區塊鏈賦能的高效物聯網數據激勵共享方案*

蔡 婷 ,林 暉 ,陳武輝 ,鄭子彬 ,余 陽

1(中山大學 數據科學與計算機學院,廣東 廣州 510006)

2(國家數字家庭工程技術研究中心(中山大學),廣東 廣州 510006)

隨著5G 和移動云計算技術的發展,數據共享在物聯網開發與應用領域日益發揮著越來越重要的作用,這是因為絕大多數的物聯網應用程序底層都是基于數據共享來部署的[1].據大數據統計,物聯網設備的數量在2025年預計上升至416 億臺.這將意味著每秒在全球范圍內將有127 臺新設備連接到互聯網.這些物聯網設備每天產生約5 億字節的數據,預計到2025 年達到79.4 兆字節的數據量[2,3].大膽地設想一下,這些海量數據將在物聯網設備之間進行共享和分析,進而不可避免地創造一個超大規模的數據交易市場[4].然而,當前的物聯網數據市場遠未達到這一預期.究其原因[5-9],一方面是因為數據共享在實踐過程中通常需要消耗共享參與者一定數量的資源和成本.在缺乏有效的參與者激勵策略的情況下,很難平衡多方利益,因此物聯網用戶多數不愿意主動地共享數據或轉發消息;另一方面,在大量的感知數據(如位置信息)中可能存在個體隱私泄漏的風險,諸如此類的安全問題阻礙了物聯網用戶加入到數據共享市場中來.

通過有效的激勵機制來鼓勵用戶積極參與物聯網數據共享是一個有效的舉措.目前,已經出現了將激勵機制引入移動群體感知或資源交易等物聯網應用場景,并以此激勵用戶參與數據共享行為的相關研究[10-13].例如,Gao 等人[10]提出了一種適用于非確定性車載自組網的有效激勵機制.Pu 等人[11]研究了應用于大規模車輛移動群體感知的基于激勵的混合邊緣計算框架.Petrov 等人[12]面向窄帶物聯網應用設計了基于機會主義的人群感知激勵機制.然而,這些研究方法大多都是集中式的,它們在無法保證數據完整性和不可信的物聯網應用中面臨著安全性挑戰[14].比如,在物聯網中,數據服務器可能會遭受惡意用戶或服務提供商的攻擊,服務器中存儲的數據會被篡改;不誠實的物聯網用戶考慮自身利益或者因非法目的而提供虛假甚至惡意數據[15].

考慮到安全挑戰極其重要的特性,區塊鏈因其固有的安全屬性,如分散化、匿名化、可追蹤和不可篡改性等,使其成為一項非常具有吸引力的技術被引入到物聯網數據共享中,以解決物聯網用戶的信任問題,并提供安全的數據存儲[16].許多基于區塊鏈的物聯網數據共享的相關研究工作已被提出并得以實現.例如,Kang 等人[17]通過優化共識管理機制,提出了一種基于區塊鏈的車聯網數據共享方案.Yu 等人[18]提出了一種基于Bitcoin 的加密貨幣LRCoin,其核心思想是為物聯網中的數據交易設計具有抗泄漏的數字簽名方案,提高數據交易的安全性.Yang 等人[19]利用貝葉斯推理模型設計了一種基于區塊鏈的信任管理系統.這些研究都試圖利用區塊鏈技術來解決物聯網應用中的數據共享問題,然而在構建基于區塊鏈的安全分布式共享系統的探索過程中,忽略了區塊鏈固有的關鍵性能瓶頸問題[20].例如,Bitcoin 最大交易吞吐量約為7 筆/秒,創建交易的客戶端平均必須等待至少10 分鐘才能夠確保交易上鏈;Ethereum 最大吞吐量限制在20 筆/秒,平均延遲時間為12s.相比之下,類似于Visa 這種中心化支付系統,通常能夠在幾秒鐘內確認交易,其吞吐量甚至可以高達每秒上萬筆[21,22].區塊鏈的性能瓶頸已然成為又一阻礙物聯網用戶參與數據共享的重要因素.因此,要想利用區塊鏈技術助力潛在的由數十億物聯網設備所組成的大規模數據共享市場,必須考慮盡可能地提高它的性能,同時保留其安全性和去中心化屬性,并且迫切需要研究和提出基于區塊鏈的高效物聯網數據激勵共享方案.

針對上述問題,本文首先提出了一個高效的區塊鏈物聯網數據激勵共享框架,稱為ShareBC.在該體系結構中,ShareBC 引入分片技術[23]將網絡中的所有物聯網設備劃分成若干個異步共識區,將原來需要全網節點共同進行的交易驗證工作在各個分片異步共識區并行處理,以增強基于區塊鏈的數據共享系統的交易處理能力.此外,根據聯盟區塊鏈和物聯網數據共享的特點[24],本文為 ShareBC 設計了高效的共識過程,聯盟鏈委員會(committee)依賴一組分布式的異步共識區并同時保持了對于數據共享交易的完全控制,這種共識機制具有強大的透明度和可審計性保證,在計算成本和可擴展性方面也具有一定的優勢;另一方面,為了鼓勵物聯網用戶參與數據共享,本文還提出了一種基于智能合約實現的層次數據拍賣模型的共享激勵機制,以最大限度地提高各方參與者的整體社會福利.實踐中,物聯網設備間的數據共享通常面臨著多層通信網絡結構所帶來的局限性[25],該機制因此設計了包括數據代理在內的3 層數據拍賣模型和相應的數據分配以及定價規則,并考慮了數據傳輸成本對于社會福利的影響.最后,該機制通過智能合約的形式強制生效,確保了在數據共享交易中拍賣規則的不可否認性和執行效率.

本文的主要貢獻總結如下:

(1) 提出了一種高效的區塊鏈物聯網數據激勵共享框架——ShareBC.為了提高系統的交易處理能力,ShareBC 引入分片并給出了基于區塊鏈的物聯網數據共享的分片構建步驟.并且,ShareBC 還在分片異步共識區和云/邊緣服務器上部署了高效的共識機制,避免了傳統的基于工作量證明方式生成區塊所導致的高計算開銷問題,提升了共識生成區塊的效率;

(2) 提出了一種基于智能合約的層次數據拍賣模型的物聯網數據共享激勵機制.為確保盡可能多的物聯網設備參與數據共享,該機制基于ShareBC 框架提出3 層數據拍賣模型,其中,通信受限的底層設備可以通過數據代理的幫助間接地訪問數據共享資源,從而實現社會福利的最大化;

(3) 開發了原型系統.為了簡化拍賣機制的邏輯,拍賣智能合約被分層設計且分別部署在3 層數據拍賣模型中,測試結果表明,智能合約的計算成本較低,具有良好的實用性.最后,大量的仿真實驗表明了共享激勵機制的經濟效益、激勵兼容性和實時性以及可擴展性.

