一种面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法

本发明属于物联网应用、近似算法、分布式系统领域，特别涉及一种面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法。

背景技术：

1、为了加快构建全国一体化大数据中心体系，强化算力统筹智能调度，算力交易成为建设数字基础设施的重要抓手。因此，迫切需要提升算力交易水平，以确保资源高效利用。

2、目前的算力交易系统有几种情况：1、买家与卖家协商交易，这种情况不够自动化，每次的交易都需要买家和卖家同时在线协商，在现在网络数字化的形势下，过于笨拙。

3、2、自动化的算力交易，算力卖家将算力交到算力中心统一管理，由算力中心统一调度交易算力。对于这种完全中心化的算力交易方式算力交易中心可能会欺骗客户，不能够得到完全的信任。

4、3、使用区块链的方式去中心化的算力交易，这样可以达到信任，但是效率低下，因为区块链需要全网达成共识，随着节点的不断增加，交易成本会逐渐升高。所有人均有数据的读取权限，数据的安全和隐私受到一定的挑战。

5、对于未来的算力网络，数据驱动和动态算力共享方案可以显着提高算力资源的利用率和效率。然而，传统集中式架构的资源共享方案通常被认为是不透明、成本高昂且容易受到潜在攻击和单点故障的影响；同时，如何在地域和时限约束下保证真实性和预算平衡是算力共享系统配置和定价设计的重要问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提出了一种基于区块链的动态算力共享方案，旨在通过提供去中心化、透明性、不变性和可审计性等理想功能来增强系统。通过考虑区块链融入算力共享系统时的地域和时间局部性约束和“全有或全无”原则，开发了一种基于真实的、预算平衡的双向拍卖机制来激励算力共享，其中还考虑了算力资源的时变估值以及算力交易双方随时间的动态变化特性。所提出的拍卖机制可以与区块链平台上的智能合约集成。最后，提供仿真结果来验证所提出的双向拍卖机制满足预算平衡、个体理性和真实性的特性。

2、为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，所述方法具体包括如下步骤：

4、步骤1：对基于区块链的可信算力交易场景进行设计和数学建模，基于组合双向拍卖，建立包含算力交易双方的可信算力交易系统结构，以确保算力交易的可靠性和扩展性；

5、步骤2：综合考虑算力资源估值随时间的变化以及算力交易双方随时间的动态变化特性，为真实交易场景建模；

6、步骤3：基于算力交易时的多约束特性，如时间约束、地域约束、资源约束等，为真实算力交易场景建模；

7、步骤4：提出了双向拍卖机制作为市场化的方式来完成算力资源在算力交易双方之间的分配，为所提拍卖机制设计具体拍卖流程；

8、步骤5：将所提拍卖机制与区块链智能合约机制相集成，确保交易的可靠性以及自动化特性。

9、进一步地，所述步骤1中，所述可信算力交易系统结构如下：

10、在区块链网络中，算力请求者将任务卸载到相邻的边缘服务器，即算力提供者，以减少处理延迟并提高系统可靠性；

11、由于延迟限制和无线传输范围有限，算力请求者更愿意与附近的算力提供者进行交易；

12、此外，由于算力请求者和算力提供者之间的距离较短，主要的服务延迟是由于处理延迟造成的。

13、在每个算力交易时段中，充当拍卖师的代理都会启动记录rsa加密公钥的智能合约；

14、用户支付一定金额的押金(以金钱或任何其他代币的形式)，经认证机构验证后，将被允许参与区块链；

15、如果发生欺诈，节点产生的押金将被没收。

16、算力提供商和用户的典型交易流程描述如下：空闲算力资源的信息可以由算力提供者记录在星际文件系统中；算力资源信息的哈希地址被创建并记录在智能合约中；竞价过程结束后，每个代理根据匹配和拍卖结果安排计算资源；投标信息和分配结果由代理存储在ipfs中，哈希地址从ipfs记录到区块链中；通过与智能合约交互，用户和其他代理可以从ipfs中获取哈希地址、分配结果和竞价信息；分配方案可根据招标数据进行验证；根据验证结果，区块链节点将投票确定分配方案，智能合约将收集提交的选票并决定是否接受分配方案；智能合约将按照经过验证的分配方案自动完成交易过程。

