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区块链网络中的数据存储、访问控制及计算资源优化

刘同来  
【摘要】:近年来,移动终端产生的数据量呈爆炸式增长,在机器学习、大数据分析等技术给用户带来丰富体验的同时,资源受限的终端设备已无法满足数据全部存储在本地的需求。云存储服务能够为移动终端的数据存储、分析及访问管理提供良好的技术支持。但在中心化的云存储平台中,用户的数据仍面临着非法访问和隐私泄漏等威胁。区块链技术的出现为解决云存储“信任”问题提供了新的视角。然而,受用户分布不均、终端设备异构、计算任务密集等因素的影响,现有基于区块链的云数据管理技术仍存在数据存储的不均衡、数据非法访问的控制、移动终端计算资源的优化等问题。因此,本文研究用户数据在云存储网络中的存储不均衡问题和非法访问问题,同时研究计算密集型任务在区块链网络中的高效卸载问题。本文的主要研究内容及贡献如下:(1)针对区块链网络中外包数据的存储不均衡问题,本文利用基尼系数设立了存储均衡的判定依据,对该问题进行建模与形式化,并证明了其NP难解性。设计了高效的启发式存储均衡算法,并定制了相应的遗传算法和禁忌搜索算法来实现存储均衡,以便提高网络的可用性和稳定性。实验结果表明,与现有的算法相比,本文提出的启发式算法在计算准确性、计算开销和存储开销方面都表现出更好的性能。在定制的遗传算法、禁忌搜索算法和飞蛾扑火算法中,当使用本文算法的结果作为初始解时,禁忌搜索算法在计算准确性方面能够获得最好的结果;当使用原有算法的结果作为初始解时,定制的遗传算法在计算准确性方面能够获得最好的结果。(2)针对用户数据的非法访问问题,本文提出了一种基于区块链的高效访问控制方案。在方案中,数据拥有者通过维护一个访问矩阵对访问策略进行描述,并将该矩阵存储在区块链中,以确保其一致性与完整性。方案同时采用对称密钥与非对称密钥对数据进行加密,以降低数据拥有者的密钥生成开销。数据拥有者可以高效地使用对称密钥对共享文件进行加密,并使用授权用户的公钥对该对称密钥进行并行加密。因此,授权用户可以通过本地私钥获得对称密钥,而数据拥有者也不需要维护多个加密密钥。安全性分析表明,本文方案能够有效地抵御攻击者对外包数据的非法访问。实验结果表明,本文方案的计算开销比现有的三种方案分别低25.37%、45.46%和36.44%。同时,本文方案的通信开销比其中一种方案低17.16%,比其他两种方案分别高5.88%和39.05%,但本文方案具有更高的安全性。此外,本文方案的存储开销比三种方案分别低 59.36%、20.25%和 61.88%。(3)针对区块链网络中移动设备计算资源优化问题,本文提出了一种基于智能合约的长期双向拍卖算法。首先,本文将该问题转化为NP-hard的多选择背包问题,并基于此问题设计了长期双向拍卖算法。该算法实现将子任务高效地从移动设备卸载到异构边缘服务器上执行,并保证效率和长期性能。算法的长期性能能够帮助用户离开前,在拥有足够预算及具有计算任务情况下一直参与卸载方案的制定过程,增加所有用户任务完成量,在满足计算效率、个体合理性、预算平衡和真实性的经济属性前提下提高买卖双方的总效益。其次,本文还设计了一个智能合约方案,在安全可控的环境中支持算法的自动执行。实验结果表明,与现有的算法相比,本文算法的效益和利用率分别提高了 130.55%和138.64%。此外,算法保证了双向拍卖机制的长期性表现。


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