基于區塊鏈的外包服務公平支付方案①

陳嘉良,林鴻瑞,黃鈿捷

(福州大學 數學與計算機科學學院,福州 350108)

1 引言

由于靈活性和高可用性等好處,云計算可以提供包括存儲和計算在內的服務.因此,許多個人和企業將他們的數據外包到云平臺上以節省成本.但是與云的通信通常非常耗時,而作為云計算的擴展,霧計算使計算任務能夠在網絡邊緣實現并提供低延遲的服務.在霧計算中,資源受限的用戶(由O 表示的外包用戶)可以將計算任務外包給霧計算節點來完成(由W 表示的工作節點)并支付報酬給他們.

本文考慮能將計算任務分配給霧節點運行的場景,每個霧計算節點完成相應的任務后將結果返回給用戶.在指定時間內完成任務后,霧計算節點將從用戶處獲得報酬.然而,由于用戶和霧計算節點之間的不信任,公平支付的問題應該被考慮.一方面,霧計算節點可能沒有完成計算任務,也就是說,霧計算節點可能會發送一些錯誤的結果給用戶.另一方面,霧計算節點誠實地完成了任務,但惡意用戶卻并不支付報酬.

目前已有一些解決問題的方案,一方面,用戶在支付服務費用時需要驗證計算結果.文獻[1]提出了一種基于抽樣的方案.文獻[2]提出了一種審計機制,通過使用計算證明來檢測計算節點的惡意行為.文獻[3]提出了一種基于重復計算和ringer 的方案,以驗證計算結果的正確性.文獻[4-6]提出了概率驗證方法檢測作弊者.文獻[7]提出了一種基于抽樣的解決方案,該解決方案使用Merkle 樹來防止計算節點作弊.另一方面,應考慮支付報酬的問題.文獻 [8,9]基于分割選擇方案和秘密共享方案來防止惡意計算節點并考慮支付了問題.

在上述方案中,要么不考慮支付的問題,要么采用傳統的支付框架,例如銀行.然而,傳統的支付解決方案存在一些缺點,銀行可能是支付系統的瓶頸.不同于傳統的支付方式,區塊鏈是一種分布式的系統,不受任何一方控制,可以直接轉移報酬.而區塊鏈技術已經被用在了很多外包服務中[10-12],文獻[1]提出了一種基于抽樣并結合比特幣的方案.

為了解決公平支付的問題,本文提出了一個用于外包計算的基于以太坊區塊鏈的公平支付方案.在我們提出的方案中,外包用戶和工作節點可以互不信任.基于以太坊的智能合約,本文可以實現誠實的工作節點將會獲得報酬,同時如果工作節點未完成計算任務,外包用戶可以獲得賠償.本文引入可信第三方T 來解決外包用戶和霧計算節點的沖突.

2 系統模型

系統模型如圖1 所示,包含外包者O,工作節點W,第三方T 和一個區塊鏈.

圖1 系統模型

(1)外包用戶O:作為外包計算的請求者,O 將一筆報酬存入智能合約中,并向工作節點W 請求外包計算服務.如果W 提供的結果正確,則將支付報酬給W.否則,O 可以從W 處獲得賠償.

(2)工作節點W:作為外包計算服務的提供者,W 收到計算服務請求后將一筆押金存入智能合約中.在完成計算任務后,W 將結果記錄到區塊鏈智能合約中,并將結果發送給O.在指定時間t 之前若O 未對結果提出異議則從區塊鏈獲得報酬.

(3)第三方T:作為第三方,T 接收來自O 的請求.一旦O 發現W 的計算結果錯誤,O 發送一個請求給T.T 驗證該請求,若驗證W 的計算結果錯誤,則執行智能合約懲罰W.

(4)區塊鏈:我們使用一個已被廣泛使用并支持智能合約的區塊鏈,如以太坊區塊鏈.智能合約是在區塊鏈上自我執行的程序.

在我們的系統中,外包用戶和工作節點可以互不信任,同時它們中的任一個都可能是惡意用戶.具體來說,惡意外包用戶的目的是在不支付報酬的情況下獲得外包服務,而惡意工作節點則希望在不提供有效結果的情況下獲得報酬.我們的設計目標主要包括正確性和公平性.

(1)正確性:如果外包用戶O 和工作節點W 都是誠實的,那么外包用戶O 可以獲得所需的計算結果,而工作節點W 將獲得報酬.

(2)公平性:對外包用戶O 的公平性意味著惡意工作節點W 若未能提供正確的結果,則無法獲得報酬.對工作節點W 的公平性意味著惡意外包用戶O 在不支付服務費的情況下無法獲得正確的結果.如果惡意工作節點W 未能提供正確的結果,則外包用戶O 能夠從工作節點處獲得相應的賠償.

