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        基于以太坊和動態(tài)定價的數(shù)據(jù)交易模式研究

        2022-11-16 02:24:04陳仲武
        關(guān)鍵詞:以太賣家買家

        陳仲武,凌 捷

        廣東工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,廣州 510006

        當(dāng)前數(shù)據(jù)已成為現(xiàn)代全球經(jīng)濟(jì)新的生命線,通過適當(dāng)利用來自于公共或私人的開放數(shù)據(jù),可為現(xiàn)有的商業(yè)市場探索新的發(fā)展方向,從而催生一種新穎的、以數(shù)據(jù)為中心的創(chuàng)新商業(yè)模式,即數(shù)據(jù)交易。

        然而,在不完全信任的參與者之間進(jìn)行在線數(shù)據(jù)交易時,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的開放性和匿名性會給數(shù)據(jù)交易中意圖作惡的利益相關(guān)方帶來可乘之機(jī),公平性成為一個新的挑戰(zhàn)。如果其中兩個利益相關(guān)方串通作惡,他們自身利益不受到損害且獲利,這更加刺激他們繼續(xù)作惡的動機(jī)。因此,在數(shù)據(jù)交易的參與者之間建立一個信任和安全的交易環(huán)境被視為刺激在線數(shù)據(jù)交易的主要關(guān)注點(diǎn)[1]。同時,隨著區(qū)塊鏈技術(shù)特別是智能合約的發(fā)展,可用于為數(shù)據(jù)共享及數(shù)據(jù)交易創(chuàng)建和實(shí)現(xiàn)公平協(xié)議。此外,區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為一種P2P 網(wǎng)絡(luò),使得數(shù)據(jù)交易更加便捷且無需尋找一個可信的數(shù)據(jù)市場平臺。

        價格則是數(shù)據(jù)交易的另一關(guān)鍵要素[2]。在數(shù)據(jù)交易過程中,若買賣雙方都沒有足夠的信息確定交易的數(shù)據(jù)的效益,數(shù)據(jù)交易定價機(jī)制將是解決這一問題的有效途徑。為了滿足數(shù)據(jù)買賣雙方的實(shí)際利益,并考慮數(shù)據(jù)價值動態(tài)變化的特點(diǎn),在數(shù)據(jù)價值不確定的情況下,可采用動態(tài)定價來確定數(shù)據(jù)的價格[3]。

        因此,構(gòu)建一種基于以太坊智能合約的動態(tài)定價數(shù)據(jù)交易機(jī)制,為數(shù)據(jù)交易參與者創(chuàng)造一個去中心化、分布式、可信安全和透明的數(shù)據(jù)交易環(huán)境,以便參與者能夠?qū)灰捉Y(jié)果達(dá)成一致。智能合約被用作在線數(shù)據(jù)交易平臺,區(qū)塊鏈作為一個去中心化的具有分布式和可驗(yàn)證性的開放分類賬本,通過在區(qū)塊鏈上部署智能合約以自動執(zhí)行數(shù)據(jù)交易協(xié)議。此外,協(xié)議中的懲罰機(jī)制用于懲罰數(shù)據(jù)交易過程中的惡意行為。本文從以下幾個方面提出解決方案:

        (1)構(gòu)建一種基于以太坊智能合約和動態(tài)定價的數(shù)據(jù)交易模式,在利益相關(guān)者缺乏信任的情況下安全透明地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交易的公平性和真實(shí)性。

        (2)通過考慮數(shù)據(jù)賣家的出售意愿和數(shù)據(jù)買家的購買意愿,提出一個基于總供給和總需求的改進(jìn)數(shù)據(jù)動態(tài)定價模型,設(shè)計(jì)出自動平衡的動態(tài)定價策略,并驗(yàn)證動態(tài)定價數(shù)據(jù)交易機(jī)制的有效性。

        (3)在智能合約中構(gòu)建“出售數(shù)據(jù)”“創(chuàng)建交易”和“糾紛解決”等數(shù)據(jù)交易算法。通過實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交易出售和購買請求、待售數(shù)據(jù)爭議解決、自動退賠等功能完善了數(shù)據(jù)交易流程。

        (4)在智能合約的設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)了多種算法以實(shí)現(xiàn)以太加密貨幣的自動化交付。同時鼓勵參與者誠實(shí)行事,將通過數(shù)據(jù)交易糾紛機(jī)制解決交易過程中的糾紛,并懲罰數(shù)據(jù)交易過程中的惡意行為。

        1 相關(guān)工作

        區(qū)塊鏈的去中心化[4]、可信賴性、開源性及集體性維護(hù)等特點(diǎn)自比特幣誕生便引起國內(nèi)外大量研究學(xué)者的關(guān)注。雖然它與比特幣一起誕生,但它的匿名性[5]、防篡改性、可審計(jì)性和可驗(yàn)證性等特點(diǎn)使其能夠獨(dú)立存在并應(yīng)用于加密貨幣以外領(lǐng)域,如供應(yīng)鏈、金融交易、物聯(lián)網(wǎng)[6-8]、云存儲及人工智能[9]等。

