算力网络平台中多方算力交易技术研究

汤子健 谢高畅 唐琴琴 谢人超 黄 韬

1 中国信息通信研究院 北京 100037

2 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室 北京 100876

引言

以5G、智能宽带等为代表的新型网络技术的发展和规模化的商用部署，带动了工业互联网、车联网、智慧医疗、智慧商业等垂直行业应用的蓬勃发展。行业应用需要大量的设备，同时还会产生海量的数据。算力网络整合多级算力、存储等，为不同的行业提供最佳资源分配方案，进而实现整网资源的最优使用。2021年5月，国家发展和改革委员会、工业和信息化部等四部委提出联合布局全国算力网络国家枢纽节点的“东数西算”工程，将打通网络传输通道，提升跨区域算力调度能力，并将算力网络的发展和应用提升到了国家发展战略的高度[1]。与此同时，我国新型互联网交换中心IXP(Internet Exchange Point)基础设施和关键技术的快速发展打通了构建跨运营商的算力网络的底层通道，算力网络发展趋势逐渐加速。

算力资源需要通过算力网络分配给用户端使用，算力交易的雏形由此显现。从用户层面的算力交互逐渐发展为商用场景下的算力资源交易，算力交易让算力市场真正焕发出蓬勃活力，实现了算力资源灵活化、便捷化的调用方式[2]。考虑到算力网络还处在规模扩张和参与方增长的早期阶段，算力网络中多方算力交易技术成为了当前算力网络发展的重中之重。

1 多方算力交易的需求分析

算力网络依托网络连接能力作为承载枢纽将算力提供给各行业并赋能各类应用，这种新兴的算力应用模式产生了算力的需求方和供应方。面向多样化的客户群体，算力网络利用IXP等技术融通不同区域、不同层级的算力资源，形成了一个非常复杂的算力资源交易市场。我国当前的算力网络平台主要是由IXP(由工业和信息化部直接管理的机构，是不同电信运营商之间连通各自网络而建立的集中交换平台)或电信运营商构建，算力网络平台是基于底层的算力网络基础设施构建的多方参与平台，提供算力资源交易与算力分配使用的能力。然而，现有的交易机制在大规模算力网络平台中都难以原生兼容，这对算力网络的规模化发展造成了困难。另外，在分布式弱信任或无信任的交易环境中，算力网络交易平台面临着难以抵御恶意攻击的挑战，算力资源需求方和算力资源提供方面临着难以保护隐私安全和无法保证交易顺利结束等挑战[3]。针对以上问题，算力网络需要实现高效可信的交易方案，具体来说，需要通过设计算力交易保障机制，对资源提供方设立严格的“准入”规则并签订一系列合同来保证资源提供方身份和所提供算力资源的合法性；需要实现灵活合理的定价激励机制以保障算力交易的公平性和活跃性；需要针对算力交易执行、结算、记录过程设计功能机制，最后需要在上述基本功能的基础上，设计具体的交易实施流程，保证交易的顺利进行[4]。

算力网络平台中多方算力交易技术的设计应围绕算力交易中包括的三个主体：IXP或运营商(即算力平台方)、算力提供方和算力需求方。IXP/运营商作为算力网络平台的控制中心，统一管理算力提供方和算力需求方，包括提供方和需求方的身份管理，提供方的服务注册，整体交易流程的控制等[5]。这些机制往往通过区块链机制实现，特别是利用联盟链实现的算力交易体系。联盟链是一种在共识的过程当中受制于预选节点的区块链，有若干个机构共同参与管理，每个机构都运行着一个或多个节点，其中的数据只允许系统内不同的机构进行读写和发送交易，由于联盟链的这种特性既可以保证一定范围内的隐私性，又可以避免过于“中心化”，因此被用于设计算力网络的可信交易机制[6]。总的来说，基于区块链相关的共识机制、激励机制、合约机制进一步优化算力交易技术是当前的发展趋势。

2 多方算力交易平台的基础功能

2.1 算力交易模块化功能

算力交易平台是在算力网络中基于多方算力交易技术构建的处理算力交易全过程的一体化平台。大规模算网交易平台中的算力交易是一个复杂的过程，涉及接入控制、定价激励、交易执行、交易结算、交易记录等五大基础功能的协同实现。上述基础功能的整体逻辑如图1所示，它们之间的配合和协同驱动了算力交易平台的模块化实现以及支撑了多方算力交易的流程机制。本章中接下来的各小节将详细地介绍当前基于模块化思想的算力交易平台中各基础功能的具体实现。

图1 多方算网交易平台基础功能逻辑图

2.2 算力交易接入控制

算力交易机制首先需要实现的基础功能是接入控制能力，主要可以分为两个部分：算力交易新用户的准入和算力交易用户的操作鉴权。

2.2.1 算力交易新用户的准入

在算力交易的准入过程中主要考虑两种身份的用户：算力提供方和算力需求方。两种用户均需要经过节点注册和身份校验等过程，其中算力交易新用户的准入过程如图2所示，具体流程如下。

