基于智能合約與區(qū)塊鏈的算力交易機(jī)制

呂航/LYU Hang，李佳聰/LI Jiacong，雷波/LEI Bo，解云鵬/XIE Yunpeng

（中國(guó)電信股份有限公司研究院，中國(guó) 北京 102209）

以5G、智能寬帶等為代表的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和商用規(guī)?；牟渴穑瑤?dòng)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧商業(yè)等垂直行業(yè)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展。行業(yè)應(yīng)用需要大量的設(shè)備，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2025年，全球網(wǎng)聯(lián)設(shè)備總數(shù)將超過(guò)270億，而全球的數(shù)據(jù)總量則將達(dá)到142.6 ZB，這些都需要巨量的算力資源來(lái)支撐。算力資源已不再是單一的云資源池的形式，而是由云資源與廣泛部署的邊緣節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成。在這種演進(jìn)的趨勢(shì)下，算力資源的協(xié)同是關(guān)鍵要點(diǎn)，算力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)時(shí)而生。通過(guò)無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)連接，算力網(wǎng)絡(luò)整合多級(jí)算力、存儲(chǔ)等，為不同的行業(yè)提供最佳的資源分配方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)資源的最優(yōu)使用。

2021年5月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、工業(yè)和信息化部等四部委提出聯(lián)合布局全國(guó)算力網(wǎng)絡(luò)國(guó)家樞紐節(jié)點(diǎn)的“東數(shù)西算”工程，打通網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，提升跨區(qū)域算力調(diào)度能力。這將算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用提升到了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度。

算力通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供給行業(yè)應(yīng)用，這就形成了算力的需求方和供應(yīng)方。在商用場(chǎng)景中，就形成了算力交易，而交易也同樣通過(guò)網(wǎng)絡(luò)完成。結(jié)合智能合約及區(qū)塊鏈技術(shù)，我們提出了一種去中心化、去平臺(tái)化的可靠算力交易機(jī)制和方案，適用于中小行業(yè)用戶的算力交易場(chǎng)景。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建算力交易框架

區(qū)塊鏈技術(shù)利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證與存儲(chǔ)。從本質(zhì)上講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)共享數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)于其中的數(shù)據(jù)或信息具有不可偽造、去中心化、透明化、分布式存儲(chǔ)等特征?；诿艽a技術(shù)，區(qū)塊鏈允許多個(gè)參與者共同維護(hù)一組一致的信息或事實(shí)，實(shí)現(xiàn)去中心化的共識(shí)機(jī)制。各個(gè)區(qū)塊主體在時(shí)間維度上形成了區(qū)塊鏈，行間鏈路表示區(qū)塊主體之間的互聯(lián)，增強(qiáng)了信息的可追蹤性和安全可靠性。目前區(qū)塊鏈技術(shù)在金融、物流、工業(yè)制造、醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

1.1 算力網(wǎng)絡(luò)中的算力交易

一般情況下，在線交易系統(tǒng)采用的是中心化交易模式。售賣方的信息、交易記錄等數(shù)據(jù)由特定的第三方平臺(tái)存儲(chǔ)和管理，交易雙方充分信任此第三方平臺(tái)。在算力網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，算力交易也可以采用中心平臺(tái)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 算力交易通用交易模型

如圖1所示，第三方構(gòu)建算力網(wǎng)絡(luò)交易中心平臺(tái)。算力需求方在平臺(tái)瀏覽所有算力提供方的資源信息，并進(jìn)行選擇；隨后，根據(jù)算力價(jià)格進(jìn)行訂購(gòu)結(jié)算，并在算力資源池進(jìn)行計(jì)算業(yè)務(wù)；算力服務(wù)合同到期后，需求方卸載算力業(yè)務(wù)，釋放資源。隨著算力業(yè)務(wù)的不斷增加，不同的需求方與不同的算力資源提供方之間的交易量也在不斷增加，中心平臺(tái)運(yùn)行和維護(hù)工作的復(fù)雜度和成本也越來(lái)越高。如果有攻擊方對(duì)中心平臺(tái)發(fā)起攻擊，包括截獲、篡改、偽造交易信息，或?qū)ζ脚_(tái)發(fā)起拒絕服務(wù)的攻擊，將導(dǎo)致交易停止，造成難以估量的損失。

1.2 基于區(qū)塊鏈的算力交易

如前所述，區(qū)塊鏈采用分布式賬本的方式，以鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)交易信息，并將信息保存在所有上鏈節(jié)點(diǎn)中。去中心化的部署特點(diǎn)可以很好地解決集中部署算力交易平臺(tái)中運(yùn)維成本高的問(wèn)題。同時(shí)，分布部署以及鏈?zhǔn)降臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)模式，也顯著增加了攻擊方的攻擊難度和成本?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的算力交易體系不再建設(shè)中心交易平臺(tái)，算力資源池構(gòu)建區(qū)塊鏈（聯(lián)盟鏈或私有鏈）、交易數(shù)據(jù)上鏈存儲(chǔ)，參考模型如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的算力交易結(jié)構(gòu)模型

