一種具有激勵(lì)效用的P2P網(wǎng)絡(luò)信任模型

摘 要：在基于興趣共同體的信任模型中，為興趣共同體設(shè)置超級(jí)節(jié)點(diǎn)，主要用于共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)、節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值的簡(jiǎn)單計(jì)算和存儲(chǔ)等。對(duì)于高可信節(jié)點(diǎn)和充當(dāng)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)于信譽(yù)值過低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行懲罰。分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明，該策略能有效提高節(jié)點(diǎn)充當(dāng)高信任值節(jié)點(diǎn)的主觀能動(dòng)性和擔(dān)負(fù)超級(jí)節(jié)點(diǎn)職能的積極性，保證較高的交易成功率，促進(jìn)P2P網(wǎng)絡(luò)的良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：興趣共同體；信任模型；被服務(wù)級(jí)別；激勵(lì)

近年來，P2P技術(shù)發(fā)展迅速，在文件共享、分布式計(jì)算、信息管理、音視頻通信等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，其中文件共享和音視頻通信占據(jù)了P2P應(yīng)用的相當(dāng)大的一部分。P2P技術(shù)自身的特點(diǎn)包括匿名性、自治性、開放性等，這些特點(diǎn)使得P2P技術(shù)展現(xiàn)出前所未有的魅力，但也帶來了一些亟待解決的問題，如信任機(jī)制、激勵(lì)機(jī)制等問題。

目前對(duì)于P2P網(wǎng)絡(luò)的信任問題已有大量研究。全局信任模型[1]，根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的信任評(píng)價(jià)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信任值，此信任值是全局唯一的一個(gè)值。局部推薦信任模型[2]根據(jù)自身歷史交易信息和鄰居節(jié)點(diǎn)推薦信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任值。此外還有基于角色的信任模型等。

從另一個(gè)角度考慮，激勵(lì)機(jī)制也是P2P網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。基于微支付的機(jī)制[3]是以虛擬貨幣作為支付手段，使P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行服務(wù)或資源的交易，中央服務(wù)器作為交易雙方支付虛擬貨幣的中間媒介?；谥苯踊セ莸臋C(jī)制[4]是P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)為他人提供服務(wù)后能取得一些直接優(yōu)惠。在基于信譽(yù)的激勵(lì)機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的歷史交易情況獲得鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)它的信譽(yù)評(píng)價(jià)值。在之后的交易過程中，服務(wù)提供節(jié)點(diǎn)會(huì)依據(jù)服務(wù)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值給予對(duì)應(yīng)等級(jí)的回應(yīng)。

盡管對(duì)信任機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制已有了大量研究，但是將二者結(jié)合起來考慮的還不是很多。文中將一種激勵(lì)策略應(yīng)用在設(shè)置有超級(jí)節(jié)點(diǎn)的基于興趣共同體的信任模型中，在每個(gè)興趣共同體中選出一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，擔(dān)任共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值簡(jiǎn)單計(jì)算以及節(jié)點(diǎn)信息、節(jié)點(diǎn)被服務(wù)級(jí)別等的存儲(chǔ)任務(wù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值將其享受的服務(wù)級(jí)別進(jìn)行劃分，有效激勵(lì)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)高可信節(jié)點(diǎn)和超級(jí)節(jié)點(diǎn)的積極性。

1 具有激勵(lì)效用的信任模型

1.1 興趣共同體

在分布式P2P網(wǎng)絡(luò)中，將節(jié)點(diǎn)根據(jù)興趣的不同劃分成一些相對(duì)獨(dú)立的群體，興趣相似且鄰近的節(jié)點(diǎn)位于同一個(gè)群體中，這樣的群體稱為興趣共同體。

節(jié)點(diǎn)的興趣采用向量的形式表示：

（1）

其中，Ik表示節(jié)點(diǎn)k的興趣向量，興趣方向有“音樂”、“視頻”、“軟件”等，Iki表示節(jié)點(diǎn)k在某一興趣方向的濃度，i∈[1-n]， Iki取0或1或位于0到1之間的一位小數(shù)，如0.2表示有點(diǎn)感興趣，1表示非常感興趣。

計(jì)算兩節(jié)點(diǎn)的興趣相似度采用余弦相似度函數(shù)，如計(jì)算節(jié)點(diǎn)k和j的相似度公式如下：

（2）

“Ik·Ij”是節(jié)點(diǎn)k、j的興趣向量的內(nèi)積，分母是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)興趣向量的模的乘積。

1.2 模型思想

模型將整個(gè)分布式P2P網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)興趣劃分成若干興趣共同體，在每個(gè)興趣共同體中選出一個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)，擔(dān)任共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值簡(jiǎn)單計(jì)算以及節(jié)點(diǎn)信息、節(jié)點(diǎn)被服務(wù)級(jí)別、節(jié)點(diǎn)信譽(yù)值、鄰近超級(jí)節(jié)點(diǎn)信息等的存儲(chǔ)任務(wù)，如表1、表2所示。

