[论文解读] 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 10

一句话总结

本文提出了一种基于拍卖的边缘计算资源市场，旨在通过考虑矿工竞争带来的配置外部性以及网络效应，在移动区块链中最大化社会福利。该机制确保了真实性、个体理性以及计算效率，仿真结果表明其在真实世界挖矿工作负载下能有效平衡资源分配与福利。

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.

研究动机与目标

• 通过利用边缘计算服务，解决移动区块链挖矿中高计算与能耗成本的挑战。
• 设计一种拍卖机制，以在移动区块链资源分配中考虑配置外部性——包括正面（网络效应）和负面（矿工竞争）影响。
• 在确保激励相容性、个体理性以及计算效率的前提下，最大化边缘计算服务提供商（ESP）的社会福利。
• 通过真实世界移动区块链挖矿实验验证所提模型，并推导出一个实用的哈希算力函数，以建模挖矿成功概率。
• 为ESP和区块链所有者提供关于定价、资源分配及协议调优的可操作洞见。

提出的方法

• 构建一种拍卖机制，矿工根据其估值竞标边缘计算资源，同时整合个体与网络层面的外部性。
• 基于使用Docker管理的CPU利用率的Android设备真实挖矿实验，推导出挖矿成功概率的哈希算力函数。
• 将社会福利定义为矿工估值之和减去已分配资源的成本，并在预算与容量约束下求解社会福利最大化问题。
• 通过设计支付机制，确保机制具有真实性（激励相容性），使得竞标者通过报告真实估值可最大化自身效用。
• 通过确保所有中标的竞标者获得非负效用，实现个体理性。
• 实现一种计算效率高的分配规则，运行时间在多项式时间内，适用于移动边缘环境的实时部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何高效地将边缘计算服务分配给移动区块链矿工，以在考虑矿工间竞争的前提下最大化社会福利？
• RQ2 网络效应与配置外部性对移动区块链中激励相容拍卖机制设计有何影响？
• RQ3 在真实移动设备中，实际挖矿成功概率（哈希算力）如何随计算资源分配而变化？
• RQ4 挖矿奖励、交易费费率以及区块挖矿难度的变化如何影响社会福利与中签矿工数量？
• RQ5 所提出的拍卖机制在真实移动区块链环境中能否实现真实性、个体理性与计算效率？

主要发现

• 所提出的拍卖机制在保证真实性、个体理性与计算效率的同时，实现了社会福利最大化。
• 基于Android设备真实挖矿实验、CPU利用率受Docker管理的哈希算力函数与实证数据拟合良好，最优参数α = 1.2。
• 当移动用户数N从100增至1000时，社会福利（S）与中签者数量（|W|）均以递减速率增长，原因在于竞争加剧。
• 提高挖矿奖励（T）或交易费费率（r）可带来社会福利的近似成比例增长，但中签者数量趋于稳定，因竞争加剧。
• 当平均区块挖矿时间λ增加（即挖矿难度上升）时，社会福利上升，中签者数量先增后减，因更高估值使更少但更有价值的资源分配成为可能。
• 该模型使ESP能够制定实用的定价与资源分配策略，并为区块链所有者提供工具，通过调整协议参数（如区块难度）来优化系统性能。