run指完成任务所需时间。

根据本发明的第二方面的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统，设置有如第一方面任一种所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，所述系统包括：

资源监控模块，所述资源监控模块实现在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行监控；

任务管理模块，所述任务管理模块通过对资源验证合约的管理，实现对区块链的全周期管理，所述任务管理模块包括：任务部署模块、任务分配模块、任务执行模块和任务删除模块。

根据本发明的第二方面的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统，所述系统与上述的方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的任务管理模块的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的资源验证合约模块的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的资源挑战模块的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的合约主体模块的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统整体框架的结构示意图；

图8是根据本发明实施例的雾计算网络框架的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的任务管理的调度流程图。

附图标记：

100-基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统，1-资源监控模块，2-任务管理模块，21-任务部署模块，22-任务分配模块，23-任务执行模块，24-任务删除模块，3-资源验证合约模块，4-保证金管理模块，5-资源挑战模块，6-合约主体模块，61-消耗计算能力模块，62-存储容量测试模块，63-宽带容量测试模块，7-验证模块，8-时间控制模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1-图9描述根据本发明实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法。如图1所示，根据本发明实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，包括以下步骤：

S1，资源监控，即在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约模块3对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行实时监控；

S2，任务管理，即通过对资源验证合约模块3的管理，实现对区块链的全周期管理。

根据本发明的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，具有安全性更高、实时监控性更强和资源分配更公平的优势。

需要说明的是，管理节点是具有相对丰富的计算和存储资源的服务器，而计算节点是指在雾计算网络中计算资源较少的大量边缘计算节点。

进一步地，管理节点负责在网络中部署任务，并将任务添加到任务列表中。进一步地，资源验证主要通过资源验证合约进行。例如，在一个具体的实施例中，当一个计算节点想要加入区块链时，资源验证合约会启动资源验证，并将相应的初始令牌Rcoinit分配给该节点，进一步地，管理节点将任务发布到任务合约中，记录在任务分配合约的任务列表中，进一步地，计算节点向任务分配合约发起任务分配请求，执行分配的任务，并在任务合约中记录任务结果记录的证据。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，资源的模型为：

R_i＝{R_addr，R_ID，R_com，R_RCoin}，

即依次包括设备地址、资源ID、计算资源和令牌数量。

进一步地，资源的监控主要由资源验证和实时资源监控两部分组成。具体地，资源验证主要依赖于资源验证合约，而资源监控主要依赖于添加后该设备中任务执行的监控。这样，通过节点加入网络时对节点资源的验证和对节点任务执行情况的后续监控，可以间接实现对节点资源的监控。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，如图4所示，资源验证合约模块3包括：保证金管理模块4和资源挑战模块5。具体地，当一个设备申请加入FCN(fog computing network雾计算网络)时，首先进行云计算资源的真实性测试，节点在验证资源时，首先需要向合约交一部分的保证金，若通过资源验证，则保证金退还；否则，扣除。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，如图5所示，资源挑战模块5包括：合约主体模块6、验证模块7和时间控制模块8，进一步地，如图6所示，合约主体模块6包括：消耗计算能力模块61、存储容量测试模块62和宽带容量测试模块63，进一步地，合约主体模块6用于处理设备资源的数学问题，进一步地，验证模块7中加载有验证函数，类似地，时间控制模块8中加载有时间控制函数。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，数学问题包括：内存相关问题和带宽相关问题，内存相关问题用于衡量设备的计算资源，带宽相关问题用于衡量设备的带宽资源，数学问题的模型为：

f(x)＝A，

其中f()是质询函数，x是接收验证的节点生成的随机数，而A是计算设备的计算目标。

进一步地，每个部分记录x的规定，包括长度和类型以及计算目标A。进一步地，计算结果验证部分主要对计算结果进行验证，包括计算节点返回的x是否符合规定以及计算结果是否为A。具体地，计算结果验证部分的模型为：

f(x′)＝A，x′∈X，

进一步地，时间控制部分主要验证计算时间，例如，在一个具体的实施例中，记录需要完成计算的规定时间Δt。只要建立以下公式，就可以通过时间验证，即

Δt＞t_finish-t_deploy，

进一步地，当设备通过结果验证和时间验证时，设备通过资源验证并获取对应的RCoin作为该节点的初始RCoin持有量。

进一步地，为了实现计算结果的安全验证，可以设置背书策略。具体地，在一个块周期内，子链随机选择N个背书节点，背书节点负责结果验证和时间验证，验证结果由背书节点投票。进一步地，背书节点检查计算节点是否按上述方式通过了资源验证，并进行了投票，如果通过率P大于固定值P_limit，则验证通过，否则资源验证失败。具体地：

P＝M/N，

其中，M表示已通过验证的背书节点数。进一步地，当设备通过结果校验和时间校验后，设备通过资源校验，得到相应的RCoin作为该节点的初始货币持有量。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，当一个新的计算设备要加入网络时，资源验证合约首先验证计算设备的资源状况，如果验证通过，计算设备将获得一些资源硬币作为其资源状况的证明。进一步地，设备加入网络后，当计算任务成功完成时，设备还将收到相应的RCoin作为奖励，这样，计算节点RCoin持有的稳定性可以反映节点资源的状态和稳定性。进一步地，在一个具体的实施例中，可以设置用来衡量节点资源状况的RCoin值，需要说明的是，用来衡量节点资源状况的RCoin值是最近执行的X个任务获得的RCoin的总和，具体地，令牌数量RCoin的对应关系式表示为：

