基于區(qū)塊鏈技術(shù)的邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法

徐 琴，謝東亮，鄧秋菊

（1.重慶移通學(xué)院，重慶 401520；2.重慶工程學(xué)院，重慶 400056）

0 引言

邊緣計(jì)算屬于一種把計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源在云平臺(tái)中轉(zhuǎn)移至網(wǎng)絡(luò)邊緣的分布式信息服務(wù)結(jié)構(gòu)，以期把傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)充分相融，降低業(yè)務(wù)交付時(shí)端至端的時(shí)間延遲，優(yōu)化用戶體驗(yàn)[1]。目前關(guān)于邊緣計(jì)算資源分配問(wèn)題，已有不少相關(guān)研究成果，如文獻(xiàn)[2]提出移動(dòng)邊緣計(jì)算中的聯(lián)合優(yōu)化遷移決策和資源分配方法，該方法可實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源分配，但是分配耗時(shí)較多。本文針對(duì)邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配問(wèn)題進(jìn)行深入研究，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法。安全問(wèn)題屬于邊緣計(jì)算中存在的核心問(wèn)題之一，因?yàn)檫吘売?jì)算的層次架構(gòu)里使用很多異構(gòu)終端設(shè)備服務(wù)于用戶，所以此類設(shè)備會(huì)存在惡意行為[3]。在此條件下，區(qū)塊鏈技術(shù)可以在邊緣計(jì)算底層零碎的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)里建立不能篡改的賬本，為設(shè)備與服務(wù)數(shù)據(jù)提供驗(yàn)證服務(wù)，且可以在智能合約協(xié)助下完成高度自保，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算時(shí)設(shè)備可信互操作。所以，本文在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法中，不僅實(shí)現(xiàn)了邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配，還在分配過(guò)程中使用基于私有區(qū)塊鏈的邊緣計(jì)算資源隱私保護(hù)方法，有效保護(hù)資源的隱私性。

1 邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法

1.1 基于優(yōu)先級(jí)任務(wù)的邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法

1.1.1 基于優(yōu)先級(jí)的資源分配模式

邊緣服務(wù)器的計(jì)算資源并不存在無(wú)限性，必須按照計(jì)算任務(wù)優(yōu)先程度實(shí)施計(jì)算資源最優(yōu)分配[4?6]。分配模式示意圖如圖1 所示。

圖1 邊緣服務(wù)器資源分配示意圖

假定在研究場(chǎng)景里存在k個(gè)移動(dòng)終端，在移動(dòng)端將需處理任務(wù)使用通信鏈路傳輸?shù)竭吘壏?wù)器端，將邊緣計(jì)算任務(wù)實(shí)施優(yōu)先級(jí)排列，建立邊緣計(jì)算優(yōu)先級(jí)序列Pnγ，其中，需處理任務(wù)數(shù)量是n，全部邊緣計(jì)算任務(wù)Tn實(shí)施優(yōu)先級(jí)排列后獲取的次序數(shù)值是γ。γ值是1，代表某邊緣計(jì)算任務(wù)在全部邊緣計(jì)算任務(wù)里的優(yōu)先級(jí)最靠前；γ值是0，表示某邊緣計(jì)算任務(wù)在全部邊緣計(jì)算任務(wù)里的優(yōu)先級(jí)最靠后。假設(shè)單位時(shí)間中邊緣服務(wù)器的計(jì)算資源總量是SC，優(yōu)先級(jí)序列相應(yīng)的任務(wù)需分別分配成數(shù)值是的計(jì)算資源，其中，a1,a2,…,ax屬于非相等的正整數(shù)。邊緣服務(wù)器實(shí)施邊緣計(jì)算時(shí)所分配獲取的計(jì)算資源和邊緣服務(wù)器的計(jì)算資源總值SR間具有下述關(guān)系：

如式（1）所示，相應(yīng)優(yōu)先級(jí)任務(wù)所得到的計(jì)算資源量對(duì)權(quán)重λ系數(shù)存在干擾，所以，λ系數(shù)所描述任務(wù)的優(yōu)先級(jí)指標(biāo)將設(shè)成邊緣計(jì)算資源分配的加權(quán)系數(shù)。λ1,λ2,…,λk間的關(guān)聯(lián)性為：

