1 绪论
1.1 研究的背景和意
当前，中国是一个以信息为基础的数字社会，特别是随着中国经济和社会的不断发展，基于互联网（Internet）和物联网（Internet of Things, IoT）等技术的应用场景将会不断涌现，诸如无人驾驶（Unmanned Vehicle）、虚拟现实（Virtual Reality, VR）、智慧城市（Smart City）、智能交通（Intelligent Transportation）和智慧医疗（Wise Information Technology of 120，WIT120）等，这将会使得大量数据在社会的各个应用场景中传播[1]。由于这些应用技术对网络质量有着严格的要求，因此很多的应用目前还处于探索阶段。但是随着未来 5G 网络的逐渐普及和商用，其所具有的更低功耗、更低延迟、更高速度、多互联等特点，将会支持包括 IoT 等技术快速发展[2]。届时将会产生巨大的数据量，那么如何对这些数据进行存储将会成为越来越严重的问题。
当前，中国是一个以信息为基础的数字社会，特别是随着中国经济和社会的不断发展，基于互联网（Internet）和物联网（Internet of Things, IoT）等技术的应用场景将会不断涌现，诸如无人驾驶（Unmanned Vehicle）、虚拟现实（Virtual Reality, VR）、智慧城市（Smart City）、智能交通（Intelligent Transportation）和智慧医疗（Wise Information Technology of 120，WIT120）等，这将会使得大量数据在社会的各个应用场景中传播[1]。由于这些应用技术对网络质量有着严格的要求，因此很多的应用目前还处于探索阶段。但是随着未来 5G 网络的逐渐普及和商用，其所具有的更低功耗、更低延迟、更高速度、多互联等特点，将会支持包括 IoT 等技术快速发展[2]。届时将会产生巨大的数据量，那么如何对这些数据进行存储将会成为越来越严重的问题。
Viktor Mayer-Schonberger 在 2012 年的《大数据时代》[3]一书中曾指出，海量数据引发强大的信息风暴已经严重影响并改变了我们的生活方式、工作方式和思维方式。根据中国产业网站信息，2016 年中国云计算服务和云存储规模超过 520 亿[4]，并在2018 年中国存储行业市场现状分析中预测，未来 5 年中国外部存储市场平均增长率可达 7.7%。由此可见，云计算服务在未来的数字社会中扮演着越来越重要的角色。另外，国际数据公司 IDC（International Data Corporation）的研究表明，未来全世界的数据量将两年增长一倍，并且表示到 2020 年全世界的数据量将达到 44 泽字节（ZB）。而这些数据中，将有 34%的数据量是由云计算平台处理，云储存系统也将管理超过14%的数据量[5]。因此，在数据量如此庞大的数字世界，云存储技术以集中托管的方式存储数据将占数据存储总量的很大一部分比例。
云存储技术作为未来解决海量数据存储问题的最好方案[6]，其自动化、智能化的存储管理和较高的存储效率吸引着越来越多的用户使用它进行数据备份和数据存储。“能力越大，责任越大”对云存储技术来说依然适用。由于云存储技术有着惊人的数据存储和处理能力，用户对它的数据存储和资源可用性能力的期待值也越来越高。然而就目前的云存储技术而言，不可避免地存在数据访问的单点失败和代理锁定的问题，这导致用户无法访问存储的数据和数据被泄露的风险。因此，提高数据的可用性、避免用户数据的代理锁定成为我们当前要解决的问题。
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1.2研究内容及主要贡献
云存储是近年来比较热门的数据存储方式，已经得到了广泛的研究和应用。作为大数据和互联网的应用场景之一，传统的云存储方式不可避免的面临着不同类型的安全威胁，比如单点失败、代理锁定。另外，传统的云存储资源交易方式一般是采用中心化的方式，这会要求用户支付一部分利益给第三方代理机构，导致用户成本增加。同时，由于提供者和需求者之间存在严重的信息不对等，会使需求者无法购买到匹配的存储资源。而且中心化交易善于处理百万或千万级的交易，对于处理少量的交易任务会导致效率低、决策时间长等问题，加剧了资源交易的困难程度。
云存储是近年来比较热门的数据存储方式，已经得到了广泛的研究和应用。作为大数据和互联网的应用场景之一，传统的云存储方式不可避免的面临着不同类型的安全威胁，比如单点失败、代理锁定。另外，传统的云存储资源交易方式一般是采用中心化的方式，这会要求用户支付一部分利益给第三方代理机构，导致用户成本增加。同时，由于提供者和需求者之间存在严重的信息不对等，会使需求者无法购买到匹配的存储资源。而且中心化交易善于处理百万或千万级的交易，对于处理少量的交易任务会导致效率低、决策时间长等问题，加剧了资源交易的困难程度。
目前，为了避免中心化的数据存储和交易模式所导致的问题，绝大多数研究和应用都是采用分布式存储和分布式交易方式。研究者们通过设定不同应用场景，提出不同的处理框架用于解决不同的问题，但是缺乏具体是实现方法和智能合约设计方法。本文利用纠删码存储策略设计和实现了一套分布式云存储方式和分布式交易方式，并提出了一个资源交易模型。为云存储资源采购交易提供了一种思路，为云存储技术的发展提供了一种方法。
本文的主要研究内容是在分布式环境中，通过一种真实的拍卖机制帮助需求者选择合适的云存储资源提供者，并且保证需求者的效用最大。另外，基于纠删码存储策略，保证数据的可用性。同时，我们设计并实现了可执行的智能合约算法，构建了基于区块链技术的分布式资源交易系统.
