一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统及方法

1.本发明属于工业边缘计算和区块链技术领域，具体涉及一种基于智能合约的工业边缘计算系统及方法。


背景技术：

2.随着行业数字化转型需求与日俱增，工业生产设备产生的数据量以指数形式迅速增长。工业边缘计算通过与工业设备及工业应用的紧密结合，将工业领域的各生产环节整合起来，将传感器和控制设备产生的数据在本地进行处理和存储，降低由集中式计算带来的响应延迟，满足工业智能应用对计算能力和实时响应的要求。工业边缘计算通过在工业现场层与云服务层之间部署边缘网关、边缘控制器或边缘云，采用计算卸载、异构计算等技术，在工业视觉、ar远程协助和物流等工业典型应用场景下，实现对敏捷连接、实时优化、安全可靠等方面的性能需求。
3.同时，工业边缘节点数量的激增让当前封闭的工业网络将逐渐走向开放，致使边缘设备安全、边缘数据安全、边缘网络安全和边缘应用安全问题突显。在边缘计算任务卸载应用中，数据需要从资源受限的设备终端卸载到第三方工业边缘计算平台上进行数据分析和运算，并实时反馈运算结果到终端。由于计算卸载涉及到第三方平台，无法实现互信互利，要实现高可靠计算卸载存在很大挑战。
4.现有的边缘计算任务卸载方案主要关注卸载的通信性能与能耗问题，缺少对数据一致性和完整性、网络抗攻击能力和卸载交易可追溯等应用安全的考虑。此外，第三方边缘计算平台在利益的驱动下，很可能存在恶意管理员对卸载数据进行修改等不当操作，并返回虚假的卸载结果。因此，如何保证卸载结果的准确性是一个需要关注的问题。


技术实现要素：

5.为保证卸载结果的准确性并对卸载交易给出正反馈，本发明提供了一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统及方法。本发明技术方案包括基于智能合约的任务卸载方法和基于博弈论的卸载任务计算结果验证方法。卸载策略部署在区块链上由智能合约执行以确保整个卸载过程与结果验证的可见性和可追溯性。
6.为了实现以上目的，本发明采取以下技术方案：
7.一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统，包括物联网设备单元和mec(mobile edge computing)服务器单元；
8.物联网设备单元由多个物联网设备组成，用于获取用户和无线传感器收集的任务数据并将数据信息转发至mec服务器单元，以及与区块链交互；
9.mec服务器单元包含多个普通mec服务器和一个可信mec服务器。普通mec服务器节点可以对物联网设备单元上传的任务信息和数据进行计算处理。可信mec服务器节点除了具备普通节点的基础功能之外，还负责对区块链网络中智能合约的管理。
10.本系统中的区块链网络采用联盟链形式，由多个可信的机构共同管理。任何mec服
务器的加入都要经过联盟的审核。所有服务器都作为区块链节点，共同维护区块链网络。
11.进一步的，物联网设备单元将物联网设备签署注册到区块链网络，并且注册认证信息存储于智能合约中。
12.进一步的，物联网设备单元中的主机转发从物理设备收集或用户上传的数据信息到区块链网络中的智能合约中。
13.进一步的，智能合约根据上传的任务信息，通过任务卸载策略，选择2台合适的mec服务器进行任务卸载。
14.进一步的，mec服务器上传加密的卸载任务计算结果，在智能合约收到2台mec服务器上传的卸载任务计算结果后，上传解密的密钥。
15.进一步的，智能合约对结果数据进行解密，并通过基于博弈论的卸载结果验证方法对计算结果进行交叉验证。当2台服务器计算结果不一致时，由可信mec服务器对卸载任务进行重新计算。
16.上述mec服务器单元中的智能合约将卸载过程以及计算结果验证记录在区块链中。
17.进一步的，上述mec服务器单元将计算结果返回到发送任务和数据信息的物联网设备处。