在圖2中，算力網(wǎng)絡(luò)為算力需求方和算力資源方提供了算力服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。算力資源方構(gòu)建了算力區(qū)塊鏈，算力需求方則在鏈上對(duì)各個(gè)算力資源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源瀏覽、交易歷史查詢、資源價(jià)格評(píng)價(jià)，以及算力交易、結(jié)算。所有的交易過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在每個(gè)鏈節(jié)點(diǎn)，不再需要中心平臺(tái)，因此任一節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)的交易數(shù)據(jù)，且任何數(shù)據(jù)都是真實(shí)不可篡改的。

2 智能合約結(jié)合區(qū)塊鏈的算力交易方案設(shè)計(jì)

2.1 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈鏈上的數(shù)據(jù)是公開透明的，所有用戶都可以查看。算力交易會(huì)引起商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，甚至?xí)饜阂夤?，這就會(huì)產(chǎn)生攻擊節(jié)點(diǎn)與正常節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)塊的生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)。為確保交易的安全可信，算力需求方與資源提供方都要首先向第三方的數(shù)字證書簽發(fā)機(jī)構(gòu)（CA）申請(qǐng)數(shù)字證書和私鑰，用于對(duì)交易結(jié)果進(jìn)行簽名確認(rèn)，之后才能進(jìn)行算力交易。

假設(shè)制造某個(gè)完整的交易流程需要產(chǎn)生個(gè)區(qū)塊，為正常節(jié)點(diǎn)制造下一個(gè)區(qū)塊的概率，為攻擊節(jié)點(diǎn)制造下個(gè)區(qū)塊的可能性。作為正常交易，值大于。再假設(shè)，攻擊方要偽造一條攻擊鏈，需要產(chǎn)生個(gè)區(qū)塊才能取代誠(chéng)實(shí)鏈，那么攻擊方成功替換誠(chéng)實(shí)鏈的概率如公式（1）和（2）。

從公式（1）和（2）可看出，區(qū)塊數(shù)越多，P就會(huì)越小，攻擊難度就會(huì)越大。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)交易區(qū)塊時(shí)，盡量使用多區(qū)塊來(lái)描述一個(gè)算力交易。本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)了4種交易區(qū)塊，從而構(gòu)建一個(gè)完整的交易過(guò)程。

公式（3）—（5）中，分別是區(qū)塊鏈生產(chǎn)及驗(yàn)證的時(shí)間。其中，、分別是生產(chǎn)和驗(yàn)證的系數(shù)，和分別是每個(gè)區(qū)塊的數(shù)據(jù)容量和傳輸帶寬，而則為區(qū)塊的驗(yàn)證時(shí)間。在生產(chǎn)區(qū)塊時(shí)，需要用戶的私鑰生成簽名，因此攻擊節(jié)點(diǎn)需要額外的大量時(shí)間來(lái)偽造用戶簽名，從而難以與正常節(jié)點(diǎn)爭(zhēng)奪區(qū)塊生產(chǎn)權(quán)。

圖3—6定義了4種區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這4種區(qū)塊構(gòu)建了完整的算力交易流程。

圖3 算力交易區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1——需求方瀏覽記錄

圖4 算力交易區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2——需求方算力資源訂購(gòu)申請(qǐng)

圖5 算力交易區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)3——算力交易成功記錄

圖6 算力交易區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4——算力資源使用體驗(yàn)評(píng)分

（1）需求方瀏覽記錄區(qū)塊：用戶每次登錄算力資源節(jié)點(diǎn)，對(duì)該節(jié)點(diǎn)所能提供的資源、歷史記錄以及用戶評(píng)分情況進(jìn)行瀏覽，而瀏覽記錄形成區(qū)塊。

（2）需求方訂購(gòu)算力申請(qǐng)區(qū)塊：需求方確定使用該節(jié)點(diǎn)的算力資源后即可下訂單，并根據(jù)資源方的架構(gòu)，形成交易金額，然后向資源方提出申請(qǐng)。

（3）算力交易成功記錄區(qū)塊：資源節(jié)點(diǎn)收到需求方的訂購(gòu)請(qǐng)求后，對(duì)資源需求和價(jià)格進(jìn)行確認(rèn)，然后簽訂合約。

（4）需求方對(duì)算力資源使用體驗(yàn)進(jìn)行評(píng)分的區(qū)塊：在完成算力服務(wù)后，需求方對(duì)資源方提供的服務(wù)進(jìn)行評(píng)分，包括總分以及分項(xiàng)評(píng)分。這4種區(qū)塊結(jié)構(gòu)的字段內(nèi)容是相互關(guān)聯(lián)的。

