论文《基于区块链的车载边缘计算资源优化》学习报告

  本文主要对《基于区块链的车载边缘计算资源优化》论文中相关技术和基于智能合约的车载边缘计算资源交易机制两个方面进行个人学习报告。
论文主要内容：

相关技术

车载云计算

  移动云计算框架由中心云服务器和车载资源组成。中心云的组成有数据中心和 路由器，而基站，路侧单元以及 WiFi 是无线网络的接入点。而车载资源方面包括在城市道路中缓慢行走的车辆，在高速公路上快速行驶的车辆以及在停车场中的停泊车辆。城市道路上，街道道路边以及停车场上的大量车辆将被视为丰富且未充分利用的计算资源。这些由车辆组成的巨大的资源池成为车联网云计算中节点的理想选择。车载云计算把智能交通系统和移动云计算的巨大计算和存储能力融合起来。车载云计算主要通过数据中心云计算服务解决车载设施资源受限问题。将计算复杂度高的处理任务放在云端，按需调用云服务提供商的设施、平台和软件服务。

车载雾计算

  车载雾计算是资源共享的角度把庞大的停泊车辆利用起来，作为一个分布式的超级计算资源池，利用车辆作为基础设施，并充分地利用这些车辆的通信，计算和存储资源。
  具体的车载雾计算如图所示，终端用户是服务请求者，例如有移动的人和车，也有静止的用户。基础设施提供商是由边缘设备例如路侧单元和边缘服务器作为平台，负责接收终端用户的服务请求。而停泊车辆可以作为资源提供者，可满足大量的通信和计算的要求。思科提出的雾计算也具备类似的特点，在用户邻近范围内有大量的、轻量级的物联网设备（基站，网关，路由器等）。值得强调的是，图中描述的车载雾计算的体系结构与传统的雾计算有根本上的不同。在传统的雾计算架构中，车辆和移动设备是最终用户，并且在这些终端用户和中心云服务器之间存在雾服务器层。相比之下，在车载雾计算的架构中，车辆本身也是雾服务器的一部分。

车联网边缘计算

  车联网边缘计算，也即应用在车联网场景的移动边缘计算，旨在网络的边缘部署移动边缘计算服务器为车辆提供实时、可拓展和支持移动性的通信，计算以及存储服务。车联网边缘计算的架构图如图所示。车联网边缘计算的包含三个重要的部分，分别为远端云服务器、移动边缘计算服务器和车辆终端用户。远端的云服务器具有强大的，稳定的计算能力，是传统的中心云计算模型。边缘服务器分布式地部署在路侧，离终端用户很近，为用户提供强大的计算，通信和存储资源。而边缘服务器与路侧单元相连接，车辆终端可通过路侧单元接入网络。

基于智能合约的车载边缘计算资源交易

  基于区块链的车载边缘计算系统的核心组成部分：服务请求者、停泊车辆、权威信任机构以及路侧单元。服务请求者和停泊车辆在系统中形成一个点对点的网络，它们大部分在区块链中充当普通的节点，负责中继、传输、交换和接收账本数据。此外，部分停泊车辆会被授权充当区块链网络中的共识节点它们负责审计，校验维护系统的数据的一致性。共识节点负责运行共识机制，并在每一轮成功达成共识后产生新的区块。

(1)服务请求者：服务请求者是提出任务卸载计算要求的消费者。服务请求者由一些特定的用户组成，包括学生，医生，科学家等等需要密集型计算需求的用户。他们有科研实验的需求，就会向停泊链平台请求相关的计算卸载服务。为了避免有恶意的攻击者伪装成普通服务请求者，并且恶意攻击平台的行为。服务请求者在提出服务请求前，必须先获得权威信任机构的个人身份认证。在停泊链中有恶意攻击行为的节点将会被剔除在外，不允许进入这个服务平台。服务请求者提出服务请求时必须公布相关的计算任务的具体需求。比如说计算资源大小，最大时延要求以及相关的报酬。为了保证交易的公平性，这些需求和报酬会预先提交到智能合约中保管。如果服务请求者的请求任务通过验证，那么报酬则会自动汇入接受计算请求服务的停泊车辆的账户中。以上信息都会被写入智能合约里面。

(2) 停泊车辆：停泊车辆主要分布在城市的住宅区，办公楼以及商业中心附近的地下停车场，露天停车场以及路侧临时停车位等地方。停泊车辆接收到服务请求者的服务请求之后，通过衡量自身的收益再决定是否接受服务请求者的任务请求。如果接收了请求，停泊车辆只有按服务请求者的需求完成相关的任务之后才能获得相关的报酬。如果停泊车辆中途没有完成任务就离开停车位置，导致任务的中断失败，则该停泊车辆预先交的押金将会被没收作为惩罚。因此，考虑到有些停泊车辆可能会在执行任务中途离开停车场，这样就会造成计算服务中止，迁移以及相应的开销。停泊车辆在承诺接受任务之前需要提交一份押金到智能合约中。如果停泊车辆完成了服务请求者的服务，经过验证后，停泊车辆就可以获得相应的报酬和退还的押金。否则，停泊车辆将不能获得报酬，而预交的押金也会赔偿给服务请求者。

