算力網(wǎng)絡平臺中多方算力交易技術研究

湯子健 謝高暢 唐琴琴 謝人超 黃 韜

1 中國信息通信研究院 北京 100037

2 北京郵電大學網(wǎng)絡與交換技術國家重點實驗室 北京 100876

引言

以5G、智能寬帶等為代表的新型網(wǎng)絡技術的發(fā)展和規(guī)模化的商用部署，帶動了工業(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)應用的蓬勃發(fā)展。行業(yè)應用需要大量的設備，同時還會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。算力網(wǎng)絡整合多級算力、存儲等，為不同的行業(yè)提供最佳資源分配方案，進而實現(xiàn)整網(wǎng)資源的最優(yōu)使用。2021年5月，國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等四部委提出聯(lián)合布局全國算力網(wǎng)絡國家樞紐節(jié)點的“東數(shù)西算”工程，將打通網(wǎng)絡傳輸通道，提升跨區(qū)域算力調(diào)度能力，并將算力網(wǎng)絡的發(fā)展和應用提升到了國家發(fā)展戰(zhàn)略的高度[1]。與此同時，我國新型互聯(lián)網(wǎng)交換中心IXP(Internet Exchange Point)基礎設施和關鍵技術的快速發(fā)展打通了構建跨運營商的算力網(wǎng)絡的底層通道，算力網(wǎng)絡發(fā)展趨勢逐漸加速。

算力資源需要通過算力網(wǎng)絡分配給用戶端使用，算力交易的雛形由此顯現(xiàn)。從用戶層面的算力交互逐漸發(fā)展為商用場景下的算力資源交易，算力交易讓算力市場真正煥發(fā)出蓬勃活力，實現(xiàn)了算力資源靈活化、便捷化的調(diào)用方式[2]?？紤]到算力網(wǎng)絡還處在規(guī)模擴張和參與方增長的早期階段，算力網(wǎng)絡中多方算力交易技術成為了當前算力網(wǎng)絡發(fā)展的重中之重。

1 多方算力交易的需求分析

算力網(wǎng)絡依托網(wǎng)絡連接能力作為承載樞紐將算力提供給各行業(yè)并賦能各類應用，這種新興的算力應用模式產(chǎn)生了算力的需求方和供應方。面向多樣化的客戶群體，算力網(wǎng)絡利用IXP等技術融通不同區(qū)域、不同層級的算力資源，形成了一個非常復雜的算力資源交易市場。我國當前的算力網(wǎng)絡平臺主要是由IXP(由工業(yè)和信息化部直接管理的機構，是不同電信運營商之間連通各自網(wǎng)絡而建立的集中交換平臺)或電信運營商構建，算力網(wǎng)絡平臺是基于底層的算力網(wǎng)絡基礎設施構建的多方參與平臺，提供算力資源交易與算力分配使用的能力。然而，現(xiàn)有的交易機制在大規(guī)模算力網(wǎng)絡平臺中都難以原生兼容，這對算力網(wǎng)絡的規(guī)?；l(fā)展造成了困難。另外，在分布式弱信任或無信任的交易環(huán)境中，算力網(wǎng)絡交易平臺面臨著難以抵御惡意攻擊的挑戰(zhàn)，算力資源需求方和算力資源提供方面臨著難以保護隱私安全和無法保證交易順利結束等挑戰(zhàn)[3]。針對以上問題，算力網(wǎng)絡需要實現(xiàn)高效可信的交易方案，具體來說，需要通過設計算力交易保障機制，對資源提供方設立嚴格的“準入”規(guī)則并簽訂一系列合同來保證資源提供方身份和所提供算力資源的合法性；需要實現(xiàn)靈活合理的定價激勵機制以保障算力交易的公平性和活躍性；需要針對算力交易執(zhí)行、結算、記錄過程設計功能機制，最后需要在上述基本功能的基礎上，設計具體的交易實施流程，保證交易的順利進行[4]。

算力網(wǎng)絡平臺中多方算力交易技術的設計應圍繞算力交易中包括的三個主體：IXP或運營商(即算力平臺方)、算力提供方和算力需求方。IXP/運營商作為算力網(wǎng)絡平臺的控制中心，統(tǒng)一管理算力提供方和算力需求方，包括提供方和需求方的身份管理，提供方的服務注冊，整體交易流程的控制等[5]。這些機制往往通過區(qū)塊鏈機制實現(xiàn)，特別是利用聯(lián)盟鏈實現(xiàn)的算力交易體系。聯(lián)盟鏈是一種在共識的過程當中受制于預選節(jié)點的區(qū)塊鏈，有若干個機構共同參與管理，每個機構都運行著一個或多個節(jié)點，其中的數(shù)據(jù)只允許系統(tǒng)內(nèi)不同的機構進行讀寫和發(fā)送交易，由于聯(lián)盟鏈的這種特性既可以保證一定范圍內(nèi)的隱私性，又可以避免過于“中心化”，因此被用于設計算力網(wǎng)絡的可信交易機制[6]?？偟膩碚f，基于區(qū)塊鏈相關的共識機制、激勵機制、合約機制進一步優(yōu)化算力交易技術是當前的發(fā)展趨勢。