·交易類型：具體包括ConType_1、ConType_2、ConType_3、ConType_4，分別代表上述的4類區(qū)塊。

·交易序列號(hào)：區(qū)塊的標(biāo)識(shí)號(hào)，其中ConType_2、Con-Type_3、ConType_4的序列號(hào)與最近的ConType_1的區(qū)塊序列號(hào)一致，表明這是一項(xiàng)交易的4個(gè)連續(xù)動(dòng)作所產(chǎn)生的記錄。

·用戶證書ID：即需求方數(shù)字證書的ID號(hào)，任何人都可以通過(guò)該ID號(hào)在CA的輕型目錄訪問(wèn)協(xié)議（LDAP）站點(diǎn)獲取該用戶的數(shù)字證書，以對(duì)該用戶的簽名進(jìn)行驗(yàn)證。

·用戶簽名：用戶用自身的私鑰對(duì)記錄的哈希值進(jìn)行加密簽名。

·算力節(jié)點(diǎn)ID：算力資源節(jié)點(diǎn)的身份信息，通過(guò)該ID號(hào)可以檢索資源節(jié)點(diǎn)的公鑰。

·交易時(shí)間：用戶在算力資源節(jié)點(diǎn)生成記錄的時(shí)間。

·算力需求表：在ConType_2、ConType_3兩種類型區(qū)塊中存在。需求方瀏覽算力資源節(jié)點(diǎn)，選擇符合自身需求的算力資源以及使用周期，形成需求列表。

·交易金額：在ConType_2、ConType_3兩種類型區(qū)塊中存在，是用戶訂購(gòu)算力資源的使用費(fèi)用。

·算力單項(xiàng)評(píng)分：用戶訂購(gòu)并使用算力資源后，進(jìn)行業(yè)務(wù)卸載，再對(duì)每項(xiàng)資源的使用效果進(jìn)行打分；

·算力總體評(píng)分：用戶對(duì)算力分項(xiàng)進(jìn)行評(píng)分后，對(duì)所有分項(xiàng)進(jìn)行加權(quán)累計(jì)形成一個(gè)最終評(píng)分值。算力效果評(píng)分和單項(xiàng)評(píng)分都可被其他用戶瀏覽。該評(píng)分為潛在需求方提供決策參考，同時(shí)也對(duì)資源提供方起到督促作用。

·算力節(jié)點(diǎn)簽名：在ConType_2、ConType_3兩種類型區(qū)塊中存在，對(duì)提供的算力資源和價(jià)格進(jìn)行確認(rèn)。

2.2 基于智能合約與區(qū)塊鏈的算力交易模型

1996年，SZABO首次提出了智能合約。智能合約被定義為數(shù)字合約條款，無(wú)須第三方干預(yù)，合約的代碼經(jīng)過(guò)認(rèn)證后嵌入?yún)^(qū)塊鏈中，在一定條件下觸發(fā)便可自動(dòng)執(zhí)行。智能合約可以確保所有節(jié)點(diǎn)的算力交易過(guò)程具有一致性以及可靠性。上述的4種區(qū)塊類型，都由智能合約來(lái)完成生產(chǎn)。本文提出的區(qū)塊鏈結(jié)合智能合約的算力交易方案模型如圖7所示。

圖7 基于區(qū)塊鏈智能合約的算力交易模型

圖7中，灰色框部分即為智能合約的可執(zhí)行功能。這些功能與相關(guān)用戶接口（UI）界面協(xié)同，在算力需求方通過(guò)界面進(jìn)行資源瀏覽、下單、簽約及資源使用評(píng)價(jià)等操作時(shí)，即可觸發(fā)智能合約的代碼運(yùn)行。智能合約也分為四大模塊，同時(shí)分別輸出4種區(qū)塊數(shù)據(jù)。

（1）需求方（用戶）登錄算力資源節(jié)點(diǎn)，通過(guò)UI界面瀏覽節(jié)點(diǎn)的算力資源、使用的歷史記錄以及評(píng)價(jià)，從而觸發(fā)智能合約。合約通過(guò)界面獲取用戶的證書ID，對(duì)瀏覽記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，并輸出形成區(qū)塊數(shù)據(jù)。區(qū)塊類型為ConType_1，用戶簽名（UserSign）方式如下：

用戶簽名內(nèi)容包括交易序列號(hào)、交易時(shí)間以及資源節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)等，而為用戶私鑰，Hash（）為哈希運(yùn)算，可以是MD5或者是SHA1等哈希算法。