(3)路侧单元：在车联网中，路侧单元是部署在网络边缘的接入点。停泊车辆和服务请求者都可以通过路侧单元接入到网络中。路侧单元负责在网络边缘给停泊车辆和服务请求者提供连接核心网的无线通信服务。

(4) 权威信任机构：本文提出的区块链是受限的区块链，所以权威的信任机构的存在主要是为了审核节点的身份和发放公钥和数字证书。权威信任机构是完全受限系统中所有实体的信任的政府机构（例如，管理车辆登记车管所）。权威信任机构将每个个体的身份绑定到唯一的凭证（例如，数字证书），并且负责向它们发布公共参数和数字证书。

面向资源交易的智能合约设计

  整个交易流程主要包括交易双方的身份认证，计算卸载任务的请求，计算卸载任务的接受以及完成计算服务之后的支付报酬。
步骤一：服务请求者和停泊车辆的身份认证。登记身份是向受信任的机构提交用户生成的帐户，以进行必要的身份验证和注册。 相关合同仅将已发布的主公钥视为存储在区块链中的常识。本文采用椭圆曲线数字签名算法和非对称密码术用于系统初始化。然后每个服务请求者和停泊车辆在注册后成为合法实体。例如，具有真实身份的停泊车辆连接到停泊链，并获得其公共/隐私密钥和数字证书（分别表示为jPk ，jSk 和jCert ）。数字证书可以用于唯一的通过绑定停泊车辆的注册信息来识别停泊车辆的身份。

步骤二：服务请求者提出计算卸载服务的请求。在获得身份认证之后，服务请求者可以通过分布式应用的接口在平台上提出自己的请求并写明请求相关的要求和报酬。提交请求的过程中，服务请求者需要提交相关的报酬和押金到平台，平台的智能合约作暂时的保管。这个操作主要是为了让交易双方信任彼此，无法作弊。因为智能合约是强制，自动执行的。如果服务完成了，这笔报酬就会到达提供服务者的账户中。如果服务没有完成，这笔报酬会返还给服务请求者。另外，停泊车辆获得身份认证后就可以通过分布式应用的接口在平台上竞争相关的请求，同时停泊车辆需要提交相关的押金。因为车主可能在中途开车离开，导致服务中止和相关的损失，则这笔押金就不会返还给车主。如果停泊车辆完成了请求的任务，则这笔押金将和报酬一起发送到车主的账户中。注册后，服务请求者通过部署具有特定合同项目的新智能合同来提交请求。为了保障，服务请求者必须向智能合约提交押金。同时，验证请求功能也被调用以确保计算工作可以由停车链上的矿工进行评估。

步骤三：停泊车辆的响应。经过身份验证的停泊车辆可以通过访问智能合约来实现来自服务请求者的任务请求。同时，他们可以查看任务要求和承诺的奖励。一些停泊车辆希望为服务请求者提供服务，并通过智能合约相应请求。同样，停泊车辆需要向平台发送押金以保证计算工作的质量。停泊车辆的身份，类型和计算能力等关键信息也记录在智能合约中。为了从服务请求者那里获得奖励，停泊车辆必须执行任务，然后反馈计算结果以由共识节点进行评估。

步骤四：停泊车辆执行计算卸载任务。服务请求者接收来自停泊车辆的肯定响应，任务将被传输到停泊车辆中执行。在接收到任务后，停泊车辆处理它们并将计算结果上载到平台中。如果停泊车辆偶然离开停车场并中断任务执行，停泊车辆将不会收到任何奖励，相应的预存的押金也会转发给服务请求者进行赔偿。

步骤五：交易完成后的转账。完成请求和任务的验证后，预存的承诺奖励将自动发送给停泊车辆。如果验证或任务执行失败，智能合约将使得服务请求者从停泊车辆接收保证金。这样的惩罚设计是为了确保恶意和行为不端的停泊车辆恶意阻碍和攻击服务请求者。

基于智能合约的车载边缘计算资源交易平台

  该论文提出的停泊链平台是由区块链层和分布式应用层组成的。分布式应用层一部分是服务请求者和停泊车辆的账号注册登记，其中包括公钥，身份以及数字签名的提交和分发。另外交易流程包括发布任务，接受任务，任务执行和任务验证，以及报酬的支付的步骤。停泊链平台的分布式应用是一个协助服务请求者和停泊车辆之间交流的媒介。本文考虑的停泊链平台是由停泊车辆组成的网络共同维护和运行的。智能合约在这个平台上运行并负责保障交易双方的利益不受损害。得益于智能合约的优点，服务请求者和停泊车辆都信任这个平台，并获得良好的用户体验。
  区块链层包括分布式运行的智能合约，共识机制，共识节点，密码学加密方法，点对点网络协议以及交易。分布式运行在各个节点的智能合约是一段自动和强制执行的脚本代码。共识节点由预先选定的停泊车辆组成，具体选择的方法在第四章有详细的介绍。基于车联网环境的考虑，本文采用了授权拜占庭容错共识机制。这个共识机制在下一章有详细的介绍。授权的停泊车辆是由所有节点投票选出。节点拥有评价其他节点的权利，信誉值高的节点将会被选择成为共识节点。授权拜占庭容错机制在区块链中提供更好的安全性。任务执行完成后的结果由共识节点评估并验证输出结果是否与输入数据和任务要求完全匹配，例如用户的数字签名，任务截止期限等。