1 相關工作

1.1 集中式物聯網數據激勵共享

隨著物聯網采集數據的爆發式增長,物聯網數據共享研究受到學術界的廣泛關注[26-33].例如,Wang 等人[26]提出了適用于車輛軌跡預測的車載自組網數據共享參與者招募策略,最大程度地降低了總招募成本.Ni 等人[27]提出一種基于霧計算的移動群體感知框架以解決任務請求者與工人之間的安全和隱私問題.Xiao 等人[28]研究了基于博弈論的車聯網數據共享問題,利用Q-Learning 算法實現車輛報酬支付策略.然而,在這些研究工作中還缺乏有效的激勵機制,大多數方案中物聯網實體的數據共享行為是出于自愿和主動性假設,顯然,這是違背客觀事實的.為了解決物聯網設備之間數據共享的激勵問題,各種單層拍賣機制先后被提出.例如,在文獻[31]中,Jin等人提出一種激勵兼容的拍賣機制,根據移動設備的需求確定資源報價,實現移動設備(買家)與云服務提供商(賣家)之間的資源共享交易.在文獻[32]中,Wen 等人提出一種質量驅動的拍賣激勵機制,該機制能夠根據感知數據的質量計算參與者的支付費用,以提高用戶參與收集和共享感知數據的積極性.

單層拍賣機制在大規模的物聯網數據激勵共享場景中存在著應用上的局限性[30].這是因為,在無線網絡中智能物聯網設備的地理位置分散且數據共享服務覆蓋范圍有限,部分終端設備因通信和服務受限而無法加入數據市場,需要其他物聯網設備充當中間代理以幫助其獲取共享數據資源,單層拍賣模型顯然已經無法針對這種層次結構場景進行建模并求解最大化社會福利.在此問題背景下,層次拍賣機制作為一種能夠實現物聯網共享設備之間社會福利最大化的極具前景的解決方案被提了出來.例如,Kiani 等人[29]研究并提出基于動態規劃問題的3 層資源分配模型.Wang 等人[30]提出一種適用于多機器人實時通信和高效數據檢索的多層拍賣機制.然而,大部分傳統激勵機制下的數據共享模型都是集中式的,它們通常依賴于可信的第三方中心化機構,存在很大的被攻擊風險且易導致單點故障.此外,不誠實用戶可能因為自身利益等原因提供虛假甚至惡意數據,進一步加劇了數據共享的信任危機[34].

1.2 基于區塊鏈的物聯網數據共享及激勵機制應用

基于區塊鏈的分布式系統被認為是建立安全和可信數據共享的有效技術[2,35-38].例如,Li 等人[36]實現了一種基于區塊鏈的移動群體感知系統,該系統支持任務請求者直接將任務發送給工人,避免了傳統集中式的可信第三方平臺的涉入.Cai 等人[16]利用門限簽名技術開發了基于區塊鏈的社交鏈接數據的可信訪問認證系統,該系統的關注點在于數據共享和隱私保護,這同樣適用于物聯網中的數據共享應用.然而,絕大多數的現有工作只是簡單地將區塊鏈應用于物聯網中以構建安全的數據共享系統,忽略了區塊鏈自身的性能瓶頸,這一問題在本文研究中將給予重點考慮;另一方面,在激勵機制方面,區塊鏈技術已經與各種單層資源分配協議相結合.例如,He 等人[37]提出一種真實的激勵機制,能夠滿足動態和分布式P2P 環境中物聯網用戶的不同資源分配需求.Kang等人[38]提出一種本地P2P 電力資源共享模型,支持在混合動力車輛之間進行本地電力買賣交易.Yao 等人[2]利用區塊鏈構建了去中心化的工業物聯網設備自組織交易平臺,并將設備之間的共享交易行為建模為斯塔克伯格博弈.然而,在這些現有研究中鮮有基于區塊鏈驅動的多層拍賣激勵機制的探索.研究具有層次結構的拍賣模型,解決基于區塊鏈架構中的物聯網多層數據共享安全、效率以及激勵問題,這將是本文工作與現有研究的主要區別.

2 高效的區塊鏈物聯網數據激勵共享框架(ShareBC)

ShareBC 本質上是激勵機制和區塊鏈技術的融合.為了提升區塊鏈系統的共識效率,ShareBC 提出在聯盟鏈的基礎上通過分片技術使部分節點并行地工作以替代傳統的全網共識方式,避免了在公共無許可區塊鏈中基于PoW(proof-of-work)共識機制所導致的高計算開銷問題[22,23].在本節中,首先描述ShareBC 的組成實體.然后,提出基于ShareBC 實現的數據共享過程和關鍵步驟.

2.1 框架描述

如圖1 所示,ShareBC 包括3 類物聯網共享實體:數據提供者、數據代理和數據用戶.

Fig.1 Efficient blockchain-based data sharing incentive framework for IoT (ShareBC)圖1 高效的區塊鏈物聯網數據激勵共享框架(ShareBC)

其中,數據提供者是擁有共享數據資源的物聯網設備;數據代理和數據用戶均為具有數據需求的物聯網設備.在假設場景中,每個物聯網數據用戶直接連接到附近的數據代理并通過其與云/邊緣服務器進行通信.每個物聯網數據用戶只能連接到唯一的數據代理,因此與該數據代理所連接的所有數據用戶將被劃分為同一個區域,稱為異步共識區(asynchronous consensus zone,簡稱ACZ).此外,每個數據代理和數據用戶都配置有獨立的共享交易賬戶,賬戶地址被要求設置為無關用戶個體隱私的信息,如:公開密鑰.在ShareBC 激勵共享機制中,數據提供者通過云/邊緣服務器發布數據共享請求交易.隨后,在由云/邊緣服務器組成的拍賣平臺接收到數據提供者的注冊信息后,采用層次數據拍賣機制根據購買需求、拍賣價格以及傳輸數據成本決定數據代理和數據用戶分別能夠獲得的共享數據數量和支付價格.然后,數據代理和數據用戶訪問各自拍賣所得的數據資源并完成相應的支付.最后,這些數據共享交易記錄在分片ACZ 中被打包成區塊,由預選的聯盟鏈委員會完成最終審計并在達成共識后添加到區塊鏈上.

