CN113538117B - 基于区块链的车联网资源分配拍卖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的车联网资源分配拍卖方法，首先基于区块链搭建车联网，边缘服务器的资源作为区块链中的共享资源，然后服务提供商收集车联网中每辆车辆的资源需求、出价以及边缘服务器当前的可用资源容量，同时建立车辆到边缘服务器的链接矩阵，根据前的链接矩阵统计各个边缘服务器的入度，选取入度最小的作为待分配边缘服务器，从与其相链接车辆中选取资源密度最大的车辆进行资源分配，并更新链接矩阵，以此类推直到链接矩阵为零矩阵则完成资源分配，最后根据资源分配方案计算各车辆的支付价格，将资源分配方案和支付价格均保存到区块链中。本发明通过拍卖机制使得车联网中的资源分配更加合理。

Description

基于区块链的车联网资源分配拍卖方法

技术领域

本发明属于车联网技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于区块链的车联网资源分配拍卖方法。

背景技术

近年来，随着经济的发展，全球的汽车持有量呈现着逐渐增长的趋势，车联网的产业化和普及对于构建和谐的汽车社会及智能城市具有重要的意义。例如：车联网系统可以采集并保存设备运行数据，当车辆发生故障并引起客户损失时，可以通过数据获得事实真相；通过采集驾驶员的操作数据，可以给驾驶员提供相应的驾驶行为分析报告，从而保障车辆行驶的安全性等。但是目前车辆行驶数据主要由汽车制造商记录或者不被记录，因此在使用数据时无法保证其完整性和可信性。因此，需要引入一种安全可靠的技术来解决车联网环境下出现的信息记录及可信问题。

区块链技术与智能合约的出现与发展为以上问题提供了可行的解决方案，智能合约是部署在区块链上的程序，由区块链网络中的所有节点运行，程序执行的结果由所有节点通过共识机制得到，不是由单个节点执行的结果决定。所以，可以将车联网信息资源的访问控制逻辑编写成智能合约部署到区块链。区块链节点根据智能合约预定义的访问控制逻辑来确定用户的访问权限，并通过共识机制对访问控制的结果达成共识，分布式的存储数据，有效解决了车辆行驶数据中隐私信任及可靠性等问题。

从理论上来说，车联网与区块链技术的融合可以极大地提高交通效率和安全。然而，车联网与区块链技术的融合有一定的前提，即区块链网络中的车辆需要解决预设的PoW问题，以便向区块链添加新数据。但是PoW需要耗费大量的CPU时间和能量，这并不适合资源有限的车载移动设备。

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的车联网资源分配拍卖方法，通过拍卖机制使得车联网中的资源分配更加合理。

为实现上述发明目的，本发明基于区块链的车联网资源分配拍卖方法包括以下步骤：

S1：基于区块链搭建车联网，边缘服务器的资源作为区块链中的共享资源；

S2：车联网中每辆车辆向服务提供商上传其资源需求量d_i和所请求资源的出价b_i，i＝1,2,…,N，N表示车联网中车辆数量；然后计算得到每辆车辆的资源密度f_i＝b_i/d_i；同时，服务提供商从每个边缘服务器处提取出该边缘服务器当前的可用资源容量c_j，j＝1,2,…,M，M表示车联网中边缘服务器的数量；