3 系統設計

本文設計的方案包含4 個階段:初始化階段,計算階段,支付階段和索賠階段.同時引入第三方來解決外包用戶O 和工作節點W 間的沖突.區塊鏈智能合約確保外包用戶O 要么獲得正確的結果,要么獲得賠償.此外,誠實的工作節點W 可以獲得相應的報酬.

3.1 初始化階段

選擇一個哈希函數H 如SHA-256,并且每個參與者生成自己的ECDSA 公鑰/密鑰對,表示為( pk,sk),并公布自己的公鑰pk 作為賬戶地址.外包用戶O 的公私鑰對表示為 ( pkO,skO),工作節點W 的公私鑰對表示為(pkW,skW),第三方T 的公私鑰對表示為( pkT,skT).假設所有參與者都安全地維護每個已發布的公鑰,而密鑰sk 安全的存儲在本地,用于生成簽名.

外包用戶與工作節點先對計算任務F 達成協議,并在區塊鏈上建立智能合約.其中計算任務表示為F=〈f,D,M〉,計算函數f 在數據D 上所有滿足f(x)∈M的x,工作節點完成相應的計算任務后將包含所有滿足要求的x 結果集S 返回給外包用戶.智能合約記錄外包用戶和工作節點還有第三方的賬戶地址,并確定計算任務需要完成的時間和任務報酬.外包用戶將任務報酬存入智能合約中,同時工作節點也將自己的押金存入智能合約.

3.2 計算階段

在確認了外包用戶將報酬存入智能合約后,工作節點執行計算任務F 后獲得一個結果集S ={x1,···,xn},其包含了所有滿足 f(x)∈M的x.工作節點將每個結果xi的哈希存在智能合約中,并根據結果集S 創建一棵Merkle 樹 MTl,保存Merkle 樹的根節點Iroot在智能合約中.其中l 表示Merkle 樹的樹高,而葉子節點的樹高為0.在Merkle 樹中,對于高度為i 的第j 個節點的值有Ii,j=H(Ii-1,j||Ii-1,j+2i-1),Ii-1,j和Ii-1,j+2i-1表示 Ii,j的兩個孩子節點.當i =l 時,Il,j表示根節點.當i =0 時,I0,j表示葉子節點,即第j 個結果 xj.當結果集的Merkle 樹根被保存在區塊鏈后,工作節點之后將無法對結果集進行更改,外包用戶可以確保工作節點發送給他的結果集出現錯誤后無法進行否認.如圖2 是一棵高度為3 的Merkle 樹.當結果存入區塊鏈后,工作節點將結果集S 發送給外包用戶,并執行一個具有t 時間鎖的支付智能合約,即在t 時間后報酬將支付給工作節點.

圖2 高度為3 的結果Merkle 樹

3.3 支付階段

外包用戶將計算結果集S 的每個元素 xi的哈希與存在區塊鏈上的哈希對比是否一致,若一致則驗證結果是否滿足外包任務的要求.當結果集S 正確,則工作節點將在時間t 后從合約中獲得報酬.當結果集S 較大時,可以使用如下的抽樣方案,并驗證抽樣的結果S',使用文獻[7]中的方法進行生成m 個抽樣:

其中,Iroot表示結果集Merkle 樹的根節點,并且:

外包用戶驗證抽樣的m 個結果,文獻[7]中證明了只要m 足夠,則能確保整個結果的正確性.在外包用戶驗證了結果正確后,工作節點將在時間t 后獲得報酬.然而,如果外包用戶發現存在不正確的結果,則外包用戶將發送一個裁決請求給第三方.

3.4 索賠階段

當第三方T 從外包用戶處收到裁決請求時,則進入索賠階段.第三方T 裁決這個請求的正確性,如果接受這個裁決請求,則第三方T 執行智能合約中止支付報酬.考慮以下兩種情況.

(1)若工作節點發送給外包用戶的結果集計算的Merkle 樹根與存在區塊鏈上的 Iroot不一致,則表明工作節點發送的結果不正確.外包用戶發送一個裁決請求給第三方包含結果集與區塊鏈上的 Iroot,第三方驗證后要求工作節點返回正確的結果集S,并驗證該結果集的Merkle 樹根是否與 Iroot一致.若一致,則發送該結果集給外包用戶O.若不一致,則調用合約judge 函數中止支付報酬.

(2)若結果集S 的元素 xi驗 證結果為 f(xi)?M,即結果集S 存在不正確的結果,表明工作節點W 并未完成計算任務.當外包用戶O 發現工作節點返回的結果中存在錯誤結果 xi,則外包用戶將外包任務F =〈f,D,M〉,錯誤的結果 xi與該元素哈希存在區塊鏈上的位置包含在請求中發送給第三方T.第三方T 先將元素 xi與該元素在區塊鏈上的哈希進行驗證,若不相同,則拒絕該請求.當確定該元素為工作節點的計算結果后,第三方T 驗證元素 xi在 外包任務F =〈f,D,M〉中結果是否正確,即將結果 xi代 入外包任務中計算驗證 f(xi)是否滿足M.若該結果不滿足外包任務要求,則第三方T 調用合約中的judge 函數修改變量payService 為false 使得callback 函數中報酬支付中止.使用的部分偽代碼如圖3.

