基于聯(lián)盟鏈的運(yùn)營商最佳緩存策略

姜 靜 王 凱* 許曰強(qiáng) 杜劍波 仇 超 鞏 譯

①(西安郵電大學(xué)陜西信息通信網(wǎng)絡(luò)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710121)

②(北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京 100876)

③(天津大學(xué)智能與計(jì)算學(xué)部 天津 300350)

④(北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京 100192)

1 引言

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的快速升級，移動業(yè)務(wù)總量呈爆炸式增長。根據(jù)思科可視網(wǎng)絡(luò)指數(shù)報(bào)告，2022年全球移動流量預(yù)計(jì)將達(dá)到1 ZB，移動設(shè)備的連接總量將增長到1.23 TB[1]。為了應(yīng)對數(shù)據(jù)流量的激增，滿足虛擬現(xiàn)實(shí)、智能駕駛等新型業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)延遲和吞吐量的要求，運(yùn)營商通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署小蜂窩基站(Small-cell Base Stations, SBSs)并對流行內(nèi)容進(jìn)行邊緣緩存，不僅降低了用戶請求內(nèi)容的傳輸時延，而且可以避免請求內(nèi)容在回程鏈路上的重復(fù)傳輸，有效地減少了網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)載[2]。然而屬于不同運(yùn)營商之間的SBSs互不信任，緩存內(nèi)容相互隔離，難以共享信息[3]。為了解決這一問題，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了廣泛的研究與關(guān)注[4]。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€去中心化、可信和防篡改的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可以在不可信的環(huán)境下提供信息與價值交換的可信通道。區(qū)塊鏈結(jié)合邊緣緩存技術(shù)，將實(shí)現(xiàn)更大范圍的內(nèi)容共享，提高緩存內(nèi)容的使用效率，降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本，因而成為6G的研究熱點(diǎn)[5]。

針對區(qū)塊鏈與邊緣緩存技術(shù)的研究，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇算法，為邊緣云的內(nèi)容提供商提供了一種低服務(wù)延遲的內(nèi)容緩存策略。為支持邊緣設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈內(nèi)容緩存系統(tǒng)的內(nèi)容交易機(jī)制和數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證，確保邊緣設(shè)備交易的公平性及有效性。針對基于區(qū)塊鏈的邊緣緩存系統(tǒng)，文獻(xiàn)[8]研究了區(qū)塊鏈交易中的智能合約設(shè)計(jì)，來激勵運(yùn)營商進(jìn)行內(nèi)容緩存，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容提供商和運(yùn)營商的利潤最大化。該研究主要針對一個運(yùn)營商邊緣緩存系統(tǒng)的優(yōu)化，然而在現(xiàn)實(shí)組網(wǎng)中，不同運(yùn)營商在同一覆蓋區(qū)域部署各自的邊緣設(shè)備，同一區(qū)域內(nèi)熱點(diǎn)內(nèi)容在不同邊緣設(shè)備上重復(fù)緩存，造成緩存內(nèi)容利用率低，邊緣設(shè)備建設(shè)、運(yùn)行成本居高不下。文獻(xiàn)[9]利用共識機(jī)制解決區(qū)塊鏈架構(gòu)下，不同運(yùn)營商邊緣設(shè)備緩存內(nèi)容的可信內(nèi)容訪問。上述研究均針對公有區(qū)塊鏈和私有區(qū)塊鏈。公有區(qū)塊鏈的運(yùn)行模式導(dǎo)致數(shù)據(jù)維護(hù)難以實(shí)現(xiàn)且整個服務(wù)趨于不可控化[10]；私有區(qū)塊鏈僅供單個組織或機(jī)構(gòu)使用，且無法實(shí)現(xiàn)完全去中心化[11]。為了解決公有鏈和私有鏈的問題，聯(lián)盟鏈作為一種特定的區(qū)塊鏈，由若干組織或機(jī)構(gòu)共同參與管理，共同記錄交易數(shù)據(jù)且只有這些特定管理者有權(quán)對聯(lián)盟鏈中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫和發(fā)送，因此逐漸成為區(qū)塊鏈發(fā)展的主流模式[12]。

利用聯(lián)盟鏈技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)營商邊緣設(shè)備之間的內(nèi)容共享和交易，將有效提高緩存內(nèi)容利用率，降低運(yùn)營商的邊緣設(shè)備建設(shè)及運(yùn)行成本。因此，本文的主要貢獻(xiàn)如下：

(1) 基于聯(lián)盟鏈，本文設(shè)計(jì)了一個不同運(yùn)營商邊緣設(shè)備的內(nèi)容共享系統(tǒng)框架，該框架由邊緣緩存層和內(nèi)容交易層組成。邊緣緩存層用于熱點(diǎn)內(nèi)容緩存，內(nèi)容交易層實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)營商邊緣設(shè)備的身份認(rèn)證、熱點(diǎn)內(nèi)容緩存的目錄存儲和查找以及緩存內(nèi)容共享。

