科研速递 | 黄建伟教授团队在 IEEE/ACM Transactions on Networking上发表文章

PART01 摘要

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近日，黄建伟教授团队在IEEE/ACM Transactions on Networking上发表了题为“An Incentive Mechanism for Sustainable Blockchain Storage”的文章。

PART02 期刊简介

IEEE/ACM Transactions on Networkings是一份由IEEE通信学会(IEEE Communications Society)、IEEE计算机学会(IEEE Computer Society)及计算机协会(SIGCOMM)双月出版的科学期刊，期刊着重在通信网络领域方面的探讨研究。IEEE/ACM Transactions on Networking的目标是发表高质量的原创研究成果，这些成果来自通信/计算机网络领域的理论或实验探索，涵盖各种物理层技术的各种信息传输网络，包括有线（各种引导介质：如铜、光）和无线（如射频、声学（如水下）、红外线），或这些的混合体。

PART03 研究背景

区块链作为一种去中心化的分布式账本，在金融、供应链、物联网等领域都有着重要的应用。随着区块链系统的快速发展，日益增长的用户交易量导致矿工承受了巨大的存储开销。另一方面，用户为其交易所支付的交易费用低于存储开销。存储花销与交易费用之间的缺口导致了区块链系统中矿工的持续，对系统的长期稳定运行带来了巨大的挑战。

图1 区块链矿工存储示意图

PART04 研究问题

为了保证区块链系统的长期可持续运行，我们需要一种可持续的存储空间定价机制，使得用户支付的交易费用需要不低于矿工存储花销的总额。为此，我们需要考虑如下两个问题：

1. 为什么用户支付的交易费用会低于矿工的存储开销总额？

2. 如何设计一种可持续的存储空间定价机制？

PART05 研究方法与结果

为了研究用户-矿工之间的交互以及定价机制设计，本文在机制设计者、用户、与矿工之间建立三阶段博弈模型。

第一阶段，机制设计者设计区块链系统中存储空间的定价机制。电力公司的目标是最优化社会福利，即最小化系统总成本。

第二阶段，根据定价机制，每个用户决定自己交易的费用。当一个矿工将交易录入区块链系统中后，用户支付交易费用给对应的矿工。用户的目标是最小化交易成本。

第三阶段，每个矿工选择录入的费用。当矿工在选择完录入的交易之后开始挖矿。如果一个矿工成功挖到了区块，那么他所选择的交易便被录入区块链中，矿工会获得所选择交易的交易费用。矿工的目标是最大化挖矿收益。

根据对模型的分析，我们发现，矿工对交易的选择忽略了负外部性(negative externality)导致了用户支付的交易费用低于存储花销总额。具体来说，当一个矿工在选择一些交易并录入区块链中，所有矿工都需要存储这些交易并承担存储花销。这一现象被称为负外部性。而矿工在交易选择的过程中只考虑自己的存储花销而忽略了负外部性，从而导致他愿意接受任何交易费用高于单个矿工存储花销的交易。然而这些交易的交易费用可能远低于所有矿工的存储花销的总和。这一现象导致了用户支付的交易费用低于存储花销总额。

基于上述结论，我们提出了可持续的存储空间定价机制。机制一方面设定了交易费用的最低额，保证用户支付的交易费用不低于存储花销的总额。另一方面，机制设定了“等待税”。具体来说，当用户在产生交易的时候，会增加其他用户的等待时间，因此机制设定了等待税来让用户考虑产生交易对其他用户的影响。

最后，本文证明了上述定价机制可以达到系统最优并且同时保证了交易费用不低于存储花销的总额。

PART06 作者简介

第一作者：刘云舒博士

刘云舒博士生2015年毕业于上海交通大学自动化系，2018年获上海交通大学控制科学与工程硕士学位。 他目前正在香港中文大学信息工程系攻读博士学位。 他的研究兴趣包括网络经济学、博弈论和控制理论领域，目前重点关注区块链系统及其应用。

第二作者：房智轩教授

房智轩博士为清华大学助理教授，他毕业于清华大学交叉信息研究院，本科毕业于北京大学物理学院，在加入清华大学之前，曾在香港中文大学任博士后研究员。目前研究兴趣专注于互联网共享与交易平台的分析与优化、区块链系统的机制设计、网络经济学、群体智能等。

第三作者：张文翰教授

张文翰教授是香港城市大学计算机科学系的助理教授。之前，他是香港中文大学（CUHK）信息工程系的研究助理教授。他分别于2005年和2007年获得香港中文大学信息工程学士学位和哲学硕士学位，并于2012年获得不列颠哥伦比亚大学（UBC）电子与计算机工程博士学位。

第四作者：蔡玮教授

蔡玮教授2008年毕业于厦门大学软件工程系，2011年获韩国首尔大学电气工程与计算机科学硕士，2016年获加拿大不列颠哥伦比亚大学电气与计算机工程博士，并于2016年至2018年期间在该校担任博士后研究员。求学期间曾赴日本国立情报学研究所、香港理工大学、台湾中央研究院等科研院所从事访问研究工作。

蔡玮教授于2018年8月加入香港中文大学(深圳)，担任理工学院计算机工程助理教授、博士生导师，人云系统实验室主任，香港中文大学（深圳）- 纯白矩阵虚拟空间联合实验室主任。他的研究兴趣主要包括元宇宙、区块链、游戏、人机交互等，目前已在国际主流学术期刊和会议发表70余篇论文，曾荣获2019 ACM BSCI最佳学生论文奖，2018年中国区块链大会最佳论文奖，2015年度中国国家优秀自费留学生奖学金，CloudCom2014、SmartComp2014以及CloudComp2013最佳论文奖等。他是现任IEEE Transactions on Cloud Computing的编委，中国计算机协会计算艺术分会、人机交互专委会、区块链专委会执委。

通讯作者：黄建伟教授

黄建伟教授现任香港中文大学（深圳）校长讲座教授，理工学院副院长，兼任深圳市人工智能与机器人研究院副院长和群体智能研究中心主任。他是深圳市鹏城特聘教授，IEEE Fellow，IEEE通信学会杰出讲者，汤森路透计算机科学领域全球高被引科学家。

黄教授长期专注于网络通信、网络经济学和群体智能交叉领域的开创性研究，其特色是通过融入经济学理论给出网络中资源分配和优化的解决方案。他已发表7部学术专著和300余篇国际一流期刊和会议论文，被谷歌学术引用超过14890 次，H-index为 61，9篇论文入选ESI高引论文，1篇文章入选ESI热点论文。他的论文10次获得国际会议和期刊的最佳论文奖，连续于2016、2017年入围科睿唯安（原汤森路透）全球高被引科学家榜（即发表的ESI高引论文数在计算机领域排名全球前1%），2021年入选斯坦福大学评选的“世界前2%顶尖科学家”，2022年入选爱思唯尔“中国高被引学者”。

黄建伟教授长期活跃于IEEE通信学会，现任IEEE Transactions on Network Science and Engineering（JCR Q1）的主编（Editor-in-Chief）。曾先后担任IEEE Open Journal of the Communications Society的副主编（Associate Editor-in-Chief），IEEE Communications Society Technology News 副主编（Associate Editor-in-Chief）。

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