基于区块链的多租户分布式租赁卫星网络资源的方法

1.本发明属于移动通信领域，涉及一种基于区块链的多租户分布式租赁卫星网络资源的方法。


背景技术：

2.随着sdn/nfv技术在卫星网络架构里的应用，新商业模式的出现促进着卫星运营商以灵活的方式与各种租户共享卫星网络容量。在这样一个多参与者的非完全信任环境下，如何在满足经济效益的同时实现安全可靠的交易，是一个至关重要的问题。
3.现有文献中已经提出了几种方案来实现网络资源的多参与者编排和管理。通信行业的典型业务流程包括旨在使用定价和分配机制解决资源管理问题的经济模型(例如拍卖)。这些机制的主要目标，包括切片(资源)代理是将可用资源有效地分配给具有最关键需求的各方，同时确保该计划的防篡改能力。方案一：5g网络切片经纪：基于区块链的分布式市场。kibalya等人提出了一种代理系统，该系统考虑到延迟和地理位置等约束，使用强化学习算法将资源请求分派给不同的网络运营商。方案二：用于在5g网络中进行高效资源配置的基于分布式区块链的代理。有作者在文献“用于在5g网络中进行高效资源配置的基于分布式区块链的代理”中提出了使用具有交易成本的迭代双重拍卖的流级切片代理。在他们基于软件定义网络(sdn)的架构中，sdn控制器充当经纪人并安排双面拍卖。通过模拟，证明了他们提出的迭代拍卖算法的有效性和最终收敛性。在文献“在我们信任的经纪人中：nfv市场中资源分配的双重拍卖方法”中提出了一种双重拍卖算法来解决服务功能链路由和网络功能虚拟化(nfv)价格调整的问题。nfv经纪人充当中央拍卖人，从客户/供应商那里接收出价和要价，并决定资源的分配和定价。
4.然而，这些方法存在两个主要缺点。首先，方案一的方法中，由于它们是中心化的，运营商和/或租户数量的增加可能会导致经纪人不堪重负。这将降低整个生态系统的性能。其次，方案二的方法中，共同假设是存在一个公正的中央权威，可以信任该权威来进行市场操作和执行业务流程，而不会为了自己或另一方的利益而操纵结果。
5.为了解决上述问题，本发明将区块链技术结合智能合约来为传统的集中式切片经纪方法提供分布式替代方案。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于区块链的多租户分布式租赁卫星网络资源的方法，将声誉与基于区块链的租赁机制相结合，防止中间实体操纵交易结果，并提高系统的交易吞吐量，减少交易延迟。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种基于区块链的多租户分布式租赁卫星网络资源的方法，在该方法中存在两个角色，资源拥有者和资源需求者，它们共同组成了一个联盟，本发明中，把资源看成在联盟上流通的商品，且使用区块链技术实现了在非完全信任环境下，满足经济效益的同时保障
交易的安全可靠，同时还实现防篡改的记录保存系统。该方法具体包括以下步骤：
9.s1：构建卫星网络资源租赁的多租户商业生态系统；
10.s2：构建基于区块链的卫星网络资源租赁机制；
11.s21：构建卫星网络资源的双重租赁机制，具体包括以下步骤：
12.s22：构建基于区块链的资源租赁机制；
13.s23：获取参与者的信誉值：先计算参与者的声誉分数，然后结合交易费用来保证参与者的诚实度，最后使用滑动窗口来确保选择的领导者是持续贡献的诚实参与者。
14.进一步，步骤s1中，构建的卫星网络资源租赁的多租户商业生态系统，具体包括：卫星网络运营商和租户从受信任的第三方获取身份证明即公钥证书；成员服务提供者(msp)就是fabric中的受信机构；同时，参与者以数字方式签署入驻合同即智能合约，其中规定了合作伙伴的权利和义务以及在侵权情况下可以适用的制裁；资源需求者有权发出自己的资源需求，卫星网络资源拥有者有权发出自己能提供的资源列表，两者都有竞争领导者发出提案的权力；如果双方需求匹配成功，合作伙伴有义务按照约定的服务等级协议sla要求履行服务；
15.使用fabric部署一系列的智能合约即链码；在将链码部署到通道之前，通道的成员就建立链码治理的链码定义达成一致(多个组织就链码在用于创建交易之前的操作方式达成一致)；当所需的组织数量满足时，链码定义能提交到通道，链码就能使用了；在该系统中，所采用的背书策略为n-out-of-n，即所有的结点都必须背书。
16.进一步，步骤s21中，构建卫星网络资源的双重租赁机制，具体包括以下步骤：
