開放環(huán)境下一種基于兩層的高效信任管理模型

李運(yùn)娣，于海鵬

(河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著大規(guī)模分布式系統(tǒng)如網(wǎng)格系統(tǒng)、P2P系統(tǒng)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)等研究的深入與廣泛應(yīng)用，其安全問題成為了一個越來越突出的矛盾.分布式系統(tǒng)的用戶數(shù)量龐大且用戶可以隨意加入和離開系統(tǒng)，這種動態(tài)性導(dǎo)致了其安全管理的復(fù)雜性.目前,許多網(wǎng)上購物平臺如淘寶、eBay和Amazon等運(yùn)用的都是集中式信任管理方式，這種方式運(yùn)用一個中央服務(wù)器來保存用戶的信任評價，信任管理簡單但容易出現(xiàn)單點(diǎn)失效和系統(tǒng)性能瓶頸的問題.針對分布式系統(tǒng)的動態(tài)性、匿名性和可擴(kuò)展性等特性，許多純分散的信任管理模型[1-3]相繼被提出.在這些信任管理模型中，不存在中央服務(wù)器作為集中的信任管理服務(wù)器,系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)都保存有一個本地交易數(shù)據(jù)庫，通過運(yùn)用自己的本地信息和與其他節(jié)點(diǎn)的交互信息來綜合實(shí)現(xiàn)對資源節(jié)點(diǎn)的信任評價，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信任管理.因此，這種分散的信任管理方式比傳統(tǒng)的集中信任管理方式復(fù)雜得多，開銷也比較大，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差.所以，針對集中式與分散式兩種信任管理方式的特點(diǎn)，提出了一種基于雙層的信任管理模型.在該模型中，系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)組成一個個子網(wǎng)，子網(wǎng)按照集中式的方式組建，服務(wù)器動態(tài)選定，由自身能力強(qiáng)、可信程度高的節(jié)點(diǎn)擔(dān)任.子網(wǎng)之間用分散的方式通過動態(tài)服務(wù)器相互聯(lián)系，系統(tǒng)的信任管理主要由子網(wǎng)內(nèi)與子網(wǎng)間的信任管理兩部分組成，充分結(jié)合了集中式與分散式兩種信任管理方法的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的性能.

1 開放環(huán)境下基于兩層的高效信任模型

該模型的信任關(guān)系主要包括子網(wǎng)內(nèi)的信任關(guān)系和子網(wǎng)間的信任關(guān)系.子網(wǎng)內(nèi)的信任主要是動態(tài)服務(wù)器與其管理的節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系，動態(tài)服務(wù)器管理子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)并代表子網(wǎng)與其他子網(wǎng)進(jìn)行通信，但同時也接受本子網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)的監(jiān)督.子網(wǎng)間的相互信任用純分散的方式進(jìn)行管理，整個子網(wǎng)作為一個整體向其他子網(wǎng)提供服務(wù)，所以子網(wǎng)中每個節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)質(zhì)量都直接影響本子網(wǎng)對外的服務(wù)信任值.

1.1 動態(tài)服務(wù)器選擇及子網(wǎng)內(nèi)部信任關(guān)系

1.1.1 動態(tài)服務(wù)器的選擇與節(jié)點(diǎn)管理

在一個子網(wǎng)中選擇綜合性能最佳的節(jié)點(diǎn)作為動態(tài)服務(wù)器，其性能包括節(jié)點(diǎn)的CPU處理能力、存儲能力、節(jié)點(diǎn)的帶寬及在線時間等.由于動態(tài)服務(wù)器代表本子網(wǎng)與其他子網(wǎng)進(jìn)行信息交換，所以其可信性程度直接關(guān)系著該子網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量.可信程度高是一個節(jié)點(diǎn)能夠成為子網(wǎng)動態(tài)服務(wù)器的首要因素，并且其可信行為一直受本子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)督.為了避免在請求過程中動態(tài)服務(wù)器由于管理的下層節(jié)點(diǎn)過多而超載，采用文獻(xiàn)[4]中的主動流控制策略來控制子網(wǎng)的規(guī)模以避免系統(tǒng)的瓶頸問題.

對于新節(jié)點(diǎn)，由于該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中還沒有交易信任，信任度未知，所以新節(jié)點(diǎn)一般先不作為動態(tài)服務(wù)器而是作為一個子網(wǎng)內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng).如果新節(jié)點(diǎn)各方面的硬件資源都比較好，節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)后可以不申請加入任何子網(wǎng)而作為動態(tài)服務(wù)器成立新的子網(wǎng)，但是由于新節(jié)點(diǎn)信任度的未知性，該節(jié)點(diǎn)開始時只有努力提供高質(zhì)量的服務(wù)來提高自身的信任度，從而吸引其他節(jié)點(diǎn)不斷加入該子網(wǎng).當(dāng)新節(jié)點(diǎn)作為普通節(jié)點(diǎn)加入時，只需要向系統(tǒng)中的子網(wǎng)服務(wù)器發(fā)出請求信息，子網(wǎng)獲取請求信息后，檢查自己的狀態(tài)，如果下層節(jié)點(diǎn)數(shù)量不至于造成系統(tǒng)的瓶頸，則允許請求節(jié)點(diǎn)加入子網(wǎng)，否則拒絕加入[5-6].