(2) 考慮到未來移動網(wǎng)絡(luò)中大量邊緣緩存設(shè)備來自不同運(yùn)營商，可能存在節(jié)點(diǎn)故障或惡意行為，且節(jié)點(diǎn)之間沒有完整的信息。為確保交易的真實(shí)可信，拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerant, PBFT)共識機(jī)制[13]解決方案得到了廣泛的應(yīng)用，其由于通信開銷大、共識周期長，導(dǎo)致系統(tǒng)規(guī)模嚴(yán)重受限[14]。本文設(shè)計(jì)了基于內(nèi)容緩存的部分實(shí)用拜占庭容錯(partial Practical Byzantine Fault Tolerant, pPBFT)共識機(jī)制，在互不信任的邊緣設(shè)備之間建立信任，提供可信內(nèi)容訪問的同時可以降低大規(guī)模緩存節(jié)點(diǎn)的共識開銷。

(3) 本文基于內(nèi)容共享與邊緣緩存建立了不同邊緣設(shè)備之間最優(yōu)內(nèi)容緩存策略問題，使運(yùn)營商的緩存收益最大化。通過量化運(yùn)營商內(nèi)容共享所帶來的緩存收益，得到了最優(yōu)緩存決策的閉式表達(dá)式，進(jìn)而得到了與內(nèi)容流行度相關(guān)的最優(yōu)緩存策略。

2 系統(tǒng)模型

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，基于聯(lián)盟鏈的運(yùn)營商邊緣緩存系統(tǒng)框架由邊緣緩存層和內(nèi)容交易層組成，具體如下：

圖1 基于聯(lián)盟鏈的運(yùn)營商邊緣緩存系統(tǒng)框架

(1) 邊緣緩存層提供熱點(diǎn)內(nèi)容的邊緣存儲，由不同運(yùn)營商部署的邊緣設(shè)備組成。在本文中，邊緣設(shè)備為具有緩存、計(jì)算和通信功能的SBSs。

(2) 內(nèi)容交易層提供內(nèi)容的交易、節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證、內(nèi)容共享認(rèn)定、內(nèi)容地址的查找和路由規(guī)劃，具體由認(rèn)證服務(wù)器、智能合約服務(wù)器、目錄服務(wù)器以及路由服務(wù)器組成。認(rèn)證服務(wù)器負(fù)責(zé)不同運(yùn)營商的邊緣設(shè)備信息的注冊與解析；智能合約服務(wù)器用于存儲交易信息和以數(shù)字形式定義承諾，參與交易的各方按照約定自動執(zhí)行費(fèi)用的支付和提供內(nèi)容，并通過共識機(jī)制驗(yàn)證內(nèi)容共享交易的真實(shí)性；目錄服務(wù)器記錄不同邊緣設(shè)備緩存的內(nèi)容，當(dāng)邊緣設(shè)備向內(nèi)容交易層請求其他節(jié)點(diǎn)的緩存內(nèi)容時，通過目錄服務(wù)器查找內(nèi)容的緩存地址；路由服務(wù)器用于確定不同運(yùn)營商共享交易時內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 內(nèi)容共享模型

2.3 內(nèi)容共享及交易過程

在基于聯(lián)盟鏈的運(yùn)營商邊緣緩存系統(tǒng)中，邊緣設(shè)備可以通過聯(lián)盟鏈發(fā)起內(nèi)容共享請求交易、支付內(nèi)容請求費(fèi)用并獲取內(nèi)容，如圖2所示。具體過程如下：

圖2 基于聯(lián)盟鏈的運(yùn)營商邊緣緩存系統(tǒng)內(nèi)容共享及交易過程

步驟1 用戶發(fā)起內(nèi)容請求，運(yùn)營商的邊緣設(shè)備為其所屬用戶提供內(nèi)容服務(wù)。如果內(nèi)容在其本地緩存命中時，直接為用戶提供服務(wù)；如果內(nèi)容未緩存命中，邊緣設(shè)備通過邊緣緩存系統(tǒng)中的內(nèi)容交易層發(fā)起內(nèi)容共享請求。

步驟2 內(nèi)容交易層將內(nèi)容請求通過目錄服務(wù)器和路由服務(wù)器廣播到緩存該內(nèi)容的邊緣設(shè)備中，作為此次請求提供內(nèi)容的SBS，同時智能合約服務(wù)器通過部署智能合約處理此次請求交易。