        近年來,區(qū)塊鏈技術(shù)與智能合約[10]技術(shù)的結(jié)合,為各領(lǐng)域提供了解決方案。Schwartzbach等人[11]通過分析一種擴(kuò)展形式的博弈并提出一種智能合約,允許互不信任的雙方在區(qū)塊鏈上交易任何非數(shù)字商品或服務(wù)。Wang等人[12]提出了一種基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)完整性審計(jì)方案,旨在解決惡意第三方的信任問題。Xiong等人[13]利用以太坊和智能合約,提出一種數(shù)據(jù)資源保護(hù)解決方案,建立數(shù)據(jù)交易和爭議解決模型。Xiang 等人[14]通過使用基于水印的智能合約策略,提出一種基于智能合約和數(shù)字水印的多類型去中心化數(shù)據(jù)交易方案來促進(jìn)數(shù)據(jù)共享區(qū)塊鏈中的版權(quán)保護(hù)。Li 等人[15]基于智能合約和遺忘傳輸協(xié)議,提出了一個公平的大數(shù)據(jù)交換方案,允許買賣雙方在不涉及任何第三方中間人的情況下完成交易。

        最近數(shù)據(jù)市場和數(shù)據(jù)交易問題促使研究人員在滿足數(shù)據(jù)買家的同時最大化數(shù)據(jù)代理人的收入和利潤。Zhao等人[16]提出了一個基于機(jī)器學(xué)習(xí)的、帶有區(qū)塊鏈的隱私保護(hù)數(shù)據(jù)交易市場,以防止單點(diǎn)失效。Yu等人[17]基于行為經(jīng)濟(jì)學(xué)中的前景理論,通過考慮數(shù)據(jù)需求和需求不確定性,提出了一個移動數(shù)據(jù)交易模型,以移動用戶之間的移動數(shù)據(jù)數(shù)量進(jìn)行交易。Bajoudah 等人[18]設(shè)想了一個物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流市場,允許任何一對數(shù)據(jù)提供商和消費(fèi)者在沒有任何事先相互信任的情況下交換數(shù)據(jù)。Guan 等人在文獻(xiàn)[19]中提出了兩種安全、公平、高效的數(shù)據(jù)交換方案,以解決現(xiàn)有數(shù)據(jù)交易方案中交易過程復(fù)雜、交易成本高以及可能存在的不公平交換等問題。

        在個人數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)中,人們對個人數(shù)據(jù)類型有不同的隱私擔(dān)憂,因此個人數(shù)據(jù)市場應(yīng)考慮隱私意識[20-21]。同時,關(guān)于個人數(shù)據(jù)定價或隱私定價模型也進(jìn)行了相關(guān)研究。Malgieri 和Custers[22]研究發(fā)現(xiàn),個人數(shù)據(jù)的貨幣價值可以通過各種個人數(shù)據(jù)定價因素來量化。Shen 等人[23]提出了一種基于線性函數(shù)的個人數(shù)據(jù)定價方案,文獻(xiàn)中考慮了信息熵、數(shù)據(jù)提供者信用和數(shù)據(jù)參考指標(biāo)。Xu等人[24]提出了一種在隱私保護(hù)的個人數(shù)據(jù)環(huán)境下使用多臂強(qiáng)盜方法的動態(tài)個人數(shù)據(jù)定價方案。Wang等人[25]通過考慮數(shù)據(jù)銷售商的定價點(diǎn)和查詢結(jié)果的準(zhǔn)確性,提出了一種基于查詢的數(shù)據(jù)定價方案,建立了數(shù)據(jù)消費(fèi)者近似聚合查詢的數(shù)據(jù)定價模型。

        2 數(shù)據(jù)交易模式

        這部分將介紹基于以太坊智能合約的數(shù)據(jù)交易模式的整體架構(gòu)和數(shù)據(jù)交易流程的算法實(shí)現(xiàn)。

        2.1 模式框架概述

        本文提出的區(qū)塊鏈解決方案主要關(guān)注于交易市場中數(shù)據(jù)供求關(guān)系和數(shù)據(jù)買賣雙方之間的交易數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移,并解決數(shù)據(jù)交易參與者之間的糾紛。在數(shù)據(jù)交易過程中,每個實(shí)體的職責(zé)如下:

        (1)數(shù)據(jù)賣家(DS):擁有數(shù)據(jù)資源并愿意以商業(yè)交易的形式出售數(shù)據(jù)的實(shí)體。

        (2)數(shù)據(jù)買家(DP):對數(shù)據(jù)資源具有一定的購買需求并愿意通過商業(yè)交易的形式購買數(shù)據(jù)的實(shí)體。

