物联网区块链中基于博弈论的竞争挖矿及算力租用策略研究

作     者：刘喆 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈卓

授予年度：2024年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 12[管理学] 13[艺术学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 0810[工学-信息与通信工程] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 081104[工学-模式识别与智能系统] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 081001[工学-通信与信息系统] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：物联网 区块链 博弈论 挖矿决策 

摘      要：随着物联网(IoT)技术的飞速发展,“万物感知,万物互联的愿景已成为现实。IoT设备的数量正以百亿计增长,然而,这一快速增长的背后,IoT在数据安全和隐私保护方面面临着前所未有的挑战。在此背景下,区块链技术因其在数据生成和更新过程中采用分布式节点和共识算法,并通过密码学确保数据传输和访问的安全性,成为解决IoT可信数据采集与共享问题的一种潜在方案。然而,IoT环境下的节点设备在计算能力、存储空间和传输能力上存在物理限制,难以支持传统的挖矿过程。为此,本文引入边缘计算和云计算的概念,以解决物联网节点设备在挖矿过程中的资源不足问题。 考虑到物联网环境中设备都是通过无线网络连接,连接状态不稳定并且存在计算资源不足的问题。本文分别从无线信道传输和计算资源租赁两个方面出发,利用博弈论,研究了基于工作量证明共识算法的物联网区块链系统中节点挖矿决策。 首先,本文考虑无线环境中节点间干扰和无线协议等因素,运用马尔可夫链模型以分析区块在无线广播的传播过程,在此基础上,综合考虑参与节点成功挖矿的概率、区块在无线信道中的传播情况,以及挖矿收益等构建矿工的效益函数,基于非合作博弈论,将矿工之间的挖矿决策视为一种非合作博弈模型,在不同情况下推导出了矿工挖矿博弈的纳什均衡和相应的节点挖矿行为集,本文进一步提出了一种基于纳什均衡解的挖矿策略。 其次,本文考虑矿工可以从多个边缘计算服务器和云计算服务器租赁计算资源参与到挖矿过程,将无线传输延迟作为一个影响因素,结合挖矿奖励和资源价格等因素,分别构建矿工、边缘计算服务器和云计算服务器的效益函数。分析了矿工之间的纳什均衡以及边缘服务器和云服务器在不同场景下的最终定价策略。 本文对物联网矿工挖矿过程进行了详细分析,为优化区块链系统在物联网环境中的部署提供了理论依据和参考模型。