其中，RCoin_j是指执行第j个任务的节点获得的RCoin，RCoinN_i用于度量X个任务的执行状态。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，任务管理的模型为：

T_i＝{t_addr，t_ID，t_com，t_data，t_result}，

依次包括任务ID、计算资源量、完成任务所需的数据和计算结果。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，任务管理包括：任务部署、任务分配、任务执行和任务删除。进一步地，如图9所示，任务管理主要包括以下8个步骤：

第一步，任务管理节点负责在区块链上部署任务合约；

第二步，合约记录任务ID、任务所需的计算资源、任务地址、任务数据和任务结果；

第三步，任务在成功部署Ti的任务合约后，将合约内容返回到管理节点，管理节点将任务添加到任务池中；

第四步，项目管理节点将任务标识、所需计算资源发送到任务分配合约中，并将该任务添加到任务分配合约中记录的任务列表中，等待分配；

第五步，将前一阶段完成任务或刚加入网络的节点将请求任务分配合约以获得下一个任务；

第六步，对任务分配合约执行任务分配算法，并将分配结果(即分配给Rj中要执行的任务Ti)的地址发送到计算节点，同时，任务分配合约将计算节点的资源序列号Rj发送给Ti的任务合约进行记录，以便在任务执行后跟踪执行任务的节点；

第七步，计算节点根据其地址获取任务Ti的内容，并在本地计算任务，计算节点将计算结果及其哈希值分别发送给管理节点和任务合约，并附加计算节点的数字签名；

第八步，任务管理节点在接收到任务Ti的计算结果并验证数字签名后，调用任务分配合约的任务列表管理方法，将任务Ti从列表中删除。

根据本发明一个实施例的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，任务分配采用最小松弛优先调度算法，算法公式为：

laxity＝t_deadline-t_run-t_now，

其中t_deadline指的是任务必须完成的最终期限，t_now为现在的时间，t_run指完成任务所需时间。

进一步地，计算所需的时间由任务Ti所需的计算资源除以资源可以提供的计算资源来衡量，即：

具体地，对于特定的计算节点Rj，计算任务列表中所有任务的优先级，并选择优先级最低的任务Ti，并将其分配给该节点。

综上所述，根据本发明的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，具有安全性更高、实时监控性更强和资源分配更公平的优势。

根据本发明的第二方面的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统100，设置有如第一方面任一种的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，如图2所示，系统100包括：

资源监控模块1，资源监控模块1实现在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行监控；

任务管理模块2，任务管理模块2通过对资源验证合约的管理，实现对区块链的全周期管理，进一步地，如图3所示，任务管理模块2包括：任务部署模块21、任务分配模块22、任务执行模块23和任务删除模块24。

综上，根据本发明的第二方面的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统100，具有安全性更高、实时监控性更强和资源分配更公平的优势。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，资源监控，即在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约模块对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行实时监控；

S2，任务管理，即通过对资源验证合约模块的管理，实现对区块链的全周期管理；其中

所述资源验证合约模块包括：保证金管理模块和资源挑战模块；

所述资源挑战模块包括：合约主体模块、验证模块和时间控制模块，合约主体模块包括：消耗计算能力模块、存储容量测试模块和宽带容量测试模块，合约主体模块用于处理设备资源的数学问题，验证模块中加载有验证函数，时间控制模块中加载有时间控制函数。

2.根据权利要求1所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，资源的模型为：

R_i＝{R_addr，R_ID，R_com，R_RCoin}，

其中，R_addr表示设备地址、R_ID表示资源ID、R_com表示计算资源。

3.根据权利要求1所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，数学问题包括：内存相关问题和带宽相关问题，内存相关问题用于衡量设备的计算资源，带宽相关问题用于衡量设备的带宽资源，数学问题的模型为：

f(x)＝A，

其中f()是质询函数，x是接收验证的节点生成的随机数，而A是计算设备的计算目标。

4.根据权利要求2所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，令牌数量RCoin的对应关系式表示为：

其中，RCoin_j是指执行第j个任务的节点获得的RCoin，RCoinN_i用于度量X个任务的执行状态。

5.根据权利要求1所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，任务管理的模型为：

T_i＝{t_addr，t_ID，t_com，t_data，t_result}，

其中，t_ID表示任务ID、t_com表示计算资源量、t_data表示完成任务所需的数据、t_result表示计算结果。

6.根据权利要求5所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，任务管理包括：任务部署、任务分配、任务执行和任务删除。

7.根据权利要求6所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，其特征在于，任务分配采用最小松弛优先调度算法，算法公式为：

laxity＝t_deadline-t_run-t_now，

其中t_deadline指的是任务必须完成的最终期限，t_now为现在的时间，t_run指完成任务所需时间。

8.一种基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理系统，其特征在于，采用了根据权利要求1-7中任一项所述的基于区块链的雾计算网络资源监控和任务管理方法，所述系统包括：

资源监控模块，所述资源监控模块实现在计算节点加入区块链时，通过资源验证合约对计算节点进行资源验证，并由管理节点对计算节点进行监控；

任务管理模块，所述任务管理模块通过对资源验证合约的管理，实现对区块链的全周期管理，所述任务管理模块包括：任务部署模块、任务分配模块、任务执行模块和任务删除模块。

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