CN113010304B - 一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统 - Google Patents

一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，通过区块链中的智能合约执行计算卸载任务的分配并配合使用零知识证明对返回给客户的计算卸载服务返回结果的分布式验证，实现在不需要受信第三方参与的情况下确保计算卸载服务返回结果的可信；同时对联合计算卸载可靠性和延迟敏感的移动边缘计算卸载任务进行优化，降低客户与提供计算卸载服务的边缘服务器之间的延迟并提高信息传输的可靠性。

Description

一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统
技术领域
本发明属于分布式环境下移动边缘计算卸载的技术领域，特别涉及一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统。
背景技术
随着智能移动设备(例如，智能手机、便携式电脑等)的日益普及，多种新颖的移动应用程序被开发出来，例如自然语言处理，交互式游戏，面部识别，增强现实和医疗保健监控，这些移动应用程序通常消耗大量的计算资源和带来极高的能耗，为了克服移动设备上的这些计算和功率限制，并同时实现较高的网络效率，移动云计算被视为一种有前途的范例。但是，由于传统的公共云通常位于远离移动设备或用户的地方，因此通过广域网进行数据交换可能会导致相当长的等待时间。为了进一步克服该缺点，移动边缘计算作为替代移动云计算的解决方案被提出。通过在靠近移动用户的无处不在的无线接入网络(例如3G、4G和5G宏蜂窝或小型蜂窝基站)的边缘启用云计算功能，移动边缘计算可以随时随地提供普适，迅速和敏捷的计算服务。
由于无线电资源的固有局限性，比如若多个移动用户之间的无线接入计算没有得到很好的协调，则无线网络容量可能会因大量的无线接入任务而迅速受压，从而导致传输效率低下，这促进了移动边缘计算的计算卸载方面的研究。计算卸载技术最初在移动云计算中提出，设备可以通过计算卸载，将计算卸载任务传输到远端云服务器执行，从而达到缓解计算和存储资源限制、延长设备电池寿命的目的。尽管如此，仍然存在一些与实际实施紧密相关且尚未得到很好解决的关键问题：不同的移动用户可以运行具有不同延迟敏感度的计算密集型应用程序。因此，在计算卸载时，应采用适当的时延敏感调度机制来满足移动终端用户的各式各样的服务质量要求。
计算卸载返回的数据结果的可靠性同样成为一个关键问题。计算卸载服务返回的结果正确性的验证变得越来越重要，客户为了确保不受信任的服务器返回的结果的可靠性，将使用验证证明对结果进行验证，在这种情况下大多数验证工作都是由客户执行的，为了减轻客户的交互次数和计算成本，有必要通过其他受信任的第三方来验证结果。这虽然减轻了客户的计算负担，但这个过程中仍然需要受信任的第三方机构来提供结果的可靠性验证，这就迫切需要在客户与计算服务方之间实现分布式和可信的验证。
区块链作为一个分布式的点对点网络平台，具有去中心化、防篡改、全网共识、数据可追溯等特性。在以太坊出现以后，通过图灵完备的智能合约可以在更多领域应用区块链技术保证链上信息的可靠。智能合约是一种计算机协议，可促进验证或加强合同的谈判或履行。一份智能合约是一以数字形式表达的允诺，囊括合约参与方能够在上面运行这些允诺的协议，它们提供了直接跟踪和执行各方之间复杂协议的能力，而无需人工干预。
零知识证明是由Goldwasser等人在20世纪80年代提出的，指的是证明者能够在不向验证者提供任何有用的信息的情况下，使验证者相信某个论断是正确的。零知识证明主要分为两类：交互式零知识证明和非交互式零知识证明。本发明涉及的是非交互式零知识证明，因为可验证的计算方案使计算能力较弱的验证程序可以将计算卸载给不受信任的证明者，证明者随后执行计算并返回结果，包括证明结果正确的证明。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，通过区块链中的智能合约执行计算卸载任务的分配并配合使用零知识证明对返回给客户的计算卸载服务返回结果的分布式验证，实现在不需要受信第三方参与的情况下确保计算卸载服务返回结果的可信；同时对联合计算卸载可靠性和延迟敏感的移动边缘计算卸载任务进行优化，降低客户与提供计算卸载服务的边缘服务器之间的延迟并提高信息传输的可靠性。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，其特征在于：所述服务系统包括总体架构、智能合约设计与零知识证明构建、计算卸载任务分配策略及可验证计算流程。