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2 相关概念介绍
2.1 区块链与智能合约
2.1.1 区块链技术
比特币（Bitcoin）最早是由中本聪在文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[32]中提出，是第一个基于区块链技术的数字货币，也是目前第一个规模最大、持续时间最长的数字货币系统。比特币的基础是基于 P2P 网络（peer-to-peer network）和一个概率分布的共识协议组成，它的网络具有分布式、匿名性和通胀预防等主要特点。在比特币的网络中，用户与用户之间的转账服务是通过“交易”来实现的。其实，实现用户之间的转账是一个复杂的过程，一个用户拥有一对公钥和私钥，私钥是用户唯一的身份证明，而公钥是用户用于公开的身份表明。转账时，是转到用户的地址上，而地址是通过一个公钥哈希函数产生。用户为了保护自己的货币安全，一个用户可能会申请多个地址，并将货币分散地转移到多个地址中。
区块链的定义也是从比特币的应用中得到的启发。当前区块链并没有统一的标准，根据维基百科上定义，区块链是借助密码学知识，将交易区块串联并保护起来，使得区块内容不被篡改。在区块链中，一段连续周期内的交易记录被收集起来打包成一个文件形式，称为“区块”。每一个交易记录中包含一个 256 位的哈希值，交易记录作为叶子节点，每两个交易记录形成上一级中间节点，直到形成最终的根节点，这个根节点的哈希值就是“区块”的哈希值[33]。这样形成的交易树被称为 Merkle 树，其中任意一个节点的数据被修改都会使得根节点的哈希值改变。当一个已经添加到主链的区块被修改，其他的矿工都不会认可，以此保证交易的不可篡改。在某种意义上说，区块链也被认为是一种分布式数据库技术，这个分布式数据库使得数据不断增长，通过防止数据被篡改来维持区块链结构。
本文的主要研究内容是在分布式环境中，通过一种真实的拍卖机制帮助需求者选择合适的云存储资源提供者，并且保证需求者的效用最大。另外，基于纠删码存储策略，保证数据的可用性。同时，我们设计并实现了可执行的智能合约算法，构建了基于区块链技术的分布式资源交易系统.