17、进一步地，所述步骤2中，所述综合考虑算力资源估值随时间的变化以及算力交易双方随时间的动态变化特性，为真实交易场景建模，包括如下内容：

18、算力交易场景中的动态特性，用算力共享系统框架的时隙来表示，以体现拥有丰富计算资源的物联网设备充当中央控制器(即代理)，协调大量数据(例如，时间、位置、速度、计算/通信资源)来管理算力资源交易的过程。

19、令t表示时隙集，t＝{t|0≤t≤|t|}，在每一时间段拍卖双方可能会发生变化，比如用条纹柱表示与cd交易的cp；在t＝0时隙到t＝1时隙中，与cd交易的cp可能会发生变化。

20、其中，拍卖参与者的角色如下：

21、令i＝{1,…,i,…,m}是算力请求者cd的集合，其中i、m是大于等于1的整数。在t时隙中，每个cdi作为买家向代理提交出价向量bi(t)＝{di(t),bi(t),(χi(t),δi(t))}；这里di(t)表示cdi在t时隙内所需算力资源的单位，bi(t)是这些资源的投标价格，(xi(t),δi(t))是cdi的经纬度。然后，cdi接收来自算力交易平台的拍卖结果并向相应的中标cpj发送请求，其中，j是大于等于1的整数。算力请求者cdi需要向平台支付完成其任务对应的费用。

22、在该模型中，计算任务是可划分的，可以根据具体的应用特点进行划分。为了简单起见，这里将计算任务制定为多个算力资源单元，并且这些算力资源以单元的形式进行划分。确定获胜者后，cdi与多个获胜cp进行通信，每个cpj执行其部分任务。

23、设j＝{1,…,j,…,n}是cp的集合，它们是提供计算密集型服务的轻量级数据中心。由于能力有限，cp可能无法完成分配的所有任务。因此，在每次拍卖开始时，每个cpj作为卖家提交一个要价向量aj＝{sj(t),aj(t),(γj(t),βj(t)),λj}公布自己拥有的算力资源，其中sj(t)表示cpj在t时隙内可用算力资源的单位，aj(t)是cpj单位算力资源的要价，(γj(t),βj(t))为cpj的经纬度，λj为cpj的覆盖半径。然后，它接收来自算力交易平台的拍卖结果并接受中标cd的请求。cp向平台收取执行任务的费用。此时，一个cp可以为多个cd服务，一个cd也可以由多个cp服务。

24、算力请求者对算力资源的评估随着时间的推移而变化。算力请求者的算力需求也是动态的，不同时间有不同级别的算力资源需求，定义为算力资源需求程度。具体来说，将时隙t的算力请求者cdi的需求程度表示为此外，认为不同的算力请求者根据信道的容量对不同的信道有不同的价值和偏好。根据信道接入历史数据获得的信道质量来定每个cd的体验概念。cdi关于通道j的经验记为时隙t通道上每个cd的估值成为需求和经验的平稳函数。不失一般性，假设所有cd的估值都遵循相同的估值函数。虽然估值函数是所有cd共享的，但该函数的参数是cd的私有值。将通道j在时隙t的cdi的估值定义为：

25、

26、其中，是通道j的带宽。

27、在算力提供者方面，cp也对其闲置算力资源进行了估值。用户通过估价产生出价，并将其出价作为订单信息提交给区块管理器。同样，待租用算力资源的每个cpj的估值定义如下：

