[论文解读] EdgeChain: Blockchain-based Multi-vendor Mobile Edge Application Placement

He Zhu, Changcheng Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 9被引用 3

一句话总结

EdgeChain 提出了一种基于区块链的无信任框架，用于在多个服务提供商之间实现去中心化的移动边缘应用部署，最小化部署成本的同时确保公平性和透明度。通过将部署问题建模为随机优化问题，并在许可区块链上通过智能合约执行，EdgeChain 实现了在多厂商边缘基础设施上动态、低延迟且成本效益高的应用部署，决策过程可验证且可追溯。

ABSTRACT

The state-of-the-art mobile edge applications are generating intense traffic and posing rigorous latency requirements to service providers. While resource sharing across multiple service providers can be a way to maximize the utilization of limited resources at the network edge, it requires a centralized repository maintained by all parties for service providers to share status. Moreover, service providers have to trust each other for resource allocation fairness, which is difficult because of potential conflicts of interest. We propose EdgeChain, a blockchain-based architecture to make mobile edge application placement decisions for multiple service providers. We first formulate a stochastic programming problem minimizing the placement cost for mobile edge application placement scenarios. Based on our model, we present a heuristic mobile edge application placement algorithm. As a decentralized public ledger, the blockchain then takes the logic of our algorithm as the smart contract, with the consideration of resources from all mobile edge hosts participating in the system. The algorithm is agreed by all parties and the results will only be accepted by majority of the mining nodes on the blockchain. When a placement decision is made, an edge host meeting the consumer's latency and budget requirements will be selected at the lowest cost. All placement transactions are stored on the blockchain and are traceable by every mobile edge service provider and application vendor who consumes resources at the mobile edge.

研究动机与目标

• 解决多个移动边缘计算服务提供商（MECSP）之间存在利益冲突的情况下，去中心化、公平且高效的移动边缘应用部署挑战。
• 克服集中式部署系统依赖单一权威机构信任、易受偏见或故障影响的局限性。
• 实现动态、实时的部署决策，综合考虑延迟、预算、资源可用性以及异构边缘主机之间的服务链需求。
• 通过所有参与的 MECSP 和应用供应商均可访问的去中心化区块链账本，确保部署决策的透明性和不可篡改性。
• 通过将部署建模为包含经济和 QoS 约束的随机规划问题，在多厂商 5G 边缘环境中支持资源共享与成本优化。

提出的方法

• 将移动边缘应用部署问题建模为随机规划模型，以最小化总成本，整合单位资源价格、延迟约束、服务链依赖关系以及用户分布。
• 基于成本模型设计启发式部署算法，在实时约束下高效计算最优或近似最优的主机分配。
• 将部署逻辑实现为许可区块链上的智能合约，确保所有参与 MECSP 之间通过共识达成一致并保证决策不可篡改。
• 利用区块链维护所有边缘主机和 MECSP 之间资源可用性、分配和消耗状态的全局共享账本。
• 将用户需求分布（通过 $P_m$ 表示）和 MECSP 特定的定价参数（$\gamma_m$、$\delta_m$）整合到决策逻辑中，以反映现实世界的经济和地理因素。
• 确保部署决策独立于任何 MECSP 的利益，通过共识机制确保区块链的中立性和公平性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在服务提供商存在经济利益冲突的多厂商环境中，如何实现移动边缘应用部署的公平性和透明性？
• RQ2 何种成本模型可同时在去中心化的移动边缘计算环境中优化延迟、预算、资源利用率和服务链？
• RQ3 如何有效利用区块链技术实现无信任、基于共识的部署决策，而无需依赖中心化权威机构？
• RQ4 用户分布和 MECSP 定价策略的变化如何影响多厂商边缘系统中的部署结果和成本效率？
• RQ5 跨 MECSP 的资源共享在多大程度上可提升整体系统效率和服务质量，同时最小化部署成本？

主要发现

• 在 MECSP 的覆盖区域内用户集中时，综合基础价格（$\gamma_m$）和溢价（$\delta_m$）较低的 MEHosts 优先用于应用部署。
• 当单位资源溢价 $\delta_{m_1}$ 从 0.1 增加到 0.6 时，系统会动态将应用部署从 $m_1$ 的主机上转移出去以降低成本，显示出对经济激励的高度敏感性。
• 当用户需求从 $m_2$ 转向 $m_1$ 时，部署在 $m_1$ 主机上的 MEApps 数量显著增加，而部署在 $m_2$ 主机上的数量则减少，表明系统对用户分布变化具有响应能力。
• 即使 $m_3$ 没有用户，当其主机在延迟或成本效率方面表现更优时，仍会托管来自 $m_1$ 和 $m_2$ 的应用，证实了跨服务提供商资源共享的有效性。
• 通过优先选择用户密度高且定价有利的 MECSP 的主机，系统实现了更低的整体部署成本，同时通过战略性部署维持了低延迟服务交付。
• 基于区块链的智能合约确保所有部署决策均可公开验证、不可篡改，并通过共识达成一致，消除了对可信第三方的依赖。