而且，所述总体架构包括三层网络层，分别为移动用户层、边缘网络层及云网络层；
移动用户层：由智能手机、平板电脑及可移动计算设备组成，该层主要功能是将计算密集型任务卸载到远程服务器，包括边缘服务器和云服务器；同时移动设备部署区块链的轻量级节点，轻量级节点不下载整个区块链只下载块头来验证交易的真实性；
边缘网络层：由无线通信网络接入点和边缘服务器组成，该层主要功能为在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，将传统的无线基站升级为智能化基站，对移动用户层的计算卸载任务进行处理并返回结果；同时边缘服务器部署区块链的完整节点，即全节点，同步所有区块链数据的节点，包括各种区块头和区块体，交易列表等相关信息；
云网络层：为云服务器，该层主要功能为负责解决繁重的复杂问题，如复杂度高的计算卸载任务和执行边缘服务器调度的计算密集型任务。
而且，所述零知识证明构建的步骤为：
1)算数电路拍平：将计算任务原代码转换成一系列只包含x＝y或x＝y(op)z两种形式的声明，
其中：op为运算符号；
y和z为变量、数字或子表达式；
拍平后的每一行声明都是一个电路中的逻辑门，与原始代码相比，会引入一些中间变量，还有一个表示输出的冗余变量，拍平后的声明序列和原始代码等价；
2)算数电路构造RICS电路：将拍平后的每一个声明语句转化成一个约束，即一个(x,y,z)三向量组，同时把所有变量包括中间变量组成一组向量s，s即为R1CS中的解向量；
3)RICS转换成QAP：通过拉格朗日插值的方式，R1CS电路最终将转换成QAP问题；
4)设置参数：通过上述方式，计算卸载任务的代码转化为QAP问题之后，便可以应用非交互零知识证明协议，定义三个素数阶乘法循环群G1,G2,GT，这三个阶数都为p的参数可以用于生成proving key与verifying key参与智能合约中的计算结果验证；
5)证明与验证过程：证明者，在本发明中为边缘服务器，获得生成的proving key并开始处理计算卸载任务；验证者，在本发明中为产生边缘计算卸载任务的边缘设备，持有生成的verifying key对边缘服务器返回的计算卸载任务结果与proving key进行验证。
而且，执行零知识证明构架获得proving key与verifying key后，使用区块链智能合约执行的计算结果验证流程为：
1)移动用户在获得proving key与verifying key后，将计算任务和proving key卸载到边缘服务器，同时根据verifying key部署智能合约；用户在部署智能合约时需要从自己的账户中给出一部分代币作为计算任务的奖励一并传入智能合约，并且用户拥有通过智能合约修改奖励值的权限；
2)边缘服务器通过智能合约查询智能合约地址的余额以及完成该用户发出的任务的计算任务奖励金额，同时边缘服务器根据proving key和完整且正确的计算卸载任务结果得到一份证明；
3)边缘服务器将这份证明和计算结果上传到智能合约进行验证，如果验证通过，智能合约会将移动用户存入智能合约的代表奖励发送给边缘服务器，同时将计算结果通知移动用户；如果验证不通过，则边缘服务器不会得到计算任务奖励。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，将区块链技术与移动边缘计算卸载系统进行融合，实现了一个安全的分布式计算卸载服务系统，并有效的解决了单点故障以及数据可信性的问题。
2、本发明一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，通过构建非交互式零知识证明提高了计算卸载任务返回结果的验证效率，保证了返回计算结果的可信度。
3、本发明一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，通过建立计算卸载任务的延迟模型与可靠性模型，借助云服务器计算得到计算卸载任务的最佳分配策略，降低了计算卸载服务的延迟并提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统总体架构图；