（2）用戶如接受資源的使用價(jià)格，則提出訂單申請(qǐng)。訂單包括算力資源內(nèi)容、性能數(shù)量要求以及使用時(shí)限等，訂單申請(qǐng)將觸發(fā)智能合約自動(dòng)運(yùn)行。智能合約在與用戶交互完成訂單確認(rèn)后，獲取用戶私鑰，生成訂單簽名并生產(chǎn)交易區(qū)塊。區(qū)塊類型為ConType_2，簽名形式如下：

用戶簽名的內(nèi)容包括交易序列號(hào)、交易時(shí)間、資源節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)、資源需求列表以及合約金額等，在進(jìn)行哈希運(yùn)算后用私鑰完成數(shù)字簽名。

（3）當(dāng)資源節(jié)點(diǎn)收到用戶的資源訂單時(shí)，如同意接受該訂單，則觸發(fā)智能合約自動(dòng)執(zhí)行。智能合約分別獲取節(jié)點(diǎn)私鑰和用戶私鑰，并做二重簽名（用戶簽名和節(jié)點(diǎn)簽名），然后生產(chǎn)出類型為ConType_3的區(qū)塊。用戶簽名與公式（7）一致，而節(jié)點(diǎn)簽名則只需對(duì)用戶的簽名再做一次簽名即可。

其中，為資源節(jié)點(diǎn)的私鑰。

（4）算力資源訂單到期后，用戶登錄節(jié)點(diǎn)，并對(duì)此算力服務(wù)進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分包括逐項(xiàng)評(píng)分以及總體評(píng)分。算力資源列表中包括各項(xiàng)資源，具體如公式（9）。

為算力資源節(jié)點(diǎn)提供的資源種類數(shù)量，包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存、存儲(chǔ)、硬盤輸入輸出（IO）能力、圖形處理器（GPU）以及網(wǎng)絡(luò)吞吐能力等。用戶對(duì)每一項(xiàng)資源進(jìn)行評(píng)分，智能合約觸發(fā)執(zhí)行后，打出總評(píng)分。

其中，S為某單項(xiàng)算力資源的評(píng)分，δ為該資源加權(quán)評(píng)分系數(shù)。評(píng)分完畢后，用戶私鑰進(jìn)行簽名并生產(chǎn)類型為Con-Type_4的區(qū)塊，簽名如公式（11）。

用戶簽名包括交易序列號(hào)、交易時(shí)間、資源節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)、整體評(píng)分以及單項(xiàng)評(píng)分列表。在交易過(guò)程中，由智能合約生產(chǎn)的區(qū)塊經(jīng)過(guò)區(qū)塊鏈驗(yàn)證后上鏈廣播至各個(gè)節(jié)點(diǎn)。

智能合約是條件觸發(fā)自動(dòng)執(zhí)行的，在交易系統(tǒng)和區(qū)塊鏈之間構(gòu)建了可信賴、安全的連接橋梁。在實(shí)現(xiàn)上，智能合約與節(jié)點(diǎn)的交易界面可獨(dú)立開發(fā)部署，交易系統(tǒng)的代碼不能入鏈。資源提供方自主提供UI界面，向需求方展現(xiàn)可供交易的算力資源及定價(jià)，而智能合約可以通過(guò)回調(diào)、訂閱等方式與UI界面通信，或者封裝成執(zhí)行庫(kù)被平臺(tái)調(diào)度。目前比較通用的智能合約開發(fā)語(yǔ)言包括 Solidity、Sepent、LLL等。

3 結(jié)束語(yǔ)

在算網(wǎng)融合不斷發(fā)展的大趨勢(shì)下，算力交易的關(guān)鍵技術(shù)與機(jī)制是一個(gè)很重要的發(fā)展方向。本文中，我們首先提出了一種基于智能合約結(jié)合區(qū)塊鏈的算力交易方法，充分應(yīng)用了區(qū)塊鏈去中心化以及分布式數(shù)據(jù)同步及存儲(chǔ)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將算力交易分布在各個(gè)算力資源節(jié)點(diǎn)。其次，在區(qū)塊生產(chǎn)過(guò)程中，多交易區(qū)塊的設(shè)計(jì)及加密數(shù)字簽名，能顯著提升攻擊鏈爭(zhēng)奪區(qū)塊生產(chǎn)權(quán)的難度，在降低建設(shè)及運(yùn)行成本的同時(shí)，有效提高了交易的可靠性與安全性。然后，利用區(qū)塊鏈不可篡改的技術(shù)特性，我們還設(shè)計(jì)了評(píng)分機(jī)制，幫助潛在需求方獲取算力資源節(jié)點(diǎn)運(yùn)營(yíng)歷史情況及服務(wù)質(zhì)量。最終，形成智能合約結(jié)合區(qū)塊鏈的算力交易的價(jià)值與方案。未來(lái)，我們將緊跟算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和算力交易需求的發(fā)展腳步，持續(xù)關(guān)注相關(guān)的去中心化的算力交易實(shí)現(xiàn)方案。