区块链相关论文研读1- 关于边缘计算

今天跟大家分享一篇关于区块链的技术论文，该论文被发表在顶刊IEEE transactions on parallel and distributed systems（TPDS）中，时间为2019年4月，有一位作者是IEEE的fellow。论文题目为Making Big Data Open in Edges: A Resource-Efficient Blockchain-Based Approach。

这段时间在学习和研究区块链，在大量阅读最新的高质量论文。所以，本人打算写一系列论文阅读总结的文章，提炼出论文中的要点和重点，跟大家分享。今天是第一篇。

论文问题描述：

边缘计算的数据共享时，抵赖/数据篡改
在基于区块链的方案中，边缘节点存在存储空间小/算力差的问题

贡献：

Proof of Collaboration (共识)
Blockchain transaction filtering/ offloading （减少存储）
Express Transaction （new types of blockchain transaction）(加快transaction在节点之间认证和传输的总时间)
Hollow Block (减少网络负载)

下面根据上面所提到的四个贡献点一一解释。

贡献点1：Proof-of-Collaboration（PoC）

挖矿公式

CC：当前节点所拥有的币数
P：当前节点距离上一次成功挖矿的时间
target：目标难度值

如果读者熟悉比特币中的工作量证明PoW或者点点币PeerCoin中的PoS算法，就会发现上面的挖矿公式似曾相识。如果把上式中的CC和P去掉，基本就是PoW了，如果P看作是用户的持币时间或者说币龄，基本就是PeerCoin中的PoS了。

上面不等式中对P的约束

因为只有当前节点当P在[L，R]范围之内才能挖矿，所以，通过设置P的范围来调节可以参加挖矿的矿工的比例，从而控制挖矿难度。Θ是一个超参数，人为设置，论文中说通常设置为0.75，通过它来调节挖矿工人的比例。增加Θ，P的可用范围变小，可挖矿的工人比例减少，反之增加。（问题：如果在P大于R之后还没有挖到矿，是不是意味着永远都挖不到了呢？）

暂时不清楚上面中n表示什么意思？它跟上面第二个不等式中的n是同一个吗？为什么？

这个共识算法的优点是：

矿工所耗费的电力资源比使用PoW小很多，具体的对比公式为：

其中（5）式子表示PoW计算资源的期望。第（6）式子是本文所提出的PoC计算资源的期望，是前者的（1/（CC*P））倍。

贡献点2：Blockchain transaction filtering/ offloading （减少存储）

这个贡献点所解决的问题是什么呢？在一般的区块链（比如比特币）中存储了所有的交易数据，而老数据在当前的边缘计算的应用场景下是不是特别有用呢？是不是都有必要存储这些老数据呢？特别是在边缘节点存储空间一般是紧缺的的情况下，把区块链中的所有数据存储下来是否划算呢？能不能把旧的“没用”的数据从区块链主链中“卸载”呢？论文针对这个问题提出了一个解决方法。

区块链中的一个交易（Transaction）有多个输入和多个输出，如果一个transaction的所有输出都被其它transaction的输入引用了，那么该transaction就是无用交易（Futile transaction），如果一个block中所有的transaction都是无用交易，那么该block就是无用块（Futile block）。下图中曲线所圈的是取用交易/块。

对于一个无用交易，在进行交易认证的时候是不会回溯到它的，因此可以把它们从区块链中卸载，保存到利益相关者的云中作为备份。因为此时它们存在的意义只剩下一个了，那就是作为历史记录而存在。

贡献点3：Express Transaction （new types of blockchain transaction）

问题描述：在节点对其它节点发送来的交易数据的操作是，先认证该交易，通过之后再传给其它节点。这两个步骤在时间上是串联的，全网成功认证该交易数据的时间为下面公式所示。1和3表示全网中最长的路径，2表示第i个节点对block的认证时间，4表示第j个节点传输一个块所用的时间。总的时间是网络中最长的链路中所有节点认证时间之和加上transaction在最长链路传输的时间之和。

为了加快transaction在节点之间认证和传输的总时间，论文提出了express transaction，express可翻译为快递，有快速递送的意思。总体思路为，一个节点收到transaction数据之后，先传给其它节点，再认证。那如何防止作恶者发出无效交易呢？发送transaction之前，先交押金，如果交易有效，随后就退还押金，否则就没收押金。具体流程是什么呢？

E-TX（express transaction）的流程：

如果Alice想发一个ETX，为了管理押金，写一个智能合约，而且该智能合约只响应Alice的交易。
构建一个ETX，该transaction的第1、2个输出分别为给智能合约的押金和任何给Alice本人的CC。其它输入或者输出由用户自定义。当其它用户收到该ETX时，先转发，再认证。如果该ETX有效，就会被打包进区块，最终存入区块链中。
最后，Alice发一个普通的transaction，目的是索回押金。所以其输入指向之前ETX的第二个输出，并且设置智能合约作为唯一的输出。
让智能合约退还押金。
如果ETX有效，退回押金，否则没收押金。

贡献点4：Hollow Block (减少网络负载)

Hollow可翻译为空心的，空的，Hollow Block解决的问题是什么呢？在一个矿工挖矿成功之后，其它节点所收到的block中的transaction数据与该节点所缓存的transaction数据存在冗余。其它节点本地就缓存了transaction数据，为什么还要把它们打包进区块中再发送过来了？这加大了网络负担。

论文的做法是，不把交易的数据打包进区块，而是每一个交易的hash值，同时把merkle树变成两层的“merkle树”。其根是所有叶子的hash值，叶子节点是所有交易数据的hash值。另一个节点收到区块之后，根据时间戳排序所收到区块叶子节点的hash值，同样计算本地所缓存的transaction的hash并构造一个同样的两层merkle tree，如果两棵树的根节点一样，说明交易数据没问题。如果某些transaction数据没在本地缓存中，从其它节点下载。

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