表1 超級(jí)節(jié)點(diǎn)中的鄰近超級(jí)節(jié)點(diǎn)信息表

由于具有相似興趣的節(jié)點(diǎn)發(fā)生交易的可能性更大，所以某一節(jié)點(diǎn)Ni首先在其所在的共同體內(nèi)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，如果得到若干節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答，節(jié)點(diǎn)Ni利用全局信任值算法計(jì)算各應(yīng)答節(jié)點(diǎn)的信任值；如果沒有得到應(yīng)答，則根據(jù)本共同體內(nèi)存儲(chǔ)的歷史記錄，查詢鄰近興趣共同體進(jìn)行訪問，根據(jù)共同體間信任值計(jì)算算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任值；選擇信任值最高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易。

1.3 被服務(wù)級(jí)別的設(shè)定

文中以文件共享系統(tǒng)為例，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值將其享受的服務(wù)級(jí)別進(jìn)行劃分，對(duì)于節(jié)點(diǎn)享受的服務(wù)從下載文件大小和下載優(yōu)先順序兩個(gè)方面考慮，每個(gè)節(jié)點(diǎn)享受的服務(wù)被劃分為四個(gè)級(jí)別A、B、C、D。A級(jí)表示節(jié)點(diǎn)能夠下載的文件大小大于其他幾個(gè)級(jí)別，下載優(yōu)先級(jí)也最高，以此類推，D級(jí)別表示被拒絕服務(wù)。

當(dāng)被訪問節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備給予資源請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)回應(yīng)時(shí)，先查詢資源請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的被服務(wù)級(jí)別，據(jù)此作出對(duì)應(yīng)等級(jí)的回應(yīng)，有效激勵(lì)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)高可信節(jié)點(diǎn)的積極性。

1.4 模型初始化

選取物理性能較高、興趣相似度小于一定閾值的若干節(jié)點(diǎn)作為各興趣共同體的超級(jí)節(jié)點(diǎn)。給所有節(jié)點(diǎn)的興趣向量賦以隨機(jī)值，根據(jù)公式（2）計(jì)算各節(jié)點(diǎn)與超級(jí)節(jié)點(diǎn)的興趣相似度，劃分出若干興趣共同體。為了均衡各個(gè)超級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)載，根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小，為每個(gè)興趣共同體中的節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置一個(gè)最大值。

模型創(chuàng)建之初，所有節(jié)點(diǎn)之間都是陌生的，認(rèn)為陌生節(jié)點(diǎn)間是偏于信任的，設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)初值為0.6，被服務(wù)等級(jí)為B級(jí)。

2 信任值的計(jì)算

模型中節(jié)點(diǎn)信任值的計(jì)算分為兩種情況：被訪問節(jié)點(diǎn)與資源請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)處于同一個(gè)興趣共同體，此時(shí)按照共同體內(nèi)信任值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算；被訪問節(jié)點(diǎn)與資源請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)處于不同的興趣共同體中，此時(shí)按照共同體間信任值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

2.1 共同體內(nèi)信任值計(jì)算

共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)的的信任值由兩部分組成，共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)直接信任值和共同體內(nèi)推薦節(jié)點(diǎn)的間接信任值。

定義1 節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j的綜合信任值Tij由節(jié)點(diǎn)i根據(jù)公式（3）計(jì)算完成。

（3）

DTij是節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j的直接信任值。STj是與節(jié)點(diǎn)j有過直接交易的節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)j的評(píng)價(jià)。γ是調(diào)節(jié)直接信任和間接信任權(quán)重的參數(shù)，γ∈[0，1]。

定義2 共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j的直接信任值，根據(jù)自己與節(jié)點(diǎn)j的歷史交易記錄進(jìn)行評(píng)價(jià)。每次歷史交易記錄包括交易是否成功和服務(wù)質(zhì)量?jī)身?xiàng)內(nèi)容，交易成功為1，否則為0。

（4）

Succeed表示成功交易次數(shù)，Total表示交易總次數(shù)。SQk表示第k次成功交易，節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j服務(wù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)，以文件共享系統(tǒng)為例，服務(wù)質(zhì)量指文件大小、文件內(nèi)容質(zhì)量等。SQk∈[-1，1]。SQk可以取負(fù)值，使得提供虛假文件的節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值迅速降低，起到懲罰作用。λ取值0或1，1表示節(jié)點(diǎn)j是超級(jí)節(jié)點(diǎn)，0則表示不是。α表示系統(tǒng)設(shè)定的一個(gè)對(duì)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的信任增值，α∈[0，1]。信任增值的設(shè)置，可以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的積極性。

定義3 共同體內(nèi)與節(jié)點(diǎn)j有過直接交易的節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)j的推薦信任值STj，由服務(wù)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)i根據(jù)公式（5）計(jì)算完成。

（5）

M是共同體內(nèi)與節(jié)點(diǎn)j有過直接交易的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，RTtj是節(jié)點(diǎn)t對(duì)節(jié)點(diǎn)j的直接信任值，由節(jié)點(diǎn)t計(jì)算并發(fā)送給節(jié)點(diǎn)i，作為節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j信任的參考。Cwt是超級(jí)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)t的信譽(yù)值，由節(jié)點(diǎn)i向超級(jí)節(jié)點(diǎn)查詢并作為對(duì)節(jié)點(diǎn)t的信任加權(quán)。

