[论文解读] When Mobile Blockchain Meets Edge Computing

Zehui Xiong, Yang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2017

Blockchain Technology Applications and Security被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于边缘计算的移动区块链框架，以将计算资源受限的移动设备和物联网（IoT）设备上的工作量证明（PoW）挖矿任务卸载至边缘服务器。通过将边缘服务提供商与挖矿者之间的互动建模为斯塔克尔伯格博弈，作者设计了动态定价策略，在最大化提供商利润的同时激励挖矿者参与。仿真结果表明，歧视性定价相较于统一定价能更有效地提升服务需求和提供商收入。

ABSTRACT

Blockchain, as the backbone technology of the current popular Bitcoin digital currency, has become a promising decentralized data management framework. Although blockchain has been widely adopted in many applications, e.g., finance, healthcare, and logistics, its application in mobile services is still limited. This is due to the fact that blockchain users need to solve preset proof-of-work puzzles to add new data, i.e., a block, to the blockchain. Solving the proof-of-work, however, consumes substantial resources in terms of CPU time and energy, which is not suitable for resource-limited mobile devices. To facilitate blockchain applications in future mobile Internet of Things systems, multiple access mobile edge computing appears to be an auspicious solution to solve the proof-of-work puzzles for mobile users. We first introduce a novel concept of edge computing for mobile blockchain. Then, we introduce an economic approach for edge computing resource management. Moreover, a prototype of mobile edge computing enabled blockchain systems is presented with experimental results to justify the proposed concept.

研究动机与目标

• 为解决移动设备和物联网设备中资源密集型PoW挖矿带来的挑战，该挑战限制了区块链在移动服务中的应用。
• 实现将PoW计算高效卸载至移动边缘计算（MEC）服务器，从而降低移动设备的能耗和CPU开销。
• 设计一种面向边缘计算服务的经济定价机制，以在维持挖矿者激励的同时最大化提供商利润。
• 通过原型系统实现与基于仿真的分析，评估所提出框架的性能。

提出的方法

• 提出一种新颖的移动区块链边缘计算架构，其中移动设备将PoW计算任务卸载至附近的边缘服务器。
• 将边缘服务提供商与挖矿者之间的互动建模为斯塔克尔伯格博弈，其中提供商作为领导者设定价格，挖矿者作为跟随者优化服务需求。
• 设计歧视性与统一定价方案，分析不同定价策略对挖矿者需求与提供商利润的影响。
• 利用原型系统验证在真实移动物联网场景中边缘辅助区块链挖矿的可行性。
• 采用博弈论分析，推导在不同挖矿奖励与区块大小下的最优定价与服务需求策略。
• 通过数值仿真评估关键参数（如挖矿奖励、区块大小、挖矿者数量）对系统性能的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用边缘计算使资源受限的移动设备和物联网设备能够参与区块链挖矿？
• RQ2 何种定价策略可在维持移动区块链中挖矿者参与度的同时，最大化边缘计算服务提供商的利润？
• RQ3 在移动区块链边缘计算中，歧视性定价相较于统一定价，在总服务需求与提供商收入方面表现如何？
• RQ4 挖矿奖励与区块大小的变化如何影响挖矿者的服务需求与提供商盈利能力？
• RQ5 挖矿者数量的变化对边缘辅助移动区块链系统中总服务需求与利润有何影响？

主要发现

• 随着挖矿者数量的增加，提供商利润上升，因为对边缘服务的需求增加，但当挖矿者间竞争加剧时，利润增长速率趋于饱和。
• 更高的区块大小（即增加的μt）会带来更大的挖矿者服务需求与提供商利润，因为更大的奖励提高了挖矿者投资更多计算能力的激励。
• 相较于统一定价，歧视性定价可带来更高的总挖矿者服务需求，因为提供商可针对激励较低的挖矿者战略性地降低价格，从而提升整体需求。
• 在歧视性定价下，区块大小较小的挖矿者（如挖矿者1和2）被收取更低的最优价格，因为其个体挖矿奖励较低，但当价格具有吸引力时，其集体需求会增加。
• 当固定挖矿奖励增加时，对激励较低的挖矿者（如挖矿者1和2）的最优价格也会上升，反映出随着挖矿者激励增强，提供商能够提取更高收入。
• 当可变奖励因子增加时，对激励较低的挖矿者的最优价格会下降，因为尽管其挖矿回报相对较低，提供商仍通过降低价格来刺激需求。