2.2 基于ShareBC實現的數據共享關鍵步驟

2.2.1 系統初始化

系統初始化階段包括物聯網設備注冊和智能合約部署兩個步驟.首先,在系統建立后,可信中心(cerfificate authority,簡稱CA)會初始化系統參數并利用非對稱密碼技術為新注冊的物聯網設備生成對應的公鑰和私鑰.出于安全考慮,私鑰在發送給用戶后會及時銷毀,公鑰則作為物聯網設備在系統中的唯一標識存在.考慮到聯盟鏈中對于匿名交易的可監管需求,CA 通過存儲物聯網設備真實身份信息和公鑰的映射關系關聯表從而實現可監管的匿名認證方案[39].這樣,當物聯網數據用戶身份認證出現爭端時,其數據代理可以請求CA 進行仲裁并追蹤其真實身份.其次,完成智能合約的編譯和部署.ShareBC 使用智能合約自動執行數據共享交易過程.在區塊鏈網絡中初始化智能合約后,數據提供者可以參與訂制數據共享激勵機制.一旦部署成功,智能合約將擁有獨立ID并被永久性地記錄在區塊鏈中.

2.2.2 分片構建

ShareBC 引入分片[23]的目的是將網絡中的所有物聯網設備分成若干個子網絡,將原來需要全網節點共同進行的交易驗證工作在各個分片網絡區域內并行處理,從而增強區塊鏈系統交易處理能力.具體來說,構建分片包括如下主要步驟.

(1) 網絡分片:根據物聯網設備的某個關鍵特征值(如地理坐標范圍)將其劃分成不同的分片ACZ.每個分片ACZ 是同質的,其功能一樣且地位平等.考慮到容錯性,每個分片ACZ 中的節點數量存在閾值;

(2) 節點分工:分片ACZ 通過內部的物聯網設備共同進行數據交易的驗證工作.在分片ACZ 中,物聯網設備節點會進行相應的分工,從中選取1 個領導(leader)節點和若干個普通(follower)節點.為確保分片安全性,每執行一輪動作周期后需要重新選舉下一輪leader 節點.考慮到聯盟鏈的特性,首輪每個分片ACZ 中的leader 節點可以預指定.以后每輪leader 節點的選取可以通過基于隨機數的計算方式[22]進行隨機確定;

(3) 增加或減少分片:針對新物聯網設備加入和原有節點的移動問題,ShareBC 規定每個分片ACZ 中的節點數量閾值是固定的.每個分片ACZ 中擁有的節點數量與該分片ACZ 的權重成正比,確保在分片數量增加或減少后分片ACZ 之間仍然能夠保持均衡性.例如,當前分片ACZ 工作負載較高時,可以通過增加分片的方式提高系統吞吐量.若當前分片ACZ 中節點數量低于安全閾值,則可取消該分片ACZ 并遷移區域內節點至其他分片ACZ.

2.2.3 物聯網設備的角色設定

在圖1 模擬的數據激勵共享場景中,數據提供者可以利用區塊鏈網絡廣播其數據交易請求,并通過共享數據獲得報酬.數據需求者則包括兩類角色:數據代理和數據用戶.考慮到分片ACZ 內節點通信受地理位置影響并且數據共享服務覆蓋區域有限,在ShareBC 中規定:數據用戶不能直接向數據提供者請求交易并獲得共享數據,它需要通過其所在分片ACZ 的數據代理作為中間方幫助其獲得;數據代理可以直接與數據提供者進行數據交易從而獲取共享數據資源.

2.2.4 基于智能合約的數據激勵共享機制

圖1 中展示了智能合約6 個主要的功能接口,物聯網數據共享的關鍵事件將通過調用這些接口自動執行.數據提供者首先調用智能合約的Register 接口注冊共享數據資源服務,然后,數據代理調用Register 接口加入數據共享交易.在Register 接口中,智能合約定義了數據共享機制的所有相應變量,如數據資源集的數量D、初始數據報價p、數據價格增量C和數據需求r.在兩者完成注冊后,智能合約即創建了在數據提供者與數據代理之間交易數據的頂層市場.接下來,數據代理將通過智能合約Create 接口創建子合約 H＇,并建立與其分片ACZ 中數據用戶之間數據交易的底層市場,其中,數據用戶則通過子合約＇H 的Register 接口加入到數據共享交易中.

在完成上述步驟后,數據提供者、數據代理和數據用戶可以開始數據共享.為了最大限度地提高社會福利,激勵物聯網設備積極地參與數據共享交易,智能合約提供了UpdateDemand 接口.分片ACZ 中數據用戶可以通過合約 H＇ 的UpdateDemand 接口更新其數據需求,當收集足夠的底層數據需求時,數據代理調用智能合約H 的UpdateDemand 接口更新它在頂層市場的數據需求.當數據交易供需相等時,拍賣結束.在此之前,智能合約提供了UpdatePrice 接口供數據提供者更新數據報價并進入新一輪拍賣.對于每個贏家設備(數據代理和數據用戶),需要通過Pay 接口向數據提供者進行支付.拍賣結束后,數據代理和數據用戶可以通過Withdraw 接口取回剩余的賬戶資金.

2.2.5 激勵共享數據訪問和交易生成

贏家數據代理(數據用戶)從數據提供者(數據代理)下載對應的共享數據資源,完成解密并實現共享數據的訪問.為了確保數據資源在轉賣過程中的安全性,數據提供方可采用一次性密碼(one-time password,簡稱OTP)[40]技術對共享數據進行加密.這樣,就能夠有效地避免數據代理從數據提供方拍賣獲取到數據資源后又轉賣給數據用戶所形成的多次收益.在被智能合約廣播提交之后,意味著該筆數據共享交易完成.每筆數據共享交易由交易信息和數字簽名兩部分構成[35],其中,交易信息包括支付記錄、交易開銷和交易生成的時間戳.考慮到區塊鏈系統存儲的有限性,交易數據中往往包含一個索引,用于記錄加密過的共享數據的鏈外存儲位置;數字簽名則是由交易雙方的私鑰簽署生成.最后,在分片ACZ 節點收集一定數量的交易記錄后,這些交易將被打包成一個區塊并進入下面的共識過程.

2.2.6 共識過程

基于ShareBC 的區塊鏈共識過程主要包括兩個階段:首先,在分片ACZ 內部完成交易驗證并共識出區塊.每一個分片都可以選擇該區域內的共識算法[20](例如,PoW、PoS、PoB 或者PBFT);然后,在分片之間會根據某種預定的協議達成共識,實現分片互聯的全局系統.如圖2 所示為本文所提出的物聯網數據共享框架的區塊鏈共識過程,其兩個階段都采用了實用拜占庭容錯(practical Byzantine fault tolerance,簡稱PBFT)類型的共識算法.以圖2(a)為例,每個分片ACZ 內部節點的共識過程分為生成塊、預準備、準備、確認和響應這5 個步驟.