17.s211：定义卫星网络资源提供方和资源需求方对虚拟网络功能资源的关键因素，包括资源类型和性能指标；
18.s212：根据资源id进行分组，对每组的所有参与者的出价与要价值进行排序；
19.s213：对于每一个组，要求在满足瓦尔拉斯均衡和资源需求方对资源关键因素的要求下，
20.找到最大可行交易数量的点c，以及交易数和性能指标的约束条件；
21.s214：使用最强的非交易卖家和最强的非交易买家的价格来确定交易者付款值β，从而得出交易价格；
22.s215：在确认交易成功的买家与卖家名单时，领导者根据他们的信誉值来匹配将资源分配给哪一个买家。
23.进一步，步骤s211具体包括：对于虚拟网络功能的不同类型赋予资源id进行标识：
[0024][0025]
对于资源需求方的预期性能指标，使用来表示：
[0026][0027]
其中，表示第j个资源需求方要求的资源预期性能，表示第j个资源需求方要求的资源预期性能，分别表示第j个资源需求方对虚拟网络功能资源的比特率、丢包率、传输延迟的要求；idu表示在一次交易中参与者对某种虚拟网络功能的标识，例如：同时交易网关功能与路由器功能等，可以使用id1、id2来分别标识，分开租赁。u表示虚拟网络功能类
型总数，m表示卫星网络资源需求方总数。
[0028]
进一步，步骤s212具体包括：对于卫星网络资源提供者l：
[0029][0030]
对于资源需求方d：
[0031][0032]
其中，l表示卫星网络资源提供者，d表示资源需求方，li表示第i个卫星网络资源提供者，dj表示第j个卫星网络资源需求者，表示第n个卫星网络资源提供方对资源的要价，表示第m个卫星网络资源需求方的出价；n表示卫星网络资源提供方的数量，m表示卫星网络资源需求方总数。等式(3)显示了按要价升序排列的资源提供方，等式(4)显示了根据资源出价降序排列的资源需求方。
[0033]
进一步，步骤s213具体包括：对于每一个组，都要求在满足瓦尔拉斯均衡和资源需求方对资源关键因素的要求下，找到最大可行交易数量的点c，其中有s个要价和k个出价，在这个点的两边价格满足：
[0034][0035]
且交易数和性能指标分别满足等式(6)和(7)：
[0036][0037][0038]
其中，分别表示卫星网络资源提供方所提供的每个虚拟网络功能资源的最小比特率、丢包率和传输延迟，表示第i个卫星网络资源提供方成功交易的资源的个数，表示第j个资源需求方成功交易的资源个数，由此可以知道此时的总交易量。“瓦尔拉斯均衡”定义了另一个重要因素，即“瓦尔拉斯价格”，如果进行交易，它会为供需双方带来正收益，并平衡预算，即图中的θu；同时，在我们的约束下也满足了资源需求方对预期性能的指标要求。
[0039]
进一步，步骤s214中，交易者付款值β的表达式为：
[0040][0041]
其中，表示最强的非交易卖家价格，即，表示最强的非交易买家的价格；
[0042]
①
如果β属于那么交易数为且成交价格p
l
＝pd＝β，其中，p
l
、pd分别表示卫星网络资源提供者与资源需求者最后的交易价格。
[0043]
②
如果β不属于那么交易数为且成交价格且成交价格
[0044]
进一步，步骤s215具体包括：在确认交易成功的买家与卖家名单时，可能会存在多个出价一致且满足交易价格的买方，即
[0045]
[0046]
这时leader将根据他们的信誉值来进行匹配将资源分配给哪一个买家，如果信誉值r满足r
ir
＜r
jr
，那么资源将分配给j；反之亦然。
[0047]
进一步，步骤s22中，构建基于区块链的资源租赁机制，具体包括：
[0048]
s221：根据信誉值，从大于信誉平均值的参与者里挑选出一个领导者；
[0049]
s222：领导者发起交易提案，包含一个出租者与租赁者的出价表和信誉值表、资源id、每个参与者提出的可用/需求资源数量及其对应的性能指标以及在参与者内部运行卫星网络资源的双重租赁机制的结果和交易数量；
[0050]
s223：交易提案会广播到每个区块链成员的对等点，对等点是任何fabric网络的基本组件；对等点存储区块链分类帐并在将交易提交到分类帐之前验证交易；对等点运行包含用于管理区块链分类账上资产的业务逻辑的智能合约；
[0051]
s224：交易被发送到order结点进行排序，在那里达成共识，最后创建一个块并提交到分类帐。
[0052]
进一步，步骤s221中，首先采用领导者算法选择一个领导者，其中采用滑动窗口来计算累积声誉分数。
[0053]
进一步，步骤s23中，参与者i的声誉分数ri的计算公式为：