2 多方算力交易平臺的基礎功能

2.1 算力交易模塊化功能

算力交易平臺是在算力網(wǎng)絡中基于多方算力交易技術構建的處理算力交易全過程的一體化平臺。大規(guī)模算網(wǎng)交易平臺中的算力交易是一個復雜的過程，涉及接入控制、定價激勵、交易執(zhí)行、交易結算、交易記錄等五大基礎功能的協(xié)同實現(xiàn)。上述基礎功能的整體邏輯如圖1所示，它們之間的配合和協(xié)同驅(qū)動了算力交易平臺的模塊化實現(xiàn)以及支撐了多方算力交易的流程機制。本章中接下來的各小節(jié)將詳細地介紹當前基于模塊化思想的算力交易平臺中各基礎功能的具體實現(xiàn)。

圖1 多方算網(wǎng)交易平臺基礎功能邏輯圖

2.2 算力交易接入控制

算力交易機制首先需要實現(xiàn)的基礎功能是接入控制能力，主要可以分為兩個部分：算力交易新用戶的準入和算力交易用戶的操作鑒權。

2.2.1 算力交易新用戶的準入

在算力交易的準入過程中主要考慮兩種身份的用戶：算力提供方和算力需求方。兩種用戶均需要經(jīng)過節(jié)點注冊和身份校驗等過程，其中算力交易新用戶的準入過程如圖2所示，具體流程如下。

圖2 算力交易新用戶準入流程圖

1)用戶申請加入算力交易平臺，向安全準入模塊提交用戶基本信息。

2)用戶身份驗證模塊通過用戶注冊信息審核進行用戶身份的驗證。

3)驗證通過后，節(jié)點初始化模塊為用戶創(chuàng)建系統(tǒng)賬號。

4)節(jié)點初始化模塊協(xié)助用戶完成節(jié)點初始化并為其分配操作權限，包括算力提供方服務注冊權限或算力需求方意圖輸入權限。

5)用戶節(jié)點注冊模塊為其分配一對公私鑰。

6)經(jīng)過這一系列用戶注冊加入平臺步驟后，將用戶賬號、用戶權限信息、用戶公鑰等信息存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以提供給之后用戶登錄及操作時進行身份鑒權。

7)返回算力交易平臺用戶注冊成功或失敗信息。

2.2.2 算力交易用戶的操作鑒權

根據(jù)算力交易用戶身份的不同，將操作鑒權分為兩個部分：算力提供方鑒權和算力需求方鑒權。其中算力提供方在加入算力交易平臺后，需先向該平臺提交資源注冊申請，之后才可以提供算力資源，在此過程中平臺需對算力提供方進行身份驗證和權限校驗，如圖3所示，具體流程如下。

圖3 算力提供方用戶鑒權流程圖

1)算力提供方向算力交易平臺提出算力資源注冊申請。

2)用戶需要在進行算力資源注冊時，通過安全接入模塊向系統(tǒng)提交資質(zhì)信息，并使用注冊時所分配的用戶私鑰對提交的資質(zhì)信息進行簽名。

3)用戶身份驗證模塊通過與數(shù)據(jù)庫中在用戶注冊階段預先存儲的權限信息進行對比，并對用戶提交的資質(zhì)信息進行校驗，驗證通過后為其頒發(fā)證書。

4)區(qū)塊鏈模塊對算力提供方提交的算力資源資質(zhì)證書進行校驗。

5)校驗通過，算力提供方將作為新的區(qū)塊鏈節(jié)點加入。

6)算力提供方進行算力資源注冊。

7)注冊的算力資源信息將存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

8)返回算力提供方注冊成功或失敗信息。

對于算力需求方，在其加入算力交易平臺后，需要選擇是否立即進行算力交易意圖輸入。當算力需求方進行算力交易意圖輸入時，首先要完成登錄步驟，且身份核驗通過，方能向交易平臺輸入算力交易意圖，并被進一步分析識別，該過程如圖4所示，具體流程如下。