        (3)數(shù)據(jù)交易平臺(DTP):數(shù)據(jù)交易智能合約的創(chuàng)建者和所有者,獲取交易市場的供求關(guān)系,并負(fù)責(zé)向區(qū)塊鏈中的所有節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)交易信息和通知。在本文中,假設(shè)是一個完全可信的實(shí)體,只提供數(shù)據(jù)交易的平臺,在任何情況下都不會違反公平正義的原則。

        (4)數(shù)據(jù)存儲方(DSP):為數(shù)據(jù)賣家提供如File-Coin[26]、Swarm[27]或IPFS[28]等去中心文件系統(tǒng)來存儲數(shù)據(jù)交易中的數(shù)據(jù)資源。一旦數(shù)據(jù)交易確認(rèn)后,為數(shù)據(jù)買家提供下載所購數(shù)據(jù)資源的服務(wù)。

        (5)仲裁機(jī)構(gòu)(ARB):仲裁機(jī)構(gòu)有能力判別智能合約中預(yù)置代碼是否符合所有參與實(shí)體之間達(dá)成的數(shù)據(jù)交易的條款和條件,即驗(yàn)證智能合約的條款和條件是否符合所有參與實(shí)體的利益。本文假設(shè)仲裁機(jī)構(gòu)無條件服從公平公正的原則。同時,仲裁機(jī)構(gòu)還具有解決數(shù)據(jù)買家和數(shù)據(jù)賣家之間關(guān)于交易數(shù)據(jù)定價公平性等爭議的功能。

        數(shù)據(jù)交易過程總結(jié)如下:

        首先,數(shù)據(jù)交易平臺為數(shù)據(jù)交易創(chuàng)建智能合約,所有數(shù)據(jù)交易的參與實(shí)體同意合約的條款及條件,方可使用其以太坊地址進(jìn)行注冊。數(shù)據(jù)賣家向全網(wǎng)廣播自身代售的數(shù)據(jù)資源,而數(shù)據(jù)買家則監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)并通過whiper[29]與數(shù)據(jù)賣家就數(shù)據(jù)資源信息進(jìn)行鏈下溝通。數(shù)據(jù)買家通過智能合約驗(yàn)證對應(yīng)的以太坊地址的所有者是否擁有自身所需的數(shù)據(jù)資源,驗(yàn)證確認(rèn)后,數(shù)據(jù)買家可向智能合約發(fā)送數(shù)據(jù)購買請求,并支付最高數(shù)據(jù)價格和相對應(yīng)的交易保證金。相對應(yīng)地,數(shù)據(jù)賣家響應(yīng)購買請求后,向智能合約支付一定的交易保證金。智能合約隨后將自動生成一個具有唯一性和時效性的下載令牌并發(fā)送給數(shù)據(jù)買家。數(shù)據(jù)買家通過在有效的時間內(nèi)下載令牌并從數(shù)據(jù)存儲方處下載對應(yīng)的數(shù)據(jù)資源,觸發(fā)數(shù)據(jù)資源下載成功事件以結(jié)束數(shù)據(jù)交易流程并根據(jù)當(dāng)前交易周期的供需關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)定價進(jìn)行交易費(fèi)用結(jié)算。如果數(shù)據(jù)賣家或買家認(rèn)為交易存在在爭議,可向智能合約提出仲裁請求并等待仲裁機(jī)構(gòu)的介入,仲裁結(jié)果將判定交易是否成功及仲裁的責(zé)任認(rèn)定。數(shù)據(jù)交易模式框架如圖1所示。

        2.2 數(shù)據(jù)交易算法設(shè)計(jì)

        2.2.1 出售數(shù)據(jù)資源和創(chuàng)建交易

        數(shù)據(jù)賣家向智能合約交付一定的交易押金后廣播數(shù)據(jù)出售的詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)買家利用智能合約驗(yàn)證對應(yīng)以太坊地址所有者是否擁有自身所需的數(shù)據(jù)資源,并通過挑戰(zhàn)響應(yīng)機(jī)制驗(yàn)證數(shù)據(jù)買家是否為以太坊地址的真實(shí)所有者。出售數(shù)據(jù)資源的偽代碼如下:

        驗(yàn)證確認(rèn)后,數(shù)據(jù)買家向智能合約發(fā)送數(shù)據(jù)購買請求并支付數(shù)據(jù)的最大交易費(fèi)用(即數(shù)據(jù)交易的最高價格)。隨后智能合約根據(jù)當(dāng)前的交易周期及交易的供求關(guān)系確定本次交易價格。創(chuàng)建數(shù)據(jù)資源交易的偽代碼如下:

        2.2.2 成功交易的結(jié)算和支付

        一旦數(shù)據(jù)買家通過令牌從數(shù)據(jù)存儲方處下載數(shù)據(jù)資源后,數(shù)據(jù)存儲方將觸發(fā)智能合約中的函數(shù)提交確認(rèn)下載事件。只有當(dāng)數(shù)據(jù)買家也通過調(diào)用智能合約的函數(shù)提交確認(rèn)下載事件后,并在有效的時間內(nèi)對交易和數(shù)據(jù)資源沒有提出爭議,智能合約將交易視為一次成功交易,進(jìn)行成功交易結(jié)算并確認(rèn)交易信息。成功交易結(jié)算的偽代碼如下:

        2.2.3 爭議交易的結(jié)算和支付

        (1)數(shù)據(jù)下載爭議:如果數(shù)據(jù)買家在有效時間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是數(shù)據(jù)下載失敗,即認(rèn)為數(shù)據(jù)無法下載成功,那么仲裁機(jī)構(gòu)將介入到交易的流程中。仲裁機(jī)構(gòu)根據(jù)數(shù)據(jù)的下載情況決定仲裁結(jié)果。如果仲裁機(jī)構(gòu)同樣無法下載數(shù)據(jù)資源,則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)下載失敗,視為交易不成功。智能合約將會向數(shù)據(jù)賣家退還交易押金,并向數(shù)據(jù)買家退還全部交易費(fèi)用和交易押金。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)下載成功,視為交易成功且數(shù)據(jù)買家存在欺騙行為。智能合約將會沒收數(shù)據(jù)買家的交易押金作為欺騙懲罰,并將其獎勵給其余的交易參與者。數(shù)據(jù)下載爭議的偽代碼如下:

        (2)數(shù)據(jù)可用性爭議:如果數(shù)據(jù)買家在有效時間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是數(shù)據(jù)不可用,即認(rèn)為數(shù)據(jù)可用性不符合其描述,那么仲裁機(jī)構(gòu)將介入到交易的流程中。仲裁機(jī)構(gòu)通過在鏈下驗(yàn)證數(shù)據(jù)資源是否與描述一致決定仲裁結(jié)果。如果驗(yàn)證結(jié)果為數(shù)據(jù)與描述不一致,則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)不可用,視為交易不成功且數(shù)據(jù)賣家存在欺詐行為。智能合約將會沒收數(shù)據(jù)賣家的交易押金作為欺騙懲罰,并將其獎勵給其他的交易參與者。數(shù)據(jù)買家還將被退還所有交易費(fèi)用和交易押金。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)可用,視為交易成功且數(shù)據(jù)買家存在欺詐行為。數(shù)據(jù)可用性爭議的偽代碼如下:

        (3)數(shù)據(jù)定價異常爭議:如果數(shù)據(jù)買家在有效時間內(nèi)的確認(rèn)結(jié)果是定價異常,即認(rèn)為數(shù)據(jù)的定價不合理,那么仲裁機(jī)構(gòu)將介入到交易的流程中。仲裁機(jī)構(gòu)獲取數(shù)據(jù)買家的交易價格及交易時段內(nèi)的動態(tài)定價并驗(yàn)證兩者是否一致。如果驗(yàn)證的結(jié)果為定價不一致,則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)定價異常,視為交易不成功且數(shù)據(jù)交易中心存在欺詐行為。智能合約將會向數(shù)據(jù)賣家退還交易押金,并向數(shù)據(jù)買家退還全部交易費(fèi)用和交易押金。同時,數(shù)據(jù)交易者的押金被沒收并獎勵給其他數(shù)據(jù)參與者。反之則判定仲裁結(jié)果為數(shù)據(jù)定價正常,視為交易成功且數(shù)據(jù)買家存在欺詐行為。數(shù)據(jù)定價異常爭議的偽代碼如下:

        3 基于總供給和總需求的數(shù)據(jù)動態(tài)定價模型

        提出的動態(tài)定價模型的主要目標(biāo)是在數(shù)據(jù)交易的市場中平衡數(shù)據(jù)賣家和購買者之間數(shù)據(jù)的供求關(guān)系。同時,動態(tài)定價策略在每一輪交易中使用動態(tài)交易價格,其價格只取決于每個交易期開始時數(shù)據(jù)市場中的總供給和總需求[30]。

        3.1 模型定義

        定義1(數(shù)據(jù)總供給)設(shè)Si(t)(t≥0,Si(t)≥0 )為DSi(DSi∈DS)在第t輪交易期開始時數(shù)據(jù)的出售量,nS為數(shù)據(jù)交易市場的數(shù)據(jù)賣家的總?cè)藬?shù)。數(shù)據(jù)總供給定義為在第t輪交易期開始時交易市場中數(shù)據(jù)賣家的出售數(shù)據(jù)的總和:

        定義4(數(shù)據(jù)總供求之差)設(shè)D(t)為數(shù)據(jù)交易市場在第t輪交易期開始時的總需求與總供給之間的差值,可以表示為:

        3.2 動態(tài)定價策略

        假設(shè)p(t)是數(shù)據(jù)交易市場在第t輪交易期的動態(tài)實(shí)時定價,由第t輪交易期的總需求與總供給之間的比率R(t)和差值D(t)定義:

        式(5)中pbalance指代R(t)=1 時的價格,而pvol則指代價格在R(t)=1時的增幅,價格區(qū)間為(pbalance-pvol,pbalance+pvol)。圖2 中將式(5)的定價模型與Chekired 等人[30]的定價模型進(jìn)行比較。圖2可以看出,當(dāng)R(t)=1 時,提出的定價模型處于平衡狀態(tài),p(t)維持在150,并且價格p(t)在R(t)處于最小值和最大值附近處呈現(xiàn)飽和。反觀Chekired等人[30]模型,當(dāng)R(t)小于100時,隨著需求進(jìn)一步增加,價格也幾乎不變,即使R(t)大于101時,價格也會繼續(xù)上漲,呈現(xiàn)出不對稱狀態(tài)。

        圖3 顯示了不同k值對定價模型的價格曲線的變化情況??梢钥闯鰞r格曲線關(guān)于R(t)對稱變化,而且隨著k值的增大,價格曲線在接近R(t)=1 時,處于平衡穩(wěn)定的區(qū)間更長。

        本文假設(shè)隨著數(shù)據(jù)交易價格的增加,數(shù)據(jù)賣家更愿意出售數(shù)據(jù)資源;而數(shù)據(jù)消費(fèi)者更愿意在較低數(shù)據(jù)交易價格增加數(shù)據(jù)購買需求。為簡單起見,假設(shè)一個隨機(jī)變量X,DSi不會以低于X的價格出售自己的數(shù)據(jù)類型資源。

        4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

        4.1 智能合約實(shí)施

        本節(jié)將在Remix IDE 構(gòu)建以太坊的私有鏈以測試和驗(yàn)證所提出的智能合約,測試的編譯器版本是0.6.0+commit,測試環(huán)境是JavaScript VM。根據(jù)數(shù)據(jù)交易參與的實(shí)體數(shù)量使用了五個以太坊地址,每個地址都有100 ether作為初始余額:

        數(shù)據(jù)賣家(DS)地址:

        4.1.1 出售數(shù)據(jù)資源和創(chuàng)建交易

        數(shù)據(jù)賣家在調(diào)用sellData()函數(shù)前通過修飾符向智能合約支付保證金,只有保證金大于預(yù)置的金額才能進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的出售。數(shù)據(jù)賣家以數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)描述為輸入為數(shù)據(jù)資源的出售信息進(jìn)行創(chuàng)建,并觸發(fā)數(shù)據(jù)待出售和請求定價事件。數(shù)據(jù)買家監(jiān)聽到特定的數(shù)據(jù)資源出售信息調(diào)用newTrade()函數(shù)請求購買并向合約支付交易費(fèi)用和保證金后,此時新的交易被創(chuàng)建,且交易的狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)買家的交易保證金已經(jīng)支付。交易創(chuàng)建后智能合約內(nèi)部函數(shù)自動生成下載數(shù)據(jù)所需的令牌。圖4(a)顯示數(shù)據(jù)資源出售,圖4(b)顯示新的交易創(chuàng)建。

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        4.1.2 交易定價

        合約所有者獲取請求定價事件后,調(diào)用confirm-Price()函數(shù)為新的交易時間根據(jù)供需關(guān)系設(shè)定價格,此時交易的狀態(tài)變更為價格確定,且觸發(fā)價格確定事件。圖5顯示了交易定價事件的發(fā)生,表明交易的價格被最終確定。

        4.1.3 成功交易的結(jié)算和支付

        當(dāng)數(shù)據(jù)存儲方觸發(fā)了數(shù)據(jù)已被購買者下載的確認(rèn)事件,同時數(shù)據(jù)買家針對下載的數(shù)據(jù)沒有爭議,調(diào)用DPCofirmResult()函數(shù)觸發(fā)確認(rèn)交易事件時,這意味著交易成功,交易費(fèi)用將自動結(jié)算。圖6顯示了結(jié)算和支付事件的發(fā)生,表明結(jié)算和支付已經(jīng)完成。

        4.1.4 數(shù)據(jù)定價異常爭議的結(jié)算和支付

        如果數(shù)據(jù)買家調(diào)用DPCofirmResult()函數(shù)確認(rèn)數(shù)據(jù)定價不合理,仲裁機(jī)構(gòu)將介入爭議。如果仲裁機(jī)構(gòu)驗(yàn)證交易時期的供需關(guān)系,調(diào)用princingDisputeResolution()函數(shù)判定仲裁結(jié)果為真,退款將自動完成。

        圖7 顯示了仲裁結(jié)果為真時進(jìn)行交易結(jié)算和支付前后的各參與方賬戶金額情況。

        如果仲裁結(jié)果為假,則自動完成付款結(jié)算,并懲罰數(shù)據(jù)買家的惡意行為,沒收數(shù)據(jù)買家所支付的保證金和交易費(fèi),而將支付給仲裁機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)賣家。圖8顯示了仲裁結(jié)果為假時觸發(fā)自動退款和懲罰事件。

