5G Ötesi Mobil Ağlar için Blok Zinciri İşlev Sanallaştırması

İçindekiler

1. Giriş

Blok zinciri teknolojisi, merkezi otoritelere güvenmeden merkeziyetsiz eşler arası ağlara olanak tanıyan dönüştürücü bir dağıtık defter teknolojisi olarak ortaya çıkmıştır. Beşinci nesil (5G) mobil ağlar ve ötesi, ağ dilimleme, spektrum paylaşımı ve birleşik öğrenme gibi temel teknolojiler için giderek artan şekilde merkezi sistemlere bağımlı hale gelmekte, bu da tek noktada hata ve güvenlik riskleri de dahil olmak üzere güvenlik açıkları yaratmaktadır.

Mobil Blok Zinciri Ağları (MBN'ler), blok zincirini mobil altyapıyla entegre etmek için yenilikçi bir yaklaşımı temsil etmektedir, ancak enerji tüketimi, işlem gücü gereksinimleri ve depolama sınırlamaları açısından önemli zorluklarla karşılaşmaktadırlar. Bu zorluklar, sınırlı hesaplama kapasitelerine sahip pil destekli mobil ve IoT cihazları için özellikle ciddidir.

2. Blok Zinciri İşlev Sanallaştırması Çerçevesi

2.1 Çekirdek Mimarisi

Blok Zinciri İşlev Sanallaştırması (BFV) çerçevesi, tüm blok zinciriyle ilgili hesaplama görevlerinin, Mobil Kenar Bilişim (MEC) veya bulut bilişim altyapısı aracılığıyla ticari sunucularda yürütülebilen sanal işlevler olarak ele alındığı yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bu mimari, kaynak kısıtlı cihazların donanım kapasiteleriyle sınırlı kalmadan blok zinciri ağlarına tam olarak katılmalarını sağlamaktadır.

BFV çerçevesi üç ana bileşenden oluşmaktadır:

• Sanal İşlev Yöneticisi: Blok zinciri görevlerinin aktarımını koordine eder
• Kenar Bilişim Katmanı: Sanal işlevler için hesaplama kaynakları sağlar
• Blok Zinciri Arayüzü: Blok zinciri ağıyla bağlantıyı sürdürür

2.2 Sanal Blok Zinciri İşlevleri

Yalnızca madencilik süreçlerini aktaran önceki yaklaşımların aksine, BFV aşağıdakiler de dahil olmak üzere tüm temel blok zinciri işlevlerini sanallaştırmaktadır:

• İşlem şifreleme ve deşifreleme
• Mutabakat mekanizması yürütümü
• Blok doğrulama ve teyit
• Akıllı sözleşme yürütümü
• Dijital imza doğrulama

3. Teknik Uygulama

3.1 Matematiksel Formülasyon

BFV'deki optimizasyon problemi, enerji tüketim maliyetlerini en aza indirgemeyi ve madencilerin ödüllerini en üst düzeye çıkarmayı aynı anda hedeflemektedir. Amaç fonksiyonu şu şekilde formüle edilebilir:

$E_{total}$ toplam enerji tüketimini, $R_{miners}$ madencilerin ödüllerini ve $C_{energy}$ enerji maliyetini temsil etsin. Optimizasyon problemi şu şekilde tanımlanmaktadır:

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

Kısıtlamalar:

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

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

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

Burada $\alpha$ ve $\beta$ ağırlık katsayılarıdır, $E_i$ $i$ görevinin enerji tüketimidir, $P_j$ $j$ işlevi için işlem gücüdür ve $T$ zaman kısıtlamalarını temsil etmektedir.

3.2 Kod Uygulaması

Aşağıda BFV görev aktarma algoritmasının basitleştirilmiş bir sözde kodu bulunmaktadır:

class BFVTaskScheduler:
    def __init__(self, mobile_devices, edge_servers):
        self.devices = mobile_devices
        self.servers = edge_servers
        
    def optimize_offloading(self, blockchain_tasks):
        """Enerjiyi en aza indirgemek ve ödülleri en üst düzeye çıkarmak için görev aktarmayı optimize et"""
        
        # Optimizasyon parametrelerini başlat
        energy_weights = self.calculate_energy_weights()
        reward_weights = self.calculate_reward_potential()
        
        for task in blockchain_tasks:
            # Hesaplama gereksinimlerini değerlendir
            comp_requirement = task.get_computation_need()
            energy_cost_local = task.estimate_local_energy()
            
            # Aktarmanın faydalı olup olmadığını kontrol et
            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):
        """Görevin optimizasyon kriterlerine dayalı olarak aktarılıp aktarılmayacağını belirle"""
        offload_energy = self.estimate_offload_energy(task)
        communication_cost = self.calculate_comm_cost(task)
        
        # Optimizasyon koşulu
        return (local_energy > offload_energy + communication_cost and
                computation > self.computation_threshold)

4. Deneysel Sonuçlar

Simülasyon sonuçları, BFV çerçevesi tarafından elde edilen önemli performans iyileştirmelerini göstermektedir:

5. Özgün Analiz

Blok Zinciri İşlev Sanallaştırması çerçevesi, blok zinciri teknolojisini mobil ve IoT ortamları için pratik hale getirmede önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Geleneksel blok zinciri uygulamaları, kaynak kısıtlı cihazlara dağıtıldığında, Nakamoto'nun iş kanıtı mutabakatının hesaplama yoğunluğunu kabul ettiği orijinal Bitcoin teknik incelemesinde de belirtildiği gibi temel sınırlamalarla karşılaşmaktadır. BFV yaklaşımı, basit hesaplama aktarımının ötesine geçen kapsamlı bir sanallaştırma stratejisiyle bu sınırlamaları ele almaktadır.

