Uwezeshaji wa Kazi za Blockchain kwa Mtandao wa Rununu Zaidi ya 5G

Yaliyomo

1. Utangulizi

Teknolojia ya Blockchain imeibuka kama teknolojia ya kiotomatiki iliyogawanyika inayowezesha mitandao ya mitandao ya wenza bila kutegemea mamlaka kuu. Mitandao ya kijeni ya tano (5G) na zaidi inategemea sana mifumo iliyokusanyika kwa teknolojia muhimu kama ukataji wa mtandao, ushiriki wa wigo, na ujifunzaji wa shirikisho, ambayo inaleta udhaifu ikiwemo sehemu moja ya kushindwa na hatari za usalama.

Mitandao ya Blockchain ya Rununu (MBNs) inawakilisha mbinu ya uvumbuzi ya kuunganisha blockchain na miundombinu ya rununu, lakini inakabiliwa na changamoto kubwa katika suala la matumizi ya nishati, mahitaji ya nguvu ya usindikaji, na ukomo wa hifadhi. Changamoto hizi ni kali hasa kwa vifaa vya rununu na IoT vyenye nishati ya betri na uwezo mdogo wa kihisabati.

2. Mfumo wa Uwezeshaji wa Kazi za Blockchain

2.1 Muundo Msingi

Mfumo wa Uwezeshaji wa Kazi za Blockchain (BFV) unaleta mbinu mpya ambapo kazi zote za kihisabati zinazohusiana na blockchain huchukuliwa kama kazi zilizowezeshwa ambazo zinaweza kutekelezwa kwa seva za kawaida kupitia Usindikaji wa Ukingo wa Rununu (MEC) au miundombinu ya kompyuta wingu. Muundo huu huwezesha vifaa vilivyokabiliwa na ukomo wa rasilimali kushiriki kikamilifu katika mitandao ya blockchain bila kuwekewa mipaka na uwezo wao wa vifaa.

Mfumo wa BFV una sehemu kuu tatu:

• Meneja wa Kazi Zilizowezeshwa: HuRatibu upakiaji wa kazi za blockchain
• Tabaka la Usindikaji wa Ukingo: Hutoa rasilimali za kihisabati kwa kazi zilizowezeshwa
• Kiolesura cha Blockchain: HuDumisha muunganisho na mtandao wa blockchain

2.2 Kazi za Blockchain Zilizowezeshwa

Tofauti na mbinu za awali ambazo zilipakia tu michakato ya uchimbaji, BFV inawezesha kazi zote muhimu za blockchain ikiwemo:

• Usimbaji fiche na ufumbuzi wa miamala
• Utekelezaji wa utaratibu wa makubaliano
• Uthibitishaji na uthaminishaji wa vitalu
• Utekelezaji wa kandarasi za elektroniki
• Uthibitishaji wa saini za kidijitali

3. Utekelezaji wa Kiufundi

3.1 Muundo wa Kihisabati

Tatizo la uboreshaji katika BFV linalenga kupunguza gharama za matumizi ya nishati na kuongeza malipo ya wachimbaji wakati huo huo. Kazi lengo inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo:

Acha $E_{jumla}$ iwakilishe jumla ya matumizi ya nishati, $R_{wachimbaji}$ malipo ya wachimbaji, na $C_{nishati}$ gharama ya nishati. Tatizo la uboreshaji limefafanuliwa kama:

$$\min \alpha \cdot C_{nishati} - \beta \cdot R_{wachimbaji}$$

Chini ya vikwazo:

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

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

$$T_{ukamilishaji} \leq T_{mwisho_wa_muda}$$

Ambapo $\alpha$ na $\beta$ ni viwango vya uzani, $E_i$ ni matumizi ya nishati kwa kazi $i$, $P_j$ ni nguvu ya usindikaji kwa kazi $j$, na $T$ inawakilisha vikwazo vya muda.

3.2 Utekelezaji wa Msimbo

Hapa chini kuna utekelezaji rahisi wa msimbo bandia wa algoriti ya upakiaji wa kazi ya BFV:

class BFVTaskScheduler:
    def __init__(self, mobile_devices, edge_servers):
        self.devices = mobile_devices
        self.servers = edge_servers
        
    def optimize_offloading(self, blockchain_tasks):
        """Boresha upakiaji wa kazi ili kupunguza nishati na kuongeza malipo"""
        
        # Anzisha vigezo vya uboreshaji
        energy_weights = self.calculate_energy_weights()
        reward_weights = self.calculate_reward_potential()
        
        for task in blockchain_tasks:
            # Tathmini mahitaji ya kihisabati
            comp_requirement = task.get_computation_need()
            energy_cost_local = task.estimate_local_energy()
            
            # Angalia ikiwa upakiaji wa kazi unafaa
            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):
        """Amua ikiwa kazi inapaswa kupakiwa kulingana na vigezo vya uboreshaji"""
        offload_energy = self.estimate_offload_energy(task)
        communication_cost = self.calculate_comm_cost(task)
        
        # Masharti ya uboreshaji
        return (local_energy > offload_energy + communication_cost and
                computation > self.computation_threshold)