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2 相关概念介绍
2.1 区块链与智能合约
2.1.1 区块链技术
比特币（Bitcoin）最早是由中本聪在文《Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System》[32]中提出，是第一个基于区块链技术的数字货币，也是目前第一个规模最大、持续时间最长的数字货币系统。比特币的基础是基于 P2P 网络（peer-to-peer network）和一个概率分布的共识协议组成，它的网络具有分布式、匿名性和通胀预防等主要特点。在比特币的网络中，用户与用户之间的转账服务是通过“交易”来实现的。其实，实现用户之间的转账是一个复杂的过程，一个用户拥有一对公钥和私钥，私钥是用户唯一的身份证明，而公钥是用户用于公开的身份表明。转账时，是转到用户的地址上，而地址是通过一个公钥哈希函数产生。用户为了保护自己的货币安全，一个用户可能会申请多个地址，并将货币分散地转移到多个地址中。
区块链的定义也是从比特币的应用中得到的启发。当前区块链并没有统一的标准，根据维基百科上定义，区块链是借助密码学知识，将交易区块串联并保护起来，使得区块内容不被篡改。在区块链中，一段连续周期内的交易记录被收集起来打包成一个文件形式，称为“区块”。每一个交易记录中包含一个 256 位的哈希值，交易记录作为叶子节点，每两个交易记录形成上一级中间节点，直到形成最终的根节点，这个根节点的哈希值就是“区块”的哈希值[33]。这样形成的交易树被称为 Merkle 树，其中任意一个节点的数据被修改都会使得根节点的哈希值改变。当一个已经添加到主链的区块被修改，其他的矿工都不会认可，以此保证交易的不可篡改。在某种意义上说，区块链也被认为是一种分布式数据库技术，这个分布式数据库使得数据不断增长，通过防止数据被篡改来维持区块链结构。
区块链重要的概念包括交易、共识机制、网络。
交易：在区块链中，单个交易被定义为一种数据结构，分为 3 个部分，包括输入、输出和数字签名。一个有效的交易，其输入必须是前一个交易的输出，一段时间内所有的交易就形成一个区块，并且由矿工将交易区块打包。一旦区块得到确认，交易就不能再修改。我们以比特币的交易为例，详细介绍交易的结构。
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交易：在区块链中，单个交易被定义为一种数据结构，分为 3 个部分，包括输入、输出和数字签名。一个有效的交易，其输入必须是前一个交易的输出，一段时间内所有的交易就形成一个区块，并且由矿工将交易区块打包。一旦区块得到确认，交易就不能再修改。我们以比特币的交易为例，详细介绍交易的结构。
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2.2 云计算和云存储技术概述
2.2.1 云计算概述
随着互联网和科学技术的飞速发展，云计算的出现解决了大量的资源剩余问题，节约了互联网世界中的各种资源，比如计算资源、带宽和存储资源等。云计算技术中的网格分类、集群计算、虚拟化管理和分布式文件访问等方法提高了在不同设备之间协同工作的能力，使多个托管硬件能够为单个任务实体提供更高效的服务[39]。因此，为用户提供了更方便的计算服务。“云”中的信息设备对用户来说相当于一个“黑箱”，用户不需要了解云计算设备的具体细节和专业知识，也能完成云计算操作。
2.2.1 云计算概述
随着互联网和科学技术的飞速发展，云计算的出现解决了大量的资源剩余问题，节约了互联网世界中的各种资源，比如计算资源、带宽和存储资源等。云计算技术中的网格分类、集群计算、虚拟化管理和分布式文件访问等方法提高了在不同设备之间协同工作的能力，使多个托管硬件能够为单个任务实体提供更高效的服务[39]。因此，为用户提供了更方便的计算服务。“云”中的信息设备对用户来说相当于一个“黑箱”，用户不需要了解云计算设备的具体细节和专业知识，也能完成云计算操作。
但是，目前对于云计算的定义并没有统一的标准。NIST（the National Institute of Standard and Technology，美国国家技术与标准局）[40]给出的云计算的定义是，一种共享所有云资源和进行配置的模式，共享的云资源包括存储、带宽和应用。云计算形成的资源池通常以最小的成本实现对资源控制，依靠云提供商提供的应用接口实时获取和释放云资源[41]。维基百科中给出的云计算的定义是一种基于互联网的计算方式，可以实现硬件和软件资源的数据共享，通过这种数据共享方式可以为用户提供需要的各种终端及其他硬件[42]服务。
云计算可以根据部署模式和服务类型进行分类。根据部署模式可以分为公有云、私有云和混合云[43]。公有云提供的是公共性云服务，面向所有用户提供资源服务，通常是通过第三方云提供商提供云服务；私有云是公有云的延申或者扩展，其最大的不同在于私有云服务为单个用户提供资源分配，而且各个存储空间相互独立，不存在共同存储空间；混合云是结合了公有云和私有云的优点和长处，将两种云服务系统结合起来，为用户提供更好配置的云计算。根据服务类型可以分为基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）和软件即服务（Software as a Service，SaaS）[44]。基础设施即服务（Iaa S）是通过虚拟化的方式将硬件设备封装成一种云设备，用户通过网络远程控制这些远程云端设备，并且只需要支付廉价的费用；平台即服务（PaaS）就像是一种操作系统，由云提供商提供运行环境，然后用户在此基础之上进行部署、开发、运行和测试等操作；软件即服务（SaaS）是云提供商将用户所需要的功能封装成软件服务，具有很强的针对性，并且用户只能利用特定的软件完成特定的操作功能。#p#分页标题#e#