式中：δ是歸一化系數(shù)；TBax是邊緣計(jì)算任務(wù)的數(shù)據(jù)量。把邊緣服務(wù)器的邊緣計(jì)算所使用的時(shí)間設(shè)成TC，則：

計(jì)算時(shí)，各個(gè)邊緣計(jì)算任務(wù)存在相互獨(dú)立性，能夠把計(jì)算任務(wù)看作獨(dú)立離散事件，把最小化時(shí)延變換成約束條件中單目標(biāo)組合優(yōu)化性質(zhì)的問(wèn)題[7]，則邊緣計(jì)算時(shí)間延遲的數(shù)學(xué)模型為：

1.1.2 加權(quán)算法描述

把邊緣計(jì)算最小化時(shí)延問(wèn)題轉(zhuǎn)換成加權(quán)線性規(guī)劃問(wèn)題，使用分治思想對(duì)邊緣計(jì)算資源分配時(shí)延和邊緣計(jì)算能量消耗問(wèn)題實(shí)施分解?；谌蝿?wù)優(yōu)先級(jí)、服務(wù)器計(jì)算能力和計(jì)算資源量的限制，通過(guò)線性規(guī)劃方法縮短邊緣計(jì)算資源分配問(wèn)題的時(shí)間延遲，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配[8?10]?；趦?yōu)先級(jí)任務(wù)的加權(quán)分配算法實(shí)施流程如下：

1）初始化時(shí)輸入邊緣計(jì)算任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與邊緣計(jì)算任務(wù)數(shù)據(jù)數(shù)量等參數(shù)；

2）按照有關(guān)參數(shù)和歸一化系數(shù)設(shè)置邊緣計(jì)算的加權(quán)值；

3）通過(guò)加權(quán)值把邊緣計(jì)算資源分配至邊緣服務(wù)器實(shí)施計(jì)算[11]。

算法描述如下：

輸入邊緣計(jì)算任務(wù)Tn、計(jì)算資源總量SC、邊緣服務(wù)器的工作狀態(tài)Sw。

輸出邊緣計(jì)算結(jié)果、邊緣計(jì)算時(shí)延、能耗。

1）邊緣計(jì)算任務(wù)傳輸至邊緣服務(wù)器端后，把它放在調(diào)度隊(duì)列里，將邊緣計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)成關(guān)鍵詞，對(duì)邊緣計(jì)算任務(wù)實(shí)施排序[12?14]。

2）按照邊緣計(jì)算任務(wù)優(yōu)先級(jí)、任務(wù)的期望完成耗時(shí)、邊緣服務(wù)器的計(jì)算能力，使用式（1）運(yùn)算加權(quán)值。

3）檢測(cè)邊緣服務(wù)器的工作狀態(tài)Sw，如果Sw的值是1，便把邊緣計(jì)算任務(wù)放在調(diào)度隊(duì)列里等候；如果Sw的值是0，便按照加權(quán)數(shù)值對(duì)邊緣計(jì)算資源分配后開(kāi)始運(yùn)算，運(yùn)算后把運(yùn)算結(jié)果傳輸至每個(gè)邊緣計(jì)算任務(wù)相應(yīng)的移動(dòng)端。

4）將k個(gè)邊緣計(jì)算任務(wù)里計(jì)算時(shí)間的最大值設(shè)成計(jì)算時(shí)延。

邊緣計(jì)算資源分配時(shí)間總值是t=ttrans+TC，數(shù)據(jù)由移動(dòng)端傳輸至邊緣服務(wù)器中耗費(fèi)時(shí)間是ttrans。

假定每個(gè)移動(dòng)終端的發(fā)射功率和計(jì)算功率一致，通過(guò)移動(dòng)端和邊緣服務(wù)器構(gòu)建系統(tǒng)計(jì)算邊緣資源時(shí)，耗損的能量總值Etotal為：

