CN113364831B - 基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，涉及区块链技术领域，用于解决现有资源分配不均的问题，该方法包括以下步骤：接收数据服务提供商DSS发送的资源共享请求，并通过智能合约对所述共享请求进行验证；验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新；接收所述DSS发送的服务反馈，根据所述服务反馈对所述虚拟节点按贡献度进行激励。本发明通过对虚拟节点的方式进行资源任务分配，结合激励机制，进而实现资源的最大化共享。

Description

基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，尤其涉及一种基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法。

背景技术

目前，网络内计算在网络和计算领域都得到了很高的关注，其中的网络设备不仅可以用来传输数据还具有计算能力。随着整合网络资源以加速服务处理需求的增加，网络内计算范式应运而生并被越来越多地采用，它充分整合了终端与云之间的计算、缓存和通信资源，以更少的延迟和能耗为使用者提供服务。网络内计算使得多域异构资源的统一管控成为了可能，并为边缘节点的协作提供了解决方案。此外，随着5G和6G而发展，网络内计算也成为一种分布式的针对时延敏感应用的潜在方案。然而，由于地理分散和计算能力有限，网络内计算边缘资源的协同管理主要面临两方面的挑战：1）多域资源集成的分布式可信和交易可追溯性需要得到保证；2）边缘资源具有异构性且地理位置分散，整体调度难以实现。

现有技术开始使用区块链和优化算法等最新技术为这些挑战提供解决方案。例如，专利号为CN112134959A的《一种基于区块链的异构边缘资源共享方法》专利，涉及一种基于区块链的异构边缘资源共享方法，该方法主要通过三步完成：第一，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；第二，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，并设计资源设备选择策略；第三，设计正常和监督两种基于区块链的计费模式。专利号为CN11565420A的《一种移动区块链中智能资源分配方法》专利，涉及一种移动区块链中智能资源分配方法，该方法主要通过四步完成：第一，通过区块链和移动边缘计算技术建立用于在移动设备交易过程中保护其隐私和数据安全的移动区块链框架；第二，对系统中设备的效用进行建模，并建立小基站带宽以及算力资源联合分配模型；第三，将第二步中的联合分配模型分解为两个子模型，分别为带宽分配子模型和算力分配子模型；第四，设计深度强化学习算法与粒子群优化算法结合的方法求解第三步中的带宽分配和算力分配子模型。专利号为CN110851531A《协作边缘计算方法、区块链和协作边缘计算系统》的专利，涉及一种协作边缘计算方法、区块链和协作边缘计算系统，主要通过六步完成：第一，接收协作发起边缘节点发布的协作任务；第二，接收至少一个报名边缘节点针对所述协作任务发布的报名信息；第三，根据所述报名信息从所述至少一个报名边缘节点中确定出协作参与边缘节点；第四，接收所述协作参与边缘节点发布的协作完成结果；第五，接收审计节点针对所述协作完成结果发布的审计报告，所述审计报告用于表明所述协作参与边缘节点是否存在不当行为；第六，根据所述审计报告对所述协作参与边缘节点进行费用结算。

但上述列举的三种方法仍然存在一定的缺陷，第一种方法在资源共享的过程中没有考虑信息的可信度；第二种方法没有将区块链和边缘计算结合，相比于人工智能算法，难以对资源进行优化分配；第三种方法缺少对面向业务资源按需分配的考虑。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其通过虚拟化技术实现了多域资源管理，且引入激励机制实现了资源的共享。