S3：每辆车辆分别搜索其所能链接到的边缘服务器集合，将其上传至服务提供商，服务提供商根据每辆车辆提交的边缘服务器集合确定车联网的链接矩阵Δ：

其中，δ_ij表示车辆i和边缘服务器j的链接关系标识，δ_ij＝1表示车辆i和边缘服务器j存在链接，δ_ij＝0则表示车辆i和边缘服务器j不存在链接；

S4：服务提供商初始化车辆分配矩阵

其中x_ij表示车辆i与边缘服务器j的分配标识；

S5：服务提供商根据当前的链接矩阵Δ统计各个边缘服务器的入度I_j：

S6：从入度不为0的边缘服务器中选择入度最小的边缘服务器作为待分配边缘服务器j^*；

S7：从当前链接矩阵Δ中选择

的车辆，从中选择资源密度最大的车辆作为待分配车辆i^*；

S8：判断待分配边缘服务器j^*的资源是否满足待分配车辆i^*的资源需求，即是否

如果是，进入步骤S9，否则进入步骤S10；

S9：将边缘服务器j^*的资源分配给车辆i^*，令车辆分配矩阵X中车辆i^*与边缘服务器j^*的分配标识

更新边缘服务器j^*的资源

更新车辆i^*与所有边缘服务器的链接标识

进入步骤S11；

S10：更新车辆i^*与边缘服务器j^*的链接标识

进入步骤S11；

S11：判断是否链接矩阵Δ＝0，如果不是，返回步骤S5，否则进入步骤S12；

S12：服务提供商将当前的车辆分配矩阵X作为车联网的资源分配方案，并保存到区块链中供车辆获取；

S13：服务提供商根据步骤S12得到的车辆资源分配方案，求解每个用户的支付价格，并将得到的支付价格保存到区块链中供车辆获取。

本发明基于区块链的车联网资源分配拍卖方法，首先基于区块链搭建车联网，边缘服务器的资源作为区块链中的共享资源，然后服务提供商收集车联网中每辆车辆的资源需求、出价以及边缘服务器当前的可用资源容量，同时建立车辆到边缘服务器的链接矩阵，根据当前的链接矩阵统计各个边缘服务器的入度，选取入度最小的作为待分配边缘服务器，从与其相链接车辆中选取资源密度最大的车辆进行资源分配，并更新链接矩阵，以此类推直到链接矩阵为零矩阵则完成资源分配，最后根据资源分配方案计算各车辆的支付价格，将资源分配方案和支付价格均保存到区块链中。

本发明具有以下有益效果：

1)车联网基于区块链构建，可以借助区块链的技术优势提高车联网的数据真实性和安全性；

2)本发明所设计的资源分配方法采用拍卖机制，使得车联网中的资源分配更加合理。

附图说明

图1是本发明基于区块链的车联网示意图；

图2是资源拍卖流程图；

图3是本发明基于区块链的车联网资源分配拍卖方法的具体实施方式流程图；

图4是本实施例中基于二分法的定价算法的流程图；

图5是本实施例中车联网的结构图；

图6是本实施例的资源分配结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了更好地的说明本发明的技术方案，首先对本发明的应用场景和数学模型进行说明。

图1是本发明基于区块链的车联网示意图。如图1所示，假设车联网中有N位车辆，由于车辆设备的计算能力不足，他们需要把解决PoW的任务交给M个边缘服务器。通常，边缘服务器与基站部署在一起，而基站的信号决定了边缘服务器的覆盖范围，因此车辆无法与所有边缘服务器链接，可以使用链接矩阵Δ表示车辆的部署约束：

其中，δ_ij表示车辆i和边缘服务器j的链接关系标识，δ_ij＝1表示车辆i的任务可以被部署到边缘服务器j上进行处理，δ_ij＝0表示车辆i的任务不可以被部署到边缘服务器j上进行处理，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M。

记边缘服务器的可用资源向量为C＝(c₁,c₂,…,c_j,…,c_M)，c_j表示边缘服务器j上的可用资源容量，则所有边缘计算服务提供商(Edge Computing Service Provider，ECSP)的边缘服务器的总资源表示为

ECSP(即卖方)出售计算服务，而车辆(即买方)从远程访问边缘服务器使用该服务。为了使得市场达到动态的供需平衡，以及鼓励更多的车辆参与，ECSP采用拍卖的方式对资源进行分配。

图2是资源拍卖流程图。如图2所示，ECSP首先宣布拍卖规则和对车辆的可用资源，然后车辆提交各自的资源需求D＝(d₁,d₂,…,d_i,…,d_N)和相应的出价B＝(b₁,b₂,…,b_i,…,b_N)，其中d_i表示车辆i的资源需求量，b_i表示车辆i对其请求资源的出价。本发明假设车辆是专一的，即每辆车辆的需求最多只能在一台服务器上进行分配。在拍卖结束时，胜出的车辆按照边缘计算服务提供商ECSP指定的价格支付费用，并开展工作。

在拍卖环境下的基于区块链的车联网资源分配问题的最优机制包括两个部分：

1)最优资源分配：确定资源应该分配给哪些车辆；

2)最优支付价格计算：计算出获得资源分配的车辆应支付的费用；

拍卖环境下的车联网资源分配机制由基于区块链的车辆分配算法和价格计算算法两部分组成，车辆分配算法确定哪些车辆获得资源分配，价格计算算法确定获得资源分配的车辆最终需要支付的价格。车辆分配矩阵可记为：

其中，x_ij表示车辆i与边缘服务器j的分配标识，x_ij＝1表示车辆i的需求被部署到边缘服务器j上执行，x_ij＝0表示车辆i的需求不被部署到边缘服务器j上执行。