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3.1 引言 ............................. 18
3.2 问题模型和交易机制 ........................ 20
4 选择预算限制下的云存储资源采购方案 ................................. 32
4.1 预算限制下的问题模型和交易机制 ..................................... 32
4.1.1 预算限制下的问题模型 ............................. 32
4.1.2 预算限制下云存储资源采购机制 ......................... 35
5 总结与展望 ..................................... 48
4 预算限制下的云存储资源采购方案
4.1 预算限制下的问题模型和交易机制
4.1.1 预算限制下的问题模型
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4.1.1 预算限制下的问题模型
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5 总结与展望
随着云存储技术的不断普及和发展，一个安全的、透明化的和低成本的资源交易机制将会成为云存储发展的必然方向。传统的云存储资源交易方式都是采用中心化交易分布式存储，交易的中心化存在很多弊端，比如中心化交易有利于完成大规模的交易处理，但是对于处理小规模交易显示是浪费资源。所以，分布式交易具有交易粒度小，效率高等特点。其次，大量交易还会导致中心交易的运行成本高、决策时间长，很难满足在云存储资源交易的需求。另外，中心化交易容易侵害用户的信息安全，导致交易的信息安全风险和隐私安全。本文利用区块链的技术特点，将它运用于解决云存储资源交易问题中，并提出了两种交易方案，一种是基于 VCG 拍卖的分布式云存储资源采购交易机制，另一种是预算限制下的云存储资源采购交易机制。我们把分布式云存储采购交易方法是将整个的云存储交易过程分为 4 个阶段，分别是发布需求、密封报价、公开密封报价和交易结算。整个过程用智能合约实现并且都是自动执行，由区块链环境的安全性保证了交易过程的安全性。我们成功将编写的智能合约部署到以太坊私有链上，以以太坊平台为基础，用户的所有交易动作，比如发布需求、提交报价都是在以太坊钱包这个可视化平台上操作，实现了云存储资源采购交易。
我们的工作主要是尝试着利用区块链技术来解决分布式云存储采购交易问题。首先，我们的系统实现了基于智能合约的反向 VCG 拍卖机制并将智能合约部署到以太坊私有链上，在这个过程中，我们考虑到了交易成本、预算限制和交易安全等因素。在未来的工作中，交易中的其他因素应该得到考虑，比如信誉问题、服务质量等。其次，本文没有充分区分出可用性的价值，所有提供者提供的可用性都是符合需求者要求的，并且和提供者 SLA 中可用性是一致的。未来的工作我们将考虑可用性和成本的情况下，如何用真实的交易机制选择出提供者。
参考文献(略)随着云存储技术的不断普及和发展，一个安全的、透明化的和低成本的资源交易机制将会成为云存储发展的必然方向。传统的云存储资源交易方式都是采用中心化交易分布式存储，交易的中心化存在很多弊端，比如中心化交易有利于完成大规模的交易处理，但是对于处理小规模交易显示是浪费资源。所以，分布式交易具有交易粒度小，效率高等特点。其次，大量交易还会导致中心交易的运行成本高、决策时间长，很难满足在云存储资源交易的需求。另外，中心化交易容易侵害用户的信息安全，导致交易的信息安全风险和隐私安全。本文利用区块链的技术特点，将它运用于解决云存储资源交易问题中，并提出了两种交易方案，一种是基于 VCG 拍卖的分布式云存储资源采购交易机制，另一种是预算限制下的云存储资源采购交易机制。我们把分布式云存储采购交易方法是将整个的云存储交易过程分为 4 个阶段，分别是发布需求、密封报价、公开密封报价和交易结算。整个过程用智能合约实现并且都是自动执行，由区块链环境的安全性保证了交易过程的安全性。我们成功将编写的智能合约部署到以太坊私有链上，以以太坊平台为基础，用户的所有交易动作，比如发布需求、提交报价都是在以太坊钱包这个可视化平台上操作，实现了云存储资源采购交易。
我们的工作主要是尝试着利用区块链技术来解决分布式云存储采购交易问题。首先，我们的系统实现了基于智能合约的反向 VCG 拍卖机制并将智能合约部署到以太坊私有链上，在这个过程中，我们考虑到了交易成本、预算限制和交易安全等因素。在未来的工作中，交易中的其他因素应该得到考虑，比如信誉问题、服务质量等。其次，本文没有充分区分出可用性的价值，所有提供者提供的可用性都是符合需求者要求的，并且和提供者 SLA 中可用性是一致的。未来的工作我们将考虑可用性和成本的情况下，如何用真实的交易机制选择出提供者。