本发明的目采用以下技术方案实现：

一种基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，包括以下步骤：

接收数据服务提供商DSS发送的资源共享请求，并通过智能合约对所述共享请求进行验证；

验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新；

接收所述DSS发送的服务反馈，根据所述服务反馈对所述虚拟节点按贡献度进行激励。

进一步地，所述区块链为联盟链。

进一步地，所述虚拟节点的注册过程，包括以下步骤：

接收待注册虚拟节点的注册申请及注册信息；

通过智能合约进行注册验证；

验证通过时，返回确认消息至所述待注册虚拟节点，并将所述注册信息写入所述区块链；

并为所述待注册虚拟节点发放启动资金。

进一步地，所述注册信息包括节点ID、节点位置信息及域内节点可共享的资源总量，所述资源总量包括计算资源、通信资源及设备缓存资源。

进一步地，验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，包括以下步骤：

通过预设算法为边缘网络中的若干虚拟节点分配任务；

根据所述所需资源的单价、资源数量及使用时间计算所述共享请求的价格；

当所述DSS余额满足所述价格时，返回所述资源分配的决策至所述DSS，否则，拒绝所述共享请求；

根据所述价格冻结所述DSS中的部分资产，作为交易担保，冻结的所述部分资产大于等于所述价格；

将处理过程记录为一个交易，并提交给区块链，并执行共识过程；

执行完成后，生成交易编号，并将所述交易编号发送给所述DSS及所述虚拟节点。

进一步地，得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新，包括以下步骤：

所述虚拟节点根据分配的所述任务产生可用资源提供给所述DSS；

所述DSS通过容器创建和迁移获取所述可用资源；

所述虚拟节点将所述可用资源信息更新到所述区块链；

所述DSS释放原有资源，所述虚拟节点根据释放的所述原有资源进行资源更新。

进一步地，所述贡献度包括诚实度、提供的资源数量、提供的资源使用时间以及资源单价。

进一步地，所述贡献度通过所述资源单价乘以信用系数并根据所述提供的资源使用时间得到，其中，所述信用系数的计算满足：

当所述虚拟节点为诚实节点且提供的资源数量满足资源分配任务时，所述信用系数记为1；

否则，信用系数等同于所述虚拟节点提供的资源数量在所述虚拟节点总资源量的占比。

进一步地，所述预设算法为DE驱动的容器化的微服务编排算法实现，所述资源共享请求作为DE驱动的容器化的微服务编排算法重的微服务，所述虚拟节点中的资源为微服务集。

进一步地，所述DE驱动的容器化的微服务编排算法的输入包括微服务应用相关信息、边缘节点集、组容量、最大迭代次数、收缩因子、交叉概率，输出为每个所述微服务应放置节点。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明通过虚拟化技术为多域资源管理提供了支持；并提出了一种基于智能合约的边端资源共享激励机制，鼓励终端在公平收入分配的条件下，最大限度地共享资源进行任务处理。

附图说明

图1是本发明实施例一基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法的流程图；

图2是本发明实施例一的虚拟节点资源分配的流程图；

图3是本发明实施例一的基于容器的边缘资源虚拟化的示意图；

图4是本发明实施例三的应用实例示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明进行更为详细的描述，需要说明的是，以下参照附图对本发明进行的描述仅是示意性的，而非限制性的。各个不同实施例之间可以进行相互组合，以构成未在以下描述中示出的其他实施例。

实施例一

实施例一提供了一种基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法。

本实施例中的数据处理过程通过一多域异构资源可信共享平台架构实现，其分为三层：终端边缘设备层、异构边缘资源集成层和分布式应用层。本实施例中的区块链为联盟链，通过区块链保证信息的可信度和交易的可追溯性，通过虚拟化技术实现异构资源的集成共享。将每个边缘网络虚拟化为一个节点，在节点上部署区块链功能，节点互联形成一个联盟区块链，比私有链效率更高，比公有链更灵活。终端、边缘节点和网络节点（如路由器）的资源信息上传到区块链节点，以确保信息可信和交易可追溯性。在此基础上，利用虚拟化技术和优化算法实现异构资源调度和效益分配。上述资源管理解决方案支持去中心化应用（DApp），如智能监测、需求侧管理（DSM）和虚拟/增强现实（Virtual/Augmented Reality）。

请参照图1所示，具体的处理过程包括以下步骤：

S110、接收DSS发送的资源共享请求，并通过智能合约对所述共享请求进行验证；

S110中的共享请求主要包括资源请求、身份信息及具体需求。

DSS指的是数据服务提供商（data service provider），本实施例中所有请求都是经过DSS进行提交的。

S120、验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新；

S120中的虚拟节点为已在区块链中完成注册的虚拟节点，其注册过程包括以下步骤：

接收待注册虚拟节点的注册申请及注册信息；

通过智能合约进行注册验证；

验证通过时，返回确认消息至所述待注册虚拟节点，并将所述注册信息写入所述区块链；

并为所述待注册虚拟节点发放启动资金。

上述的注册信息包括节点ID、节点位置信息及域内节点可共享的资源总量，所述资源总量包括计算资源、通信资源及设备缓存资源。当然，根据实际需求注册信息也可以在此基础上进行减少或者增加。上述的启动资金可以根据实际情况进行设定。

需要说明的是，由边缘网络设备组成的边缘节点和由终端设备组成的终端节点是系统中考虑的两种物理节点。它们根据位置和所有权等属性被划分为不同的域。通过虚拟化，可以对域中节点的资源进行集成，并将这些节点视为一个虚拟节点。在边缘节点部署区块链的功能，如参与共识过程、生成区块、维护区块链等。相比之下，终端节点一般由个体提供，不确定性大，资源有限。因此，在本实施例中，终端节点（虚拟节点）只负责提供资源，并通过边缘节点与区块链进行交互，完成了区块链和边缘节点的结合，使得资源分配更优化。

