区块链算力资源优化调度技术研究

【摘要】：工作量证明机制(Proof of Work,Po W)作为维护区块链系统安全性和一致性的共识机制,被广泛应用于各种区块链中。在Po W共识过程中,矿工必须消耗大量的计算资源才能参与竞争,生成有效的区块并赢得奖励。然而,近年来,矿工的收入由于虚拟货币价格的振荡而波动,一些矿工不得不退出市场,出现了算力闲置的情况。与此同时,区块链网络之外,人工智能、大数据分析、云计算等新技术的迅速发展带来海量的计算需求。目前的研究对于区块链矿工的算力资源优化主要集中于区块链自身的技术改进中,如果能将区块链中富余的计算资源动态调度、并用于外界不断增加的计算需求中,将可进一步优化矿工效用,降低整体资源开销,促进绿色信息系统的建设。本文首先分析了现有矿工效用优化研究方案存在的局限性,并结合挖矿设备的发展与新兴技术对计算资源的需求,将整体系统分为包含人工智能、云计算等存在大量计算需求的外部生态系统,与以区块链网络为主体的区块链生态系统,提出了将大量的外部计算任务转移到区块链生态系统的研究思路。这种方案借助区块链去中心化、公开透明等特性解决了中心式计算的安全问题,同时也解决了矿工算力资源分配的单一化问题,进一步优化了矿工效用,为未来矿工算力资源的优化分配提供了新的角度。在此基础上,在计算任务卸载给区块链网络的场景中,根据计算任务的数量限制条件和区块链网络的算力资源情况,进一步讨论算力资源分配策略:(1)当区块链网络算力资源富余,提出一种将外部生态系统的大量计算任务输入到区块链生态系统,并由区块链网络里支持多种运算类型的新型矿工提供计算服务的单向区块链算力资源优化调度场景。讨论任务数量充足、区块链网络只存在新型矿工的情况,将计算任务的定价问题和新型矿工算力资源分配问题构建为一个Stackelberg博弈模型,并对模型进行分析,建立分发计算任务的中心调度节点(Central Scheduling Node,CSN)和新型矿工的效用函数,并证明博弈均衡点的存在,然后提出了一种求解不完全信息下资源分配的分布式迭代算法。通过仿真验证,在均衡点的新型矿工效用比起传统矿工的效用,有了大幅度的提升。(2)针对区块链网络算力资源富余和有限两种情况,进一步提出了将外部生态系统的计算任务输入和区块链网络挖矿任务输出的双向区块链算力资源优化调度场景。当算力资源富余时,外部计算任务输入到区块链生态系统,当任务数量有限时,区块链网络存在支持多种运算类型的新型矿工和只能进行挖矿计算的传统矿工时,矿工和CSN面临双重竞争状况。提出了通过Stackelberg博弈优化双方效用的解决方案,研究了博弈均衡点存在的条件,通过一种计算任务分配方案最优化矿工和CSN的效用。当算力资源有限时,区块链生态系统的挖矿任务输出,提出一种基于拍卖理论的算力资源分配机制,通过贪心算法,求取最佳资源分配方案,并证明了该算法满足拍卖机制的经济特性。通过仿真证明了当算力资源富余时,在本文提出的机制下工作的矿工相比于传统矿工而言,效用有了大幅度提升,当算力资源有限时,本文提出的机制给整个区块链系统带来了积极的效用。