[0054][0055]
其中，l是前一个区块之后生成的事务数，z(k)是交易k的价值，s(k)是缩放因子。
[0056]
本发明的有益效果在于：本发明将声誉与基于区块链的租赁机制相结合，提高了系统的交易吞吐量，减少了交易延迟，增强了安全性并提供所需的激励机制。具体包括以下有益效果：
[0057]
1)本发明将区块链引入卫星网络资源租赁的过程，提出了一种基于区块链的多租户分布式卫星网络资源交易的架构，以此实现分布式的租赁机制，防止中间实体操纵交易结果。
[0058]
2)本发明采用了双重拍卖机制的变体作为智能合约；并引入了基于声誉值的提案发出者选择方案以及在最后根据声誉值确定交易成功的买家与卖家名单。
[0059]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0060]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0061]
图1为卫星网络资源租赁的多租户商业生态系统示意图；
[0062]
图2为多租户分布式卫星网络资源交易架构图；
[0063]
图3为本发明采用的双重租赁机制的价格变化示意图。
具体实施方式
[0064]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，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。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0065]
请参阅图1～图3，本发明提供了一种基于区块链的多租户分布式租赁卫星网络资源的方法，在该方法中存在两个角色，资源拥有者和资源需求者，它们共同组成了一个联盟，本发明中，把资源看成在联盟上流通的商品，且使用区块链技术实现了在非完全信任环境下，满足经济效益的同时保障交易的安全可靠，同时还实现防篡改的记录保存系统。该方法具体包括以下步骤：
[0066]
s1：构建卫星网络资源租赁的多租户商业生态系统。
[0067]
如图1所示，图1说明了卫星网络资源租赁的多租户商业生态系统。要加入该系统，卫星网络运营商和租户需要从受信任的第三方获取身份证明(公钥证书)。成员服务提供者(msp)就是fabric中的受信机构。同时，参与者需以数字方式签署入驻合同(即智能合约)，其中规定了合作伙伴的权利和义务以及在侵权情况下可以适用的制裁。资源需求者有权发出自己的资源需求，卫星网络资源拥有者有权发出自己可提供的资源列表，两者都有竞争领导者发出提案的权力。如果双方需求匹配成功，合作伙伴有义务按照约定的sla要求履行服务。
[0068]
使用fabric，我们可以部署一系列的智能合约(即链码)。在将链码部署到通道之前，通道的成员可以就建立链码治理的链码定义达成一致(多个组织就链码在用于创建交易之前的操作方式达成一致)。当所需的组织数量满足时，链码定义可以提交到通道，链码就可以使用了。在我们的联盟下，所采用的背书策略为n-out-of-n，即所有的结点都必须背书。
[0069]
整个联盟里基于区块链的多租户分布式资源交易的架构如图2所示，资源拥有者具体流程详见步骤s2。
[0070]
s2：构建基于区块链的卫星网络资源租赁机制，具体包括以下步骤：
[0071]
s21：构建卫星网络资源的双重租赁机制。
[0072]
卫星网络上的各种资源可以通过虚拟化技术生成端到端的全虚拟卫星网络或者某个组合/单一的虚拟网络功能，同时还可包括基础设施。如何在多参与者的非完全信任的环境下，将这些资源在满足经济效益的同时在参与方之间实现安全可靠的交易。考虑到本发明的交易过程是一个多提供方多需求方的双边贸易过程，本发明在基于区块链的分布式市场的基础上考虑了资源需求方对资源预期性能指标的要求，也对不同资源进行了分类标识以方便同时进行多种资源的租赁过程，同时还引入了信誉值在资源不足/充足的情况下，以此来确定谁能买回/卖出vnf等资源。
[0073]
本发明为每个虚拟网络功能资源类型都定义了最低性能指标并由资源联盟里的成员协商决定其大小。我们知道，卫星网络资源提供方在提出虚拟网络功能个数及价格时并未真正的去划分好资源。根据q
min
，卫星网络
资源提供方在每次交易时，可以提出他能提供的性能指标为q
min
的虚拟网络功能的数量。虚拟/地面网络运营商则根据自己对虚拟网络功能的性能要求去计算其需要多少个性能指标为q