图2为本发明的可验证计算流程图；
图3为本发明的非交互零知识证明构建过程示意图；
图4为本发明的计算结果验证流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明中的服务系统架构如图1所示，首先对这三层网络做如下详细描述：
移动用户层：主要为智能手机，平板电脑和可移动计算设备组成，该层主要功能是将计算密集型任务卸载到远程服务器，包括边缘服务器和云服务器。同时移动设备部署区块链的轻量级节点，轻量级节点不下载整个区块链只下载块头来验证交易的真实性。轻量级节点很容易维护和运行，所以移动设备适合部署轻节点。轻量级节点可以执行查询和验证交易的操作。
边缘网络层：主要为无线通信网络接入点和边缘服务器组成，该层主要功能为在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，将传统的无线基站升级为智能化基站，对移动用户层的计算卸载任务进行处理并返回结果。同时边缘服务器部署区块链的完整节点(即全节点)，同步所有区块链数据的节点，包括各种区块头和区块体，交易列表等相关信息。因为节点全量数据都保存的情况，所以不需要依赖中介去进行数据的验证。
云网络层：主要为云服务器，该层主要功能为负责解决繁重的复杂问题，如复杂度高的计算卸载任务，和执行边缘服务器调度的计算密集型任务。
为了使图2中的可验证计算流程顺利进行，本发明给出了如图3的非交互零知识证明构建流程与如图4的基于区块链智能合约的计算结果验证流程。
零知识证明构建步骤进行如下描述：
步骤1：算数电路拍平：将计算任务原代码转换成一系列只包含x＝y或x＝y(op)z两种形式的声明，其中op为运算符号，y和z可以为变量、数字或子表达式。拍平后的每一行声明都是一个电路中的逻辑门，与原始代码相比，会引入一些中间变量，还有一个表示输出的冗余变量，拍平后的声明序列和原始代码是等价的。
步骤2：算数电路构造RICS电路：将拍平后的每一个声明语句转化成一个约束，即一个(x,y,z)三向量组，同时把所有变量包括中间变量组成一组向量s，s即为R1CS中的解向量。
步骤3：RICS转换成QAP：通过拉格朗日插值的方式，R1CS电路最终将转换成QAP问题。
步骤4：设置参数：通过上述方式，计算卸载任务的代码转化为QAP问题之后，便可以应用非交互零知识证明协议。定义三个素数阶乘法循环群G1,G2,GT，这三个阶数都为p的参数可以用于生成proving key与verifying key参与智能合约中的计算结果验证。
步骤5：证明与验证过程：证明者，在本发明中为边缘服务器，获得生成的provingkey并开始处理计算卸载任务。验证者，在本发明中为产生边缘计算卸载任务的边缘设备，持有生成的verifying key对边缘服务器返回的计算卸载任务结果与proving key进行验证。
本发明选择以太坊区块链来实现上述过程中的智能合约，以太坊是区块链2.0的代表应用，图灵完备的可编程智能合约给了基于以太坊的区块链能够在各种情境下使用的可能性。本发明中以太坊智能合约的主要功能包括：对边缘服务器提供的证明进行验证并在验证通过后提供任务奖励；移动用户可以通过智能合约设置计算卸载任务的奖励；任何账户都可以查看移动用户的智能合约的地址、移动用户的账户地址、移动用户账户地址的当前余额和计算卸载任务的当前奖励数值。
执行零知识证明协议获得proving key与verifying key后，使用区块链智能合约执行的计算结果验证流程进行如下描述：
步骤1：移动用户在获得proving key与verifying key后，将计算任务和provingkey卸载到边缘服务器，同时根据verifying key部署智能合约。用户在部署智能合约时需要从自己的账户中给出一部分代币作为计算任务的奖励一并传入智能合约，并且用户拥有通过智能合约修改奖励值的权限。
步骤2：边缘服务器通过智能合约查询智能合约地址(移动用户)的余额以及完成该用户发出的任务的计算任务奖励金额，同时边缘服务器根据proving key和完整且正确的计算卸载任务结果得到一份证明。