共识机制作为区块链的核心技术之一，保证了分布式账本的一致性，是区块链网络安全可靠运行的基础。利用联盟区块链对分布式异构资源可信共享平台提供支持，可以实现资源的多域可信调度和共享。本实施例中，认为加入系统的节点是诚实的，因此不需要考虑恶意节点造成的拜占庭容错。为了减少协商机制带来的计算和通信负担，上述的注册过程可以通过Raft共识算法实现。Raft算法是一种非拜占庭容错一致性算法，其工作流程可分为领导人选举和日志同步。领导人选举是由心跳机制触发的。一旦选择了领导人节点，客户机的请求就会被执行，跟随节点将安全地复制日志，直到下一个领导人选举过程。Raft算法的最大容错失效节点数为（N-1）/2，其中N为簇内节点总数。与PoW、PoS等协商机制相比，Raft算法的通信复杂度为O（n），大大节省了节点的计算和通信资源。

请参照图2所示，S120中，验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，包括以下步骤：

S1201、通过预设算法为边缘网络中的若干虚拟节点分配任务；

上述的预设算法可以实际资源分配决策进行选择，本实施例不对此做具体限定，该算法需满足：可根据边缘网络中每个虚拟节点合理进行资源分配，虚拟节点默认为接受任务。

S1202、根据所述所需资源的单价、资源数量及使用时间计算所述共享请求的价格；

上述价格的具体计算方式可以根据实际需求进行设定，本实施例不对此做具体限制。

S1203、当所述DSS余额满足所述价格时，返回所述资源分配的决策至所述DSS，否则，拒绝所述共享请求；

上述返回资源分配决策至DSS是为了后续DSS可以根据该决策进行资源的获取。

S1204、根据所述价格冻结所述DSS中的部分资产，作为交易担保，冻结的所述部分资产大于等于所述价格；

S1204中的冻结资产主要是为了防止交易过程（资源共享）中，DSS资产减少导致交易失败。

S1205、将处理过程记录为一个交易，并提交给区块链，并执行共识过程；

S1206、执行完成后，生成交易编号，并将所述交易编号发送给所述DSS及所述虚拟节点。

上述的交易编号主要是用于对每一次共享请求进行识别。

S120中得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新，包括以下步骤：

所述虚拟节点根据分配的所述任务产生可用资源提供给所述DSS；

所述DSS通过容器创建和迁移获取所述可用资源；

所述虚拟节点将所述可用资源信息更新到所述区块链；

所述DSS释放原有资源，所述虚拟节点根据释放的所述原有资源进行资源更新。

边缘侧资源虚拟化是资源共享和调度的基础。考虑到边缘节点的能力有限，本实施例中考虑采用以容器为代表的操作系统级的虚拟化，而不是以虚拟机为代表的硬件级的虚拟化。对每个域中的终端和边缘设备的计算资源以及缓存资源进行虚拟化。步骤示意图请参照图3所示，根据接收服务的边缘节点的资源调度决策（预设算法），由docker创建容器。每个容器对应一个微服务。之后，容器将迁移到接收到请求的节点，服务完成后，触发基于智能合约的资源共享激励机制。综上，本实施例中DSS通过容器创建和迁移的方法进行可用资源的获取。

上述原有资源指的是DSS之前获取的资源，释放后可以进一步地实现资源的共享，释放后需要根据虚拟节点的可用资源再次更新至区块链中。

S130、接收所述DSS发送的服务反馈，根据所述服务反馈对所述虚拟节点按贡献度进行激励。

上述的服务反馈主要用于激发智能合约的奖励机制，智能合约也可以根据该反馈进行奖励的发放。

资源共享请求审批通过后，智能合约将调用资源调度算法进行资源分配，并向相应节点发送资源共享请求，完成资源共享。当资源共享完成时，智能合约将奖励参与共享过程的每个虚拟节点。为了公平、合理地奖励节点，提出了一种基于贡献的激励机制。