28、

29、接下来对算力交易双方链路上的数据传输进行建模。时隙t时从cdi到cpj的传输速率ri,j(t)由下式表示：

30、

31、

32、其中，tpi为cdi的发射功率，hi,j(t)为cdi和cpj在时隙t的信道增益，σ2为噪声功率。

33、进一步地，所述步骤3中，所述基于算力交易时的多约束特性，如时间约束、地域约束、资源约束等，为真实算力交易场景建模，包括如下内容：

34、算力交易场景中的多约束特性，共包含三个约束：

35、a.地域约束

36、当cpj(作为卖方)与cdi(作为买方)在时隙t的欧氏距离dij(t)不大于λj时，有资格匹配cdi(作为买方)，满足：

37、

38、其中，λj为地域约束因子。

39、b.时间约束

40、cpj与cdi在时隙t的数据传输时间不能超过cdi完成计算任务所需要的时间，满足：

41、

42、其中，τj为时间约束因子。

43、c.“全有或全无”原则

44、只有当cpj有资格匹配cdi，即cpj拥有足量cdi所需的算力资源时，cpj和cdi之间的交易才有效，满足：

45、

46、其中，ηij(t)表示在时隙t时cpj是否有资格向cdi提供算力资源。如果cpj有资格向cdi提供计算资源，则ηij(t)＝1；否则，ηij(t)＝0。zij(t)为cpj和cdi之间交易的算力资源单位。

47、进一步地，所述步骤4中，所述拍卖机制如下所述：

48、双向拍卖的算力资源配置包括获胜者确定和定价确定两个阶段，其首要经济目标是在局部约束下实现社会福利最大化。

49、设x(t)＝(x1(t),…,xi(t),…,xm(t))和分别是时隙t时cd的分配向量和支付向量，其中xi(t)＝1(或0)表示cdi赢得(或输掉)拍卖，是cdi对平台的支付。

50、设y(t)＝(y1(t),…,yj(t),…,yn(t))和分别是时隙t时cp的分配向量和奖励向量，其中yj(t)是从cpj出售的算力资源单位，是cpj提供yj(t)单位算力资源的奖励。设zij(t)为时隙t时cpj和cdi之间交易的算力资源单位。

51、cpj的效用是它收到的奖励减去所提供算力资源的真实成本，即：

52、

53、cdi的效用是指cdi所请求资源的真实估值减去其应支付的价格，即：

54、

55、cdi(cpj)的真实估价(成本)vi(cj)表示cdi(cpj)想要购买(出售)所请求(提供)的算力资源的最大(最小)价格。如果拍卖不真实，就会导致投标(要价)bi(aj)不等于vi(cj)。

56、社会福利是cd效用、cp效用和平台效用的总和，定义为：

57、

58、进一步地，所述步骤5中，所述将所提拍卖机制与区块链智能合约机制相集成包括如下内容：

59、令ηij(y)表示在时隙y时cpj是否有资格向cdi提供算力资源。如果cpj有资格向cdi提供计算资源，则ηij(t)＝1；否则，ηij(t)＝0。如果所有cd和cp真实出价/要价，即bi(t)＝vi(t)并且aj(t)＝cj(t)，可以表示为整数线性规划问题，即：

60、

61、

62、

63、

64、

65、

66、第一个约束确保所有cd的投标不可分割。第二个约束意味着每个cp提供与其拥有的算力资源一样多的数量。第三个约束表明，只有当cpj有资格匹配cdi时，cpj和cdi之间的交易才有效。第四个和第五个约束表明xi(t)和yj(t)是整数，并且yj(t)不能超过sj(t)。它的复杂性随着参与者(即cd和cp)的增长而呈指数级增长。

67、为了降低计算复杂度，对方程进行lp松弛，即：

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69、

70、

71、

72、

73、

74、为了解决上述问题，需要确定获胜者集合，包括cd和cp，cd的支付和cp的奖励，同时保证上述三个经济属性，即真实性、预算平衡和个体理性。

75、在分配中，使用填充概念来避免潜在的不诚实的出价/要价行为。引入虚拟填充向量qk是为了故意在供应可用性和需求要求之间造成不平衡。填充向量的使用增加了cd请求的算力资源总量，加剧了cd和cd的竞争，导致购买价格更高，交易量减少，销售价格降低。这有利于诚实和预算平衡。此外，当多个参与者提交相同的出价或要价时，最优解决方案可能不是唯一的。为了选择唯一的最优解决方案，使用扰动技术来得到最终的结果。问题定义可以用下式来表示。