18.本发明在边缘计算中引入区块链服务能够很好地解决工业边缘计算中存在的安全问题。本发明通过基于智能合约的高可靠任务卸载策略，实现计算、存储和网络资源更高效地利用和有机整合。基于区块链的智能合约技术具有分布式处理、数据防篡改、多方共识等技术特征，实现了去中心化的信任建立、保存和传递能力。分布式是技术基础，防篡改保证了数据的稳定性和可靠性，透明性多方共识保证了数据的可验证和可信性。去中心化信任确保了数据能够高效、透明、安全、可信地存储和传递。
19.本发明还公开了一种基于智能合约的工业边缘计算卸载方法，包括以下步骤：
20.s1.物联网设备通过作为区块链节点的用户设备上传卸载任务信息到区块链的智能合约中；
21.s2.智能合约根据要卸载的任务信息和条件选择卸载策略，找到合适的两台mec服务器分别作为任务卸载服务器，结果验证服务器。
22.s3.通过智能合约中基于博弈论的卸载结果验证方法，对服务器传回的计算结果进行交叉验证；当计算结果不一致时，将会由可信mec服务器对卸载任务进行重新计算。
23.s4.将卸载过程以及计算结果验证记录在区块链中，并将任务卸载的结果传回用户设备。
24.优选的，步骤s3，通过让两台mec服务器完成同一任务，制定合理的交易规则，使理性的mec服务器不会相互勾结和作弊。在没有共谋的情况下，可以通过检查两台mec的结果来进行交叉验证。本发明方法通过博弈的正则形式对智能合约中的博弈进行证明。通过将其部署在以太坊智能合约上，结合智能合约中的交易规则实现博弈算法。因此，客户只需要支付给两台mec服务器费用和少量交易费用就可以使用智能合约来实现计算。此处，用户记为client，卸载mec服务器记为s1，验证mec服务器记为s2，该智能合约具体介绍如下：
25.智能合约发起方为可信mec服务器，卸载mec服务器s1，验证mec服务器s2签署注册该合约，s1,s2需要在该验证合约中发送任务卸载结果。当s1,s2结果不一致时，就会调用区
块链中的可信mec服务器对卸载结果进行验证。当任务完成时用户需支付mec服务器的支出为f
service
，mec服务器需要的计算成本为cost，获取任务的押金为deposit，可信mec服务器验证费用为f
verify
。
26.在正常合理情况下，应有以下约束条件。
27.1.f
service
》cost，即mec服务器获得收益大于其计算成本。
28.2.f
verify
》2f
service
，即可信mec服务器计算任务花费应大于用户支付给两个mec服务器所需金额。否则不需要使用mec服务器，客户只需通过可信mec服务器进行计算。
29.3.deposit》f
verify
+cost，为了满足理想的纳什均衡，设定此限制条件。
30.基于上述条件，设被选中的mec服务器为s1，其验证服务器s2共谋的概率为γ(γ∈[0,1])。
[0031]
若s1回传正确结果，其收益期望er为：
[0032]er
＝(f
service-cost)
×
(1-γ)+(f
srvice-cost+deposit-f
verify
)
×
γ
[0033]
若s1尝试共谋，其收益期望ew为：
[0034]ew
＝(-deposit)
×
(1-γ)+f
service
γ
[0035]
为了证明er》ew在本系统中恒成立，根据er，ew的定义，构造不等式：
[0036][0037]
考虑到存在约束deposit》f
verify
+cost，有：
[0038][0039]
又因γ∈[0,1]，有：
[0040][0041]
根据er、ew的定义，上式等价于：
[0042]er
》ew[0043]
所以，er》ew成立。
[0044]
上述推导证明了在本发明中，上传正确结果的服务器的收益期望一定大于尝试共谋(上传错误结果)的期望，从而促使了服务器返回正确结果。
[0045]
本发明中的博弈通过博弈的正则形式，以收益矩阵的形式来表示博弈方的可能行为，以此求取纳什均衡解。结果验证博弈具体情况如下:
[0046]
由于区块链中所有交易都是公开透明的，并且服务器s1，s2上传计算结果信息存在先后顺序，后上传的服务器能够观察到先上传的服务器所选择的行动，每个服务器对其他所有参与人的策略空间及收益函数有准确的认识。因此，s1与s2之间的博弈是属于完全信息动态博弈。但是，在本发明中，s1，s2在完成计算任务后会将计算结果加密上传到结果验证合
