论文阅读：普适边缘计算环境下的区块链资源分配与共识

普适边缘计算环境下的区块链资源分配与共识

资源提供者：具有传感、存储和通信资源的"抽象边缘"设备
应用：使用这些资源可以完成数据交易
安全保证：区块链技术确保交易不可更改和否认
本文特点：
1、利用设计的区块链公平有效的分配边缘设备上的存储资源，并且实现可扩展性。
2、新的块存储方案来快速检索丢失的块。
3、利用数据迁移算法动态分配数据和块存储来适应网络拓扑变化
共识算法：股权证明机制（边缘设备的计算和存储能力可能较弱，不适宜使用工作量证明）
本文的方案设计目标：
1)如何在有限存储的网络中最优地存储数据;
2)如何在设备移动时调整数据存储;
3)如何在边缘设备中以低能耗达成共识。
文章是从区块链到边缘，致力于实现资源分配，并且能够在边缘环境下形成共识，目标是使得系统比传统的区块链能耗和存储资源消耗更小。
本文的区块链模型：

区块链系统的客户端由多个边缘设备组成。一些设备生成数据，比如自生成的盈利性数据，而其他节点则为进行小额支付交易的数据付费。当支付成功时，数据将被传递给消费者。相关信息和支付的数据被编码在区块中，构建了区块链系统。
区块细节：
包括常规区块链的内容及为边缘环境特殊设计的组件，content部分存储元数据项，每个元数据项对应一个数据项。Storage transactions用来记录块被存储在什么位置。
元数据被生成出来用于数据共享。
数据类型;时间;位置;生产者(签名);有效时间;属性

资源分配优化问题：

1：数据和块存储分配。
如何把数据和块存储在最合适的位置（能够快速访问数据的位置）。
2：最近的块分配
如何缓存网络中最近的块，利用最小的开销获得丢失的块。
系统使用的共识机制与权益证明有所不同增加了对重要节点的照顾，例如存储更多数据和块或拥有更多token的节点将有更大概率构建新块。

资源分配

1.公平存储
对于存储能力有区别的节点，按照存储能力对其进行存储的分配，每个节点保有一个度量衡公平度成本FDC：

Wtol表示存储总量W表示使用存储量，随着存储空间的使用FDC增大，在节点中存储数据可能性减小。
2.数据访问成本
节点移动导致存储的数据四处移动，使得对存储的预测不准，定义一个度量衡范围距离成本RDC，用于度量节点的传输延迟。

d表示节点之间距离，range表示节点移动范围，rdc在本文中由跳数距离来度量。

将存储问题表现为公式

在上面的公式中，xijk和yik是赋值变量。Xijk是访问赋值变量。如果xijk = 1，节点j将从节点i访问数据项k。yik是存储赋值变量。yik = 1表示数据块k存储在节点i中，A为FDC的比例因子。经过一些测试后，我们设置A = 1000以获得更好的性能。问题目标函数(3)有两个项分别对应FDC和RDC。(4)确保至少有一个数据项存储到其他节点上，(5)确保数据项存储在特定节点上。
fi对应设施建设成本，cij对应设施接入成本，对于每个数据项，我们使用当前网络情况(每个节点使用的存储)来解决确定哪些节点存储它。

如何存储数据项

在生成数据项的同时生成元数据并且广播给所有节点，接收元数据的节点计算应该把这个数据项存储到那些节点上，然后在生成块时，把这些信息打包进去，在生成块之后，接收到存储命令的这些节点就获取数据项并存储。对于块来说，包括一些信息（例如哪些节点需要存储这个块和上一个区块的存储位置）。节点可以通过信息知道谁应该存储块和获取区块链。

数据项和块访问

数据和块访问过程。图中链上有5个块，节点A用丢失的块重新连接到网络。节点G正在请求一个数据块。节点K是一个新进入网络的节点。

数据迁移

最优迁移算法对于每个数据项单独考虑，对于访问成本增加的数据项，我们选择将其他节点存储后的成本（对于有这个数据项的节点，成本为RDC，对于没有的节点，成本为FDC+RDC）和潜移前的成本进行比较，选择消耗最低的节点进行存储。

启发式迁移算法
不再计算相对于所有节点的成本对，而是使用最容易获得的信息来降低成本，即对于数据项来说，只要找到一个比原来节点成本低的节点来存储数据项就行了。

共识算法

文章提出的PoS机制的特点是，节点铸造块的优势除了受到节点有更多的令牌（在本文中类似于资本）影响，还受节点存储的数据和块的影响，对于每个节点来说，都会计算数据块和数据项应该存储在哪些节点上，如果节点发现与自己不一样的结果，可以拒绝转发或反对该块。
三个安全目标。
首先，一个区块中的交易，包括转账和存储决策，一旦区块被提议和接受，就需要保护其不受修改。
其次，当检测到错误行为时，应在不修改事务的情况下撤销相应节点的特权和优势。
第三，参与网络的节点不应通过创建虚拟账户获得优势
关于每个节点：
在权益证明中。挖矿不能获得代币，而大家通过交易来获取代币
节点存储数据项和块都可以获得存储代币，这些存储代币来源于块生成的时机，块提议者在发布块的同时生成特殊的存储交易用于给对应的节点分配存储数据项和块的任务并为它们提供存储代币作为奖励，而节点需要获得数据并存储然后再发送数据的哈希给数据生成器用于验证，才能使得存储代币生效，如果在后续过程中节点不能为其他节点提供它存储的数据，那么它的信誉和权益将会受到影响。
但POS有通病：这个问题叫做Nothing at Stake，翻译过来叫做无成本利益问题。大体的意思在PoS系统中做任何事几乎没有成本，比如在PoS系统上挖矿几乎没有成本，这也就意味着分叉非常方便。

方便到什么程度呢，每个诚实矿工在产生孤块的时候都可以继续挖下去，反正也没什么成本，反正分叉链和主链都可以同时挖，也就是任何持币较少的用户都可以尝试分叉，并且把分叉链广播出去。

这个时候如果其他诚实矿工看到了，第一反应也是没有成本，那么咱们也来挖吧，说不定什么时候就值钱了，意思就是说任何逐利的矿工并不会使这个系统变得更强壮稳定，而是更加的混乱。

无成本利益问题无论以币龄还是币数量作为PoS的参数，都无法避免。
还有历史攻击：即节点可以从特定块生成比主链还长的分叉。
解决办法：检查点机制，最终共识。
防女巫攻击方法：每个账户必须从其他节点获得一枚代币才能参与，这会给节点带来更多负担，防止节点创造更多的账户影响公平。