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1. 引言

随着移动通信网络的快速升级，移动业务总量呈爆炸式增长。根据思科可视网络指数

报告，2022 年全球移动流量预计将达到 1 ZB，移动设备的连接总量将增长到 1.23 TB

[1]

。

为了应对数据流量的激增，满足虚拟现实、智能驾驶等新型业务对于网络延迟和吞吐量的

要求，运营商通过在网络边缘部署小蜂窝基站(Small-cell Base Stations, SBSs)并对流行内容

进行边缘缓存，不仅降低了用户请求内容的传输时延，而且可以避免请求内容在回程链路

上的重复传输，有效地减少了网络的流量负载

[2]

。然而属于不同运营商之间的 SBSs 互不信

任，缓存内容相互隔离，难以共享信息

[3]

。为了解决这一问题，区块链技术得到了广泛的

研究与关注

[4]

。区块链是一个去中心化、可信和防篡改的分布式数据库技术，可以在不可

信的环境下提供信息与价值交换的可信通道。区块链结合边缘缓存技术，将实现更大范围

的内容共享，提高缓存内容的使用效率，降低网络的运营成本，因而成为 6G 的研究热点

[5]

。

针对区块链与边缘缓存技术的研究，文献[6]提出了一种基于区块链的物联网节点选择

算法，为边缘云的内容提供商提供了一种低服务延迟的内容缓存策略。为支持边缘设备之

间的数据共享，文献[7]设计了基于区块链内容缓存系统的内容交易机制和数据完整性验

证，确保边缘设备交易的公平性及有效性。针对基于区块链的边缘缓存系统，文献[8]研究

了区块链交易中的智能合约设计，来激励运营商进行内容缓存，实现内容提供商和运营商

的利润最大化。该研究主要针对一个运营商边缘缓存系统的优化，然而在现实组网中，不

同运营商在同一覆盖区域部署各自的边缘设备，同一区域内热点内容在不同边缘设备上重

复缓存，造成缓存内容利用率低，边缘设备建设、运行成本居高不下。文献[9]利用共识机

制解决区块链架构下，不同运营商边缘设备缓存内容的可信内容访问。上述研究均针对公

有区块链和私有区块链。公有区块链的运行模式导致数据维护难以实现且整个服务趋于不

可控化

[10]

；私有区块链仅供单个组织或机构使用，且无法实现完全去中心化

[11]

。为了解决

公有链和私有链的问题，联盟链作为一种特定的区块链，由若干组织或机构共同参与管

理，共同记录交易数据且只有这些特定管理者有权对联盟链中的数据进行读写和发送，因

此逐渐成为区块链发展的主流模式

[12]

。

利用联盟链技术，实现不同运营商边缘设备之间的内容共享和交易，将有效提高缓存

内容利用率，降低运营商的边缘设备建设及运行成本。因此，本文的主要贡献如下：

(1) 基于联盟链，本文设计了一个不同运营商边缘设备的内容共享系统框架，该框架

由边缘缓存层和内容交易层组成。边缘缓存层用于热点内容缓存，内容交易层实现不同运

营商边缘设备的身份认证、热点内容缓存的目录存储和查找以及缓存内容共享。

下载: 全尺寸图片幻灯片

(1) 边缘缓存层提供热点内容的边缘存储，由不同运营商部署的边缘设备组成。在本

文中，边缘设备为具有缓存、计算和通信功能的 SBSs。

(2) 内容交易层提供内容的交易、节点身份认证、内容共享认定、内容地址的查找和

路由规划，具体由认证服务器、智能合约服务器、目录服务器以及路由服务器组成。认证

服务器负责不同运营商的边缘设备信息的注册与解析；智能合约服务器用于存储交易信息

和以数字形式定义承诺，参与交易的各方按照约定自动执行费用的支付和提供内容，并通

过共识机制验证内容共享交易的真实性；目录服务器记录不同边缘设备缓存的内容，当边

缘设备向内容交易层请求其他节点的缓存内容时，通过目录服务器查找内容的缓存地址；

路由服务器用于确定不同运营商共享交易时内容转发。

2.2 内容共享模型

在边缘缓存层中，边缘设备拥有一定的缓存空间并缓存不同的内容。假设边缘设备和

内容库分别表示为 B={b1,b2,⋯,bI}B={b1,b2,⋯,bI}和 F={f1,f2,⋯,fJ}F={f1,f2,⋯,fJ}，边缘设备

的信息描述为

ID = {kpub,kpri,r,id} ID = {kpub,kpri,r,id}

(1)

其中，kpubkpub 和 kprikpri 分别为边缘设备的公钥和私钥。此外，每个缓存节点都有

一个钱包 rr，由其唯一的 kpubkpub 根据哈希 r=hash(kpub )r=hash(kpub )创建

[15]

，idid 表示

该边缘设备所属运营商的标识号。

由于边缘设备存储容量有限，无法存储内容库中所有的内容。为了更好地表示边缘设

备所缓存的内容，进一步定义了缓存策略矩阵\boldsymbolXI×J\boldsymbolXI×J，矩阵中的

每个元素 xi,j∈[0,1],i∈I,j∈Jxi,j∈[0,1],i∈I,j∈J 表示内容缓存概率，每个边缘设备在缓存容量

的约束下按照内容缓存概率的大小依次进行缓存，最终达到缓存空间的约束。

2.3 内容共享及交易过程

在基于联盟链的运营商边缘缓存系统中，边缘设备可以通过联盟链发起内容共享请求

交易、支付内容请求费用并获取内容，如图 2 所示。具体过程如下：

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