约。当结果验证合约收到两份计算结果后会提醒s1，s2发送密钥，对结果数据进行解密并对比。在这种情况下，因为s1，s2中的后上传者无法观测到先上传者的行动，所以s1，s2之间的博弈是完全信息静态博弈。
[0047]
基于完全信息静态博弈,将结果验证博弈定义为一个二人博弈，表示为一个三元组(s,∑,π)，其具体含义如下：
[0048]
1.s＝{s1,s2}是参与博弈的服务器集合。
[0049]
2.∑＝∑1×
∑2是一组策略组合的集合，其中σi是服务器si的行为集合。因此，一组策略组合就是一个向量σ＝(σ1,σ2)，σi∈∑i，其中σi是∑的特定动作(i＝1,2)。
[0050]
3.π＝{π1,π2}是一组收益函数，其中πi:∑
→
r是确定特定策略下服务器si的收益函数，(i＝1,2)。r是相应的收益。
[0051]
在这个博弈中参与的服务器只有两个动作，那就是在这个博弈中参与的服务器只有两个动作，那就是代表服务器经过计算返回正确结果经过计算返回正确结果代表返回了共谋的结果其中resulti是si返回的结果。
[0052]
根据结果验证合约的验证结果，得到以下收益函数。
[0053]
1.当时，
[0054]
2.当时，时，反之亦然。
[0055]
3.当时，
[0056]
基于纳什均衡点定义和收益函数，可以得到纳什均衡点
[0057]
两服务器结果验证博弈的收益矩阵，如图2所示。在结果验证博弈中，任意服务器都是理性自私的。从参与者s1的角度应有两种行为：
[0058]
1.当博弈中出现共谋请求时，由于在本系统中上传正确结果的服务器的收益期望一定大于尝试共谋的期望，因此s1共谋时收益期望ew小于s1回传正确结果时其收益期望er。服务器s1会更倾向于返回正确结果。
[0059]
2.当不存在共谋请求时，服务器s1知道服务器s2更可能返回正确结果。因为s1尝试共谋时收益期望ew小于s1回传正确结果时其收益期望er。此时，服务器s1会更倾向于返回正确结果。
[0060]
从全局来看，当服务器没有发生共谋时，两台服务器都倾向于返回正确结果，以保持在纳什均衡点，在共谋行为发生时，为了举报共谋而获得更高的收入，它们会返回正确结果，使得博弈保持在纳什均衡点，
[0061]
与现有技术相比，本发明一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统及方法的技术方案具有以下优点：
[0062]
通过使用智能合约技术，保证边缘计算任务卸载的可靠性；通过基于博弈论的卸载任务计算结果验证方法，保证计算结果的正确性和可追溯性，从而提高任务卸载的质量。
附图说明
[0063]
图1是本发明一种基于智能合约的工业边缘计算卸载方法流程图。
[0064]
图2是本发明一种基于智能合约的工业边缘计算卸载方法的收益矩阵图。
[0065]
图3是本发明一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统架构图。
[0066]
图4是本发明一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统的具体操作流程图。
具体实施方式
[0067]
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实现方法。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明。本发明还可以通过另外不同的具体实施方法加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例中的特征可以相互组合。
[0068]
本发明针对现有工业边缘计算中任务卸载存在的安全问题，提供了一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统及方法。
[0069]
实施例一
[0070]
如图1所示，一种基于智能合约的工业边缘计算卸载方法，包括以下步骤：
[0071]
s1.物联网设备通过作为区块链节点的用户设备上传卸载任务信息到区块链的智能合约中。
[0072]