式中：M pn，Sp分別是移動(dòng)終端所能提供的發(fā)射功率最大值、邊緣服務(wù)器的計(jì)算功率。

1.2 基于私有區(qū)塊鏈的資源隱私保護(hù)方法

因邊緣計(jì)算資源在應(yīng)用過(guò)程中，存在大量隱私資源，且主要以隱私資源為主，在使用基于優(yōu)先級(jí)任務(wù)的邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源分配時(shí)，需要采用基于私有區(qū)塊鏈的資源隱私保護(hù)方法，保護(hù)資源安全[15]。邊緣服務(wù)器在實(shí)施邊緣計(jì)算時(shí)，管理員主要通過(guò)私有區(qū)塊鏈技術(shù)登錄服務(wù)器，通過(guò)身份驗(yàn)證后才可以進(jìn)行后續(xù)操作。邊緣服務(wù)器私有區(qū)塊鏈能夠使用兩種加密算法實(shí)現(xiàn)資源隱私保護(hù)：一種使用ECC 橢圓曲線加密算法加密邊緣服務(wù)器里全部資源量；另一種是使用AES 對(duì)稱加密算法將邊緣服務(wù)器里隱私資源實(shí)施加密處理。將邊緣服務(wù)器私有區(qū)塊鏈建立的私鑰和公鑰分別設(shè)成privateKey，publicKey，則：

式中：message 是邊緣服務(wù)器私有區(qū)塊鏈中資源量；SHA256、Secp256k1 分別是哈希算法與ECC 橢圓曲線算法。

邊緣服務(wù)器中每輪區(qū)塊的生成率將干擾邊緣服務(wù)器安全，假定各輪區(qū)塊的生成率是f，描述各輪邊緣計(jì)算資源分配所需工作量，此值表示在信息傳輸過(guò)程中解決策略的期望值。各輪區(qū)塊生成率和區(qū)塊鏈安全性存在反比關(guān)系，通過(guò)1描述邊緣服務(wù)器私有區(qū)塊鏈安全性。假定區(qū)塊鏈的傳播速度是tP；區(qū)塊大小是bS；各輪持續(xù)時(shí)間是rD。各輪持續(xù)時(shí)間、區(qū)塊大小、交易傳播速度和各輪區(qū)塊生成率間的關(guān)系是：

區(qū)塊在邊緣計(jì)算過(guò)程中存在的時(shí)間間隔bI 和各輪持續(xù)時(shí)間之間存在正比關(guān)系，則：

使用式（8）與式（9）能夠掌握邊緣計(jì)算資源傳播速度、區(qū)塊生成時(shí)間間隔與區(qū)塊大小干擾區(qū)塊鏈在邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配時(shí)的安全性，它們之間存在相互約束性。

區(qū)塊在邊緣計(jì)算資源分配時(shí)出現(xiàn)的時(shí)間間隔和區(qū)塊大小間的關(guān)系為：

式中：各個(gè)邊緣計(jì)算資源分配后，資源大小均值為m；每秒傳輸?shù)馁Y源數(shù)量是F(X,V)。

由式（10）可知，在邊緣服務(wù)器固定邊緣計(jì)算資源量的前提下，區(qū)塊大小和區(qū)塊在邊緣計(jì)算資源分配時(shí)的時(shí)間間隔存在相互約束性。

按照各輪持續(xù)時(shí)間、區(qū)塊大小、資源傳輸速度、區(qū)塊生成間隔和區(qū)塊安全性間的約束性，合理調(diào)節(jié)邊緣計(jì)算資源分配時(shí)間、區(qū)塊大小、傳輸速度、區(qū)塊生成間隔，使用公鑰與私鑰實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源分配過(guò)程的隱私保護(hù)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置

使用Matlab 仿真平臺(tái)測(cè)試本文方法的有效性，并對(duì)比使用本文方法前后的差異。對(duì)比指標(biāo)主要是計(jì)算時(shí)延與能耗。仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 結(jié)果與分析