Fig.2 ShareBC based blockchain consensus processe圖2 基于ShareBC 框架的區塊鏈共識過程

· 生成塊:完成的數據共享交易將由網絡中全部節點所驗證,被確認無誤的交易將由這些驗證節點進行簽名并提交其對應分片ACZ 中的leader 節點.在每個分片ACZ 中,由leader 節點負責將收集到的確認交易打包成候選區塊;

· 預準備:每個leader 節點管理一個唯一列表,其記錄了當前輪周期中該分片ACZ 內部所有follower 節點的信息.根據這個列表,leader 節點在當前階段會將候選區塊轉發給它所在分片ACZ 中的follower 節點以進行共識;

· 準備:每個接收到消息的follower 節點將驗證候選區塊的有效性;

· 確認:每個follower 節點完成候選塊的驗證,并將附有自己簽名的反饋消息廣播給分片ACZ 內的其他節點.若超過一定數量(如2/3 節點總數)的follower 節點達成共識,則進入提交階段并廣播提交請求.否則,leader 節點會根據反饋結果考慮是否發起下一輪共識;

· 響應:分片ACZ 中leader 節點將達成共識的候選區塊提交給委員會完成最終審計.

在完成上述步驟后,共識出區塊的分片ACZ 中leader 節點會通過附近的云/邊緣服務器將候選區塊提交給聯盟鏈委員會進行最終審計,如圖2(b)所示.在ShareBC 中,委員會由聯盟鏈主體提供的一組云/邊緣服務器組成.委員會節點之間通過運行PBFT 共識協議完成對候選區塊的最終審計,審計通過的候選區塊將被作為新區塊添加到區塊鏈上并隨后被同步廣播給網絡中的其他分片ACZ.此外,Committee 同時負責在每一輪中生成一個計算隨機數用于選取分片ACZ leader 節點.在這種共識機制中,Committee 依賴分布式分片ACZ 并同時保持了對于數據共享交易的完全控制,具有強大的透明度和可審計性保證,在計算成本和可擴展性方面也具有優勢,分片內部共識細節將在第4.1 節中進行詳細闡述.

3 數據共享激勵機制

如何設計有效的激勵機制驅動物聯網用戶積極地參與數據共享是本文的另一個研究重點.在ShareBC 的基礎上,本文提出了一種基于智能合約實現的層次數據拍賣模型的共享激勵機制,該機制能夠最大化參與者的社會福利并保證共享交易效率.在本節中,首先對物聯網中的數據共享問題進行抽象;然后,給出其形式化表示;之后,對其研究問題進行定義,提出層次數據拍賣的數學模型.在此基礎上,提出基于智能合約實現的3 層數據拍賣算法;最后,給出相關算法定理證明.

3.1 問題描述

基于區塊鏈的物聯網數據共享問題可以抽象為1 個層次數據交易市場,如圖3 所示.該交易市場主要由數據提供者 P、數據代理M={1,2,...,M}和數據用戶N={1,2,...,N}組成.其中,P 和M 構成數據共享交易的頂層市場,M 和N 形成底層市場.假設共享的數據資源是可分割且同質的,設D={1,2,...,D}為P 所擁有的共享數據資源,其中,D表示一個整數.每個數據代理j∈M 對數據集D 的效用向量定義為uj,這與該數據代理在其所屬的分片ACZ 中轉賣數據所獲得的收益相同,其中,Nj表示數據代理j所在分片ACZ 中的數據用戶集合.注意,j∈Nj,這是因為數據代理j也可以在底層市場中作為數據用戶參與數據交易.每個數據用戶i∈Nj對數據集D 的效用向量定義為vi,根據邊際效用遞減原理,vi中的元素排列順序是按值遞減的.考慮數據資源的可分割性,假設數據用戶i訪問的第k個數據資源的大小為Di[k].

系統規定在一筆數據共享交易生效之后,訪問數據需要通過數據代理連接到數據提供者進行數據資源的下載.物聯網數據用戶必須通過其所在分片ACZ 中的數據代理幫助其獲得數據提供者的共享數據.假設通信雙方的網絡通道容量表示為Hi,j,數據用戶(或數據代理)i∈ N∪ M 從數據代理(或數據提供者)j∈ M∪ P 訪問第k個數據資源所需要的傳輸時間為

根據Hong 等人[9]的計算方法,傳輸能耗定義為數據用戶或者數據代理的傳輸功率與傳輸時間的乘積.假設通信雙方之間的傳輸功率表示為Pi,j,數據用戶(或數據代理)i∈ N ∪M 從數據代理(或數據提供者)j∈ M ∪P訪問第k個數據資源所消耗的傳輸能量為

根據公式(1)和公式(2),數據用戶(或數據代理)i∈ N ∪M 從數據代理(或數據提供者)j∈ M ∪P 訪問第k個數據資源所需要的傳輸成本表示為

其中,f E和f T表示兩個成本因子,且f E＞0,f T＞0.

Fig.3 Hierarchical data sharing trading market based on blockchain圖3 基于區塊鏈的層次數據共享交易市場

3.2 問題形式化定義

假設3 層數據交易市場的網絡拓撲結構在拍賣過程中是固定的.也就是說,要求數據提供者、數據代理和數據用戶在拍賣過程中不能改變它們當前所在的數據交易市場.由于共享參與主體的目標相互沖突,即數據提供者追求共享數據所得收益最大化,數據代理期望轉賣數據所獲的收益最大化,而數據用戶則希望訪問數據的成本最小化.在這種情況下,拍賣模型應該最大限度地解決數據共享中所有參與者的社會福利問題,實現有效的市場均衡.其目標函數是最大化數據用戶對共享數據資源的效用和訪問數據資源的傳輸成本之間的差值,形式化定義為

其中,q 表示3 層數據交易市場中數據資源分配向量.vi[k]表示數據用戶i∈N 的效用向量vi中的第k個元素,即i對第k個數據資源的效用.Ci,j為數據用戶i通過數據代理j訪問數據的傳輸成本,Cj,P為數據代理j訪問數據提供者P 的數據資源的傳輸成本.Di[k]表示數據用戶i訪問的第k個數據資源的大小.明顯地,實現社會福利最大化即可得到最優的數據資源分配向量q.

為實現上述目標,需要提供數據共享參與者的個體效用和成本信息.然而,數據共享交易市場的層次化結構存在通信和服務等局限性,P 和M 構成的頂層市場與M 和N 形成的底層市場之間的拍賣信息是不完全的.在頂層市場中,數據提供者無法直接獲取到位于它的共享服務覆蓋區域以外的底層市場中數據用戶的數據需求.同樣地,在底層市場中,數據代理能夠供給數據用戶的數據量在拍賣初始也不明確,因為在拍賣初始數據代理還沒有獲得數據提供者的數據報價.為此,本文提出一種層次數據拍賣機制以解決多層結構市場拍賣中信息不完全的社會福利最大化問題.

