[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种两阶段Stackelberg博弈模型，用于云/边缘计算提供商（CFP）在基于工作量证明的区块链网络中优化定价与资源分配，使矿工能够卸载计算密集型的挖矿任务。研究证明了在统一定价和差别定价下Stackelberg均衡的存在性与唯一性，表明差别定价通过战略性地降低对盈利能力较低矿工的定价，可提高CFP的利润和整体服务需求。

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.

研究动机与目标

• 解决基于工作量证明的区块链网络中矿工面临高计算成本的挑战。
• 实现资源受限矿工向云/边缘提供商（CFPs）高效卸载挖矿工作负载。
• 通过战略性定价机制，联合优化CFPs的利润与矿工的效用。
• 将CFPs与矿工之间的互动建模为两阶段Stackelberg博弈，并采用逆向归纳法进行分析。
• 利用真实实验数据与数值模拟验证分析模型。

提出的方法

• 将区块链共识中的云/边缘资源管理建模为两阶段Stackelberg博弈：CFP首先设定价格，矿工随后选择服务需求。
• 应用逆向归纳法，推导统一定价与差别定价方案下的子博弈完美均衡。
• 利用变分不等式理论，证明在差别定价下Stackelberg均衡的唯一性。
• 基于矿工的个体收益与计算需求，推导其最佳响应策略。
• 采用真实世界实验数据，验证所提出的定价与资源分配模型。
• 通过数值模拟，设置固定与可变挖矿收益、服务单位价格及计算容量等参数，评估性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 云/边缘提供商如何最优地设定价格，以在吸引矿工卸载挖矿工作负载的同时最大化自身利润？
• RQ2 统一定价与差别定价对均衡结果与系统效率有何影响？
• RQ3 矿工的固定收益与可变收益变化如何影响其服务需求及CFP的最优定价策略？
• RQ4 在何种条件下，差别定价相较于统一定价能带来更高的总服务需求与CFP利润？
• RQ5 在这一双边市场中，何种分析条件可确保Stackelberg均衡的存在性与唯一性？

主要发现

• 尽管对盈利能力较低的矿工实行了更低价格，差别定价仍使总服务需求与云/边缘提供商（CFP）的利润高于统一定价。
• 对于固定与可变收益均较低的矿工，其最优价格更低，因为其获得高收益的激励较弱。
• 随着成功挖矿的固定收益增加，CFP可提高对盈利能力较低矿工（如矿工1与矿工2）的价格，同时仍能观察到服务需求上升，因为激励更强。
• 当可变收益因子增加时，CFP会降低对矿工1与矿工2的价格以刺激需求，尽管其相对激励仍低于矿工3。
• 在统一定价与差别定价下，Stackelberg均衡均唯一确定，其唯一性通过最佳响应分析与变分不等式理论得到证明。
• 数值结果证实，差别定价提升了CFP的盈利能力与系统效率，尤其体现在吸引更多低收益矿工方面。