تخيل وظائف البلوك تشين لشبكات الجوال لما بعد الجيل الخامس

جدول المحتويات

1. المقدمة

برزت تقنية البلوك تشين كتقنية دفتر أستاذ موزّع تحويلية تتيح شبكات نظير إلى نظير لامركزية دون الاعتماد على سلطات مركزية. تعتمد شبكات الجوال من الجيل الخامس (5G) وما بعده بشكل متزايد على الأنظمة المركزية للتقنيات الرئيسية مثل تقسيم الشبكة، ومشاركة الطيف، والتعلم الموحد، مما يخلق نقاط ضعف تشمل نقاط فشل أحادية ومخاطر أمنية.

تمثل شبكات البلوك تشين المتنقلة (MBNs) نهجًا مبتكرًا لدمج البلوك تشين مع البنية التحتية المتنقلة، لكنها تواجه تحديات كبيرة من حيث استهلاك الطاقة، ومتطلبات قوة المعالجة، وقيود التخزين. هذه التحديات حادة بشكل خاص لأجهزة الجوال وإنترنت الأشياء التي تعمل بالبطاريات ذات القدرات الحسابية المحدودة.

2. إطار عمل تخيل وظائف البلوك تشين

2.1 البنية الأساسية

يقدم إطار عمل تخيل وظائف البلوك تشين (BFV) نهجًا جديدًا حيث يتم التعامل مع جميع المهام الحسابية المتعلقة بالبلوك تشين كوظائف افتراضية يمكن تنفيذها على خوادم قياسية من خلال البنية التحتية للحوسبة الطرفية المتنقلة (MEC) أو الحوسبة السحابية. تتيح هذه البنية للأجهزة محدودة الموارد المشاركة الكاملة في شبكات البلوك تشين دون أن تكون محدودة بقدراتها الأجهزية.

يتكون إطار عمل BFV من ثلاثة مكونات رئيسية:

• مدير الوظائف الافتراضية: ينسق تفريغ مهام البلوك تشين
• طبقة الحوسبة الطرفية: توفر الموارد الحسابية للوظائف الافتراضية
• واجهة البلوك تشين: تحافظ على الاتصال بشبكة البلوك تشين

2.2 وظائف البلوك تشين الافتراضية

على عكس النهج السابقة التي تفْرغ عمليات التعدين فقط، فإن BFV يجعل جميع وظائف البلوك تشين الأساسية افتراضية بما في ذلك:

• تشفير وفك تشفير المعاملات
• تنفيذ آلية الإجماع
• التحقق من صحة الكتلة والتأكد منها
• تنفيذ العقود الذكية
• التحقق من التوقيع الرقمي

3. التنفيذ التقني

3.1 الصياغة الرياضية

تهدف مشكلة التحسين في BFV إلى تقليل تكاليف استهلاك الطاقة وتعظيم مكافآت المعدّنين في وقت واحد. يمكن صياغة الدالة الهدف على النحو التالي:

لنفترض أن $E_{total}$ تمثل إجمالي استهلاك الطاقة، و$R_{miners}$ مكافآت المعدّنين، و$C_{energy}$ تكلفة الطاقة. يتم تعريف مشكلة التحسين على النحو التالي:

$$\min \alpha \cdot C_{energy} - \beta \cdot R_{miners}$$

بشرط:

$$\sum_{i=1}^{N} E_i \leq E_{max}$$

$$\sum_{j=1}^{M} P_j \geq P_{min}$$

$$T_{completion} \leq T_{deadline}$$

حيث $\alpha$ و$\beta$ معاملات ترجيح، $E_i$ هو استهلاك الطاقة للمهمة $i$، $P_j$ هو قوة المعالجة للوظيفة $j$، و$T$ تمثل قيود الوقت.

3.2 التنفيذ البرمجي

فيما يلي تنفيذ شبه برمجي مبسط لخوارزمية تفريغ المهام في BFV:

class BFVTaskScheduler:
    def __init__(self, mobile_devices, edge_servers):
        self.devices = mobile_devices
        self.servers = edge_servers
        
    def optimize_offloading(self, blockchain_tasks):
        """تحسين تفريغ المهام لتقليل الطاقة وتعظيم المكافآت"""
        
        # تهيئة معاملات التحسين
        energy_weights = self.calculate_energy_weights()
        reward_weights = self.calculate_reward_potential()
        
        for task in blockchain_tasks:
            # تقييم المتطلبات الحسابية
            comp_requirement = task.get_computation_need()
            energy_cost_local = task.estimate_local_energy()
            
            # التحقق مما إذا كان التفريغ مفيدًا
            if self.should_offload(task, comp_requirement, energy_cost_local):
                best_server = self.select_optimal_server(task)
                self.offload_task(task, best_server)
            else:
                task.execute_locally()
                
    def should_offload(self, task, computation, local_energy):
        """تحديد ما إذا كان يجب تفريغ المهمة بناءً على معايير التحسين"""
        offload_energy = self.estimate_offload_energy(task)
        communication_cost = self.calculate_comm_cost(task)
        
        # شرط التحسين
        return (local_energy > offload_energy + communication_cost and
                computation > self.computation_threshold)

4. النتائج التجريبية

تُظهر نتائج المحاكاة تحسينات أداء كبيرة حققها إطار عمل BFV:

5. التحليل الأصلي

يمثل إطار عمل تخيل وظائف البلوك تشين تقدمًا كبيرًا في جعل تقنية البلوك تشين عملية لبيئات الجوال وإنترنت الأشياء. تواجه تنفيذات البلوك تشين التقليدية قيودًا أساسية عند نشرها على الأجهزة محدودة الموارد، كما لوحظ في الورقة البيضاء الأصلية للبيتكوين حيث اعترف ناكاموتو بالكثافة الحسابية لإجماع إثبات العمل. يتناول نهج BFV هذه القيود من خلال استراتيجية تخيل شاملة تتجاوز التفريغ الحسابي البسيط.

