[논문 리뷰] Optimal Pricing-Based Edge Computing Resource Management in Mobile Blockchain

Zehui Xiong, Shaohan Feng외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 03.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 이동 블록체인에서 최적의 가격 기반 엣지 컴퓨팅 자원 관리를 위한 이중단계 스택엘베르크 게임을 제안한다. 여기서 엣지 서비스 제공자(ESP)가 가격을 설정하고, 마이너는 오프로드된 마이닝 수요를 결정한다. 이는 할인 가격 책정이 균일 가격 책정보다 총 수요와 ESP 수익을 더 효과적으로 증가시킨다는 것을 보여주며, 유일한 균형 존재성에 대한 분석적 증명을 제공한다.

ABSTRACT

As the core issue of blockchain, the mining requires solving a proof-of-work puzzle, which is resource expensive to implement in mobile devices due to high computing power needed. Thus, the development of blockchain in mobile applications is restricted. In this paper, we consider the edge computing as the network enabler for mobile blockchain. In particular, we study optimal pricing-based edge computing resource management to support mobile blockchain applications where the mining process can be offloaded to an Edge computing Service Provider (ESP). We adopt a two-stage Stackelberg game to jointly maximize the profit of the ESP and the individual utilities of different miners. In Stage I, the ESP sets the price of edge computing services. In Stage II, 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 uniform and discriminatory pricing schemes. Further, the existence and uniqueness of Stackelberg game are validated for both pricing schemes. At last, the performance evaluation shows that the ESP intends to set the maximum possible value as the optimal price for profit maximization under uniform pricing. In addition, the discriminatory pricing helps the ESP encourage higher total service demand from miners and achieve greater profit correspondingly.

연구 동기 및 목표

• 이동 기기에서 블록체인 마이닝의 높은 계산 비용 문제를 해결하기 위해 마이닝 작업을 엣지 컴퓨팅 자원으로 오프로드함으로써 해결한다.
• 이동 블록체인 애플리케이션에서 ESP 수익과 마이너 이득을 최적의 균형을 이루도록 가격 책정 메커니즘을 설계한다.
• ESP와 마이너 간의 상호작용을 전략적 자원 배분을 위한 이중단계 스택엘베르크 게임으로 모델링한다.
• 이동 블록체인에서 엣지 컴퓨팅 서비스에 대한 균일 가격 책정과 할인 가격 책정 방식을 모두 분석한다.
• 두 가격 책정 모델 하에서 스택엘베르크 균형의 존재성과 유일성을 검증한다.

제안 방법

• 이중단계 스택엘베르크 게임을 수립한다: 제1단계에서 ESP가 가격을 설정하고, 제2단계에서 마이너는 관측된 가격을 바탕으로 서비스 수요를 선택한다.
• 역행 귀납법을 적용하여 제2단계에서 마이너 간 유일한 내쉬 균형을 유도하고, 제1단계에서 ESP 수익을 최적화한다.
• 변분부등식과 1차 조건을 사용하여 두 가격 책정 방식에 대해 균형 존재성과 유일성을 분석한다.
• 최적의 마이너 수요에 대한 닫힌 형태의 표현식을 최적 반응 함수를 통해 유도한다.
• 다양한 가격 책정 전략 하에서 수익과 수요의 성능을 시뮬레이션 기반 평가로 분석하여 분석 결과를 검증한다.
• 마이닝 보상, 비용, 수요 간 균형을 고려한 마이너의 유틸리티 함수와 가격 및 수요에 기반한 ESP의 수익 함수를 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이동 블록체인에서 엣지 컴퓨팅 서비스의 가격 책정은 어떻게 해야 엣지 서비스 제공자(ESP)의 수익을 극대화하면서도 마이너의 최적 수요를 확보할 수 있는가?
• RQ2 균일 가격 책정과 할인 가격 책정이 이동 블록체인 자원 관리에서 총 서비스 수요와 ESP 수익에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 제안된 이중단계 게임 모델에서 두 가격 책정 방식 모두에 대해 유일한 스택엘베르크 균형이 존재하는가?
• RQ4 마이너의 수요 반응은 다양한 가격 책정 전략과 시스템 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 제안된 게임 이론적 프레임워크에서 균형의 존재성과 유일성을 보장하는 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 균일 가격 책정 하에서는 마이너의 수요가 탄성 없기에 ESP가 수익을 극대화하기 위해 설정할 수 있는 최고의 가격을 설정함으로써 수익을 극대화한다.
• 할인 가격 책정은 균일 가격 책정보다 마이너로부터 더 높은 총 서비스 수요를 유치할 수 있도록 한다.
• 더 높은 수요와 더 나은 가격 차별화 덕분에 ESP는 할인 가격 책정 하에서 더 큰 수익을 얻는다.
• 변분부등식과 표준 함수 성질을 사용한 분석적 증명을 통해 균일 및 할인 가격 책정 방식 모두에 대해 스택엘베르크 균형이 존재하고 유일함을 입증하였다.
• 각 마이너의 최적 반응 함수는 엄격히 양수이면서 단조 증가하므로 제2단계 게임에서 내쉬 균형이 유일하게 존재한다.
• 최적 마이너 수요에 대한 분석적 해는 닫힌 형태로 유도되었으며, 보상, 비용, 시간과 같은 시스템 파라미터에 명시적인 의존성을 보였다.