s2.智能合约根据要卸载的任务信息和条件选择卸载策略，找到合适的两台mec服务器分别作为任务卸载服务器，结果验证服务器。
[0073]
s3.通过智能合约中基于博弈论的卸载结果验证方法，对服务器传回的计算结果进行交叉验证；当计算结果不一致时，将会由可信mec服务器对卸载任务进行重新计算。
[0074]
通过让两台mec服务器完成同一任务，制定合理的交易规则，使理性的mec服务器不会相互勾结和作弊。在没有共谋的情况下，可以通过检查两台mec的结果来进行交叉验证。本发明方法通过博弈的正则形式对智能合约中的博弈进行证明。通过将其部署在以太坊智能合约上，结合智能合约中的交易规则实现博弈算法。因此，客户只需要支付给两台mec服务器费用和少量交易费用就可以使用智能合约来实现计算。此处，用户记为client，卸载mec服务器记为s1，验证mec服务器记为s2，该智能合约具体介绍如下：
[0075]
验证智能合约发起方为client，卸载mec服务器s1，验证mec服务器s2签署注册该合约，s1,s2需要在该验证合约中发送任务卸载结果。当s1,s2结果不一致时，就会引入区块链中的可信mec服务器对卸载结果进行验证。当任务完成时用户需支付mec服务器的支出为f
service
，mec服务器需要的计算成本为cost，获取任务的押金为deposit，可信mec服务器验证费用为f
verify
。
[0076]
在正常合理情况下，应有以下约束条件。
[0077]
1.f
service
》cost，即mec服务器获得收益大于其计算成本。
[0078]
2.f
verify
》2f
service
，即可信mec服务器计算任务花费应大于用户支付给两个mec服务器所需金额。否则不需要使用mec服务器，客户只需通过可信mec服务器进行计算。
[0079]
3.deposit》f
verify
+cost，为了满足理想的纳什均衡，设定此限制条件。
[0080]
基于上述条件，设被选中的mec服务器为s1，其验证服务器s2共谋的概率为γ(γ∈
[0,1])。
[0081]
若s1回传正确结果，其收益期望er为：
[0082]er
＝(f
service-cost)
×
(1-γ)+(f
service-cost+deposit-f
verify
)
×
γ
[0083]
若s1尝试共谋，其收益期望ew为：
[0084]ew
＝(-deposit)
×
(1-γ)+f
service
γ
[0085]
为了证明er》ew在本系统中恒成立，根据er，ew的定义，构造不等式：
[0086][0087]
考虑到存在约束deposit》f
verify
+cost，有：
[0088][0089]
又因γ∈[0,1]，有：
[0090][0091]
根据er、ew的定义，上式等价于：
[0092]er
》ew[0093]
所以，er》ew成立。
[0094]
上述推导证明了在本发明中，上传正确结果的服务器的收益期望一定大于尝试共谋(上传错误结果)的期望，从而促使了服务器返回正确结果。
[0095]
本发明中的博弈通过博弈的正则形式，以收益矩阵的形式来表示博弈方的可能行为，以此求取纳什均衡解。结果验证博弈具体情况如下:
[0096]
由于区块链中所有交易都是公开透明的，并且服务器s1，s2上传计算结果信息存在先后顺序，后上传的服务器能够观察到先上传的服务器所选择的行动，每个服务器对其他所有参与人的策略空间及收益函数有准确的认识。因此，s1与s2之间的博弈是属于完全信息动态博弈。但是，在本发明中，s1，s2在完成计算任务后会将计算结果加密上传到结果验证合约。当结果验证合约收到两份计算结果后会提醒s1，s2发送密钥，对结果数据进行解密并对比。在这种情况下，因为s1，s2中的后上传者无法观测到先上传者的行动，所以s1，s2之间的博弈是完全信息静态博弈。
[0097]
基于完全信息静态博弈,将结果验证博弈定义为一个二人博弈，表示为一个三元组(s,∑,π)，其具体含义如下：
[0098]
1.s＝{s1,s2}是参与博弈的服务器集合。
[0099]
2.∑＝∑1×
∑2是一组策略组合的集合，其中σi是服务器si的行为集合。因此，一组策略组合就是一个向量σ＝(σ1,σ2)，σi∈∑i，其中σi是∑的特定动作(i＝1,2)。