子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)與其動態(tài)服務(wù)器是互相合作與監(jiān)督的關(guān)系，子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)通過服務(wù)器發(fā)送請求信息，同時也對服務(wù)器的資源查詢進(jìn)行應(yīng)答.在整個合作過程中,子網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)對動態(tài)服務(wù)器的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行評價，當(dāng)子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為動態(tài)服務(wù)器不能提供滿意質(zhì)量的服務(wù)時，該節(jié)點(diǎn)可以選擇退出子網(wǎng)再尋求其他子網(wǎng)加入.同時,如果子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為動態(tài)服務(wù)器存在連續(xù)多次提供虛假信息的惡意行為，可以在退出該子網(wǎng)后向其他子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)其對動態(tài)服務(wù)器的評價信息.動態(tài)服務(wù)器則通過計(jì)算來監(jiān)督子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)不能很好地提供資源或存在惡意行為時，動態(tài)服務(wù)器可以將其踢出子網(wǎng)，同時也可以向其他子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)其評價信息達(dá)到孤立惡意節(jié)點(diǎn)的目的.

節(jié)點(diǎn)退出系統(tǒng)有兩種情況，一是子網(wǎng)內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的退出，二是動態(tài)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的退出，退出算法如下：

①節(jié)點(diǎn)N要求退出系統(tǒng)，首先判斷節(jié)點(diǎn)N的節(jié)點(diǎn)類別;

②如果N是子網(wǎng)內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)則轉(zhuǎn)步驟④，如果N是動態(tài)服務(wù)器則轉(zhuǎn)步驟③;

③節(jié)點(diǎn)N向其下層節(jié)點(diǎn)廣播消息通知下層節(jié)點(diǎn)自己要離開系統(tǒng)，底層節(jié)點(diǎn)收到消息后，重新根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)的綜合情況推選出新的動態(tài)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，然后向新的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)注冊自己的信息；

④節(jié)點(diǎn)N注銷離開系統(tǒng).

1.1.2 子網(wǎng)內(nèi)部的信任關(guān)系

子網(wǎng)內(nèi)的信任包括對動態(tài)服務(wù)器的信任評價和對子網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的信任評價.為了便于動態(tài)服務(wù)器間的信息查詢，每個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)都保存了一個與該節(jié)點(diǎn)有過直接交互的其他服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的信任評價表TBL1.在TBL1中計(jì)算對其他服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的直接信任評價值，根據(jù)該評價值以有序隊(duì)列存儲，隊(duì)首存放信任值最高的節(jié)點(diǎn).首先考慮對動態(tài)服務(wù)器的信任評價，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)不直接與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互，其請求信息與應(yīng)答信息都通過動態(tài)服務(wù)器代理進(jìn)行.假定一個節(jié)點(diǎn)成員nk向該子網(wǎng)的動態(tài)服務(wù)器Ni發(fā)送服務(wù)請求，則Ni首先查看子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，如果子網(wǎng)內(nèi)有滿足請求信息的節(jié)點(diǎn)，則直接應(yīng)答完成交易；否則Ni從其TBL1中取出前n(n值大小根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)某個服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的TBL1表中保存的節(jié)點(diǎn)個數(shù)不足n時，則剩余的隨機(jī)選擇動態(tài)服務(wù)器進(jìn)行請求信息轉(zhuǎn)發(fā))個動態(tài)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，收到信息請求的動態(tài)服務(wù)器首先查看本子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，如果滿足條件則應(yīng)答，如不滿足則繼續(xù)以上述方式轉(zhuǎn)發(fā)請求信息.得到反饋信息后，Ni把最可信的應(yīng)答信息返回給nk，然后nk與資源節(jié)點(diǎn)np直接進(jìn)行交互.交互結(jié)束后,nk對該次交互進(jìn)行評價：

(1)

評價結(jié)束后，nk把評價結(jié)果Tnk(t)返回給Ni，如果np與nk處于同一子網(wǎng)內(nèi)，則Tnk(t)可作為Ni評價本網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)誠信度的依據(jù).如果np與nk處于不同的子網(wǎng)，則Ni將Tnk(t)返回給np所處子網(wǎng)的動態(tài)服務(wù)器.nk對Ni作為代理服務(wù)器查找資源能力的總體評價為

(2)

其中，2-γ(Tc-Tl)是衰減控制因子;γ是大于0的常數(shù)，主要反映衰減快慢，其值越大，時間衰減越快;Tl表示上次交易的時間;Tc表示當(dāng)前時間;St-1和Ft-1分別為t時間前nk通過Ni交易成功和失敗的次數(shù).