步驟3 提供內(nèi)容的SBS將合約地址發(fā)送給相應(yīng)請求內(nèi)容的SBS，智能合約中記錄了請求的內(nèi)容以及請求費(fèi)用。

步驟4 請求內(nèi)容的SBS查看合約的描述，并向智能合約服務(wù)器支付所需的費(fèi)用。

步驟5 提供內(nèi)容的SBS檢查合約信息后開始傳輸內(nèi)容，傳輸?shù)膬?nèi)容由接收者的公鑰加密，并只能由相應(yīng)的私鑰解密。

步驟6 內(nèi)容傳輸完成后，請求內(nèi)容的SBS簽署內(nèi)容收據(jù)，同時提供內(nèi)容的SBS向智能合約服務(wù)器提交該收據(jù)，以兌換內(nèi)容傳輸獎勵。

3 內(nèi)容交易共識

內(nèi)容交易中可能存在惡意行為或節(jié)點(diǎn)故障，因此需要共識機(jī)制正確記錄交易并避免欺詐。在邊緣緩存中，相同的內(nèi)容通常不會緩存在每個邊緣設(shè)備中。發(fā)起內(nèi)容共享請求時，只有緩存相關(guān)內(nèi)容的聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)才需要共識機(jī)制驗(yàn)證交易。因此，傳統(tǒng)需要所有節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證的PBFT共識機(jī)制會產(chǎn)生額外的公式開銷，將不再適用[12]。基于此，本文提出了基于內(nèi)容緩存的pPBFT共識機(jī)制。以bi ∈B在時隙t上發(fā)起的內(nèi)容共享請求fj ∈F為例。假設(shè)N(fj)為緩存fj的 邊緣設(shè)備的集合，b(N)i ∈N(fj)表 示第N個緩存內(nèi)容的邊緣設(shè)備，其中b(0)i表 示bi本身。如圖3所述，pPBFT共識機(jī)制包括5個階段，即請求、預(yù)準(zhǔn)備、準(zhǔn)備、確認(rèn)和回復(fù)。

圖3 時隙t的pPBFT共識機(jī)制

4 內(nèi)容緩存策略

4.1 優(yōu)化問題建模

由于用戶通常以很大的概率請求內(nèi)容流行度較高的內(nèi)容，即內(nèi)容的請求概率可以認(rèn)為是內(nèi)容的流行度。根據(jù)文獻(xiàn)[16]，采用Zipf分布模擬內(nèi)容的流行度，請求內(nèi)容fj的概率是

為了使不同運(yùn)營商的邊緣設(shè)備總緩存收益最大化，本文通過內(nèi)容邊緣緩存策略的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。所提出的優(yōu)化問題可建模為

約束條件C1給出了內(nèi)容緩存決策變量的取值范圍。約束條件C2表示邊緣設(shè)備緩存空間的限制，其中Qi為邊緣設(shè)備bi的總緩存空間。

4.2 最優(yōu)內(nèi)容緩存策略

為了求解式(13)，定義緩存數(shù)據(jù)量矩陣YI×J， 矩陣中的每個元素yi,j,i ∈I,j ∈J表示內(nèi)容實(shí)際緩存數(shù)據(jù)量，其與實(shí)際數(shù)據(jù)量的關(guān)系可以表示為

基于上述定義，優(yōu)化問題式(13)轉(zhuǎn)換為求解最優(yōu)緩存數(shù)據(jù)量，表示為

考慮到式(15)中的Hesse矩陣是嚴(yán)格負(fù)定的，并且C1, C2是線性約束。因此，可以使用拉格朗日對偶理論對該問題進(jìn)行求解。拉格朗日函數(shù)由式(16)給出

其中，λ是關(guān)于C1的拉格朗日乘子。拉格朗日函數(shù)的KKT(Karush-Kuhn-Tucker)條件[17]表示為

通過對最優(yōu)閉式解進(jìn)行分析可以看出，緩存策略隨著內(nèi)容的流行度而變化，邊緣設(shè)備應(yīng)更優(yōu)先緩存區(qū)域內(nèi)請求頻率較高的內(nèi)容使收益最大化。對于流行度較低的內(nèi)容，邊緣設(shè)備需要在緩存數(shù)據(jù)量與實(shí)際數(shù)據(jù)量中做出權(quán)衡，同時剩余數(shù)據(jù)量可以通過內(nèi)容共享獲取，以減少緩存開銷，獲取更多收益。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 仿真設(shè)置