IEEE Transactions on Mobile Computing'de tartışılan yaklaşımlar gibi blok zinciri için kenar bilişim alanındaki ilgili çalışmalarla karşılaştırıldığında, BFV'nin yeniliği, tüm blok zinciri işlevlerini sanallaştırılabilir bileşenler olarak bütünsel bir şekilde ele almasında yatmaktadır. Bu durum, öncelikle madencilik operasyonlarını aktarmaya odaklanırken şifreleme, deşifreleme ve akıllı sözleşme yürütümü gibi diğer hesaplama açısından pahalı işlevleri ihmal eden önceki çabalarla tezat oluşturmaktadır. Çerçevenin çift optimizasyon hedefi—enerji tüketimini en aza indirgerken madenci ödüllerini en üst düzeye çıkarmak—mobil blok zinciri katılımı için sürdürülebilir bir ekonomik model yaratmaktadır.

Sunulan matematiksel formülasyon, rekabet eden öncelikleri dengeleyen sofistike çok amaçlı optimizasyonu göstermektedir. Bu yaklaşım, kaynak tahsisinin hem teknik verimliliği hem de ekonomik teşvikleri dikkate alması gereken birleşik öğrenme ve dağıtık sistemlerdeki gelişmekte olan eğilimlerle uyumludur. Association for Computing Machinery'den yayınlanan son yayınlarda da belirtildiği gibi, ekonomik modellerin teknik çözümlerle entegrasyonu, sürdürülebilir merkeziyetsiz sistemler için giderek daha önemli hale gelmektedir.

Bir uygulama perspektifinden bakıldığında, BFV'nin mimarisi 5G ağlarındaki Ağ İşlevi Sanallaştırması (NFV) ile benzerlikler taşımakta, ancak bu kavramları özellikle blok zinciri operasyonlarına uygulamaktadır. Sanallaştırma ilkelerinin bu çapraz alan uygulaması, çerçevenin yenilikçi yaklaşımını göstermektedir. Son IoT araştırmalarında belgelenen temel mobil blok zinciri uygulamalarıyla karşılaştırıldığında, %65 enerji azalması ve %85 işlem onay oranı iyileşmesi gösteren simülasyon sonuçları özellikle etkileyicidir.

BFV çerçevesinin potansiyel etkisi, mevcut 5G uygulamalarının ötesine uzanarak, entegre iletişim ve hesaplamanın daha da kritik hale geleceği gelişmekte olan 6G ağlarına kadar uzanmaktadır. Mobil cihazlar çoğalmaya ve IoT dağıtımları genişlemeye devam ettikçe, donanım yükseltmeleri olmadan verimli blok zinciri katılımına olanak tanıyan BFV gibi çözümler, gerçekten merkeziyetsiz mobil ağlar yaratmak için giderek daha değerli hale gelecektir.

6. Uygulamalar ve Gelecek Yönelimler

Mevcut Uygulamalar

• IoT Güvenliği: IoT ağları için güvenli cihaz kimlik doğrulama ve veri bütünlüğü
• Mobil Ödemeler: Mobil cihazlarda verimli blok zinciri tabanlı ödeme sistemleri
• Tedarik Zinciri Takibi: Minimum cihaz kaynak kullanımıyla malların gerçek zamanlı takibi
• Merkeziyetsiz Kimlik: Mobil kullanıcılar için kendi kendine yönetilen kimlik yönetimi

Gelecek Araştırma Yönelimleri

• 6G ağ mimarileri ve anlamsal iletişimlerle entegrasyon
• Dinamik ortamlar için makine öğrenmesi tabanlı tahmine dayalı aktarma
• Çoklu blok zinciri mobil uygulamaları için zincirler arası birlikte çalışabilirlik
• Sanalallaştırma çerçevesi içinde kuantum dirençli kriptografik işlevler
• Sürdürülebilir blok zinciri operasyonları için enerji hasadı entegrasyonu

7. Referanslar

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşler Arası Elektronik Nakit Sistemi.
2. Zheng, Z., Xie, S., Dai, H., Chen, X., & Wang, H. (2017). Blok Zinciri Teknolojisine Genel Bakış: Mimari, Mutabakat ve Gelecek Eğilimler. IEEE Uluslararası Büyük Veri Kongresi.
3. Mao, Y., You, C., Zhang, J., Huang, K., & Letaief, K. B. (2017). Mobil Kenar Bilişim Üzerine Bir İnceleme: İletişim Perspektifi. IEEE Communications Surveys & Tutorials.
4. Li, Y., Chen, M., & Wang, C. (2020). Mobil Blok Zinciri ve Yapay Zeka: Zorluklar ve Fırsatlar. IEEE Network.
5. IEEE Standartlar Birliği (2021). IEEE P2140 - Blok Zinciri Tabanlı Merkeziyetsiz Mobil Ağlar Standardı.
6. Zhang, P., Schmidt, D. C., White, J., & Lenz, G. (2018). Sağlık Hizmetlerinde Blok Zinciri Teknolojisi Kullanım Senaryoları. Advances in Computers.