3.3 層次數據拍賣機制

在本節中,首先將SW 問題轉化成層次數據交易市場中的最優數據分配問題.接下來給出層次數據拍賣機制的數學表達.最后,給出定理和證明.

定義1(頂層市場的最優數據分配問題).在頂層市場中,數據提供者將數據共享給數據代理.其最優數據分配問題是最大化數據代理對共享數據資源的效用與其訪問數據的傳輸成本之間的差值.形式化定義為

其中,qm表示頂層市場中全體數據代理的數據分配向量,為數據提供者分配給數據代理j的數據量.uj[k]表示數據代理j對于第k個數據資源的效用,且uj[k]∈uj.Dj[k]表示數據代理j訪問的第k個數據資源的大小,Cj,P為數據代理j訪問數據提供者的數據資源的傳輸成本.

定義2(底層市場的最優數據分配問題).假設向量qm*為頂層市場的最優數據分配解.在底層市場中,數據代理j將頂層市場所獲得的數據資源qm*轉發給其分片ACZ 內部數據用戶.其最優數據分配問題是最大化數據用戶對數據資源的效用與其訪問數據資源的傳輸成本之間的差值.形式化定義為

數據分配的流程描述如下:首先,數據提供者向數據代理j提供qj單位的數據資源;然后,數據代理j將qj轉賣給其分片ACZ 中的數據用戶Nj.如果分片ACZ 這個底層子市場中的Nj數據需求等于數據代理j的數據供應qj,則能夠獲得數據用戶Nj的最優數據分配向量也就是說,當頂層市場和底層子市場的數據供需相等時,可以得到數據最優分配問題(5)和問題(6)的解向量qm*和qe*,并且等價于SW 最大化問題(4).然而,受限于交易市場的層次結構,數據代理j∈M 的效用向量uj在拍賣初始時未知,故不能直接計算出qm*和qe*.在這種情況下,層次數據拍賣機制需要獲取到完全信息來實現求解SW 最大化問題.

本文提出在層次數據拍賣機制中引入同步機制,從而解決數據提供者通過M個數據代理向N個數據用戶發送共享數據集D 的社會福利最大化問題.具體方案描述如下:一方面,在頂層市場中采用Ausubel 等人[39]提出的升序時鐘拍賣與成交(ascending clock auction with clinching,簡稱ACC)機制來解決數據最優分配問題(5).數據提供者在拍賣開始時將公布數據報價p0給數據代理.在收到報價后,數據代理結合該報價下的效用提供對應的數據需求給數據提供者.然后,數據提供者則按照一個常數C的遞增比例提高數據報價(即p0+C)并開始下一輪的拍賣.拍賣過程繼續迭代,直到數據代理的數據需求等于數據提供者的共享數據資源集D;另一方面,在底層子市場中采用可擴展ACC 機制來解決數據最優分配問題(6).每個數據代理能夠提供給其分片ACZ 內部數據用戶的數據資源是其在頂層市場中拍賣所得.由于數據代理的效用不可預測,則要求數據代理將頂層市場的拍賣信息廣播至其分片ACZ.最后,為保證層次拍賣的同步,數據提供者需要制定數據交易分配規則和定價規則.

· 分配規則:數據代理在頂層市場中拍賣并獲得的數據資源,必須即時地在其分片ACZ 中進行再次拍賣;

· 定價規則:分片ACZ 中數據資源的拍賣報價不得高于其在頂層市場中的最終拍賣價格.

下面,本文將給出層次數據拍賣機制的數學描述.假設數據提供者對于其共享數據資源集D 的報價集為p={p0,p1,…,pl},p0是初始拍賣價,pl是最終拍賣價.根據定理1,頂層市場和其底層子市場共享數據集D 的報價集是一樣的,均為p={p0,p1,…,pl}.

定理1.在層次數據拍賣機制中,頂層市場與底層子市場的數據拍賣行為同時終止.

證明:假設頂層市場中的數據報價集為pt={p0,p1,…,pl},拍賣終止報價為pl;底層子市場中的數據報價集為ps={p0,p1,…,p＇l},拍賣終止報價為p＇l,并且pl≠p＇l.此時,假設pl＜p＇l,意味著頂層市場的拍賣終止,但底層子市場仍在繼續.那么,當終止報價為p＇l時,底層子市場中存在數據用戶贏家拍賣到數據而其他用戶放棄競拍的情況.即在終止報價為p＇l時,必然存在數據用戶改變其對于共享數據資源的需求情況.然而,在層次數據拍賣機制中規定:數據代理要首先收集其底層子市場中所有數據用戶的共享數據需求,然后再決定自己的效用并向數據提供者提交對應的數據需求.這樣,就會存在有數據代理在報價為p＇l時,在頂層市場中變更了其數據需求.那么,證明頂層市場的數據拍賣在報價為p＇l時并沒有終止,顯然與頂層市場中的拍賣終止報價為pl的假設相矛盾.同理,若pl＞p＇l,則底層子市場中的數據用戶將無法變更其數據需求.相應地,數據代理也不會改變其數據需求.因此,pl＞p＇l不會成立.綜上所述,數據拍賣在頂層市場與底層子市場會同時終止.□

當數據報價為pt∈p 時,數據代理j的數據需求表示為

其中,Cj,P為數據代理j訪問數據提供者的數據資源的傳輸成本.表示數據代理j所在的分片ACZ 中數據用戶Nj對于報價pt的數據需求向量,為分片ACZ 數據用戶i(i∈Nj)對于報價pt的數據需求.

當數據報價為pt∈p 時,數據用戶i的數據需求表示為

其中,Ci,j為數據用戶i通過數據代理j訪問數據的傳輸成本.I(x,y)代表指示函數,當x≤y時,I(x,y)=0;當x＞y時,I(x,y)=1.因此,數據用戶i對于報價pt的數據需求是隨著報價pt的增加而遞減的,且對于任意k∈vi,如果y′＞y且{y,y′}∈p,那么,I(k,y′)≤I(k,y).

假設數據代理j在報價為p∈p 時將其在頂層市場拍賣得到的第k個數據資源轉賣給數據用戶i,則對于第k個數據資源的效用表示為uj[k]=p–Ci,j(Dj[k]),其中,uj[k]是數據代理j的效用向量中的第k個元素,Ci,j為訪問數據資源的傳輸成本.根據分配規則,當數據報價為pt∈p 時,數據代理j和數據用戶i∈Nj拍賣所得數據的總量分別為

當pt=pl時拍賣結束,即可得到數據最優分配問題(5)和問題(6)的解向量qm*和qe*.并且,上述兩個公式(9)和公式(10)可進一步表示為

只要數據代理或者數據用戶在數據報價為pt∈p 時能夠獲得共享數據資源,交易就可以發生.并且,該數據代理或數據用戶需要為每單位數據資源支付價格pt.根據支付規則,數據代理j和數據用戶i∈Nj需要支付的價格表示為

其中,Cj,p為數據代理j訪問數據提供者的共享數據資源所需傳輸成本,Ci,j為數據用戶i通過數據代理j訪問數據資源所需傳輸成本.Dj[k]為數據代理j拍賣所獲得的數據提供者的第k個數據資源大小,Di[k]為數據用戶i通過數據代理j拍賣所獲得的第k個數據資源大小.