min
的虚拟网络功能。在交易过程中我们尽最大努力让资源需求方经过租赁机制从同一个卫星网络资源提供者得到资源，这样资源需求方便能要求卫星网络资源提供者将资源合并提供。本发明采用的租赁机制是对同质资源进行交易的机制，具体执行步骤如下：
[0074]
s211：把卫星网络资源提供方和资源需求方对虚拟网络功能资源的关键因素(资源类型、性能指标)的要求进行了如下定义：
[0075]
对于虚拟网络功能的不同类型赋予资源id进行标识：
[0076][0077]
对于资源需求方的预期性能指标，使用来表示：
[0078][0079]
其中，表示第j个资源需求方要求的资源预期性能，表示第j个资源需求方要求的资源预期性能，分别表示第j个资源需求方对虚拟网络功能资源的比特率、丢包率、传输延迟的要求；idu表示在一次交易中参与者对某种虚拟网络功能的标识，例如：同时交易网关功能与路由器功能等，可以使用id1、id2来分别标识，分开租赁。u表示虚拟网络功能类型总数，m表示卫星网络资源需求方总数。
[0080]
s212：根据资源id进行分组，对每组的所有参与者的出价与要价值进行排序：
[0081]
对于卫星网络资源提供者l：
[0082][0083]
对于资源需求方d：
[0084][0085]
其中，l表示卫星网络资源提供者，d表示资源需求方，li表示第i个卫星网络资源提供者，dj表示第j个卫星网络资源需求者，表示第n个卫星网络资源提供方对资源的要价，表示第m个卫星网络资源需求方的出价；n表示卫星网络资源提供方的数量，m表示卫星网络资源需求方总数。
[0086]
s213：对于每一个组，都要求在满足瓦尔拉斯均衡和资源需求方对资源关键因素的要求下，找到最大可行交易数量的点c，其中有s个要价和k个出价，在这个点的两边价格满足：
[0087][0088]
且交易数和性能指标分别满足等式(6)和(7)：
[0089][0090][0091]
其中，分别表示卫星网络资源提供方所提供的每个虚拟网络
功能资源的最小比特率、丢包率和传输延迟，表示第i个卫星网络资源提供方成功交易的资源的个数，表示第j个资源需求方成功交易的资源个数，由此可以知道此时的总交易量。“瓦尔拉斯均衡”定义了另一个重要因素，即“瓦尔拉斯价格”，如果进行交易，它会为供需双方带来正收益，并平衡预算，即图3中的θu；同时，在我们的约束下也满足了资源需求方对预期性能的指标要求。
[0092]
s214：求取β的值，为了在不失去经济特性的情况下尝试最小化减少的交易数量，本发明参照论文“5g网络切片经纪：基于区块链的分布式市场”使用的技术，该技术使用l
s+1
(最强的非交易卖家)和d
k+1
(最强的非交易买家)的值来确定交易者付款值β，由此：
[0093]
交易者付款值β的表达式为：
[0094][0095]
其中，表示最强的非交易卖家价格，即，表示最强的非交易买家的价格。由于由于以及通常没有交易参与者在价格确定中发挥作用，即不需要消除任何交易者，包括ls和dk，因此减少的交易数量为零。
[0096]
由此得出交易的价格：
[0097]
①
如果β属于那么交易数为且成交价格p
l
＝pd＝β，其中，p
l
、pd分别表示卫星网络资源提供者与资源需求者最后的交易价格。。
[0098]
②
如果β不属于那么交易数为且成交价格且成交价格
[0099]
s215：在确认交易成功的买家与卖家名单时，可能会存在多个出价一致且满足交易价格的买方，即：
[0100][0101]
这时leader将根据他们的信誉值来进行匹配将资源分配给哪一个买家，如果信誉值r满足r
ir
＜r
jr
，那么资源将分配给j；反之亦然。
[0102]
s22：构建基于区块链的资源租赁机制。
[0103]
基于hyperledger fabric平台，根据步骤s21构建的机制，实现一个分布式的由所有相关方操作和验证的智能合约。使需求双方的多个交易者能够交易他们的资源。双重租赁智能合约机制不仅消除了受中间的主持实体操纵的可能性还能让最终的成交价格和最原始的出租者/租赁者脱钩以此来确保任何交易者都不能在价格方面制定任何策略来操作交易的结果。同时还可以实现最优分配、激励兼容性、个人理性、弱预算平衡等经济特性和最佳配置效率。基于区块链的竞拍流程如下：
[0104]
s221：首先根据信誉值，从大于信誉平均值的参与者里挑选出一个领导者。参与者通过私密信息集的方式把出价发送给领导者，领导者会返回一个由它签名的带时间戳的记录凭证给参与者。当到达规定的时间t后领导者会根据统计到的信息提交一个交易提案。