车辆的支付方案可记为：

其中，p_ij表示车辆i支付给边缘服务器j的费用，显然当x_ij＝0时p_ij＝0，即车辆i没有得到资源分配时不需要支付费用。

根据分配结果x_ij和需求d_i的定义，可以得到车辆i的哈希算力为：

其中，

在任务执行过程中，车辆竞相第一个用正确的哈希值求解PoW，并传播区块达成共识。在整个区块链网络上车辆取得孤块的概率为：

其中，e表示自然常数，λ为区块的平均生成时间，τ_i表示车辆i传播区块的时间，τ_i与车辆i的区块大小s_i线性相关，即τ_i＝ξs_i，ξ为预设的系数，ξ＞0。在任务执行开始之前，每辆车辆将未确认的交易数据放入其区块。当车辆i将其获得的区块传播到区块链网络达成共识时，用于传播和验证每笔交易的时间受交易规模s_i的影响。第一个成功达成共识的车辆i可以得到奖励R_i，该奖励由获得区块的固定报酬T和可变报酬rs_i组成，其中r为预设的交易费率组成。因此，车辆i得到的奖励R_i可以表示为：

R_i＝(T+rs_i)P_i(γ_i(d,x),s_i) (6)

其中P_i(γ_i(d,x),s_i)指车辆i由ECSP提供计算服务的情况下获得了区块并且得到了报酬的概率，计算公式如下：

车辆对ECSP的计算服务做出出价b_i时是根据区块链的网络效应做出估计的，区块链的网络效应可以定义为：

在拍卖结束之前，由于车辆i不知道其他获胜车辆的数量和ECSP提供的总资源，因此假设γ_i＝1，所以车辆i的事前估价v′_i为：

由于车辆i是根据其得到的报酬R_i给出出价b_i的，R_i即为事前估价v′_i，因此车辆i的出价为b_i＝v′_i。

在拍卖结束之后，车辆i收到分配结果x_ij∈{0,1}，并能够在整体网络效应的背景下，获得车辆i的事后估价v″_i为：

就资源分配问题而言，对于边缘计算服务提供商来说，需要实现社会福利最大化的目标，由此可以把资源分配问题定义为以下非线性整数规划问题：

其中，S(x)表示资源提供商最终获得的社会福利总和。约束条件(11.1)表示每辆车辆最多只能由一个边缘服务器提供服务，约束条件(11.2)表示每个边缘服务器最多能提供的服务不能超过自己的资源总量。约束条件(11.3)表示规划是一个整数规划。

就车辆最优价格支付而言，车辆向边缘服务器支付的价格是在资源分配的基础上计算的，本发明基于VCG理论设计了最优支付算法，基于VCG的支付函数定义如下：

p_ij←A′(X)-(A(X)-S_i(X)) (12)

其中，A′(X)为车辆i不参与拍卖情况时的最大福利，A(X)为车辆i参与拍卖情况时的最大福利，S_i(X)表示车辆i参与拍卖情况时的最大福利。

以上问题中，资源分配算法采用非线性整数规划进行设计，最优支付算法基于VCG机制进行设计。然而，无论是最优车辆资源分配问题还是最优支付价格计算问题都是NP难的，需要设计算法求解。

基于以上分析，本发明提出了基于区块链的车联网资源分配拍卖方法，该方法针对多需求车辆社会福利最大化问题设计了度优先启发式算法，在进行资源分配时，通过边缘服务器的入度定义边缘服务器决定计算服务的优先级，即边缘服务器入度越小，优先级越高，将优先根据车辆的需求情况接受/拒绝资源请求。同时定义了资源密度的概念，资源密度表示车辆对边缘服务器资源的单位出价，其值越高越倾向于向此用户分配资源。图3是本发明基于区块链的车联网资源分配拍卖方法的具体实施方式流程图。如图3所示，本发明基于区块链的车联网资源分配拍卖方法的具体步骤包括：

如图3所示，本发明基于区块链的车联网资源分配拍卖方法的具体步骤包括：

S301：构建基于区块链的车联网：

基于区块链搭建车联网，边缘服务器的资源作为区块链中的共享资源。

在车联网中采用区块链技术，可以将车辆在行驶中的数据记录到区块链中从而有效解决数据真实性和安全性问题。由于区块链(BlockChain)技术是一种使用去中心化共识机制去维护一个完整的、分布式的、不可篡改的账本数据库的技术，它能够让区块链中的参与者在无需建立信任关系的前提下实现一个统一的账本系统，从而提高车联网的安全性。