其次,考慮動態(tài)服務(wù)器對本子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信任評價，反過來假定nk作為資源節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，即Ni作為資源服務(wù)器對外網(wǎng)的請求進(jìn)行了響應(yīng).交互結(jié)束后,Ni根據(jù)外網(wǎng)返回的交互結(jié)果，對nk進(jìn)行誠信度評價：

(3)

子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過Pt值監(jiān)視動態(tài)服務(wù)器，當(dāng)Pt值過低時就認(rèn)為動態(tài)服務(wù)器不能夠勝任代理的工作，子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以選擇退出子網(wǎng)；反過來動態(tài)服務(wù)器通過Qt值來監(jiān)督網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)，隨時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)不夠誠實(shí)或惡意的子網(wǎng)成員.通過子網(wǎng)成員與動態(tài)服務(wù)器間的互相監(jiān)督，促使動態(tài)服務(wù)器和子網(wǎng)成員為了共同利益而盡量提供真實(shí)的信息服務(wù).

1.2 子網(wǎng)間的信任關(guān)系

系統(tǒng)中子網(wǎng)作為一個整體與其他子網(wǎng)進(jìn)行信息交互，子網(wǎng)成員的請求與應(yīng)答信息都由動態(tài)服務(wù)器代理進(jìn)行，子網(wǎng)間相互的信任評價直接轉(zhuǎn)換為動態(tài)服務(wù)器間的信任評價.假定動態(tài)服務(wù)器Ni為請求節(jié)點(diǎn)，而Nj為資源提供節(jié)點(diǎn)，則Ni對Nj的直接信任度評價為

(4)

其中,S,F分別為Nj所代表子網(wǎng)給Ni所代表子網(wǎng)提供服務(wù)成功的次數(shù)和失敗的次數(shù).當(dāng)Ni向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送請求信息時，可能會有多個動態(tài)服務(wù)器Nj(j=1,2,…,n)對此請求進(jìn)行響應(yīng)，Ni根據(jù)Nj的綜合信任度選擇最可信的子網(wǎng)進(jìn)行信息交互.假定RNi(Nj)表示Ni對Nj的間接信任度，該信任度通過Ni對其他與Nj有過交易的子網(wǎng)提供的對Nj的信任評價迭代計(jì)算得到.則Ni對Nj的綜合信任度評價為

Tr(Ni,Nj)=α×Dt(Ni,Nj)+(1-α)RNi(Nj),

(5)

其中,α∈(0,1)為調(diào)節(jié)參數(shù)，主要反映了Ni是傾向于自己的判斷還是更依賴于網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的共享信息.例如,當(dāng)請求節(jié)點(diǎn)Ni與資源節(jié)點(diǎn)Nj交互次數(shù)較多、對自己的直接信任度比較肯定時，α可取大值，否則取小值.

2 結(jié)束語

提出了一種基于兩層的信任評估模型，該模型結(jié)合了純分散式信任管理與集中式信任管理的優(yōu)點(diǎn)，既能保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，也避免了單點(diǎn)失效和系統(tǒng)性能的瓶頸問題.首先在子網(wǎng)內(nèi)運(yùn)用集中式信任管理方式，由動態(tài)服務(wù)器集中管理子網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)信任問題，實(shí)現(xiàn)快速識別惡意成員節(jié)點(diǎn)的目的.同時，子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)與動態(tài)服務(wù)器之間進(jìn)行相互的信任監(jiān)督，動態(tài)服務(wù)器能隨時將發(fā)現(xiàn)的惡意成員節(jié)點(diǎn)驅(qū)逐出子網(wǎng)，成員節(jié)點(diǎn)對動態(tài)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行跟蹤監(jiān)督，可以隔離和孤立惡意的動態(tài)服務(wù)器，從而促使動態(tài)服務(wù)器和子網(wǎng)成員為了共同利益而盡量提供真實(shí)的信息服務(wù).其次，子網(wǎng)之間運(yùn)用純分散方式進(jìn)行信任管理，把整個子網(wǎng)通過動態(tài)服務(wù)器抽象為分布式系統(tǒng)的一個節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用通常的分布式信任管理方式來評價子網(wǎng)間的信息交換，從而避免了因系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)過多而造成的系統(tǒng)性能過低的問題，提高了系統(tǒng)的管理效率.

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