圖4 算力需求方用戶鑒權流程圖

1)算力需求方使用在注冊階段申請到的系統(tǒng)賬號登錄到算力交易平臺。

2)用戶身份驗證模塊對算力需求方進行身份核驗。

3)核驗通過后，算力需求方能夠向該系統(tǒng)輸入算力交易意圖。

4)返回算力需求方的交易意圖輸入完成或校驗失敗等信息。

2.3 算力交易定價激勵

算網(wǎng)交易平臺中的定價激勵包含如圖5所示的三個過程：基于歷史影響因子的博弈定價、有節(jié)點加入或退出時更新定價、交易完成更新影響因子后更新定價[7]。具體來說，當算力提供方與算力平臺方進行初始化定價博弈時，算力平臺方將根據(jù)地區(qū)、熱度、聲譽值等方面的歷史影響因子進行資源評估定價；由于多個算力提供方之間是競爭關系，在與平臺方博弈的過程中也必須考慮其他算力提供方的影響，因此當有新的算力提供方加入或退出時，算力平臺方與算力提供方將重新進行一輪博弈，從而根據(jù)最新情況更新定價；同時，歷史影響因子不是一成不變的，當每次與算力需求方的算力交易完成后，將根據(jù)算力需求方的一些狀態(tài)數(shù)據(jù)更新影響因子，之后算力平臺方將與算力提供方進行新一輪博弈，根據(jù)最新的影響因子情況更新定價。

圖5 算力交易定價激勵邏輯圖

2.4 算力交易執(zhí)行

算力交易執(zhí)行機制包括合同簽訂和交易啟動等過程，其中交易啟動具體指計費計量能力的啟動，算力需求方據(jù)此可以與算力交易平臺簽訂合同購買算力資源。

算力需求方在算力交易執(zhí)行階段可以獲知合同名稱、算力提供方和算力需求方的名稱、合同內(nèi)容描述和合同金額等信息，并將進行包括用戶身份認證、算力資源核查、交易合同校驗等多層校驗的在線驗證流程，共同保障算力資源交易的安全可信。用戶身份認證是通過算力需求方在算力交易平臺的注冊信息來完成核驗，算力資源核查是通過算力提供方提交至區(qū)塊鏈的算力資源資質(zhì)信息來完成校驗，交易合同校驗則是通過將合同信息進行Hash加密后，與區(qū)塊鏈所存儲的已有交易合同Hash進行比對，當區(qū)塊鏈上沒有能與之匹配的合同Hash時，則表示該交易合同是可信的，避免出現(xiàn)同一個合同多次執(zhí)行的現(xiàn)象。

在完成合同在線校驗后，算力需求方可以進行合同簽訂流程，以自己的私鑰對合同進行簽名，將該合同存儲在算力交易平臺數(shù)據(jù)庫中。同時，在算力交易平臺中有必要將算網(wǎng)交易合同在區(qū)塊鏈中也進行存儲，這樣交易結算階段從算力交易平臺數(shù)據(jù)庫查找到對應的交易合同后，可以與在區(qū)塊鏈中的合同信息進行對比，來驗證數(shù)據(jù)庫中的交易合同是否被篡改。另外，為了減小算力交易平臺運行區(qū)塊鏈的壓力，在區(qū)塊鏈中只存儲合同信息的Hash值。通過將交易合同的Hash值打包發(fā)布到區(qū)塊鏈上，生成區(qū)塊鏈存儲的方式，用于在交易結算過程中的防篡改驗證，以及合同的在線校驗過程中的唯一性驗證[8]。

2.5 算力交易結算

在進行算力交易結算中的合同校驗流程時，合同的Hash值將與區(qū)塊鏈存儲的Hash值進行比對，進行防篡改驗證實現(xiàn)可信交易。針對此過程需要更進一步地利用聲譽系統(tǒng)和區(qū)塊鏈校驗以實現(xiàn)結算的可信保障流程，如圖6所示，具體流程如下。