S302：收集车联网数据：

车联网中每辆车辆向服务提供商上传其资源需求量d_i和所请求资源的出价b_i，i＝1,2,…,N，N表示车联网中车辆数量。然后计算得到每辆车辆的资源密度f_i＝b_i/d_i。可见，资源密度相当于是车辆为其所请求资源所支付的单价。

同时，服务提供商从每个边缘服务器处提取出该边缘服务器当前的可用资源容量c_j，j＝1,2,…,M，M表示车联网中边缘服务器的数量。

S303：确定链接矩阵：

每辆车辆分别搜索其所能链接到的边缘服务器集合，将其上传至服务提供商，服务提供商根据每辆车辆提交的边缘服务器集合确定车联网的链接矩阵Δ：j

其中，δ_ij表示车辆i和边缘服务器j的链接关系标识，δ_ij＝1表示车辆i和边缘服务器j存在链接，车辆i的任务可以被部署到边缘服务器j上进行处理，δ_ij＝0则表示车辆i和边缘服务器j不存在链接。

S304：初始化车辆分配矩阵：

服务提供商初始化车辆分配矩阵

其中x_ij表示车辆i与边缘服务器的分配标识。

S305：统计边缘服务器的入度：

服务提供商根据当前的链接矩阵Δ统计各个边缘服务器的入度I_j：

S306：筛选待分配边缘服务器：

从入度不为0的边缘服务器中选择入度最小的边缘服务器作为待分配边缘服务器j^*。

S307：筛选待分配车辆：

从当前链接矩阵Δ中选择

的车辆，从中选择资源密度最大的车辆作为待分配车辆i^*。

S308：判断待分配边缘服务器j^*的资源是否满足待分配车辆i^*的资源需求，即是否

如果是，进入步骤S309，否则进入步骤S310。

S309：确定资源分配：

将边缘服务器j^*的资源分配给车辆i^*，令车辆分配矩阵X中车辆i^*与边缘服务器j^*的分配标识

更新边缘服务器j^*的资源

由于车辆的任务具有原子性，则车辆i^*的资源需求只能由一个边缘服务器来提供，因此在确定车辆i^*的资源分配后，需要更新车辆i^*与所有边缘服务器的链接标识

进入步骤S311。

S310：更新链接标识：

当待分配边缘服务器j^*的资源无法满足待分配车辆i^*的资源需求，则更新车辆i^*与边缘服务器j^*的链接标识

进入步骤S311。

S311：判断是否链接矩阵Δ＝0，如果不是，返回步骤S305，否则进入步骤S312。

S312：确定资源分配方案：

服务提供商将当前的车辆分配矩阵X作为车联网的资源分配方案，并保存到区块链中供车辆获取。

S313：计算支付价格：

服务提供商根据步骤S312得到的车辆资源分配方案，求解每个用户的支付价格，并将得到的支付价格保存到区块链中供车辆获取。

根据之前的分析，车辆的最优价格支付问题同样也是NP难问题，因此本实施例提出了一种基于二分法的定价算法，来计算每个用户的支付价格。图4是本实施例中基于二分法的定价算法的流程图。如图4所示，本实施例中基于二分法的定价算法的具体步骤包括：

S401：获取已分配用户集合：

根据车辆资源分配方案，获取已分配用户集合Z；

S402选取已分配用户：

从已分配用户集合Z中选取一个用户作为当前用户z。

S403：初始化支付价格：

令用户z的支付价格p_z＝b_z，支付价格最小值p′_z＝0，b_z表示用户z的出价。

S404：更新用户竞价：

令用户z的竞价b_z＝(p_z+p′_z)/2。

S405：判断是否|p_z-p′_z|＞ε，ε表示预设阈值，如果是，进入步骤S406，否则进入步骤S408。

S406：重新进行车辆资源分配：

按照用户z的当前竞价b_z，其余参数不变，重新进行车辆资源分配，得到当前的车辆分配方案。

S407：更新支付价格参数：

判断步骤S406中得到的车辆分配方案，用户z以当前竞价b_z的情况下是否可以被分配车辆资源使用，如果可以，令p_z＝b_z、

否则令p′_z＝b_z、

返回步骤S405。

S408：确定支付价格：

将p_z作为用户z所需支付的价格，标识用户z已处理，从已分配用户集合Z删除。

S409：判断已分配用户集合Z是否为空，如果是，支付价格计算结束，否则返回步骤S402。

为了更好地说明本发明的技术方案，采用一个具体实例对本发明的过程进行举例说明。图5是本实施例中车联网的结构图。如图5所示，本实施例中车联网包括2台边缘服务器和3辆车辆，车辆1的资源需求量为1，对所请求资源的出价为2，则其资源密度为2；车辆2的资源需求量为2，对所请求资源的出价为3，其资源密度为1.5；车辆3的资源需求量为3，对所请求资源的出价为4，其资源密度为1.33。边缘服务器1的可用资源容量为5，边缘服务器2的可用资源容量为10。

