[論文レビュー] Social Welfare Maximization Auction in Edge Computing Resource Allocation for Mobile Blockchain

Yutao Jiao, Ping Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、マイナーの競争による割り当て外部性とネットワーク効果を考慮することで、モバイルブロックチェーンにおける社会的余剰を最大化するオークションベースのエッジコンピューティングリソース市場を提案する。このメカニズムは真実性、個別合理性、計算効率性を保証しており、実世界のマイニングワークロードを想定したシミュレーションにより、リソース割り当てと社会的余剰の両方を効果的にバランスすることが示された。

ABSTRACT

Blockchain, an emerging decentralized security system, has been applied in many applications, such as bitcoin, smart grid, and Internet-of-Things. However, running the mining process may cost too much energy consumption and computing resource usage on handheld devices, which restricts the use of blockchain in mobile environments. In this paper, we consider deploying edge computing service to support the mobile blockchain. We propose an auction-based edge computing resource market of the edge computing service provider. Since there is competition among miners, the allocative externalities (positive and negative) are taken into account in the model. In our auction mechanism, we maximize the social welfare while guaranteeing the truthfulness, individual rationality and computational efficiency. Based on blockchain mining experiment results, we define a hash power function that characterizes the probability of successfully mining a block. Through extensive simulations, we evaluate the performance of our auction mechanism which shows that our edge computing resources market model can efficiently solve the social welfare maximization problem for the edge computing service provider.

研究の動機と目的

• エッジコンピューティングサービスを活用することで、モバイルブロックチェーンマイニングにおける高い計算コストとエネルギー消費を低減する。
• モバイルブロックチェーンリソース割り当てにおける割り当て外部性（ポジティブなネットワーク効果とネガティブなマイナー競争）を考慮したオークションメカニズムを設計する。
• インcentive-compatible（インcentive適合性）、個別合理性、計算効率性を保証しつつ、エッジコンピューティングサービスプロバイダー（ESP）の社会的余剰を最大化する。
• 実世界のモバイルブロックチェーンマイニング実験を用いて提案モデルを検証し、マイニング成功確率をモデル化する実用的なハッシュパワー関数を導出する。
• ESPおよびブロックチェーン所有者に対する、価格設定、リソース割り当て、プロトコルチューニングに関する実用的インサイトを提供する。

提案手法

• マイナーが自身の評価に基づいてエッジコンピューティングリソースを入札するオークションメカニズムを定式化し、個別およびネットワークレベルの外部性を統合する。
• Dockerで管理されたCPU利用率を用いた実際のAndroidベースのブロックチェーンマイニング実験から得たデータを基に、ブロックマイニング成功確率をハッシュパワー関数でモデル化する。
• 社会的余剰をマイナーの評価の合計から割り当てられたリソースのコストを差し引いたものとして定義し、予算制約および容量制約の下で社会的余剰最大化問題を解く。
• 入札者が真実の評価を報告することで自身のユーティリティが最大化されるように支払い構造を設計することで、メカニズムの真実性（インcentive-compatible）を保証する。
• 全入札者が非負のユーティリティを得ることを保証することで、個別合理性を強制する。
• 多項式時間で実行可能な計算効率の良い割り当てルールを実装し、モバイルエッジ環境におけるリアルタイム展開に適する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイナー間の競争を考慮しながら、社会的余剰を最大化するため、エッジコンピューティングサービスをモバイルブロックチェーンマイナーに効率的に割り当てる方法は何か？
• RQ2 ネットワーク効果および割り当て外部性が、モバイルブロックチェーンにおけるインcentive-compatibleオークションメカニズムの設計に与える影響は何か？
• RQ3 実際のモバイルデバイスにおいて、計算リソース割り当ての増加に伴い、マイニング成功確率（ハッシュパワー）はどのように変化するか？
• RQ4 マイニング報酬（T）、取引手数料率（r）、ブロックマイニング難易度の変化が、社会的余剰および当選マイナー数に与える影響は何か？
• RQ5 提案されたオークションメカニズムは、現実的なモバイルブロックチェーン環境において真実性、個別合理性、計算効率性を達成できるか？

主な発見

• 提案されたオークションメカニズムは、社会的余剰の最大化を達成するとともに、真実性、個別合理性、計算効率性を保証する。
• Dockerで管理されたCPU利用率を用いた実際のAndroidベースのマイニング実験から得たハッシュパワー関数は、実測データと良好に一致し、最適なパラメータα = 1.2が得られた。
• モバイルユーザー数（N）が100から1000に増加するに従い、社会的余剰（S）および当選者数（|W|）は、競争の増大に伴い逓減する割合で増加する。
• マイニング報酬（T）または取引手数料率（r）を増加させると、社会的余剰はほぼ比例的に上昇するが、競争の激化により当選者数は安定化する。
• 平均ブロックマイニング時間λが増加する（すなわちマイニングが難しくなる）と、社会的余剰は上昇し、当選者数は一時的に増加した後、減少する。これは、ユーザーの評価が高いために、少数のより価値のある割り当てが可能になるためである。
• 本モデルにより、ESPは実用的な価格設定およびリソース割り当て戦略を策定でき、ブロックチェーン所有者はブロック難易度などのプロトコルパラメータを調整することでシステムパフォーマンスを最適化するためのツールを提供する。