[논문 리뷰] Cloud/fog computing resource management and pricing for blockchain networks

Zehui Xiong, Shaohan Feng외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 04.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 49인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 네트워크에서 작업 증명 기반의 컴퓨팅 비용을 최적화하고 리소스 할당을 개선하기 위해 클라우드/안개 컴퓨팅 제공자(CFP)를 위한 이중 단계 스택엘베르크 게임 모델을 제안한다. 이 모델은 채굴자가 계산 집약적인 채굴 작업을 이관할 수 있도록 한다. 연구에서는 균일 가격 설정과 차별적 가격 설정의 두 경우에 대해 스택엘베르크 균형의 존재성과 유일성을 증명하며, 차별적 가격 설정이 덜 수익성이 높은 채굴자에게 가격을 전략적으로 낮춤으로써 CFP 수익과 전체 서비스 수요를 증가시킨다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

The mining process in blockchain requires solving a proof-of-work puzzle, which is resource expensive to implement in mobile devices due to the high computing power and energy needed. In this paper, we, for the first time, consider edge computing as an enabler for mobile blockchain. In particular, we study edge computing resource management and pricing to support mobile blockchain applications in which the mining process of miners can be offloaded to an edge computing service provider. We formulate a two-stage Stackelberg game to jointly maximize the profit of the edge computing service provider and the individual utilities of the miners. In the first stage, the service provider sets the price of edge computing nodes. In the second stage, the miners decide on the service demand to purchase based on the observed prices. We apply the backward induction to analyze the sub-game perfect equilibrium in each stage for both uniform and discriminatory pricing schemes. For the uniform pricing where the same price is applied to all miners, the existence and uniqueness of Stackelberg equilibrium are validated by identifying the best response strategies of the miners. For the discriminatory pricing where the different prices are applied to different miners, the Stackelberg equilibrium is proved to exist and be unique by capitalizing on the Variational Inequality theory. Further, the real experimental results are employed to justify our proposed model.

연구 동기 및 목표

• 작업 증명 기반 블록체인 네트워크에서 채굴자의 높은 계산 비용 문제를 해결하기 위해.
• 자원이 제한된 채굴자로부터 클라우드/안개 제공자(CFP)로 채굴 워크로드를 효율적으로 이관할 수 있도록 하기 위해.
• 전략적 가격 설정 메커니즘을 통해 CFP의 수익과 채굴자의 유틸리티를 공동으로 최적화하기 위해.
• CFP와 채굴자 간의 상호작용을 역행 추론을 사용한 이중 단계 스택엘베르크 게임으로 모델링하고 분석하기 위해.
• 실제 실험 데이터와 수치 시뮬레이션을 사용하여 분석 모델을 검증하기 위해.

제안 방법

• 블록체인 합의의 클라우드/안개 리소스 관리를 이중 단계 스택엘베르크 게임으로 수식화함: CFP가 먼저 가격을 설정하고, 채굴자가 이후에 서비스 수요를 선택함.
• 균일 가격 설정과 차별적 가격 설정의 두 가지 수단에 대해 역행 추론을 적용하여 하위 게임 완전 균형을 유도함.
• 변분부등식 이론을 사용하여 차별적 가격 설정 하에서 스택엘베르크 균형의 유일성을 증명함.
• 개별 채굴자의 수익과 계산 요구량에 기반한 최적 반응 전략을 유도함.
• 실세계 실험 데이터를 활용하여 제안된 가격 설정 및 리소스 할당 모델을 검증함.
• 고정 및 변동 채굴 수익, 서비스 단위 가격, 계산 용량 등의 매개변수를 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하여 성능 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 클라우드/안개 제공자가 최적의 가격을 어떻게 설정함으로써 수익을 극대화하면서 채굴자들이 채굴 워크로드를 이관하도록 유도할 수 있는가?
• RQ2 균일 가격 설정과 차별적 가격 설정이 균형 결과와 시스템 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 채굴자의 고정 수익과 변동 수익의 변화가 그들의 서비스 수요와 CFP의 최적 가격 전략에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 조건에서 차별적 가격 설정이 균일 가격 설정보다 더 높은 총 서비스 수요와 CFP 수익을 가져오는가?
• RQ5 이 이중 시장에서 스택엘베르크 균형의 존재성과 유일성을 보장하는 분석적 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 차별적 가격 설정은 덜 수익성이 높은 채굴자에게 낮은 가격을 제공함에도 불구하고, 총 서비스 수요와 CFP 수익을 균일 가격 설정보다 더 높게 만든다.
• 고정 수익과 변동 수익이 낮은 채굴자에게 최적의 가격은 더 낮으며, 이는 낮은 잠재 수익으로 인해 높은 가격 지불에 대한 동기가 부족하기 때문이다.
• 성공한 채굴에 대한 고정 수익이 증가함에 따라, CFP는 수익성이 낮은 채굴자(예: 채굴자 1 및 2)의 가격을 인상해도 서비스 수요가 증가하는 경향이 있다. 이는 더 강한 인centive 덕분이다.
• 변동 수익 요소가 증가하면, CFP는 채굴자 1과 2의 수요를 자극하기 위해 가격을 낮추지만, 이들의 상대적 동기는 여전히 채굴자 3보다 낮다.
• 균일 가격 설정과 차별적 가격 설정 모두에서 스택엘베르크 균형이 유일하게 결정되며, 최적 반응 분석과 변분부등식 이론을 통해 유일성이 증명되었다.
• 수치 결과는 차별적 가격 설정이 CFP 수익성과 시스템 효율성을 향상시키며, 특히 낮은 수익 채굴자들로부터 더 많은 수요를 유치함으로써 그 효과를 입증한다.