[論文レビュー] Cloud/fog computing resource management and pricing for blockchain networks

Zehui Xiong, Shaohan Feng+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2017

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 49被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、プルーフ・オブ・ワークに基づくブロックチェーンネットワークにおける計算負荷の高いマイニングタスクをオフロード可能にするために、クラウド/ミストコンピューティングプロバイダー（CFP）が二段階のスタックルベルクゲームモデルを提案する。研究では、均一価格と差別的価格の両方の条件下でスタックルベルク均衡の存在および一意性を証明し、差別的価格が、利益の高いマイナーに対して価格を戦略的に引き下げる形で、CFPの利益と全体のサービス需要を増加させることを示している。

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.

研究の動機と目的

• プルーフ・オブ・ワークに基づくブロックチェーンネットワークにおけるマイナーの高い計算コストの課題に対処すること。
• リソース制約のあるマイナーからクラウド/ミストプロバイダー（CFP）にマイニングワークロードを効率的にオフロードすること。
• 戦略的価格設定メカニズムを通じて、CFPの利益とマイナーのユーティリティを共同で最適化すること。
• CFPとマイナーの相互作用を、後退帰納法を用いた二段階スタックルベルクゲームとしてモデル化・分析すること。
• 実際の実験データと数値シミュレーションを用いて、解析モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• CFPが価格を最初に設定し、その後にマイナーがサービス需要を決定する二段階のスタックルベルクゲームとして、ブロックチェーン合意形成におけるクラウド/ミストリソース管理を定式化する。
• 均一価格と差別的価格の両方の価格体系に対して、後退帰納法を適用して部分ゲーム完全均衡を導出する。
• 差別的価格の下でのスタックルベルグ均衡の一意性を示すために、変分不等式理論を用いる。
• 個々のマイナーの報酬と計算要求に基づいて、マイナーの最適反応戦略を導出する。
• 提案された価格設定およびリソース割り当てモデルの妥当性を検証するために、実世界の実験データを活用する。
• 固定報酬と変動報酬、サービス単位価格、計算能力などのパラメータを用いた数値シミュレーションを実施し、性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラウド/ミストプロバイダーは、利益を最大化しつつ、マイナーがマイニングワークロードをオフロードするように最適に価格を設定するにはどうすればよいか？
• RQ2 均一価格と差別的価格の違いが、均衡結果とシステム効率に与える影響は何か？
• RQ3 マイナーの固定報酬と変動報酬の変化が、そのサービス需要およびCFPの最適価格戦略に与える影響は何か？
• RQ4 差別的価格が均一価格よりも、総合的なサービス需要とCFPの利益を高める条件は何か？
• RQ5 この二面的市場において、スタックルベルグ均衡の存在と一意性を保証する解析的条件は何か？

主な発見

• 差別的価格は、利益が低いマイナーに対して低価格を設定するが、全体のサービス需要とCFPの利益を均一価格よりも高める。
• 固定報酬と変動報酬が小さいマイナーの最適価格は低く、その分、高い報酬を得るインcentiveが弱いため、高価格に抵抗する傾向がある。
• 成功したマイニングに対する固定報酬が増加すると、利益が低いマイナー（例：マイナー1およびマイナー2）に対して価格を引き上げても、インセンティブが強くなるため、サービス需要が増加する。
• 変動報酬要因が増加すると、マイナー1およびマイナー2に対して価格を引き下げて需要を刺激するが、相対的なインセンティブはマイナー3に比べて依然として低い。
• 均一価格と差別的価格の両方の下でスタックルベルグ均衡が一意に定まることが確認され、最適反応分析および変分不等式理論を用いて一意性が証明された。
• 数値結果は、差別的価格がCFPの収益性とシステム効率を向上させることを確認しており、特に低報酬マイナーからの需要を増加させる点で顕著である。