圖3 智能合約部分偽代碼

4 系統分析

4.1 安全分析

根據本系統的安全目標,給出了本文的安全分析.

(1)正確性:如果使用的哈希函數H 是抗碰撞的并且ECDSA 簽名是不可偽造的,則我們的協議滿足正確性.假設外包用戶和工作節點都是誠實的,并且遵循方案的步驟.在計算階段,工作節點將每個結果的哈希和結果集構成的Merkle 樹根節點存在區塊鏈上.在支付階段,外包用戶將驗證結果集元素的哈希是否與區塊鏈保存的一致,保證結果集S 是工作節點保存在區塊鏈上的結果,之后驗證所有或是抽樣的結果是否滿足外包計算任務的要求.只有在滿足了結果是符合外包任務要求后,工作節點才能在時間t 后收到報酬.換句話說,如果使用的哈希函數H 是抗碰撞的并且ECDSA簽名是不可偽造的,由于區塊鏈的不可篡改,則外包用戶收到的結果集S 一定是未被篡改的,且工作節點只有在提供的結果集S 滿足外包任務的要求后才能獲得相應的報酬.

(2)公平性:我們首先證明對誠實工作節點的公平性,然后證明在惡意工作節點下考慮對外包用戶的公平性.

情況1:假設工作節點是誠實的,而外包用戶是惡意的,即惡意的外包用戶想要獲得一個有效的結果而不支付報酬.這種情況下,在計算階段,工作節點只有在確認了外包用戶將報酬存入智能合約中才會執行計算任務.當完成計算任務后,只有在工作節點的結果出現問題時支付才會被第三方T 通過合約中止.由于智能合約的強制執行特性,所以只要工作節點提供的結果是符合外包計算任務要求的,則工作節點一定能夠在時間t 后獲得報酬.

情況2:假設外包用戶是誠實的,而工作節點是惡意的,即惡意的工作節點想要在不提供正確結果的情況下獲得報酬.首先,若工作節點未將結果的哈希或結果集的Merkle 樹根保存在區塊鏈上,則外包用戶發送一個裁決請求給第三方,第三方要求工作節點將結果集哈希保存于區塊鏈中.若工作節點未能將結果集哈希保存在區塊鏈上,表示工作節點未完成外包計算任務.第三方T 調用如圖3 的合約judge 中止報酬的支付,則外包用戶可以獲得賠償并取回報酬.其次,若工作節點提供的結果不符合外包計算任務的要求,外包用戶將錯誤的結果包含到裁決請求中發送給第三方.當第三方T 驗證了該錯誤結果后,將中止報酬的支付,則外包用戶可以獲得賠償并將報酬取回.

通過以上的分析,如果使用的哈希函數H 是抗碰撞的并且ECDSA 簽名是不可偽造的,則本系統滿足正確性和公平性.

4.2 消耗分析

本系統在以太坊官方測試網絡上實現了一個智能合約來分析性能.本文使用的哈希函數是SHA-256.當我們進行實驗時,gas 價格設置為2 Gwei,其中1 Gwei =109wei = 10-9ether,目前1 ether=168 USD.我們將它部署在以太坊官方測試網絡Ropsten 上,使用的偽代碼表示的算法如圖3.表1 是智能合約消耗的實驗結果,合同創建操作僅執行一次以完成初始化其消耗267 202 gas=0.0898 USD.外包用戶的報酬存入和工作節點的押金存入分別消耗21 485 gas=0.0072 USD 和21 397 gas=0.0072 USD,而支付操作消耗41 533 gas=0.0140 USD.當出現惡意工作節點時,進入索賠階段,第三方T 裁決操作judge 消耗22 086 gas=0.0074 USD.同時索賠操作消耗29 383 gas=0.0099 USD.而本實驗當未出現錯誤結果智能合約共需消耗351 617 gas,約為0.1182 USD.當出現錯誤結果時,需執行裁決操作與索賠操作,智能合約共需消耗403 086 gas,約為0.1355 USD.第三方T 在智能合約上的消耗只有執行裁決操作judge的消耗,而對與鏈下的驗證操作需根據具體的外包任務來確定.

表1 智能合約的消耗

5 結語

隨著外包服務的快速發展,為了解決外包計算的支付問題,本文提出了基于區塊鏈的外包服務公平支付方案.通過使用區塊鏈將外包任務的結果進行保存,使其不能篡改.只有在結果正確時,外包用戶才支付服務報酬給工作節點,若結果不正確,外包用戶將可以獲得賠償.本協議的安全分析和消耗分析表明本協議是正確的且公平的,同時本協議的消耗是可接受的.