[0100]
3.π＝{π1,π2}是一组收益函数，其中πi:∑
→
r是确定特定策略下服务器si的收益
函数，(i＝1,2)。r是相应的收益。
[0101]
在这个博弈中参与的服务器只有两个动作，那就是在这个博弈中参与的服务器只有两个动作，那就是代表服务器经过计算返回正确结果器经过计算返回正确结果代表返回了共谋的结果其中resulti是si返回的结果。
[0102]
根据结果验证合约的验证结果，得到以下收益函数。
[0103]
4.当时，
[0104]
5.当时，时，反之亦然。
[0105]
6.当时，
[0106]
基于纳什均衡点定义和收益函数，可以得到纳什均衡点
[0107]
两服务器结果验证博弈的收益矩阵，如图2所示。在结果验证博弈中，任意服务器都是理性自私的。从参与者s1的角度应有两种情况：
[0108]
1.当博弈中出现共谋请求时，由于在本系统中上传正确结果的服务器的收益期望一定大于尝试共谋的期望，因此s1共谋时收益期望ew小于s1回传正确结果时其收益期望er。服务器s1会更倾向于返回正确结果。
[0109]
2.当不存在共谋请求时，服务器s1知道服务器s2更可能返回正确结果。因为s1尝试共谋时收益期望ew小于s1回传正确结果时其收益期望er。此时，服务器s1会更倾向于返回正确结果。
[0110]
从全局来看，当服务器没有发生共谋时，两台服务器都倾向于返回正确结果，以保持在纳什均衡点，在共谋行为发生时，为了举报共谋而获得更高的收入，它们会返回正确结果，使得博弈保持在纳什均衡点，
[0111]
s4.将卸载过程以及计算结果验证记录在区块链中，并将任务卸载的结果传回用户设备。
[0112]
实施例二
[0113]
如图3所示，本实施例提供一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统，其系统架构包括物联网设备单元、mec服务器单元。
[0114]
物联网设备单元由多个物联网设备组成，用于获取用户和无线传感器收集的任务数据，并将数据信息转发至mec服务器单元。例如车载系统、智能工厂等场景下的传感器、摄像头等具有网络传输能力的物联网设备。同时，这些设备作为区块链节点可以与区块链上的智能合约进行交互。
[0115]
mec服务器单元由多个普通mec服务器和一个可信mec服务器组成。本系统中的区块链网络采用联盟链形式，由多个可信的机构共同管理。任何新mec服务器的加入都要经过联盟的审核。可信mec服务器节点除了具备普通节点的基础功能之外，还负责对区块链网络中智能合约的管理。每个mec服务器都能与区块链上的智能合约进行交互。卸载任务通过智能合约中卸载策略卸载到这些mec服务器上。为了方便追溯，区块链会记录从选择合适的
mec服务器到任务卸载过程和验证计算结果的全部过程。
[0116]
在系统中,物联网设备作为用户记为client，可信mec服务器记为s
t
，卸载服务器记为s1，结果验证服务器记为s2。任务卸载合约记为con
off
，结果验证合约记为con
ver
。系统中具体角色如下：
[0117]
1.client作为用户的代理，能够进行转账，发送任务数据，接收任务计算结果。
[0118]
2.s
t
是可信机构提供的mec服务器,服务价格比普通mec服务器高。
[0119]
3.s1，s2是普通mec服务器，能够对用户提供的任务进行计算处理。
[0120]
4.con
off
是部署在区块链上的智能合约，根据任务信息选择卸载策略，能找到满足条件的任务卸载服务器和结果验证服务器。
[0121]
5.con
ver
是部署在区块链上的智能合约，包含基于博弈论的结果验证方法，被用于验证s1与s2计算结果。
[0122]
如图4所示为本实施例一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统的具体操作流程图，包括如下步骤：
[0123]
s1.client上传卸载任务信息至区块链中的con
off
中。
[0124]
s2.con
off
接收到任务信息后，通过卸载算法找到合适的mec服务器并计算相应的服务价格，并将服务器地址和服务价格返回至用户设备。