3.4 基于智能合約的3層數據拍賣算法

在3 層數據拍賣機制中,數據提供者可以在拍賣過程中逐步獲取底層數據用戶對于共享數據資源的需求信息,而數據用戶也可以在這個過程中逐步獲得數據代理提供的共享數據信息.這樣,拍賣結束時即得到最優數據分配問題的最優解qm*和qe*,實現社會福利最大化.算法1 給出了基于智能合約的3 層數據拍賣算法的過程描述,具體步驟如下.

①拍賣智能合約H 在區塊鏈系統初始化階段被編譯和部署.數據提供者P 調用智能合約H 中的Register接口注冊并初始化頂層數據交易市場,提供相關投標數據,如:共享數據資源集D 的數量D、初始報價p和拍賣迭代過程中每一輪的價格增量C.同樣地,擁有賬戶儲備資金的數據代理j通過Register接口注冊加入頂層市場,并初始化其數據需求0;② 數據代理j調用智能合約H 的Create接口創建它所連接的底層子市場的拍賣智能合約 Hj.隨后,其分片 ACZ 中擁有儲備資金的數據用戶都可以通過調用智能合約Hj的Register接口加入底層子市場,并初始化其數據需求③根據初始報價p,底層子市場的數據用戶通過智能合約Hj的UpdateDemand接口更新其數據需求結合數據用戶的需求更新,數據代理通過智能合約H 的UpdateDemand接口更新其數據需求④ 數據提供者P 按照公式(9)共享對應數量的數據資源給數據代理,數據代理依據公式(10)分配相應的數據資源給數據用戶;⑤ 根據公式(9)和公式(10),數據代理和數據用戶分別調用智能合約H 和Hj的Pay接口完成支付;⑥ 如果頂層市場和底層市場的供需不相等,則需要繼續進行下一次拍賣.由數據提供者P 調用智能合約H 的UpdatePrice接口更新報價p←p+C,然后從算法1 的步驟3 開始下一輪迭代;⑦ 整個數據拍賣結束后,數據代理和數據用戶可以調用對應的智能合約的Withdraw接口取回各自賬戶的剩余資金.

算法1.基于智能合約的3 層數據拍賣算法.

輸入:D,p←p0,C=1,

輸出:qm*,qe*,pm,pe.

3.5 算法定理

本文提出的層次數據拍賣算法具有一定的高效率和實用性.為證明這些屬性,本文考慮與經典的基于ACC的雙向拍賣算法[41]進行對比.雙向拍賣[31]是一種廣泛應用于現實交易中的實用拍賣模式,其中,交易雙方分別向拍賣中間方提交要價和出價,最后由拍賣中間方匹配雙方投標價格并確定相應的資源分配和定價規則.然而,標準的拍賣算法在投標者具有多單位商品需求時往往效率偏低.基于ACC 的雙向拍賣算法引入了ACC 這種同類商品上升競價拍賣機制,能夠很好地應對效率問題,獲得高效、實用的拍賣模型.因此,選取它作為基準算法以證明本文算法的有效性.下面,我們給出算法定理的證明過程.

定理2.在不考慮ShareBC 通信和共享服務的局限性以及訪問共享數據所需要的傳輸成本時,本文提出的層次數據拍賣機制與基于ACC 的雙向拍賣機制是等價的.

證明:假設數據提供者將對D個單位的數據資源進行共享交易.首先,分析采用基于ACC 的雙向拍賣機制,即物聯網數據用戶直接與數據提供者進行數據交易.用Qi表示數據用戶i∈N 的數據分配向量,數據拍賣報價為p={p0,p1,…,pf},r(pd)[i]表示拍賣報價為pd∈p 時,數據用戶i對于共享數據資源的需求.假設pd∈p 是數據用戶i獲得第1 份共享數據資源的價格,之后,每次的拍賣報價為pd←pd+C,滿足:

根據公式(15),可以推出:

接下來,采用本文提出的層次數據拍賣機制進行分析.假設在3 層共享數據交易市場存在2 個數據代理M1、M2,其中,M1連接的底層子市場中有i個數據用戶.M1和M2的數據分配向量為,數據拍賣報價為p={p0,p1,…,pf}.當拍賣報價為pt∈p 時,M1和M2所能獲得的數據量為

根據公式(17)和公式(19),計算如下:

比較公式(16)和公式(20),不難得出pd=ph.因此,在不考慮ShareBC 通信和服務限制以及訪問共享數據資源所產生的傳輸成本的情況下,本文的層次數據拍賣機制與基于ACC 的雙向拍賣機制是等價的.□

4 性能評估

4.1 分片協議比較與分析

本節主要從分片形成、分片內部共識以及安全性和可擴展性等方面評估ShareBC 框架分片協議.表1 提供了與當前經典區塊鏈分片協議的全面比較.本文第2.2 節在基于ShareBC 實現的數據共享關鍵步驟中針對分片協議,如分片構建和共識過程進行了闡述,下面就分片設置與對比分析展開描述.

Table 1 Sharding settings and performance comparisons表1 分片設置及其性能對比

在協議設置方面,節點加入表示允許節點加入當前epoch 所依據的規則和標準.例如,基于PoW 或PoS 機制獲得身份資格,這對于非許可區塊鏈系統是阻止女巫攻擊的重要方法.然而,本文提出的ShareBC 基于許可鏈,允許系統在假定相對信任的環境中運行,其中注冊成功的物聯網設備將準予參與節點資格.此外,ShareBC 采用賬戶/余額交易模型,這是因為該模型簡單且更適用于智能合約,支持具有任意金額的交易通過一個發送賬戶和一個接收賬戶執行交易而無需雙邊多個UTXOs,這種平衡性可以擴展到更為復雜的狀態,從而支持可編程的應用程序邏輯.最后,ShareBC 分片方案采用經典的拜占庭容錯協議在協商的共識方面具有強一致性.