上述的贡献度包括诚实度、提供的资源数量、提供的资源使用时间以及资源单价。

本实施例中，贡献度通过所述资源单价乘以信用系数并根据所述提供的资源使用时间得到，其中，所述信用系数的计算满足：

当所述虚拟节点为诚实节点且提供的资源数量满足资源分配任务时，所述信用系数记为1；

否则，信用系数等同于所述虚拟节点提供的资源数量在所述虚拟节点总资源量的占比。

上述信用系数的最大值为1，虚拟节点提供的资源数量在虚拟节点总资源量的占比指的是，例如虚拟节点提供的资源数量占其总资源量的50%，则该信用系数为0.5，在这种情况下，它所能获得的报酬低于它实际提供的资源的正常售价。资源的单价是各方在资源分配过程之前达成的。当然，提供的资源使用时间越长，则其贡献度也更高，提供的报酬也越多。

激励完成后，会对冻结的剩余资产进行自动解冻。

需要解释说明的是，撒谎对参与者没有好处。在资源调度策略中，将资源所有权作为约束而不是优化目标。因此，资源配置策略与资源所有权没有直接关系，说谎不会增加被选择参与资源共享的概率。

假设提供资源的虚拟节点是理性但自私的，并且它们报告的资源不会少于它们愿意共享的资源。在此假设下，虚拟节点可能采取的策略可以分为两种：诚实报告，注册的资源量与实际拥有的资源量相同；虚假报告，注册的资源量大于实际拥有的资源量。

通过虚拟化将资源直接分配给请求节点，系统会根据每个虚拟节点实际提供的资源对其进行激励，因此虚拟节点虚报愿意提供的资源量是没有意义的。此外，在激励机制中加入了信用因素。如果一个节点虚报，没有按照系统要求提供足够的资源，奖励就会减少。这种欺骗没有任何好处。作为一个理性的节点，没有必要做出这种错误的行为。

此外，通过本实施例所描述的方法，使得每个选定的资源提供者都可以获得奖励。尽管一个节点所能获得的激励数量随其提供的资源数量、资源使用时间、资源单价以及是否诚实而变化，但激励总是非负的。此外，节点只提供资源，不进行计算等操作，设备老化造成的损失可以忽略不计。因此，节点参与资源共享总是有利的。

资源共享请求的预算与所需数量、使用时间和资源单价有关。当节点提交请求时，智能合约会根据具体需求计算请求的预算。如果账户余额低于预算，则资源请求将结束，不执行资源共享操作。由于预算是在假设每个节点都是诚实的情况下计算的，这意味着信用系数被设置为1，实际支付肯定不会超过预算。

由于每个节点获得的激励与共享资源的数量和资源的使用时间成正比，当只有一个虚拟节点参与资源共享过程时，激励算法的复杂度为O（1）。当n个虚拟节点参与系统中的资源共享过程时，上述操作需要执行n次，因此激励算法的复杂度为O（n）。

实施例二

实施例二实在实施例一的基础上进行，主要对一种优选的预设算法进行了解释和说明。

DE驱动的容器化微服务编排是一个典型的NP-hard问题。启发式算法经常被用来解决这类问题，以给出一个几乎最优的结果。差分进化算法是一种广泛采用的启发式算法，具有收敛速度快、结果准确等优点。本发明设计了一种自适应的容器化微服务编排算法。传统的基于整数的差分进化算法在突变率设置过大时容易早熟，全局搜索性能较差。而当变异率设置得很小时，种群多样性降低，全局搜索性能较差。自适应算子可以在初始阶段保持多样性，防止早熟。随着这一过程的进行，变异算子逐渐减小，避免了最优解的破坏。

对于约束的处理：将适应度函数从约束中分离出来，使每个个体有两个适应度值。建立评价准则，对可行解和不可行解进行交叉评价。

具体地，预设算法为DE驱动的容器化的微服务编排算法实现，所述资源共享请求作为DE驱动的容器化的微服务编排算法重的微服务，所述虚拟节点中的资源为微服务集。

所述DE驱动的容器化的微服务编排算法的输入包括微服务应用相关信息、边缘节点集、组容量、最大迭代次数、收缩因子、交叉概率，输出为每个所述微服务应放置节点。

具体过程包括初始化种群，判断是否满足终止条件，如果不满足，则进行变异、交叉和边界条件处理，计算目标函数，进行选择，再判断是否满足条件，如果满足，则输出最优结果。该过程是DE驱动的容器化的微服务编排算法的常规过程，本实施例不作过多赘述。

本实施例描述的算法可以支持差分进化的容器化微服务编排，以最小化容器部署过程中的延迟和负载不平衡。

实施例三

实施例三主要提供了一种具体应用实例的说明。

请参照图4所示的用例与仿真结果，智能电网作为一种新兴的能源供应和管理实体，拥有大量的终端，主要为住宅、工业和商业用户提供能源。本发明以智能电网和工业场景为例，探讨数据的多域共享。由于任务的动态性，各个域的资源使用情况也不尽相同。一些域资源供不应求，而另一些则处于空闲状态。然而，由于资源异构性带来的信任问题和集成困难，使得多域资源管理难以实现。因此，本发明提出的多域异构资源可信共享体系架构可以作为资源共享和调度的分布式平台，提高资源利用率。