本次仿真考慮4個隨機(jī)分布在60 m× 60 m區(qū)域內(nèi)屬于不同運(yùn)營商的邊緣設(shè)備，同時內(nèi)容庫提供100個內(nèi)容，滿足Zipf參數(shù)為γ=0.7。內(nèi)容的實(shí)際數(shù)據(jù)量從{S0,2S0,3S0,4S0,5S0}中隨機(jī)選擇，其中S0=1為歸一化單位數(shù)據(jù)量。其他參數(shù)設(shè)置為：共享請求支付參數(shù)θ=0.5[6]，回程開銷參數(shù)cbh=5。所提出的算法與以下基準(zhǔn)算法進(jìn)行對比：

流行度緩存。邊緣設(shè)備根據(jù)內(nèi)容流行度的排序進(jìn)行緩存，最終達(dá)到緩存空間的約束。

隨機(jī)緩存。邊緣設(shè)備在緩存空間的約束下，隨機(jī)在緩存空間中緩存部分內(nèi)容。

5.2 仿真結(jié)果分析

圖4首先對比了所提出的pPBFT共識機(jī)制與PBFT共識機(jī)制的開銷。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，α,β,η的CPU周期取值分別為8848 GC/s, 134000 GC/s以及88328 GC/s。可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量從4個增加到30個，需要更多的CPU周期處理所有節(jié)點(diǎn)之間的共識。但所提出的pPBFT共識機(jī)制只需要緩存相關(guān)內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)參與，顯著降低了共識開銷。

圖4 不同共識方案下節(jié)點(diǎn)數(shù)量與開銷關(guān)系

圖5為可用緩存空間與緩存平均收益的關(guān)系。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)可用的緩存空間從5逐漸增加30時，所提出的算法與流行度緩存會命中更多內(nèi)容，而隨機(jī)緩存由于隨機(jī)性，緩存命中率不會明顯增加，因此所提算法與流行度緩存獲得更多的緩存收益。相較于每個邊緣設(shè)備只緩存流行內(nèi)容的重復(fù)性緩存，所提出的算法根據(jù)用戶的個性化請求，對流行度較低的內(nèi)容緩存較少的數(shù)據(jù)量，剩余數(shù)據(jù)量通過內(nèi)容共享獲取，降低了回程開銷的同時獲取更多收益。

圖5 緩存空間與緩存平均收益關(guān)系

圖6具體展示了隨機(jī)選取的部分內(nèi)容原始數(shù)據(jù)量與實(shí)際緩存的數(shù)據(jù)量關(guān)系。可以看出，編號越小的內(nèi)容，其流行度越高，緩存策略優(yōu)先考慮緩存用戶請求頻率最高的內(nèi)容，并且是完整緩存。本文考慮邊緣設(shè)備的總收益最大化，因而緩存策略不能完全依靠內(nèi)容流行度。當(dāng)內(nèi)容流行度逐漸減小時，根據(jù)最優(yōu)解進(jìn)行部分內(nèi)容緩存，直到達(dá)到緩存空間的容量限制。

圖6 不同內(nèi)容緩存數(shù)據(jù)量比較

圖7展示了偏斜參數(shù)γ與緩存平均收益的關(guān)系。隨著γ的增大，即用戶的請求逐漸集中在流行內(nèi)容中，所提算法釋放更多的存儲空間完整緩存流行內(nèi)容，與流行度緩存均可以獲得更多的收益。但在γ較小時，所提出算法的平均收益遠(yuǎn)高于其他方案。這是由于在流行度較低下進(jìn)行部分內(nèi)容緩存，所提算法關(guān)注到更多的請求，增加了不同邊緣設(shè)備進(jìn)行共享的內(nèi)容多樣性；當(dāng)γ繼續(xù)增大時，所提算法最終與流行度緩存存儲相同的內(nèi)容，因而獲得同樣的緩存收益。

圖7 偏斜參數(shù)與緩存平均收益關(guān)系

6 結(jié)束語

本文提出一個基于聯(lián)盟鏈的運(yùn)營商邊緣緩存系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)邊緣設(shè)備緩存內(nèi)容的共享和交易。為了減少聯(lián)盟鏈中大規(guī)模節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證內(nèi)容交易的共識開銷，僅選取緩存相關(guān)內(nèi)容的邊緣設(shè)備作為驗(yàn)證智能合約的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)。此外，以最大化邊緣設(shè)備緩存收益為目標(biāo)，采用KKT條件求解出最優(yōu)緩存策略的閉式表達(dá)式，并得出隨著內(nèi)容流行度變化而緩存不同數(shù)據(jù)量的一種緩存策略。仿真結(jié)果表明，與流行度緩存和隨機(jī)緩存策略相比，該策略可以有效提高運(yùn)營商的緩存收益。在下一步工作中，將進(jìn)一步考慮運(yùn)營商的緩存收益最大化，結(jié)合不同內(nèi)容資源的定價，邊緣設(shè)備根據(jù)該定價策略在內(nèi)容緩存和共享之間取得權(quán)衡。