節點分配是指參與節點如何分配到對應的區塊鏈系統分片中.現有的多數工作是根據epoch 產生的隨機數即基于可公開驗證的隨機性進行分配,少數研究,如Monoxide[47]協議節點分配不是隨機的而是基于地址進行劃分的.在ShareBC 分片協議中,對于每個成功注冊身份的物聯網設備,系統會根據某個關鍵特征值(如地理坐標范圍)將設備分配到對應的ACZ 中.在分片內共識方面,通常其節點配置可以是靜態(永久性)或者動態周期性變化的,如輪流替換、完全交換或更換子集節點.考慮到物聯網設備的移動性和ACZ 安全性,ShareBC 會設置定期變換ACZ 內的設備節點.并且,每個ACZ 會在每個epoch 內進行leader 選舉,leader 則來自于分片內部的物聯網設備節點.通信復雜性表明分片內部節點間的通信時間復雜度,假設表示ACZ 內節點的數量,那么ShareBC 中每個ACZ 內部的通信復雜性為O(n).

在安全性和可擴展性方面,ShareBC 對手模型是基于BFT 設置的,其協商一致性協議可以容忍的惡意或者錯誤節點數量小于1/3.表1 中顯示的吞吐量數值與測試實驗參數設置相關[45].其中,RSCoin 實驗參數包括3 個節點/分片和10 個分片;ChainSpace 實驗參數包括4 個節點/分片和15 個分片;Elastico 實驗參數包括100個節點/分片和16 個分片;OmniLedger 實驗參數包括72 個節點/分片(12.5%對手)和25 個分片;RapidChain 實驗參數包括250 個節點/分片和4 000 個節點數量;Monoxide 包括2 048 個分片和48 000 個節點數量.吞吐量數值表明,這些分片系統都具有可擴展性.ShareBC 分片協議需要經過兩輪驗證,由物聯網設備節點(follower)首先通過PBFT 共識驗證ACZ 分片內部的一致性,然后提交給聯盟鏈委員會驗證全局一致性并添加驗證成功的區塊上鏈,本文方案降低了交易延遲并有效提高了交易吞吐量,因為上鏈區塊不需要類似Bitcoin 網絡中需要等待 6 個區塊的確認時間.此外,本文共識機制在一定程度上受到 RSCoin 的啟發,ShareBC 系統中Committee 依賴分布式分片ACZ,并同時保持了對于數據共享交易的完全控制,因而具有強大的透明度和可審計性安全保證.

4.2 原型實現

智能合約實現了以不可否認性和自動化的方式強制執行激勵機制中的關鍵事件,提高了數據共享安全和效率.本實驗針對拍賣智能合約H 和其子合約Hj的性能測試開發了一個原型系統,并將其部署到Ethereum 測試網絡中以計算智能合約和各個接口的Gas 成本.在Ethereum 區塊鏈中,Gas 價格代表了執行某個任務所消耗的Ether,其測量單位為Wei 且1 Wei=10–18Ether.表2 中顯示了拍賣智能合約H 和Hj中各個接口的Gas 成本均值(20 輪測試).其中,執行成本代表智能合約執行指令的Gas 消耗;其他成本則表示調用接口的交易所消耗掉的Gas.根據表2 所示測試結果,整個智能合約中Gas 消耗最大的是Create 接口,但其只是在某個數據代理創建它所連接的底層子市場時才被調用1 次.

假設在一個層次數據拍賣系統中存在1 個數據提供者、2 個數據代理和10 個數據用戶.根據當前匯率1 Ether≈238$且1 Gas=0.000000002 Ether 進行計算,該系統中數據提供者在區塊鏈網絡中發布一個共享數據交易僅需要0.320 591 24$的成本;每個底層子市場中數據需求者(包括1 個數據代理和5 個數據用戶)歷經一輪數據拍賣的總成本為1.490 184$,平均每個數據需求者需要花費的成本為0.248 364$.注意,這里計算的一輪數據拍賣具體包括調用1 次Register(H)、1 次Create、5 次Register(Hj)、6 次UpdateDemand 和6 次Pay 接口.經過反復測試,結果表明,執行智能合約H 和Hj的成本開銷較低,說明基于智能合約實現的層次拍賣機制應用于物聯網數據激勵共享框架中是經濟可行的.

4.3 仿真結果與分析

通過仿真模擬對本文所提出的層次數據拍賣算法進行了性能測試.實驗假設數據共享參與者的規模為(x,y,(z1,z2,…,zy)),其中,x表示數據提供者的數量,y表示數據代理的數量,zi表示其所在分片ACZ 中的數據用戶的數量.仿真參數設置如下:考慮3 組參與者規模分別為#1:(1,3,(5,5,5))、#2:(1,3,(10,10,10))和#3:(1,3,(15,15,15)).

在頂層市場中,數據提供者擁有的共享數據資源數量為D=50;在底層市場中,數據用戶i∈Nj的傳輸功率為Pi=2W,通信帶寬B=10MHz,數據用戶(或數據代理)i∈ N ∪M 與數據代理(或數據提供者)j∈ M ∪P 之間的距離di,j分布范圍是[0,20].成本因子f E的取值范圍為[0,1],且f E=1–f E.數據用戶所訪問的數據資源大小為1.數據用戶i∈Nj的效用向量vi對應的元素大小分布是[0,100].參考Hong 等人的工作[9],假設單位距離di,j=1m 的噪聲功率和信道功率分別為δ2=–120dBm 和β0=–50dB,那么,數據用戶i∈Nj和數據代理j之間的信道容量計算為其中,表示數據用戶i在di,j=1m 時的接收信噪比,且最后,為確保實驗結果的準確性,每個實驗數據均取自于100 個獨立仿真結果的均值.

為了驗證算法的有效性,實驗在參與者規模分別為#1、#2 和#3 時對社會福利進行了測試.圖4 顯示了層次數據拍賣算法在不同規模下社會福利函數的收斂性.如圖4 所示,本文算法在不同數據共享規模下都能夠快速地獲得最大的社會福利.并且,隨著參與者規模(x,y,(z1,z2,…,zy))的擴大,收斂后的社會福利值也越來越大.這是因為,3 層數據交易市場的資源競爭力會隨著數據共享用戶數量的增加而增大,同時也意味著數據用戶需要支付更高的價格才能成為拍賣贏家并訪問數據.

圖5 描述了數據需求者(包括數據代理和數據用戶)的總需求與數據提供者的供應之間的關系.整體趨勢表明,數據提供者的數據供給隨著數據拍賣價格的提高不斷增加,而數據代理和數據用戶的總需求會隨著數據拍賣報價的提高而持續下降.最終,兩者曲線會收斂到同一個值,即數據提供者擁有的共享數據資源數量D=50.結合圖4 和圖5 可知,當數據代理和數據用戶對于共享數據的總需求等于數據提供者的供應時,即實現了社會福利的最大化.此外,圖4 所示的社會福利曲線和圖5 所示的數據提供者的供應曲線變化趨勢相同,原因是:只有在數據提供者愿意共享的數據資源數量發生改變時,社會福利才會變化.實驗結果表明,層次數據拍賣機制是有效的,能夠實現社會福利的最大化.