使用本文方法前后，移動(dòng)端和邊緣服務(wù)器的計(jì)算耗時(shí)如圖2 所示。從圖2 可知，邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)量一致時(shí)，把邊緣計(jì)算任務(wù)放在邊緣服務(wù)器實(shí)施計(jì)算所耗費(fèi)的時(shí)間小于在移動(dòng)端本地實(shí)施計(jì)算的耗時(shí)，所以，需要將任務(wù)卸載至邊緣服務(wù)器中實(shí)施計(jì)算。

圖2 移動(dòng)端和邊緣服務(wù)器的計(jì)算耗時(shí)

為了縮短邊緣服務(wù)器的計(jì)算時(shí)延，把邊緣服務(wù)器端的計(jì)算資源按照任務(wù)的優(yōu)先級(jí)實(shí)施合理分配。使用本文方法前后，邊緣計(jì)算時(shí)間對(duì)比結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，使用本文方法后，整體對(duì)比下，邊緣服務(wù)器的耗時(shí)最大值為18 ms；局部對(duì)比下，邊緣服務(wù)器的耗時(shí)比使用前縮短了1.3 ms，計(jì)算耗時(shí)極少。由此可知，本文方法分配下邊緣計(jì)算效率顯著提升。

圖3 邊緣計(jì)算時(shí)間對(duì)比結(jié)果

測(cè)試使用本文方法前后，邊緣服務(wù)器的邊緣計(jì)算資源分配能耗情況，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可知，使用本文方法后，邊緣資源分配能耗比使用前減小，伴隨邊緣計(jì)算資源的任務(wù)數(shù)量增多，分配能耗與使用前相比，本文方法至少可以降低13 J 的能量消耗。

圖4 邊緣計(jì)算資源分配能耗情況

為測(cè)試本文方法分配下邊緣計(jì)算資源的安全性，在仿真平臺(tái)中導(dǎo)入一組車載資源明文數(shù)據(jù)集，其中明文分為文本數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，使用本文方法對(duì)該組車載資源進(jìn)行邊緣計(jì)算并實(shí)施資源最優(yōu)分配后，該組車載資源的安全系數(shù)如圖5 所示。從圖5 可知，使用本文方法后該組車載資源的安全系數(shù)始終保持在0.95 以上，和使用前相比，使用本文方法后該組車載資源的安全系數(shù)更高，由此可知，本文方法分配下邊緣計(jì)算資源安全性不存在異常變動(dòng)，歸功于本文方法在分配邊緣計(jì)算資源時(shí)，采用基于私有區(qū)塊鏈的資源隱私保護(hù)方法有效保護(hù)資源隱私安全。

圖5 安全系數(shù)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配時(shí)的分配效率，以參考文獻(xiàn)[2]所提的移動(dòng)邊緣計(jì)算中的聯(lián)合優(yōu)化遷移決策和資源分配方法作為對(duì)比方法，分配耗時(shí)為測(cè)試指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

從圖6 可知，基于整體分配效率與局部分配效率角度下分析，本文方法和移動(dòng)邊緣計(jì)算中的聯(lián)合優(yōu)化遷移決策和資源分配方法相比，本文方法對(duì)邊緣計(jì)算資源分配耗時(shí)較短，表示本文方法能夠快速適應(yīng)數(shù)據(jù)量的增多，從而以最快的速度調(diào)整邊緣計(jì)算資源分配。

圖6 分配效率測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈可以通過(guò)低成本處理多組織參與的復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境里信任建立與隱私保護(hù)等問(wèn)題，在金融、教育等領(lǐng)域中區(qū)塊鏈技術(shù)較為常用。因各產(chǎn)業(yè)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的高度關(guān)注，區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展速度得以提升。在未來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)會(huì)變成最為基礎(chǔ)、常用的信任支撐技術(shù)。本文將其使用在邊緣計(jì)算資源分配問(wèn)題中，提出基于區(qū)塊鏈的邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配方法，在邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配時(shí)，使用基于私有區(qū)塊鏈的資源隱私保護(hù)方法保護(hù)隱私資源的安全。經(jīng)驗(yàn)證，本文方法可在保證資源安全的前提下，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算資源最優(yōu)分配，分配效率顯著提升。