2.2 共同體間信任值計(jì)算

如果資源請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)i與應(yīng)答節(jié)點(diǎn)k處于不同的興趣共同體，則信任值計(jì)算按照?qǐng)D1所示進(jìn)行。

圖1 興趣共同體間信任值計(jì)算過程

（1）訪問節(jié)點(diǎn)k所在共同體的超級(jí)節(jié)點(diǎn)SNk；（2）在SNk的節(jié)點(diǎn)信息表中查詢節(jié)點(diǎn)k的信譽(yù)值Cwk，根據(jù)公式（6）計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)k的信任值。（3）如果首次與節(jié)點(diǎn)k所在的共同體進(jìn)行交易，則把SNk的信息加入本地超級(jí)節(jié)點(diǎn)的鄰近超級(jí)節(jié)點(diǎn)信息表。

定義4 節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)k的共同體間信任值GTik按公式（6）進(jìn)行計(jì)算。

（6）

δ∈[0，1]，用來調(diào)節(jié)本地節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)k所在體內(nèi)節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)k的信任比重。

3 信任值的更新

節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j交易完成后，用對(duì)節(jié)點(diǎn)j的最新評(píng)價(jià)更新本地信任值Tij，并將最新評(píng)價(jià)傳遞給節(jié)點(diǎn)j所在共同體的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，用于更新超級(jí)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)j的信譽(yù)值。

定義5 節(jié)點(diǎn)i本地信任值更新。

（7）

T′ij是節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j交易完成后，對(duì)節(jié)點(diǎn)j的最新評(píng)價(jià)。χ取值1或0，分別代表本次交易成功或失敗。SQ表示本次交易的服務(wù)質(zhì)量。其他變量含義同公式（4）。

定義6 超級(jí)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)的共同體內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值由超級(jí)節(jié)點(diǎn)根據(jù)公式（8）計(jì)算完成。

（8）

Cw′j是節(jié)點(diǎn)j的最新信譽(yù)值，Cwj是節(jié)點(diǎn)j的當(dāng)前信譽(yù)值。β∈[0，1]是權(quán)重因子，用于權(quán)衡當(dāng)前信譽(yù)值和最新反饋信任值之間的比重。

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

文章使用“P2PSimulator”仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在此平臺(tái)中，構(gòu)建了一個(gè)P2P文件共享系統(tǒng)，共設(shè)置100個(gè)節(jié)點(diǎn)，惡意節(jié)點(diǎn)比例20%，正常節(jié)點(diǎn)比例80%。每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供10個(gè)共享文件。高可信閾值為0.8。

每次仿真都由500個(gè)仿真周期組成，在所有周期中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)起文件查詢并對(duì)文件查詢做出響應(yīng)。查詢方法采用flooding算法，發(fā)起查詢的節(jié)點(diǎn)首先設(shè)置初始TTL值，用于表示該查詢消息的存活跳數(shù)，每向前推進(jìn)一次，TTL值減1，直到TTL值為0。如果得到響應(yīng)，則查詢節(jié)點(diǎn)根據(jù)文中下載策略選擇合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行下載。

文章模擬了文中模型和傳統(tǒng)基于推薦的信任模型，對(duì)平均交易成功率和高信任值節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化情況進(jìn)行了分析比對(duì)，結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2可知，文章模型中的交易成功率高于傳統(tǒng)推薦信任模型的交易成功率，因?yàn)槲恼履Ｐ椭幸氲募?lì)機(jī)制使得節(jié)點(diǎn)更愿意貢獻(xiàn)資源，資源數(shù)量增多，而且激勵(lì)節(jié)點(diǎn)保持高信譽(yù)度，從而使得整體平均交易成功率升高。

圖3 高可信節(jié)點(diǎn)比例

高可信節(jié)點(diǎn)比例是指信譽(yù)值高于0.8的節(jié)點(diǎn)數(shù)量在總節(jié)點(diǎn)數(shù)中所占的比例。從圖3可以看出文章信任模型中的高可信節(jié)點(diǎn)隨著仿真周期的增加，其比列在不斷提高。雖然在仿真初期提升波動(dòng)較大，但是仿真后期，其值保持一定的平穩(wěn)趨勢(shì)?？傮w來看，文章模型中高可信節(jié)點(diǎn)的比例一直高于傳統(tǒng)的基于推薦的信任模型。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章將激勵(lì)機(jī)制與信任機(jī)制有效結(jié)合，在興趣共同體中設(shè)置超級(jí)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)值將其享受的服務(wù)級(jí)別進(jìn)行劃分。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型可以有效激勵(lì)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)高可信節(jié)點(diǎn)的積極性，促進(jìn)P2P網(wǎng)絡(luò)的良性發(fā)展。對(duì)于超級(jí)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)退出網(wǎng)絡(luò)造成的單點(diǎn)失效問題還有待于進(jìn)一步解決。

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作者簡(jiǎn)介：劉海芹（1979-），女（漢族），山東省聊城大學(xué)東昌學(xué)院，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全、計(jì)算機(jī)軟件與應(yīng)用。