圖6 展示了算法在參與者規模為#2 時傳輸成本對于社會福利的影響.從圖中可以看出,成本因子fE越小,社會福利函數收斂值越大,即傳輸成本的增加會導致最大社會福利的下降.而且在收斂前,成本因子fE越大的社會福利曲線變化越快,對應在拍賣系統中的數據用戶就會更快地獲得到數據資源.這種情況發生的原因是,在層次數據拍賣機制中,底層子市場的傳輸成本是分片ACZ 內部數據用戶的開銷成本.在對于共享數據資源效用相同的前提下,傳輸成本越高,數據用戶參與拍賣的價格自然就會越低.考慮在相同的市場競爭力下,拍賣報價越低,成交價格越低,贏家競拍到數據資源的時間越早.

圖7 分別描述了在#1、#2 和#3 這3 種參與者規模下的數據提供者、數據代理和數據用戶在實現社會福利最大化后的總效用.如圖所示,每組柱狀條中的左1 為數據提供者的凈效用,左2 與左1 的差值為數據代理的凈效用,左3 與左2 的差值為數據用戶的凈效用.明顯地,數據提供者、數據代理和數據用戶的凈效用均為正,說明提出的層次數據拍賣機制滿足弱預算平衡性.

Fig.4 Convergence of social welfare functions圖4 社會福利函數的收斂性

Fig.5 Relationship between demands and supplies圖5 數據總需求與總供應之間的關系

Fig.6 Social welfare under different cost factors圖6 不同成本因子下的社會福利

Fig.7 Overall utility of data sharing participants圖7 數據共享參與者各自總效用

在層次數據拍賣機制中,要求數據代理在頂層市場中拍賣獲得共享數據資源之后,立即在其底層子市場中向數據用戶進行轉賣.實驗針對層次數據拍賣機制的實時性展開了如圖8 和圖9 所示的測試.

在圖8 中,描述了3 層數據拍賣算法減少的數據交易延時隨需求者(數據代理和數據用戶)數量發生變化的情況.結論是,減少時延會隨著共享用戶數量的增加而減少.

圖9 解釋了這種趨勢的原因.在圖9 中,分別展示了在#1、#2 和#3 參與者規模下的數據代理和數據用戶的整個拍賣過程.其中,xi(i∈{1,2,3})表示數據用戶從拍賣贏得第1 個共享數據資源集到拍賣結束的過程.由于x1＞x2＞x3,說明參與者的規模越小,數據用戶越少,拍賣結束越快,數據資源也能更快獲得.這個不難理解,數據共享交易的參與者規模決定了市場競爭力的大小,當市場競爭力較小時,數據用戶贏得共享數據資源的時間較短.因此,當物聯網中參與數據共享的設備數量較少時,算法的實時性會更明顯.

Fig.8 Reduction in latency with the number of demanders圖8 減少時延隨需求者數量的變化

Fig.9 Auction process of players in different cases圖9 數據用戶/代理在不同規模下的拍賣過程

最后,在不同數量的數據用戶設置下,實驗針對最大社會福利進行了算法對比測試.其中,測試算法包括基于ACC 的雙向拍賣算法和基于智能合約的3 層數據拍賣算法.實驗結果表明,兩種拍賣算法能夠實現的最大社會福利基本是相同的.

圖10 所示的微小差距可能是由于兩者在實驗中的取值皆為均值所造成的.實驗結果驗證了定理2 的正確性.即,在不考慮ShareBC 通信和服務局限性以及訪問共享數據所需要的傳輸成本時,本文提出的層次數據拍賣機制與基于ACC 的雙向拍賣機制等價.

圖11 展示了算法擴大節點規模后的測試效果,隨著ACZ 組數以及每個分片ACZ 中的數據用戶數量的增加,算法執行所需要的迭代輪次也逐漸增加,從圖中可以看出,本文算法呈線性增長趨勢其擴展性表現良好.

Fig.10 Average maximum social welfare in hierarchical data auction and double auction algorithms圖10 層次數據拍賣算法和基于ACC 的雙向拍賣算法的最大社會福利

Fig.11 Average number of rounds with varying ACZ groups and number of data users in each ACZ圖11 ACZ 組數和每個ACZ 中數據用戶節點數量對迭代輪次的影響

5 總結與展望

本文研究了基于區塊鏈的高效物聯網數據激勵共享方案.一方面,該方案提出了一個高效的區塊鏈物聯網數據激勵共享框架(稱為ShareBC).為了提升系統的數據共享交易處理能力,ShareBC 引入分片技術將網絡中物聯網設備劃分成若干分片異步共識區,將原來需要全網節點共同進行的交易驗證工作在分片異步共識區并行處理.在此基礎上,為ShareBC 設計了高效的共識機制,這種共識機制具有強大的透明度和可審計性保證,并且在計算成本和可擴展性方面也具有優勢;另一方面,該方案提出了基于層次數據拍賣模型的激勵機制,解決了數據提供者與數據需求者之間的共享數據資源分配問題,其中無法訪問共享資源的數據用戶可以通過數據代理幫助其獲取數據,以鼓勵更多的物聯網用戶加入到數據共享中.在層次數據拍賣機制中,設計了包括數據代理在內的3 層數據拍賣模型和相關的數據分配以及定價規則,并考慮了傳輸數據成本對于社會福利的影響.最后,為確保拍賣機制的不可否認性和執行效率,利用智能合約部署的形式使其自動生效.理論證明和實驗評估表明,本文所提出的激勵共享方案具有個體理性、激勵兼容性、弱預算平衡和實時性以及可擴展性的特點,并且具有較低的計算成本和良好的實用性.

未來工作將繼續探索區塊鏈技術在物聯網領域的數據共享應用.為了解決區塊鏈固有的性能瓶頸問題,需要針對系統擴展性進行提升研究(如:分片、鏈下支付通道).目前,ShareBC 鏈尚未實現,本文給出了ShareBC 分片協議的設置建議和性能對比分析,后面將繼續研究ShareBC 分片協議的具體實現,考慮在動態物聯網環境中如何形成分片和進行分片的動態調整并且能夠同時平衡分散性、安全性以及可擴展性.此外,多鏈驅動的異構物聯網共享應用平臺也可進一步提高區塊鏈系統性能.在本文模型中,ShareBC 是基于許可鏈來設置的,數據共享交易在假設相對信任的環境中進行,所有參與節點,如數據提供者,均具有經聯盟組織策略授權的成員資格.在下一步工作中,可以考慮在激勵機制中設置信用評價和獎懲機制以提升共享數據質量和交易安全性.