        4.2 動態(tài)定價實(shí)施

        在本節(jié)中將模擬動態(tài)定價的實(shí)施過程,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Intel Core i5-9400 CPU@2.90 GHz,8 GB RAM 配置的64 位計(jì)算機(jī)。使用4 個參數(shù)定義數(shù)據(jù)賣家和數(shù)據(jù)買家,如表1所示,分別是DSi的MaxSupply、MinSupply,以及DPj的MaxDemand、MinDemand。

        表1 參數(shù)定義Table 1 Parameter definition

        上節(jié)假設(shè)DSi在t交易期內(nèi)的出售意愿函數(shù)Φ值和DPj在t交易期內(nèi)購買意愿函數(shù)Ψ值依賴于(t-1)交易期價格,即p( )t-1 ,如圖9所示。在圖9中,i.MaxPrice和j.MaxPrice的值為200,i.MinPrice和j.MinPrice的值為100。

        那么DSi在t交易期內(nèi)的數(shù)據(jù)資源出售量i.Supply(t)與DPj在t交易期內(nèi)的數(shù)據(jù)資源需求量j.Demand(t)分別有如下等式表示:

        假設(shè)在數(shù)據(jù)賣家和數(shù)據(jù)買家根據(jù)等式(8)和等式(9)對價格變化作出反應(yīng)的前提下,將收斂區(qū)域定義為pbalance±1%內(nèi)。圖10分別顯示了k=3、k=5、k=7和k=9 時對收斂到平衡點(diǎn)(R(t)=1) 的影響,其中,pbalance=150 和初始R(t)=0.25。

        對于圖10(a),當(dāng)k=3 時,到達(dá)收斂區(qū)域內(nèi)至少需要13 輪次交易,但收斂區(qū)間最短,約為10-0.15≤R(t)≤100.15。對于圖10(b)、(c),當(dāng)k=5 或k=7 時,收斂速度較為平衡,到達(dá)收斂區(qū)域內(nèi)分別需要10 輪和6 輪次交易,收斂區(qū)間則分別為10-0.25≤R(t)≤100.25和10-0.28≤R(t)≤100.28。對于圖10(d),當(dāng)k=9 時,收斂速度最快約為5次,且收斂區(qū)間最短,約為10-0.30≤R(t)≤100.30。

        4.3 成本分析

        在以太坊智能合約中調(diào)用函數(shù)需要花費(fèi)一定數(shù)量的費(fèi)用,其中費(fèi)用是以gas為單位。gas的花費(fèi)主要取決于函數(shù)本身參數(shù)的數(shù)量和執(zhí)行的操作次數(shù)。隨著gas的價格越高,礦工為追求利潤最大化,因而gas價格越高的交易將更有可能被優(yōu)先選擇完成。另外,Ethereum Gas Station 是一個gas 價格信息源集中平臺,通過獲取并匯總多個數(shù)據(jù)源的最新天然氣價格,提供一個可靠的平均天然氣價格,并將函數(shù)調(diào)用成本從gas 單位兌換成法定貨幣單位,即美元[31]。

        Remix IDE 在調(diào)用智能合約時對執(zhí)行成本進(jìn)行合理估算。所開發(fā)的智能合約中重要函數(shù)的執(zhí)行成本如表2所示。

        為了公平起見,根據(jù)gas station推薦的gas價格,選取截止2021年6月27日的數(shù)據(jù)分析函數(shù)執(zhí)行成本。表2中反映用戶為獲得函數(shù)緩慢、平均和快速執(zhí)行而選擇的對應(yīng)不同的價格。

        假設(shè)緩慢、平均、快速和立即執(zhí)行函數(shù)的gas價格分別為6、7、10 和12 Gwei/gas,那么gas station 將據(jù)此來估算該函數(shù)執(zhí)行的以太幣成本。同時,選取1 ETH=$210.10 的以太幣與美元的匯率,將智能合約的執(zhí)行成本轉(zhuǎn)換為美元。從表2中可得出結(jié)論,所提出的解決方案中不同函數(shù)消耗的gas 成本均在可接受范圍內(nèi),即執(zhí)行成本是合理的。其中,使用緩慢或者一般交易方式,函數(shù)平均執(zhí)行成本低于$0.83;使用快速交易方式,平均執(zhí)行成本則低于$1.4;而使用即可交易方式,平均成本則低于$1.8。