步骤3：边缘服务器将这份证明和计算结果上传到智能合约进行验证，如果验证通过，智能合约会将移动用户存入智能合约的代表奖励发送给边缘服务器，同时将计算结果通知移动用户。如果验证不通过，则边缘服务器不会得到计算任务奖励。
对于区块链的全网共识，考虑到本发明中计算卸载任务的延迟敏感属性，因此选择相对于工作量证明(Proofofwork)来说系统吞吐量更大、消耗资源更低的权益证明(Proofofstake)来实现计算卸载任务验证结果存证的全网共识。全网共识的过程主要由边缘服务器来执行，其根据自身从计算卸载任务中获得的代币奖励为基础，来对验证信息进行收集并打包成块，广播到整个边缘服务器网络来实现验证信息数据的不可篡改、分布式存储，并供移动用户随时查看。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于区块链延迟感知移动边缘计算卸载服务系统，其特征在于：所述服务系统包括总体架构、智能合约设计与零知识证明构建、计算卸载任务分配策略及可验证计算流程；
所述总体架构包括三层网络层，分别为移动用户层、边缘网络层及云网络层；
移动用户层：由智能手机、平板电脑及可移动计算设备组成，该层主要功能是将计算密集型任务卸载到远程服务器，包括边缘服务器和云服务器；同时移动设备部署区块链的轻量级节点，轻量级节点不下载整个区块链只下载块头来验证交易的真实性；
边缘网络层：由无线通信网络接入点和边缘服务器组成，该层主要功能为在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，将传统的无线基站升级为智能化基站，对移动用户层的计算卸载任务进行处理并返回结果；同时边缘服务器部署区块链的完整节点，即全节点，同步所有区块链数据的节点，包括各种区块头和区块体，交易列表等相关信息；
云网络层：为云服务器，该层主要功能为负责解决繁重的复杂问题，如复杂度高的计算卸载任务和执行边缘服务器调度的计算密集型任务；
所述零知识证明构建的步骤为：
1）算数电路拍平：将计算任务原代码转换成一系列只包含x=y或x=y(op)z两种形式的声明，
其中：op为运算符号；
y和z为变量、数字或子表达式；
拍平后的每一行声明都是一个电路中的逻辑门，与原始代码相比，会引入一些中间变量，还有一个表示输出的冗余变量，拍平后的声明序列和原始代码等价；
2）算数电路构造RICS电路：将拍平后的每一个声明语句转化成一个约束，即一个(x,y, z) 三向量组，同时把所有变量包括中间变量组成一组向量s，s即为R1CS中的解向量；
3）RICS转换成QAP：通过拉格朗日插值的方式，R1CS电路最终将转换成QAP问题；
4）设置参数：通过上述方式，计算卸载任务的代码转化为QAP问题之后，便可以应用非交互零知识证明协议，定义三个素数阶乘法循环群G1,G2,GT，这三个阶数都为p的参数可以用于生成proving key与verifying key参与智能合约中的计算结果验证；
5）证明与验证过程：证明者，在本发明中为边缘服务器，获得生成的proving key并开始处理计算卸载任务；验证者，在本发明中为产生边缘计算卸载任务的边缘设备，持有生成的verifying key对边缘服务器返回的计算卸载任务结果与proving key进行验证；
执行零知识证明构架获得proving key与verifying key后，使用区块链智能合约执行的计算结果验证流程为：
1）移动用户在获得proving key与verifying key后，将计算任务和proving key卸载到边缘服务器，同时根据verifying key部署智能合约；用户在部署智能合约时需要从自己的账户中给出一部分代币作为计算任务的奖励一并传入智能合约，并且用户拥有通过智能合约修改奖励值的权限；
2）边缘服务器通过智能合约查询智能合约地址的余额以及完成该用户发出的任务的计算任务奖励金额，同时边缘服务器根据proving key和完整且正确的计算卸载任务结果得到一份证明；
3）边缘服务器将这份证明和计算结果上传到智能合约进行验证，如果验证通过，智能合约会将移动用户存入智能合约的代表奖励发送给边缘服务器，同时将计算结果通知移动用户；如果验证不通过，则边缘服务器不会得到计算任务奖励。
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