Pemvirtualan Fungsi Rantaian Blok untuk Rangkaian Mudah Alih Melebihi 5G

Kandungan

1. Pengenalan

Teknologi rantaian blok telah muncul sebagai teknologi lejar teragih yang transformatif yang membolehkan rangkaian rakan ke rakan terpencar tanpa bergantung pada pihak berkuasa berpusat. Rangkaian mudah alih generasi kelima (5G) dan seterusnya semakin bergantung pada sistem berpusat untuk teknologi utama seperti pemotongan rangkaian, perkongsian spektrum, dan pembelajaran gabungan, yang memperkenalkan kerentanan termasuk titik kegagalan tunggal dan risiko keselamatan.

Rangkaian Rantaian Blok Mudah Alih (MBN) mewakili pendekatan inovatif untuk mengintegrasikan rantaian blok dengan infrastruktur mudah alih, tetapi mereka menghadapi cabaran signifikan dari segi penggunaan tenaga, keperluan kuasa pemprosesan, dan batasan penyimpanan. Cabaran ini amat ketara untuk peranti mudah alih dan IoT berkuasa bateri dengan keupayaan pengiraan yang terhad.

2. Rangka Kerja Pemvirtualan Fungsi Rantaian Blok

2.1 Seni Bina Teras

Rangka kerja Pemvirtualan Fungsi Rantaian Blok (BFV) memperkenalkan pendekatan novel di mana semua tugas pengiraan berkaitan rantaian blok dianggap sebagai fungsi maya yang boleh dilaksanakan pada pelayan komoditi melalui Pengkomputeran Tepi Mudah Alih (MEC) atau infrastruktur pengkomputeran awan. Seni bina ini membolehkan peranti terhad sumber menyertai rangkaian rantaian blok sepenuhnya tanpa dihadkan oleh keupayaan perkakasan mereka.

Rangka kerja BFV terdiri daripada tiga komponen utama:

• Pengurus Fungsi Maya: Menyelaras pemunggahan tugas rantaian blok
• Lapisan Pengkomputeran Tepi: Menyediakan sumber pengiraan untuk fungsi maya
• Antara Muka Rantaian Blok: Mengekalkan sambungan dengan rangkaian rantaian blok

2.2 Fungsi Rantaian Blok Maya

Berbeza dengan pendekatan sebelumnya yang hanya memunggah proses perlombongan, BFV memvirtualkan semua fungsi rantaian blok penting termasuk:

• Penyulitan dan nyahsulitan transaksi
• Pelaksanaan mekanisme konsensus
• Pengesahan dan pengesahan blok
• Pelaksanaan kontrak pintar
• Pengesahan tandatangan digital

3. Pelaksanaan Teknikal

3.1 Formulasi Matematik

Masalah pengoptimuman dalam BFV bertujuan untuk meminimumkan kos penggunaan tenaga dan memaksimumkan ganjaran pelombong secara serentak. Fungsi objektif boleh dirumuskan sebagai:

Biarkan $E_{total}$ mewakili jumlah penggunaan tenaga, $R_{miners}$ ganjaran pelombong, dan $C_{energy}$ kos tenaga. Masalah pengoptimuman ditakrifkan sebagai:

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

Dengan kekangan:

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

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

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

Di mana $\alpha$ dan $\beta$ adalah pekali pemberat, $E_i$ adalah penggunaan tenaga untuk tugas $i$, $P_j$ adalah kuasa pemprosesan untuk fungsi $j$, dan $T$ mewakili kekangan masa.

3.2 Pelaksanaan Kod

Di bawah adalah pelaksanaan pseudokod yang dipermudahkan bagi algoritma pemunggahan tugas BFV:

class BFVTaskScheduler:
    def __init__(self, mobile_devices, edge_servers):
        self.devices = mobile_devices
        self.servers = edge_servers
        
    def optimize_offloading(self, blockchain_tasks):
        """Mengoptimumkan pemunggahan tugas untuk meminimumkan tenaga dan memaksimumkan ganjaran"""
        
        # Mulakan parameter pengoptimuman
        energy_weights = self.calculate_energy_weights()
        reward_weights = self.calculate_reward_potential()
        
        for task in blockchain_tasks:
            # Nilaikan keperluan pengiraan
            comp_requirement = task.get_computation_need()
            energy_cost_local = task.estimate_local_energy()
            
            # Semak sama ada pemunggahan bermanfaat
            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):
        """Tentukan sama ada tugas harus dipunggah berdasarkan kriteria pengoptimuman"""
        offload_energy = self.estimate_offload_energy(task)
        communication_cost = self.calculate_comm_cost(task)
        
