[发明专利]一种基于区块链的可验证计算能耗优化方法

权利要求书

1.一种基于区块链的可验证计算能耗优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立基于区块链的可验证计算系统模型；

其系统模型可描述为：计算能力弱的Clients将包括其外包计算内容和其签名的交易提交到区块链的Replica节点；作为主节点，它首先验证每个交易的签名和消息验证码；如果有效，则执行智能合约中约定的计算过程，然后将一定数量的交易及计算结果打包成一个新区块，并广播给其余验证节点；每个验证节点对接收到的区块进行验证，依次验证区块和交易的签名和MAC，核实后按照智能合约要求验证交易内部的计算结果；并向所有其他Replicas发送其验证结果；当新区块内的计算结果在所有Replicas中依据PBFT协议达成一致后，将最终正确的计算结果发送给Client，Client不需再对接受到的结果进行验证；

步骤2、共识过程与性能分析，包括以下步骤：

步骤2.1、Request→Pre-Prepare

client将交易提交到主节点n′，主节点每隔一段时间T从交易池中按顺序提取一批交易；交易的签名和MAC将被验证，但考虑到不合法交易的存在，只有g部分交易才能够通过验证；通过验证的交易内的计算任务将由智能合约执行；最后，将通过验证并计算后的K个具有计算结果和其他重要信息的交易打包到一个新的区块中；在生成新的区块之后，主节点将该区块连同Pre-Prepare消息一起广播给其他验证节点进行验证；Pre-Prepare消息包含主节点的ID、签名和区块的hash结果；

步骤2.2、Pre-Prepare→prepare

验证节点n″≠n′接收带有Pre-prepare消息的新区块，首先验证区块的签名和MAC，然后验证每个交易的签名和MAC，最后按照智能合约中验证交易计算方式验证结果；如果结果被验证成功，验证节点将向所有其他replicas发送一条Prepare消息，并添加其ID和签名；

步骤2.3、prepare→Commit

每个replica接收并检查Prepare消息，以确保它与Pre-Prepare消息一致；当从其他replicas接收到2f个Prepare消息，replica就会向所有其他replicas发送一个Commit消息，其中包括它的ID和签名；

步骤2.4、Commit→Reply

每个replica接收并检查Commit消息，以确保其与Prepare消息一致；一旦该节点收到来自其他replicas的2f个Commit消息，将传递Reply消息到主节点，其中包括对每个交易的签名和ID；

步骤2.5、Reply→被添加到链中

主节点接收并检查Reply消息；当主节点接收到2f个Reply消息后，新区块将生效并被添加到区块链中；这个过程的计算成本Δ₅和时间T_5n′是

Δ₅＝2f(β+θ)

步骤3、考虑能耗的节点资源优化；设定的优化目标函数设为

s.t.C1:

C2:

C3:F_e(f,K)≤P

其中，P为可验证计算共识过程中所提供的总能耗；向量代表整体的计算资源，γ是与硬件体系结构相关的常量，在某个区块的共识过程中，δ_n＝[δ_sn]，δ_sn＝0,1用来表示节点n是否参与步骤s；例如δ_n′＝[1,0,1,1,1]表示主节点n′在共识过程中各个步骤的参与情况；δ_n″≠n′＝[0,1,1,1,0]表示其他验证节点；

步骤4、优化问题求解并进行迭代计算，直到找到最小值；首先，将目标函数改写为

s.t.C1:

C2:

C3:

然后，引入惩罚函数以近似原目标函数，以使优化问题转化为等式约束条件下的凸优化

s.t.

其中，松弛变量p，p＝[p₁,,…p_i,,…p_6N+1]^T与不等式约束g，维度一致，并一一对应；p_i为正以保持ln(p_i)有界；μ＞0为惩罚参数，且μ越小，函数F_μ(·)就越接近F(·)；根据约束条件，更新目标函数写作：

求解函数的极小值，只需求解令函数梯度等于0所应的即为最小值；F_μ(·)的梯度和Hessian矩阵H(F_μ(·))分别为

·当H(F_μ(·))为可逆矩阵时，采用牛顿迭代法求解，第v+1次迭代参数和第v次迭代关系如下

在这个迭代过程中，惩罚参数μ是固定的；每对应一个μ，找到一个最小值其中最小的μ所对应的最小值最精确；

·当H(F_μ(·))矩阵不可逆时，采用共轭梯度法，以优化方向r^(v)和优化步长λ^(v)完成迭代；

其中，优化方向初始为第v次优化方向与第v-1次优化方向的关系为

相应的优化步长λ^(v)为

A为系数矩阵；

则第v+1次迭代和第v次迭代关系如下：

[K^(v+1),T^(v+1),(f^(v+1))^T]^T＝[K^(v),T^(v),(f^(v))^T]^T+λ^(v)r^(v)

根据迭代计算，直到找到最小值