移動邊緣計算的區(qū)塊鏈技術(shù)新體系：共識機(jī)制和可擴(kuò)展性方案

我們回顧了傳統(tǒng)區(qū)塊鏈和新型分布式賬本技術(shù)中最重要的共識協(xié)議，以及區(qū)塊鏈和邊緣計算集成帶來的不同應(yīng)用和用例。特別地，我們描述了底層的一致性協(xié)議如何影響不同DLT系統(tǒng)在邊緣計算方面的應(yīng)用，重點是當(dāng)前在可伸縮性和性能方面的研究趨勢。我們在四個主要用例中列出了以太坊、超賬本和物聯(lián)網(wǎng)的主要優(yōu)點和缺點：

（i）邊緣資源和服務(wù)的協(xié)調(diào)，

（ii）邊緣服務(wù)市場的實現(xiàn)，

（iii）加強單個邊緣服務(wù)的安全、隱私或身份管理，

（四）為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理提供框架。

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1592355503981

摘要

移動邊緣計算（MEC）和下一代移動網(wǎng)絡(luò)被設(shè)置為破壞智能和自治系統(tǒng)互連的方式。這將對很多領(lǐng)域產(chǎn)生影響，從物聯(lián)網(wǎng)到智能移動機(jī)器人。在固有的分布式體系結(jié)構(gòu)中集成這樣多種MEC服務(wù)需要一個健壯的系統(tǒng)來管理硬件資源、平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和保護(hù)分布式應(yīng)用程序。區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)成為管理MEC服務(wù)的一種解決方案，具有一致的協(xié)議和數(shù)據(jù)完整性檢查，從而實現(xiàn)透明和高效的分布式?jīng)Q策。除了透明度之外，從安全角度來看，好處也是顯而易見的。然而，區(qū)塊鏈技術(shù)在可擴(kuò)展性方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在本章中，我們將回顧在成熟的和下一代區(qū)塊鏈體系結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)有共識協(xié)議和可伸縮性技術(shù)。由此，我們評估了最適合管理MEC服務(wù)的解決方案，并討論了可用替代方案的優(yōu)點和缺點。

1簡介

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的范圍在過去的十年里不斷擴(kuò)大，覆蓋了一個覆蓋多個領(lǐng)域的更大的生態(tài)系統(tǒng)。一些最突出的研究方向是智能城市[1，2]、車輛技術(shù)[3，4]或智能醫(yī)療系統(tǒng)[5，6，7]。在所有這些領(lǐng)域中，一個共同的因素是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正朝著更分布式的體系結(jié)構(gòu)發(fā)展[8]。這種轉(zhuǎn)變
更傳統(tǒng)的以云為中心的架構(gòu)已經(jīng)在邊緣計算范式中結(jié)晶出來[9，10，11]。與此同時，新技術(shù)的設(shè)計從一開始就越來越考慮到分散性。其中，區(qū)塊鏈技術(shù)學(xué)將成為近期技術(shù)格局崩潰背后的關(guān)鍵驅(qū)動力之一[12，13]。去中心化技術(shù)也是互聯(lián)網(wǎng)3.0和工業(yè)4.0革命背后的基石。

區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)成為分散和分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)背后的驅(qū)動力，提供安全性[15]、信任度[16，17]、數(shù)據(jù)管理[18]、點對點交易[19]和容錯中間件[20]。區(qū)塊鏈平臺可分為兩種主要類型，這取決于它們?nèi)绾喂芾韺ζ溥m用性有直接影響的用戶憑據(jù)：（i）無許可的或公共的，以及（ii）許可的、私有的或聯(lián)盟的區(qū)塊鏈。它們的區(qū)別在于，公共區(qū)塊鏈基于具有等效狀態(tài)的匿名節(jié)點，而聯(lián)盟或私有區(qū)塊鏈引入不同類型的節(jié)點和權(quán)限，其中一些節(jié)點和權(quán)限需要身份驗證才能執(zhí)行某些操作。雖然對無權(quán)限區(qū)塊鏈的信任是共享和分發(fā)的，但在有權(quán)限區(qū)塊鏈中，有一系列驗證節(jié)點表示受信任的權(quán)限[21]。

阻止物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更廣泛采用區(qū)塊鏈的一個主要問題是可伸縮性，這是比特幣體系結(jié)構(gòu)的一個固有問題，許多研究人員一直在解決這個問題[22，23]。雖然智能合約在物聯(lián)網(wǎng)和一般分布式系統(tǒng)中具有巨大潛力，但其可擴(kuò)展性和性能與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的總體性能密切相關(guān)[24]。盡管如此，近年來的多項進(jìn)展已經(jīng)證明，新技術(shù)可以為下一代區(qū)塊鏈系統(tǒng)帶來顯著更高的可擴(kuò)展性和性能。其中，Elastico在一個無許可的區(qū)塊鏈中首次實現(xiàn)了分片協(xié)議[25]。分片是一種技術(shù)，能夠?qū)^(qū)塊鏈中的節(jié)點分布到子鏈中，以執(zhí)行并行驗證，從而增加吞吐量并減少延遲。最新的可伸縮區(qū)塊鏈?zhǔn)荗mniLedger[26]，它比Elastico報告了更好的可伸縮性，并承諾在網(wǎng)絡(luò)中形成足夠多的節(jié)點時，VISA級別的延遲和吞吐量。

由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的分布式性質(zhì)和分布式賬本技術(shù)（DLT）的普遍性，集成它們的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須已經(jīng)有了自己的分布式架構(gòu)。因此，在大多數(shù)情況下，區(qū)塊鏈在邊緣層進(jìn)行整合是很自然的，這代表了典型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中分布最廣、互聯(lián)最緊密的一層。雖然可以認(rèn)為傳感器和執(zhí)行器更為分散，但它們不一定能夠進(jìn)行節(jié)點間通信。通過這一章，我們使用術(shù)語區(qū)塊鏈和分布分類賬相等。然而，分布式賬本技術(shù)（DLT）通常被用來包含更多的一般系統(tǒng)，這些系統(tǒng)本身并不實現(xiàn)區(qū)塊鏈，而是依賴于其他類型的網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)。IOTA就是一個例子，它利用非循環(huán)有向圖來表示更一般的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文的其余部分將深入探討移動邊緣計算的本質(zhì)及其與區(qū)塊鏈/分布式賬本技術(shù)的集成。

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