        表2 相關(guān)函數(shù)的執(zhí)行成本Table 2 Execution cost of correlation function

        除此之外,得益于區(qū)塊鏈和智能合約的透明性和不可篡改性特性,方案能確保交易過程對交易參與者的公平性和公開性。

        5 安全分析及性能評估

        5.1 安全分析

        5.1.1 安全特性

        (1)身份驗(yàn)證與授權(quán):智能合約只能由特定的授權(quán)實(shí)體在特定的交易流程中執(zhí)行。未經(jīng)授權(quán)的實(shí)體調(diào)用函數(shù)或者授權(quán)實(shí)體未在特定流程下調(diào)用函數(shù),則會產(chǎn)生錯誤異常。同時,方案中的挑戰(zhàn)響應(yīng)機(jī)制能夠?qū)?shù)據(jù)賣家進(jìn)行身份認(rèn)證和授權(quán),以防止數(shù)據(jù)賣家的不誠實(shí)行為。對于數(shù)據(jù)買家與存儲服務(wù)方之間的鏈下通信,提出鏈下訪問和下載數(shù)據(jù)機(jī)制,保證只有授權(quán)的數(shù)據(jù)買家才能下載數(shù)據(jù)資源。

        (2)保密性:在提出的解決方案中,數(shù)據(jù)買家利用時間戳和唯一下載令牌與存儲服務(wù)方進(jìn)行鏈下訪問。即使唯一下載令牌意外泄漏,存儲服務(wù)方也可驗(yàn)證用戶的身份以防止數(shù)據(jù)資源泄漏。當(dāng)然這也鼓勵更多的實(shí)體參與和交換數(shù)據(jù)資源。

        (3)不可否認(rèn)性:所提出的區(qū)塊鏈解決方案在數(shù)據(jù)交易過程中,所有利益相關(guān)者都不能否認(rèn)自身在交易中的交易行為,也不能否認(rèn)沒有收到特定的收益和數(shù)據(jù)資源。

        (4)數(shù)據(jù)完整性:在提出的解決方案中,數(shù)據(jù)賣家通過使用時間戳和唯一的下載令牌與數(shù)據(jù)存儲方進(jìn)行鏈下訪問,并下載數(shù)據(jù)資源,任何需要修改的數(shù)據(jù)都應(yīng)作為新的事務(wù)重新被處理,數(shù)據(jù)交易的任一流程信息都會作為通知事件發(fā)送至所有利益相關(guān)者。

        (5)抗網(wǎng)絡(luò)攻擊:以太坊網(wǎng)絡(luò)中的事務(wù)經(jīng)過加密技術(shù)加密并進(jìn)行哈希加以保護(hù)。在基于區(qū)塊鏈的解決方案中,因?yàn)槭褂蒙⒘袡C(jī)制數(shù)據(jù)是不可變的,惡意攻擊者無法篡改任何事務(wù)。散列指針作為區(qū)塊頭的組成部分將區(qū)塊鏈接在一起。這使得中間人攻擊(MITM)和分布式拒絕服務(wù)(DDoS[32])等網(wǎng)絡(luò)攻擊幾乎不可能發(fā)生。

        5.1.2 脆弱性分析

        本文使用安全分析工具對所提出的數(shù)據(jù)交易解決方案開發(fā)的智能合約中代碼漏洞進(jìn)行分析。首先,Remix IDE能夠通知開發(fā)人員的所有語法錯誤、警告和函數(shù)運(yùn)行時的錯誤等。SmartCheck 代碼分析器則用于發(fā)現(xiàn)代碼中的潛在風(fēng)險,并檢測諸如花費(fèi)高昂的執(zhí)行回路、異常的gas 消耗、溢出和下溢等錯誤。其次,通過利用SmartCheck 工具分析所開發(fā)的智能合約代碼,圖11 顯示了SmartCheck 日志分析內(nèi)容。日志內(nèi)容表明合約中不存在任何嚴(yán)重的安全和隱私漏洞。

        此外,還使用Oyente[33]分析智能合約代碼的安全漏洞。Oyente作為一款強(qiáng)大的安全漏洞分析工具,可以根據(jù)漏洞知識庫檢查以太坊智能合約,并生成漏洞分析報(bào)告。報(bào)告中列出一系列主流的代碼漏洞,以及這些漏洞是否存在于當(dāng)前檢測的智能合約代碼中。為更好分析所開發(fā)的智能合約中代碼安全性,在64 位Ubuntu16.04環(huán)境下基于evm-1.7.3 和solc-0.4.19 版本,針對整數(shù)類型上溢和下溢、Parity 多重簽名漏洞、調(diào)用堆棧深度攻擊、交易順序依賴(TOD)、時間戳依賴、再入攻擊和斷言錯誤等主流代碼漏洞,通過模擬面向一致的交易事務(wù)場景,將本文與相關(guān)文獻(xiàn)中現(xiàn)有解決方案的智能合約分別進(jìn)行漏洞分析,表3顯示了Oyente生成的漏洞分析報(bào)告。