图2 算力交易新用户准入流程图

1)用户申请加入算力交易平台，向安全准入模块提交用户基本信息。

2)用户身份验证模块通过用户注册信息审核进行用户身份的验证。

3)验证通过后，节点初始化模块为用户创建系统账号。

4)节点初始化模块协助用户完成节点初始化并为其分配操作权限，包括算力提供方服务注册权限或算力需求方意图输入权限。

5)用户节点注册模块为其分配一对公私钥。

6)经过这一系列用户注册加入平台步骤后，将用户账号、用户权限信息、用户公钥等信息存储到系统数据库中，以提供给之后用户登录及操作时进行身份鉴权。

7)返回算力交易平台用户注册成功或失败信息。

2.2.2 算力交易用户的操作鉴权

根据算力交易用户身份的不同，将操作鉴权分为两个部分：算力提供方鉴权和算力需求方鉴权。其中算力提供方在加入算力交易平台后，需先向该平台提交资源注册申请，之后才可以提供算力资源，在此过程中平台需对算力提供方进行身份验证和权限校验，如图3所示，具体流程如下。

图3 算力提供方用户鉴权流程图

1)算力提供方向算力交易平台提出算力资源注册申请。

2)用户需要在进行算力资源注册时，通过安全接入模块向系统提交资质信息，并使用注册时所分配的用户私钥对提交的资质信息进行签名。

3)用户身份验证模块通过与数据库中在用户注册阶段预先存储的权限信息进行对比，并对用户提交的资质信息进行校验，验证通过后为其颁发证书。

4)区块链模块对算力提供方提交的算力资源资质证书进行校验。

5)校验通过，算力提供方将作为新的区块链节点加入。

6)算力提供方进行算力资源注册。

7)注册的算力资源信息将存储到系统数据库中。

8)返回算力提供方注册成功或失败信息。

对于算力需求方，在其加入算力交易平台后，需要选择是否立即进行算力交易意图输入。当算力需求方进行算力交易意图输入时，首先要完成登录步骤，且身份核验通过，方能向交易平台输入算力交易意图，并被进一步分析识别，该过程如图4所示，具体流程如下。

图4 算力需求方用户鉴权流程图

1)算力需求方使用在注册阶段申请到的系统账号登录到算力交易平台。

2)用户身份验证模块对算力需求方进行身份核验。

3)核验通过后，算力需求方能够向该系统输入算力交易意图。

4)返回算力需求方的交易意图输入完成或校验失败等信息。

2.3 算力交易定价激励

算网交易平台中的定价激励包含如图5所示的三个过程：基于历史影响因子的博弈定价、有节点加入或退出时更新定价、交易完成更新影响因子后更新定价[7]。具体来说，当算力提供方与算力平台方进行初始化定价博弈时，算力平台方将根据地区、热度、声誉值等方面的历史影响因子进行资源评估定价；由于多个算力提供方之间是竞争关系，在与平台方博弈的过程中也必须考虑其他算力提供方的影响，因此当有新的算力提供方加入或退出时，算力平台方与算力提供方将重新进行一轮博弈，从而根据最新情况更新定价；同时，历史影响因子不是一成不变的，当每次与算力需求方的算力交易完成后，将根据算力需求方的一些状态数据更新影响因子，之后算力平台方将与算力提供方进行新一轮博弈，根据最新的影响因子情况更新定价。

图5 算力交易定价激励逻辑图

2.4 算力交易执行

算力交易执行机制包括合同签订和交易启动等过程，其中交易启动具体指计费计量能力的启动，算力需求方据此可以与算力交易平台签订合同购买算力资源。

算力需求方在算力交易执行阶段可以获知合同名称、算力提供方和算力需求方的名称、合同内容描述和合同金额等信息，并将进行包括用户身份认证、算力资源核查、交易合同校验等多层校验的在线验证流程，共同保障算力资源交易的安全可信。用户身份认证是通过算力需求方在算力交易平台的注册信息来完成核验，算力资源核查是通过算力提供方提交至区块链的算力资源资质信息来完成校验，交易合同校验则是通过将合同信息进行Hash加密后，与区块链所存储的已有交易合同Hash进行比对，当区块链上没有能与之匹配的合同Hash时，则表示该交易合同是可信的，避免出现同一个合同多次执行的现象。

在完成合同在线校验后，算力需求方可以进行合同签订流程，以自己的私钥对合同进行签名，将该合同存储在算力交易平台数据库中。同时，在算力交易平台中有必要将算网交易合同在区块链中也进行存储，这样交易结算阶段从算力交易平台数据库查找到对应的交易合同后，可以与在区块链中的合同信息进行对比，来验证数据库中的交易合同是否被篡改。另外，为了减小算力交易平台运行区块链的压力，在区块链中只存储合同信息的Hash值。通过将交易合同的Hash值打包发布到区块链上，生成区块链存储的方式，用于在交易结算过程中的防篡改验证，以及合同的在线校验过程中的唯一性验证[8]。