圖6 算力交易結算流程圖

1)首先通過平臺的算力交易感知模塊，實現(xiàn)對算力交易情況的感知，獲得算力交易完成狀態(tài)消息。

2)算力交易平臺基于算力交易感知模塊根據(jù)其對于算力提供方資源的持續(xù)監(jiān)控情況，對此次算力資源提供過程給出一個客觀評分。

3)算力需求方根據(jù)算力提供方資源對其需求的滿足響應情況，對此次算力資源提供過程給出一個主觀評分。

4)算力交易平臺綜合主觀評分和客觀評分，對其設置不同的權重，通過加權平均的方式，獲得一個綜合分數(shù)。

5)該分數(shù)將作為算力提供方新的聲譽評分存儲到算力交易平臺數(shù)據(jù)庫中。

6)算力交易平臺將對自身數(shù)據(jù)庫中所存儲的算力交易合同求Hash值，并與區(qū)塊鏈所存儲的合同Hash進行比對，完成算力交易合同校驗。

7)校驗完成后通過算力交易結算模塊完成對算力提供方的金額結算。

2.6 算力交易記錄

算力交易平臺需要統(tǒng)計當前系統(tǒng)中的交易情況，包括交易名稱、交易內(nèi)容、交易雙方信息以及交易時間和交易金額等，并對交易所處的狀態(tài)進行不同的標注。同時，算力交易平臺需要滿足算力提供方和算力需求方的差異化交易記錄需要，即分別為其呈現(xiàn)與自身相關的交易記錄情況，提供定制化的交易記錄服務[9]。

算力交易記錄不僅提供上述的交易查詢功能，還需要提供合同查看功能，提供對用戶的所有合同信息的記錄和展示，包括合同名稱、合同類型、合同雙方信息、簽訂時間以及合同金額等[10]。

3 多方算力交易機制的實現(xiàn)流程

3.1 算力交易準備階段

算力交易準備階段包括算力需求方和算力提供方用戶的接入認證、服務注冊、定價博弈等綜合過程，其機制流程如圖7所示。

圖7 算力交易準備階段流程圖

首先，兩方分別在算力交易平臺完成身份注冊，算力需求方注冊完成后可以進行算力交易意圖輸入，進入到算力交易執(zhí)行過程；算力提供方注冊完成后，需進行算力資源注冊，注冊完成后平臺為其頒發(fā)證書，算力提供方作為節(jié)點加入到算網(wǎng)交易平臺區(qū)塊鏈中；算力提供方與算力平臺方根據(jù)歷史影響因子進行資源定價的博弈過程最終確定一個價格；算力交易平臺方持續(xù)對算力提供方的資源進行監(jiān)控；每當有新節(jié)點加入，算力提供方與算力平臺方進行多對一博弈更新定價；同時每當一場算力交易完成，算力交易平臺方更新影響因子，并與算力提供方進行博弈更新定價。

3.2 算力交易進行階段

算力交易進行階段的大致流程如圖8所示，包括了意圖感知、需求分析、策略選擇、合同簽訂、交易執(zhí)行、交易評分、交易結算等過程。

圖8 算網(wǎng)交易進行階段流程圖

首先，算力需求方在平臺輸入算力交易意圖，算力平臺方針對其意圖進行場景指標分析推薦和算力配置推薦。算力需求方若對平臺所呈現(xiàn)的指標和配置不滿意則可以進行自定義修改，算力平臺方根據(jù)算力需求方意圖返回算力資源規(guī)格列表，算力需求方可通過一定的策略進行篩選并最終選定所需的算力資源。

算力平臺方提供電子合同的在線簽訂入口，算力需求方簽署合同并以自己的私鑰進行簽名。之后算力平臺方通知算力提供方進行資源調(diào)度，該合同將由平臺數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈進行雙重存儲，其中區(qū)塊鏈存儲的內(nèi)容是該合同的Hash值。此步驟完成后，算力提供方就向算力需求方提供算力資源。

資源交易周期完成后算力需求方對算力提供方的資源提供過程進行主觀評分，算力平臺方根據(jù)對算力交易的實時感知情況，對算力提供方的資源提供過程進行客觀評價，并將綜合這兩個評分加權得到最終評分作為算力提供方新的聲譽評分。算力平臺方通過本地數(shù)據(jù)庫存儲的交易合同Hash值與區(qū)塊鏈上存儲的合同Hash值進行比對，從而完成交易合同校驗，防止交易合同被篡改。最后，算力平臺方將根據(jù)交易合同對算力提供方的服務進行金額結算。

4 總結與展望

算力交易是算力網(wǎng)絡不斷發(fā)展并走向成熟化的重要推手，本文著重研究了算力網(wǎng)絡平臺中多方算力交易技術。首先分析了多方算力交易的需求并探討了其技術發(fā)展趨勢，之后詳細地對算力交易平臺中接入控制、定價激勵、交易執(zhí)行、交易結算、交易記錄這五大模塊化基礎能力的邏輯關系和實現(xiàn)機制進行了分析和討論，最后研究了基于五大基本功能的多方算力交易機制的實現(xiàn)流程。不過，在大規(guī)模的算力網(wǎng)絡中實現(xiàn)靈活且公平的多方算力交易仍然任重而道遠，需要業(yè)界共同針對多方算力交易技術展開進一步研究，完善算力交易平臺的各項基礎功能和算力交易流程，以推動我國算力網(wǎng)絡技術與生態(tài)的持續(xù)演進。