مقارنة بالأعمال ذات الصلة في الحوسبة الطرفية للبلوك تشين، مثل النهج التي نوقشت في IEEE Transactions on Mobile Computing، فإن ابتكار BFV يكمن في معاملته الشاملة لجميع وظائف البلوك تشين كمكونات قابلة للتخيل. وهذا يتناقض مع الجهود السابقة التي ركزت بشكل أساسي على تفريغ عمليات التعدين مع إهمال الوظائف الأخرى المكلفة حسابيًا مثل التشفير وفك التشفير وتنفيذ العقود الذكية. إن الهدف المزدوج للتحسين في الإطار - تقليل استهلاك الطاقة مع تعظيم مكافآت المعدّنين - يخلق نموذجًا اقتصاديًا مستدامًا للمشاركة في بلوك تشين الجوال.

تُظهر الصياغة الرياضية المقدمة تحسينًا متعدد الأهداف متطورًا يوازن بين الأولويات المتنافسة. يتوافق هذا النهج مع الاتجاهات الناشئة في التعلم الموحد والأنظمة الموزعة، حيث يجب أن يأخذ تخصيص الموارد في الاعتبار كل من الكفاءة التقنية والحوافز الاقتصادية. كما لوحظ في المنشورات الحديثة من جمعية آلات الحوسبة، فإن دمج النماذج الاقتصادية مع الحلول التقنية أصبح ذا أهمية متزايدة للأنظمة اللامركزية المستدامة.

من منظور التنفيذ، تشترك بنية BFV في أوجه التشابه مع تخيل وظائف الشبكة (NFV) في شبكات الجيل الخامس، لكنها تطبق هذه المفاهيم تحديدًا على عمليات البلوك تشين. يوضح هذا التطبيق عبر المجالات لمبادئ التخيل النهج المبتكر للإطار. إن نتائج المحاكاة التي تظهر تخفيض الطاقة بنسبة 65% وتحسين معدلات تأكيد المعاملات بنسبة 85% مثيرة للإعجاب بشكل خاص عند مقارنتها بتنفيذات البلوك تشين المتنقلة الأساسية الموثقة في أبحاث إنترنت الأشياء الحديثة.

يمتد التأثير المحتمل لإطار عمل BFV إلى ما وراء تطبيقات الجيل الخامس الحالية إلى شبكات الجيل السادس الناشئة، حيث سيكون الاتصال والحوسبة المتكاملان أكثر أهمية. مع استمرار انتشار أجهزة الجوال وتوسع نطاق نشر إنترنت الأشياء، ستزداد قيمة الحلول مثل BFV التي تتيح المشاركة الفعالة في البلوك تشين دون ترقيات الأجهزة لإنشاء شبكات متنقلة لامركزية حقًا.

6. التطبيقات والاتجاهات المستقبلية

التطبيقات الحالية

• أمن إنترنت الأشياء: المصادقة الآمنة للأجهزة وسلامة البيانات لشبكات إنترنت الأشياء
• المدفوعات المتنقلة: أنظمة دفع فعالة قائمة على البلوك تشين على أجهزة الجوال
• تتبع سلسلة التوريد: تتبع البضائع في الوقت الفعلي مع الحد الأدنى من استخدام موارد الجهاز
• الهوية اللامركزية: إدارة الهوية ذات السيادة الذاتية لمستخدمي الجوال

اتجاهات البحث المستقبلية

• التكامل مع بنى شبكات الجيل السادس والاتصالات الدلالية
• التفريغ التنبئي القائم على التعلم الآلي للبيئات الديناميكية
• القدرة على التشغيل البيني عبر السلاسل لتطبيقات الجوال متعددة البلوك تشين
• وظائف التشفير المقاومة للحوسبة الكمومية ضمن إطار التخيل
• تكامل حصاد الطاقة لعمليات البلوك تشين المستدامة

7. المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Zheng, Z., Xie, S., Dai, H., Chen, X., & Wang, H. (2017). An Overview of Blockchain Technology: Architecture, Consensus, and Future Trends. IEEE International Congress on Big Data.
3. Mao, Y., You, C., Zhang, J., Huang, K., & Letaief, K. B. (2017). A Survey on Mobile Edge Computing: The Communication Perspective. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
4. Li, Y., Chen, M., & Wang, C. (2020). Mobile Blockchain and AI: Challenges and Opportunities. IEEE Network.
5. IEEE Standards Association (2021). IEEE P2140 - Standard for Blockchain-based Decentralized Mobile Networks.
6. Zhang, P., Schmidt, D. C., White, J., & Lenz, G. (2018). Blockchain Technology Use Cases in Healthcare. Advances in Computers.