2.5 算力交易结算

在进行算力交易结算中的合同校验流程时，合同的Hash值将与区块链存储的Hash值进行比对，进行防篡改验证实现可信交易。针对此过程需要更进一步地利用声誉系统和区块链校验以实现结算的可信保障流程，如图6所示，具体流程如下。

图6 算力交易结算流程图

1)首先通过平台的算力交易感知模块，实现对算力交易情况的感知，获得算力交易完成状态消息。

2)算力交易平台基于算力交易感知模块根据其对于算力提供方资源的持续监控情况，对此次算力资源提供过程给出一个客观评分。

3)算力需求方根据算力提供方资源对其需求的满足响应情况，对此次算力资源提供过程给出一个主观评分。

4)算力交易平台综合主观评分和客观评分，对其设置不同的权重，通过加权平均的方式，获得一个综合分数。

5)该分数将作为算力提供方新的声誉评分存储到算力交易平台数据库中。

6)算力交易平台将对自身数据库中所存储的算力交易合同求Hash值，并与区块链所存储的合同Hash进行比对，完成算力交易合同校验。

7)校验完成后通过算力交易结算模块完成对算力提供方的金额结算。

2.6 算力交易记录

算力交易平台需要统计当前系统中的交易情况，包括交易名称、交易内容、交易双方信息以及交易时间和交易金额等，并对交易所处的状态进行不同的标注。同时，算力交易平台需要满足算力提供方和算力需求方的差异化交易记录需要，即分别为其呈现与自身相关的交易记录情况，提供定制化的交易记录服务[9]。

算力交易记录不仅提供上述的交易查询功能，还需要提供合同查看功能，提供对用户的所有合同信息的记录和展示，包括合同名称、合同类型、合同双方信息、签订时间以及合同金额等[10]。

3 多方算力交易机制的实现流程

3.1 算力交易准备阶段

算力交易准备阶段包括算力需求方和算力提供方用户的接入认证、服务注册、定价博弈等综合过程，其机制流程如图7所示。

图7 算力交易准备阶段流程图

首先，两方分别在算力交易平台完成身份注册，算力需求方注册完成后可以进行算力交易意图输入，进入到算力交易执行过程；算力提供方注册完成后，需进行算力资源注册，注册完成后平台为其颁发证书，算力提供方作为节点加入到算网交易平台区块链中；算力提供方与算力平台方根据历史影响因子进行资源定价的博弈过程最终确定一个价格；算力交易平台方持续对算力提供方的资源进行监控；每当有新节点加入，算力提供方与算力平台方进行多对一博弈更新定价；同时每当一场算力交易完成，算力交易平台方更新影响因子，并与算力提供方进行博弈更新定价。

3.2 算力交易进行阶段

算力交易进行阶段的大致流程如图8所示，包括了意图感知、需求分析、策略选择、合同签订、交易执行、交易评分、交易结算等过程。

图8 算网交易进行阶段流程图

首先，算力需求方在平台输入算力交易意图，算力平台方针对其意图进行场景指标分析推荐和算力配置推荐。算力需求方若对平台所呈现的指标和配置不满意则可以进行自定义修改，算力平台方根据算力需求方意图返回算力资源规格列表，算力需求方可通过一定的策略进行筛选并最终选定所需的算力资源。

算力平台方提供电子合同的在线签订入口，算力需求方签署合同并以自己的私钥进行签名。之后算力平台方通知算力提供方进行资源调度，该合同将由平台数据库和区块链进行双重存储，其中区块链存储的内容是该合同的Hash值。此步骤完成后，算力提供方就向算力需求方提供算力资源。

资源交易周期完成后算力需求方对算力提供方的资源提供过程进行主观评分，算力平台方根据对算力交易的实时感知情况，对算力提供方的资源提供过程进行客观评价，并将综合这两个评分加权得到最终评分作为算力提供方新的声誉评分。算力平台方通过本地数据库存储的交易合同Hash值与区块链上存储的合同Hash值进行比对，从而完成交易合同校验，防止交易合同被篡改。最后，算力平台方将根据交易合同对算力提供方的服务进行金额结算。

4 总结与展望

算力交易是算力网络不断发展并走向成熟化的重要推手，本文着重研究了算力网络平台中多方算力交易技术。首先分析了多方算力交易的需求并探讨了其技术发展趋势，之后详细地对算力交易平台中接入控制、定价激励、交易执行、交易结算、交易记录这五大模块化基础能力的逻辑关系和实现机制进行了分析和讨论，最后研究了基于五大基本功能的多方算力交易机制的实现流程。不过，在大规模的算力网络中实现灵活且公平的多方算力交易仍然任重而道远，需要业界共同针对多方算力交易技术展开进一步研究，完善算力交易平台的各项基础功能和算力交易流程，以推动我国算力网络技术与生态的持续演进。