测试环境构建如图4所示。需求侧管理（DSM）实现了能源信息的双向交互，进一步提高了能源利用效率，提出了实时响应要求。将边缘网络内计算模式引入可以更好地满足需求侧管理的要求。智能电网和工业领域的异构资源通过本发明构建的平台进行虚拟化资源整合和管理，区块链作为一种支撑技术，确保了数据的可信共享。对照此前构建的多域异构资源可信共享架构，DSSs对应于智能电网运营商和工业管理者；请求对应于工业领域的工业能源服务；电网领域的能源价格和需求协商，以及提供能源使用建议。MEC表示移动边缘服务器，AMI表示高级计量基础设施。一旦用户发起服务请求，就会触发智能合约。在智能合约中调用资源调度算法来实现微服务部署，然后创建相应的容器并最终迁移到目标边缘节点。

在中国某省搭建了测试环境。对需求竞价服务在终端、边缘节点、终端和边缘节点处理时的响应时延进行了测试。这两组仿真结果对应需求竞价过程中不同数据量参与的情况。结果表明，本发明采用的第三种方式性能最好，随着参与用户的增加，性能的提高越来越明显。终端处理能力有限，当参与用户数增加时，其响应延迟呈指数增长。测试结果验证了所构建的体系架构在减少响应时延方面的有效性。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收数据服务提供商DSS发送的资源共享请求，并通过智能合约对所述共享请求进行验证；

验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新；所述预设算法为差分进化的容器化的微服务编排算法实现，所述资源共享请求作为差分进化的容器化的微服务编排算法中的微服务，所述虚拟节点中的资源为微服务集，所述差分进化的容器化的微服务编排算法的输入包括微服务应用相关信息、边缘节点集、组容量、最大迭代次数、收缩因子、交叉概率，输出为每个所述微服务应放置节点；

接收所述DSS发送的服务反馈，根据所述服务反馈对所述虚拟节点按贡献度进行激励。

2.如权利要求1所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，所述区块链为联盟链。

3.如权利要求1所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，所述虚拟节点的注册过程，包括以下步骤：

接收待注册虚拟节点的注册申请及注册信息；

通过智能合约进行注册验证；

验证通过时，返回确认消息至所述待注册虚拟节点，并将所述注册信息写入所述区块链；

并为所述待注册虚拟节点发放启动资金。

4.如权利要求3所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，所述注册信息包括节点ID、节点位置信息及域内节点可共享的资源总量，所述资源总量包括计算资源、通信资源及设备缓存资源。

5.如权利要求1所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，验证通过时根据预设算法，向若干虚拟节点分配资源分配任务，包括以下步骤：

通过预设算法为边缘网络中的若干虚拟节点分配任务；

根据所述所需资源的单价、资源数量及使用时间计算所述共享请求的价格；

当所述DSS余额满足所述价格时，返回所述资源分配的决策至所述DSS，否则，拒绝所述共享请求；

根据所述价格冻结所述DSS中的部分资产，作为交易担保，冻结的所述部分资产大于等于所述价格；

将处理过程记录为一个交易，并提交给区块链，并执行共识过程；

执行完成后，生成交易编号，并将所述交易编号发送给所述DSS及所述虚拟节点。

6.如权利要求1或5所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，得到所述DSS所需资源，并将资源信息在区块链中进行更新，包括以下步骤：

所述虚拟节点根据分配的所述任务产生可用资源提供给所述DSS；

所述DSS通过容器创建和迁移获取所述可用资源；

所述虚拟节点将所述可用资源信息更新到所述区块链；

所述DSS释放原有资源，所述虚拟节点根据释放的所述原有资源进行资源更新。

7.如权利要求5所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，所述贡献度包括诚实度、提供的资源数量、提供的资源使用时间以及资源单价。

8.如权利要求7所述的基于区块链的多域异构算网资源可信协同方法，其特征在于，所述贡献度通过所述资源单价乘以信用系数并根据所述提供的资源使用时间得到，其中，所述信用系数的计算满足：

当所述虚拟节点为诚实节点且提供的资源数量满足资源分配任务时，所述信用系数记为1；

否则，信用系数等同于所述虚拟节点提供的资源数量在所述虚拟节点总资源量的占比。

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