4. Matokeo ya Majaribio

Matokeo ya uigizaji yanaonyesha uboreshaji mkubwa wa utendakazi uliopatikana na mfumo wa BFV:

5. Uchambuzi wa Kiasili

Mfumo wa Uwezeshaji wa Kazi za Blockchain unawakilisha maendeleo makubwa katika kufanya teknolojia ya blockchain iweze kutekelezeka kwa mazingira ya rununu na IoT. Utekelezaji wa kawaida wa blockchain unakabiliwa na ukomo wa msingi unapotumika kwenye vifaa vilivyokabiliwa na ukomo wa rasilimali, kama ilivyoelezwa katika karatasi nyeupe asili ya Bitcoin ambapo Nakamoto alikiri ukali wa kihisabati wa makubaliano ya uthibitisho wa kazi. Njia ya BFV inashughulikia ukomo huu kupitia mkakati kamili wa uwezeshaji unaozidi upakiaji rahisi wa kihisabati.

Ikilinganishwa na kazi zinazohusiana katika usindikaji wa ukingo kwa blockchain, kama vile mbinu zilizojadiliwa katika IEEE Transactions on Mobile Computing, uvumbuzi wa BFV upo katika matibabu yake ya jumla ya kazi zote za blockchain kama vipengele vinavyoweza kuwezeshwa. Hii inatofautiana na juhudi za awali ambazo zililenga hasa upakiaji wa shughuli za uchimbaji huku zikipuuza kazi zingine za gharama kubwa za kihisabati kama usimbaji fiche, ufumbuzi, na utekelezaji wa kandarasi za elektroniki. Lengo la uboreshaji la mfumo — kupunguza matumizi ya nishati huku ukiongeza malipo ya wachimbaji — huunda muundo wa kiuchumi endelevu wa ushiriki wa blockchain ya rununu.

Muundo wa kihisabati uliowasilishwa unaonyesha uboreshaji wa hali ya juu wa malengo mengi unaowiana vipaumbele vinavyoshindana. Njia hii inafanana na mienendo mipya katika ujifunzaji wa shirikisho na mifumo iliyogawanyika, ambapo mgawo wa rasilimali lazima uzingatie ufanisi wa kiufundi na motisha za kiuchumi. Kama ilivyoelezwa katika machapisho ya hivi karibuni kutoka kwa Chama cha Sayansi ya Kompyuta, ushirikishaji wa miundo ya kiuchumi na suluhu za kiufundi unazidi kuwa muhimu kwa mifumo endelevu iliyogawanyika.

Kutoka kwa mtazamo wa utekelezaji, muundo wa BFV unafanana na Uwezeshaji wa Kazi za Mtandao (NFV) katika mitandao ya 5G, lakini inatumia dhana hizi hasa kwa shughuli za blockchain. Matumizi haya ya kuvuka nyanja za kanuni za uwezeshaji yanaonyesha mbinu ya uvumbuzi ya mfumo. Matokeo ya uigizaji yanayoonyesha kupunguzwa kwa nishati kwa 65% na uboreshaji wa 85% katika viwango vya uthibitishaji wa miamala ni ya kuvutia hasa ikilinganishwa na utekelezaji wa msingi wa blockchain ya rununu ulioandikwa katika utafiti wa hivi karibuni wa IoT.

Athari inayoweza kutokea ya mfumo wa BFV inazidi matumizi ya sasa ya 5G kwa mitandao ya 6G inayokuja, ambapo mawasiliano na usindikaji yanachanganyika yatakuwa muhimu zaidi. Kama vile vifaa vya rununu vinaendelea kuzidi na kuenea kwa matumizi ya IoT, suluhu kama BFV zinazowezesha ushiriki wenye ufanisi wa blockchain bila boresho la vifaa zitakuwa na thamani kubwa zaidi kwa kuunda mitandao ya rununu iliyogawanyika kwa kweli.

6. Matumizi na Mwelekeo wa Baadaye

Matumizi ya Sasa

• Usalama wa IoT: Uthibitishaji salama wa vifaa na uadilifu wa data kwa mitandao ya IoT
• Malipo ya Rununu: Mifumo bora ya malipo ya msingi wa blockchain kwenye vifaa vya rununu
• Ufuatiliaji wa Mnyororo wa Usambazaji: Ufuatiliaji wa nyakati halisi wa bidhaa kwa matumizi madogo ya rasilimali za kifaa
• Utambulisho Uliogawanyika: Usimamizi wa utambulisho wa kujitawala kwa watumiaji wa rununu

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye

• Ushirikiano na miundo ya mtandao wa 6G na mawasiliano ya kisemantiki
• Upakiaji wa utabiri wa msingi wa ujifunzaji wa mashine kwa mazingira ya nguvu
• Uwezo wa kufanya kazi kati ya minyororo mbalimbali kwa programu za rununu za blockchain nyingi
• Kazi za kisimbaji fiche zinazostahimili kompyuta za quantamu ndani ya mfumo wa uwezeshaji
• Ushirikiano wa mavuno ya nishati kwa shughuli endelevu za blockchain

7. Marejeo

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.