        # Syarat pengoptimuman
        return (local_energy > offload_energy + communication_cost and
                computation > self.computation_threshold)

4. Keputusan Eksperimen

Keputusan simulasi menunjukkan peningkatan prestasi signifikan yang dicapai oleh rangka kerja BFV:

5. Analisis Asal

Rangka kerja Pemvirtualan Fungsi Rantaian Blok mewakili kemajuan signifikan dalam menjadikan teknologi rantaian blok praktikal untuk persekitaran mudah alih dan IoT. Pelaksanaan rantaian blok tradisional menghadapi batasan asas apabila digunakan pada peranti terhad sumber, seperti yang dinyatakan dalam kertas putih Bitcoin asal di mana Nakamoto mengakui intensiti pengiraan konsensus bukti-kerja. Pendekatan BFV menangani batasan ini melalui strategi pemvirtualan komprehensif yang melampaui pemunggahan pengiraan mudah.

Berbanding kerja berkaitan dalam pengkomputeran tepi untuk rantaian blok, seperti pendekatan yang dibincangkan dalam IEEE Transactions on Mobile Computing, inovasi BFV terletak pada rawatan holistik semua fungsi rantaian blok sebagai komponen yang boleh divirtualkan. Ini berbeza dengan usaha sebelumnya yang terutamanya memberi tumpuan kepada pemunggahan operasi perlombongan sambil mengabaikan fungsi lain yang mahal dari segi pengiraan seperti penyulitan, nyahsulitan, dan pelaksanaan kontrak pintar. Objektif pengoptimuman dual rangka kerja—meminimumkan penggunaan tenaga sambil memaksimumkan ganjaran pelombong—mencipta model ekonomi mampan untuk penyertaan rantaian blok mudah alih.

Formulasi matematik yang dibentangkan menunjukkan pengoptimuman pelbagai objektif yang canggih yang mengimbangi keutamaan yang bersaing. Pendekatan ini selari dengan trend muncul dalam pembelajaran gabungan dan sistem teragih, di mana peruntukan sumber mesti mempertimbangkan kedua-dua kecekapan teknikal dan insentif ekonomi. Seperti yang dinyatakan dalam penerbitan terkini dari Persatuan untuk Pengkomputeran Mesin, integrasi model ekonomi dengan penyelesaian teknikal menjadi semakin penting untuk sistem terpencar yang mampan.

Dari perspektif pelaksanaan, seni bina BFV berkongsi persamaan dengan Pemvirtualan Fungsi Rangkaian (NFV) dalam rangkaian 5G, tetapi menggunakan konsep ini khusus untuk operasi rantaian blok. Aplikasi rentas domain prinsip pemvirtualan ini menunjukkan pendekatan inovatif rangka kerja. Keputusan simulasi yang menunjukkan pengurangan tenaga 65% dan peningkatan 85% dalam kadar pengesahan transaksi amat mengagumkan apabila dibandingkan dengan pelaksanaan rantaian blok mudah alih asas yang didokumenkan dalam penyelidikan IoT terkini.

Kesan potensi rangka kerja BFV melampaui aplikasi 5G semasa kepada rangkaian 6G yang muncul, di mana komunikasi dan pengiraan bersepadu akan menjadi lebih kritikal. Memandangkan peranti mudah alih terus berkembang dan penyebaran IoT berkembang, penyelesaian seperti BFV yang membolehkan penyertaan rantaian blok cekap tanpa peningkatan perkakasan akan menjadi semakin berharga untuk mencipta rangkaian mudah alih terpencar yang sebenar.

6. Aplikasi dan Hala Tuju Masa Depan

Aplikasi Semasa

• Keselamatan IoT: Pengesahan peranti selamat dan integriti data untuk rangkaian IoT
• Pembayaran Mudah Alih: Sistem pembayaran berasaskan rantaian blok yang cekap pada peranti mudah alih
• Penjejakan Rantaian Bekalan: Penjejakan masa nyata barangan dengan penggunaan sumber peranti minimum
• Identiti Terpencar: Pengurusan identiti berdaulat sendiri untuk pengguna mudah alih

Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan

• Integrasi dengan seni bina rangkaian 6G dan komunikasi semantik
• Pemunggahan ramalan berasaskan pembelajaran mesin untuk persekitaran dinamik
• Kebolehoperasian rantai silang untuk aplikasi mudah alih multi-rantaian blok
• Fungsi kriptografi rintang kuantum dalam rangka kerja pemvirtualan
• Integrasi penuaian tenaga untuk operasi rantaian blok mampan

7. Rujukan

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.