76、

77、

78、

79、

80、

81、

82、利用基于临界值的定价策略和基于vcg的定价策略分别确定cd的支付和cp的奖励，同时保持真实性、预算平衡和个人理性。这里vcg指的是策略证明的vickrey-clarke-groves定价机制，其中参与者的效用等于其对整个系统的增量贡献。

83、(1)临界值

84、对于每个cdi，其临界值被定义为它可以出价的最低价格，同时满足x″i(t)＝1。如果其他人的出价不变，则表示为：

85、

86、(2)vcg价格

87、给定cd集i″和cp集j，cpj的vcg价格定义为：

88、

89、其中，sw(i″,j\{j})是cpj缺席拍卖时的社会福利。

90、形式上，cdi在拍卖中的支付为：

91、

92、最后，根据基于vcg的策略确定cp从平台获得的奖励。这样，对cpj的奖励表示为：

93、

94、其中，和代表lp(i″,j)的解。

95、本发明的有益效果是：

96、本发明提出的一种基于区块链的算力服务网络可信资源交易方法能够有效刺激分布式物联网设备参与算力交易，解决分布式物联网设备参与度不足的问题，并使算力请求者获得充足的算力资源；本发明提出的基于区块链的可信算力交易系统，能够实现去中心化、隐私性和安全性；本发明通过对算力交易双方应用反向拍卖机制，利用集中式算力服务器作为辅助算力获取手段，为算力请求者和算力提供者提出了一种反向拍卖和基于区块链的最优算力交易方法；本发明提出的算力交易方法基于区块链的智能合约进行了具体协议设计，具有完备性和可行性，能够适用于大部分区块链系统，并保证用户的隐私性；本发明将算力交易数据存储在ipfs中，并引入差分隐私提交出价和两阶段支付手段以提高算力交易的可扩展性、效率和可靠性；本发明引入集中式算力服务器作为算力交易补充手段与优化手段，使区块链和拍卖性能指标(例如交易效率、消费者利润和收敛性)得到提升。

技术特征：

1.一种面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，其特征在于，其所述面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，其特征在于，所述步骤1中，所述可信算力交易系统结构如下：

3.如权利要求1所述的面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，其特征在于，所述步骤2中，所述综合考虑算力资源估值随时间的变化以及算力交易双方随时间的动态变化特性，为真实交易场景建模，包括如下内容：

4.如权利要求1所述的面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，其特征在于，所述基于算力交易时的多约束特性，为真实算力交易场景建模，包括如下内容：

5.如权利要求1所述的面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，其特征在于，所述步骤4中，所述拍卖机制如下所述：

6.如权利要求1所述的面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法，其特征在于，其特征在于，所述步骤5中，所述将所提拍卖机制与区块链智能合约机制相集成包括如下内容：

技术总结
本发明属于物联网应用、近似算法、分布式系统领域，提供一种面向算力网络的算力资源组合双向拍卖区块链方法。首先对基于区块链的可信算力交易场景进行设计和数学建模，基于组合双向拍卖，建立一种基于区块链的动态算力共享方案，以确保算力交易双方之间算力交易的可靠性和扩展性；其次通过考虑区块链融入算力共享系统时的地域和时间局部性约束和“全有或全无”原则，开发了一种基于真实的、预算平衡的双向拍卖机制来激励算力共享，其中还考虑了算力资源的时变估值以及算力交易双方随时间的动态变化特性；最后基于区块链的智能合约技术，设计算力交易具体流程。并设计实验验证了所提方案的有效性。该方法既使双方达成信任，又降低成本，提高效率。

技术研发人员：张晖,杜新宇,王琴
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23