        表3 Oyente漏洞分析報(bào)告Table 3 Oyente vulnerability analysis report

        從漏洞分析結(jié)果可以看出,由于文獻(xiàn)[11,13,34]只關(guān)注于單一功能的實(shí)現(xiàn),而沒有考慮整數(shù)類型變量的內(nèi)存大小,導(dǎo)致代碼出現(xiàn)了整數(shù)類型上溢和下溢的代碼漏洞。此外,缺乏控制合約的執(zhí)行邏輯和執(zhí)行順序,沒有嚴(yán)格限制每個執(zhí)行步驟中特定的調(diào)用時間和調(diào)用實(shí)體,使得文獻(xiàn)[11,34]代碼中暴露交易順序依賴(TOD)和時間戳依賴等漏洞缺陷。而文本中的智能合約,在汲取相關(guān)文獻(xiàn)中智能合約出現(xiàn)的代碼漏洞問題,同時遵循以太坊代幣標(biāo)準(zhǔn)ERC20[35],采取預(yù)先提交方案的機(jī)制進(jìn)行開發(fā),經(jīng)報(bào)告顯示Oyente 工具所檢測的漏洞均被標(biāo)記為“False”,即所開發(fā)的智能合約代碼沒有這類漏洞缺陷。通過參考Oyente 工具所提供的智能合約示例中的覆蓋率比值可知,覆蓋率比較高反映當(dāng)前代碼漏洞較少。其他現(xiàn)有方案有較明顯的代碼漏洞,所以覆蓋率偏低。本文缺陷漏洞代碼覆蓋率為99.5%,可表明該代碼存在漏洞較少,能夠有效避免多種主流代碼漏洞,證明所開發(fā)的智能合約滿足安全性和可行性的要求。

        5.2 相關(guān)方案比較

        針對gas的花費(fèi)成本,在Remix IDE的JavaScriptVM環(huán)境下構(gòu)建的以太坊私有鏈上分別部署本文方案和相關(guān)文獻(xiàn)中現(xiàn)有解決方案的智能合約,并通過執(zhí)行多次試驗(yàn)以取平均值進(jìn)行比較分析。如表4所示,所提出方案在生成交易訂單步驟需要耗費(fèi)53 099 gas,更新商品需要耗費(fèi)34 284 gas,確認(rèn)接收和支付結(jié)算共需耗費(fèi)79 653 gas。以上操作消耗總成本約為167 036 gas,gas花費(fèi)接近于文獻(xiàn)[13],與其他解決方案相比處于較低的gas 消耗水平。由于所提出方案在創(chuàng)建新的交易流程中,需要對交易價格進(jìn)行實(shí)時動態(tài)定價,而文獻(xiàn)[13]的交易在創(chuàng)建時保持恒定不變的價格,因此本文方案與之相比需多花費(fèi)更新商品信息的費(fèi)用。方案還采用較少的映射關(guān)系,并融合確認(rèn)接收和支付結(jié)算函數(shù),相較于其他解決方案減少了不必要的操作和花銷,提高了交易效率。另外,方案只需要相應(yīng)的消費(fèi)者根據(jù)預(yù)設(shè)的條件進(jìn)行確認(rèn)。總體而言,本文的解決方案在保證安全、可靠、公平、合理的前提下,能夠?qū)灰變r格進(jìn)行合理的動態(tài)調(diào)整,減輕了賣家工作量和買家消費(fèi)負(fù)擔(dān),確保了交易雙方的的利益不受損害。

        表4 相關(guān)解決方案比較Table 4 Comparison of related solutions

        6 結(jié)束語

        本文針對目前數(shù)據(jù)交易模式下的流程耗時較大和公平支付問題,提出一種改進(jìn)的基于以太坊智能合約的數(shù)據(jù)交易模式,實(shí)現(xiàn)在利益相關(guān)者缺乏信任的情況下安全透明地?cái)?shù)據(jù)交易。同時,在買賣雙方都沒有足夠的信息確定交易的數(shù)據(jù)資源能帶來多大的效益的情況下,通過考慮數(shù)據(jù)賣家的出售意愿和數(shù)據(jù)買家的購買意愿,提出一個改進(jìn)的基于總供給和總需求數(shù)據(jù)動態(tài)定價模型,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動平衡的動態(tài)的定價策略,最快約5輪交易期即可實(shí)現(xiàn)交易價格收斂。仿真結(jié)果表明方案相對現(xiàn)有的模型在數(shù)據(jù)交易場景下能有效動態(tài)更新調(diào)整價格并降低gas 成本,同時避免一系列主流的代碼漏洞,證明改進(jìn)交易模式具有良好交易穩(wěn)定可行性和較高的安全性。

        未來將深入考慮數(shù)據(jù)交易中數(shù)據(jù)非法轉(zhuǎn)售的問題,構(gòu)建保護(hù)數(shù)據(jù)共享中的數(shù)據(jù)版權(quán)機(jī)制,并針對異構(gòu)類型的數(shù)據(jù)交易等實(shí)際應(yīng)用實(shí)例,構(gòu)建系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證架構(gòu)的效率。

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