根据图5可知，边缘服务器1的入度为3，边缘服务器2的入度为2，因此首先将边缘服务器2作为待分配边缘服务器。与边缘服务器2存在链接的车辆2和车辆3中，车辆2的资源密度更大，且边缘服务器2能够满足车辆2的需求，因此将边缘服务器2的资源分配给车辆2，然后更新边缘服务器2的可用资源容容量为10-2＝8。以此类推，得到车辆1和车辆3的资源分配结果。图6是本实施例的资源分配结果示意图。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于区块链的车联网资源分配拍卖方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：基于区块链搭建车联网，边缘服务器的资源作为区块链中的共享资源；

S2：车联网中每辆车辆向服务提供商上传其资源需求量d_i和所请求资源的出价b_i，i＝1,2,…,N，N表示车联网中车辆数量；然后计算得到每辆车辆的资源密度f_i＝b_i/d_i；同时，服务提供商从每个边缘服务器处提取出该边缘服务器当前的可用资源容量c_j，j＝1,2,…,M，M表示车联网中边缘服务器的数量；

S3：每辆车辆分别搜索其所能链接到的边缘服务器集合，将其上传至服务提供商，服务提供商根据每辆车辆提交的边缘服务器集合确定车联网的链接矩阵Δ：

其中，δ_ij表示车辆i和边缘服务器j的链接关系标识，δ_ij＝1表示车辆i和边缘服务器j存在链接，δ_ij＝0则表示车辆i和边缘服务器j不存在链接；

S4：服务提供商初始化车辆分配矩阵

其中x_ij表示车辆i与边缘服务器j的分配标识；

S5：服务提供商根据当前的链接矩阵Δ统计各个边缘服务器的入度I_j：

S6：从入度不为0的边缘服务器中选择入度最小的边缘服务器作为待分配边缘服务器j^*；

S7：从当前链接矩阵Δ中选择

的车辆，从中选择资源密度最大的车辆作为待分配车辆i^*；

S8：判断待分配边缘服务器j^*的资源是否满足待分配车辆i^*的资源需求，即是否

如果是，进入步骤S9，否则进入步骤S10；

S9：将边缘服务器j^*的资源分配给车辆i^*，令车辆分配矩阵X中车辆i^*与边缘服务器j^*的分配标识

更新边缘服务器j^*的资源

更新车辆i^*与所有边缘服务器的链接标识

进入步骤S11；

S10：更新车辆i^*与边缘服务器j^*的链接标识

进入步骤S11；

S11：判断是否链接矩阵Δ＝0，如果不是，返回步骤S5，否则进入步骤S12；

S12：服务提供商将当前的车辆分配矩阵X作为车联网的资源分配方案，并保存到区块链中供车辆获取；

S13：服务提供商根据步骤S12得到的车辆资源分配方案，求解每个用户的支付价格，并将得到的支付价格保存到区块链中供车辆获取。

2.根据权利要求1所述的车联网资源分配拍卖方法，其特征在于，所述步骤S13中用户的支付价格采用以下方法计算：

S13.1：根据车辆资源分配方案，获取已分配用户集合Z；

S13.2：从已分配用户集合Z中选取一个用户作为当前用户z；

S13.3：令用户z的支付价格p_z＝b_z，支付价格最小值p′_z＝0，b_z表示用户z的出价；

S13.4：令用户z的竞价b_z＝(p_z+p′_z)/2；

S13.5：判断是否|p_z-p′_z|＞ε，ε表示预设阈值，如果是，进入步骤S13.6，否则进入步骤S13.8；

S13.6：按照用户z的当前竞价b_z，其余参数不变，重新进行车辆资源分配，得到当前的车辆分配方案；

S13.7：判断步骤S13.6中得到的车辆分配方案，用户z以当前竞价b_z的情况下是否可以被分配车辆资源使用，如果可以，令p_z＝b_z、

否则令p′_z＝b_z、

返回步骤S13.5；

S13.8：将p_z作为用户z所需支付的价格，标识用户z已处理，从已分配用户集合Z删除；

S13.9：判断已分配用户集合Z是否为空，如果是，支付价格计算结束，否则返回步骤S13.2。

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