[0125]
此步骤中，在接收到来自client上传的卸载任务基本信息后，con
off
基于卸载算法和任务基本信息选择一台卸载mec服务器s1和一台验证mec服务器s2。之后，con
off
会计算出此任务的服务价格并将服务器地址和服务价格返回至client。
[0126]
s3.client将服务费用转至合约。
[0127]
s4.在收到来自client缴纳的服务费用后，con
off
将传输任务信息给选定服务器s1，s2。
[0128]
s5.client将卸载任务数据上传至s1，s2。
[0129]
此步骤中，若client会向s1，s2上传卸载任务数据时有传输超时的情况，服务器不会有后续计算服务；con
off
在一定时间内接收不到后续反馈时终止此次计算服务并退回client上交的服务费用，并结束流程。
[0130]
s6.con
off
将服务费用和任务信息转给con
ver
。
[0131]
此步骤中，由于con
ver
负责后续的服务费用的分配，在con
off
中的服务费用应转移至con
ver
中。
[0132]
s7.在s1，s2分别完成计算后，s1，s2各自将加密后的计算结果和押金递交至con
ver
。
[0133]
此步骤中，由于服务器上传计算结果时有先后顺序，而且区块链上的数据公开透明的。为了防止后上传者未经计算直接窃用前上传者的计算结果，服务器需要在提交计算结果时对计算结果加密处理。
[0134]
s8.在获得s1，s2的计算结果后，con
ver
通知s1，s2上传各自密钥。
[0135]
s9.收到通知消息后，s1，s2向con
ver
提交各自密钥。
[0136]
s10.con
ver
收到密钥并对计算结果解密后，比对计算结果。在结果一致的情况下，向client返回计算结果。
[0137]
此步骤中，con
ver
对比s1，s2的计算结果。若计算结果对比一致，con
ver
认为s1，s2诚实，返回正确结果。con
ver
将计算结果返回至client。若计算结果对比不一致，执行s12-s18。
[0138]
s11.con
ver
向s1，s2分别返还押金并支付计算费用，流程结束。
[0139]
s12.在计算结果不一致的情况下，合约将上传的任务信息至可信mec服务器s
t
。
[0140]
s13.con
ver
向client返回s
t
地址，并提醒其将任务数据上传到s
t
。
[0141]
s14.client将任务数据上传至s
t
。
[0142]
此步骤中，在卸载数据上传至s
t
后，s
t
便会开始计算。
[0143]
卸载数据上传至s
t
时，可能会发生超时。con
ver
和con
off
在一定时间内接收不到后续反馈时会终止此次计算服务；s1，s2无法进一步甄别诚实与否，con
ver
将会返还押金和在s1，s2计算结果一致的情况下应得的服务费用；client由于自身原因未能完成此次计算服务，损失缴纳的计算金额，未获得计算结果，流程结束。
[0144]
s15.s
t
将计算结果递交至con
ver
。
[0145]
s16.con
ver
返回client计算结果。
[0146]
s17.结果验证合约向s
t
支付计算费用。
[0147]
s18.con
ver
根据可信计算结果，分别向s1，s2支付相应的押金和佣金。
[0148]
此步骤中，以s
t
的计算结果为依据，对s1，s2计算结果进行评判，扣除不诚实服务器的押金，支付诚实服务器的费用，流程结束。
[0149]
综上，本发明提出一种基于智能合约的工业边缘计算卸载系统及方法，本发明通过智能合约技术，保证边缘计算任务卸载的可追溯性与可见性；通过基于博弈论的卸载结果验证方法，保证计算结果的准确性与可靠性。
[0150]
上述实施例仅为本发明的较佳可行实施例和所运用技术原理。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做其他补充或修改，或采用其他方式的代替。因此，虽然通过以上实施例使本发明目的及优点更加清楚，但是本发明不仅仅限于以上实施例。所以本说明书不应理解为对本发明的限制。