[0105]
根据领导者选择算法选择一个领导者。衰减是声誉方案的一个重要特征，因此我们采用滑动窗口w来计算累积声誉分数rw。具体来说，验证器使用来自随机种子的随机生成
器rng来生成随机数。这种种子可以采用安全分布式抗偏差随机生成协议生成。首先，声誉得分高于中位数的参与者有机会被选为领导者。然后每个参与者都将计算oj，最后选择值最小的参与者作为领导者。
[0106]
领导者选择算法为：
[0107]
输入：随机种子seede和过去w个特定时间段t内的累积声誉分数：
[0108][0109]
输出：
[0110]
有k个参与者p＝{p1,p2,....,pk}；
[0111]
将随机生成器rng的种子设置为seede；
[0112]
rm＝rw子集的中位数；
[0113]
对于每个参与者pj∈p；
[0114]
如果那么
[0115]
从rng生成一个随机浮点数0≤y≤1；
[0116][0117]
否则
[0118]
oj＝+
∝
；
[0119]
leader＝pi，其中oi＝min(o1,o2,
…
,om)。
[0120]
s222：交易提案由领导者发起，提案包含了一个出租者与租赁者的出价表和信誉值表、资源id、每个参与者提出的可用/需求资源数量及其对应的性能指标以及在参与者内部运行卫星网络资源的双重租赁机制的结果和交易数量。
[0121]
s223：交易提案会广播到每个区块链成员的对等点，对等点是任何fabric网络的基本组件。对等点存储区块链分类帐并在将交易提交到分类帐之前验证交易。对等点运行包含用于管理区块链分类账上资产的业务逻辑的智能合约。
[0122]
当结点收到提案后，会开始模拟执行提议的交易，并生成读写集。在这个过程中通过执行链码开始背书过程，链码是资源租赁机制的实现。如果结点执行智能合约产生的资源分配结果与提议的结果相匹配，则他们通过返回已签名的交易来为交易背书。背书策略在问题定义模块已给出。参与结点执行链码开始背书的同时会检查出价表，如果发现leader有作假行为，受害者可以向所有其他参与者发送警告。所有诚实的验证者都会增加受害者的声誉分数并将这些信息传递给领导者。如果恶意领导者拒绝添加受害者的声誉分数，则恶意领导者和诚实参与者的信誉值表将不同。
[0123]
s224：交易被发送到order结点进行排序，在那里达成共识，最后创建一个块并提交到分类帐。
[0124]
由此，这种分布式流程取代了传统的集中式资源租赁方法，在这种方法中，单一机构无法控制联盟的整个行为。再加上有信誉值与激励机制的存在，很小概率会发生买价/卖价表不完整的情况。
[0125]
s23：获取参与者的信誉值。
[0126]
在一次提案共识结束时，所有参与者成员可以根据warn消息和已确认的交易区块单独统一计算声誉分数。参与者i的声誉分数ri计算如下：
[0127][0128]
其中，l是前一个区块之后生成的事务数。本发明引入了z(k)(交易k的价值)来防止参与者对低价值交易诚实但对高价值交易不诚实的情况。缩放因子s(k)用于奖励或惩罚不同的行为。简单地为正确的、未知的和不正确的决策提供了{-1,0,1}的声誉分数。但是，即使参与者不时不诚实，它仍然可以获得大量利润。因此，我们的系统为不同的行为设置了不同的缩放因子。
[0129]
考虑到本发明使用的超级账本无内置代币，为了激励和补偿诚实者，在本发明的系统中增添了交易费用的概念，会从参与交易的所有者那里收取费用。交易费用的一半分配给领导者，其余的根据他们在当前时期获得的声誉分数分配给其他参与者。同时如果上一个时段t内存在盈余，也会根据信誉值来进行分配。因此，即使是新加入的节点也可以在我们的计划下获得声誉分数并获得稳定的收入，只要它诚实并努力工作。恶意节点可能会偶尔通过不诚实来欺骗系统。然而，一方面，这样的节点获得的声誉分数比诚实的大多数少，因此它几乎没有机会成为领导者并威胁到系统。另一方面，它在此过程中获得的奖励也比其他人少得多，即偶尔作弊并不是为自己谋利的好策略。因此，相信有理性的节点不会采取不诚实的做法。此外，使用适当的滑动窗口w来确保选择的领导者是持续贡献的诚实节点。同时，w不应太大以防止垄断。作为领导者的可观利润将鼓励参与者诚实的交易。
[0130]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。