BT 網(wǎng)絡(luò)中基于聲望值的信任管理模型

劉衍珩，唐伯浩，李松江，王愛民

（吉林大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

0 引 言

BitTorrent（BT）作為一種文件分發(fā)協(xié)議，解決了在傳統(tǒng)FTP、HTTP協(xié)議中占用過多服務(wù)器帶寬資源、下載者上行帶寬資源卻幾乎全部浪費(fèi)的問題，使同一資源的下載者之間可以進(jìn)行文件共享，極大地緩解了服務(wù)器的壓力。BT 網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都扮演兩個(gè)角色：服務(wù)端、客戶端［1］。BT 下載與傳統(tǒng)的Client－Server結(jié)構(gòu)相比，具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：自擴(kuò)展性、可靠性、公平性以及成本低、效率高的特性［2］。隨著BT 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，越來越多的人在使用BT 網(wǎng)絡(luò)下載資源時(shí)限制上傳帶寬，不愿上傳資源，這種行為就叫做free－riding行為。該行為占用其他節(jié)點(diǎn)的上傳帶寬，自己不提供或提供極少的上傳帶寬［3］。同時(shí)，還有各種有害節(jié)點(diǎn)利用BT 協(xié)議的這一缺陷，對(duì)BT 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊［4－5］。激勵(lì)機(jī)制作為BT 網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，可以在一定程度上鼓勵(lì)用戶上傳資源。但研究證明［6－8］，基本的BT 協(xié)議不足以抵制freeriding行為。實(shí)現(xiàn)激勵(lì)機(jī)制還可以采用信任管理的方式，激勵(lì)機(jī)制下表現(xiàn)越好的節(jié)點(diǎn)擁有越高的信任度。在一定時(shí)間內(nèi)，對(duì)節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行資源上傳越多的節(jié)點(diǎn)，i就越信任該節(jié)點(diǎn)。該信任僅僅表達(dá)了節(jié)點(diǎn)i對(duì)其的看法，不能正確體現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)在BT網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)情況，文獻(xiàn)［9］提出局部信任值和全局信任值的概念。

針對(duì)free－riding行為，Ge等［10］提出通過給予每個(gè)新加入的節(jié)點(diǎn)足夠的啟動(dòng)時(shí)間，關(guān)閉optimistic unchoke機(jī)制。缺點(diǎn)是當(dāng)非新節(jié)點(diǎn)更新鄰居列表后，由于沒有啟動(dòng)時(shí)間，與新鄰居之間發(fā)生死鎖。Manoharan［11］提出“缺點(diǎn)策略”：資源上傳節(jié)點(diǎn)期待資源接受節(jié)點(diǎn)以一定的速率回饋資源，如果接受者沒有回饋?zhàn)銐虻馁Y源，上傳節(jié)點(diǎn)將永遠(yuǎn)拒絕向其發(fā)送數(shù)據(jù)，這就存在如果某一節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況，即使之后網(wǎng)絡(luò)通暢，仍不能從已經(jīng)將其屏蔽了的節(jié)點(diǎn)處獲得資源的問題。陳綿書等［12］提出了改進(jìn)的基于推薦證據(jù)的P2P網(wǎng)絡(luò)信任模型，基于概率Gossip算法的證據(jù)搜索策略可以以較小的搜索成本獲得推薦證據(jù)。Bhakuni等［13］提出一種快速檢測(cè)具有free－riding行為節(jié)點(diǎn)的方法：如果節(jié)點(diǎn)在下載一定數(shù)據(jù)量α之后仍沒有任何數(shù)據(jù)上傳，則被認(rèn)為是有害節(jié)點(diǎn)，不足之處在于如果該節(jié)點(diǎn)以極小速率上傳資源，則不會(huì)被識(shí)別，且不足以鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)分享資源。

本文采用經(jīng)過迭代計(jì)算的聲望值來表示某節(jié)點(diǎn)的全局信任值，對(duì)節(jié)點(diǎn)行為進(jìn)行評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上傳資源。

1 模型構(gòu)建

如果將BT 網(wǎng)絡(luò)中的資源傳輸行為看作是一種交易，那么現(xiàn)有的信任管理機(jī)制多是根據(jù)節(jié)點(diǎn)歷史交易行為對(duì)節(jié)點(diǎn)信任值進(jìn)行評(píng)估的，而對(duì)交易行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算則成為信任機(jī)制中獲得節(jié)點(diǎn)信任值的主要方式。這些模型普遍過度依賴節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)的真實(shí)性。但是存在這樣一種不誠(chéng)實(shí)的有害節(jié)點(diǎn)i，它像正常節(jié)點(diǎn)一樣，為所有節(jié)點(diǎn)提供上傳服務(wù)，但是在從特定free－riding節(jié)點(diǎn)處獲得極少的資源后，對(duì)其給出過高的、不真實(shí)的信任評(píng)價(jià)，使得這些free－riding節(jié)點(diǎn)的信任值虛高，不易被其他節(jié)點(diǎn)識(shí)別出來，影響B(tài)T 網(wǎng)絡(luò)的效率和穩(wěn)定性。所以，關(guān)注節(jié)點(diǎn)與哪些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了交易行為以及這些節(jié)點(diǎn)的信任值有多高是十分必要的。例如，一個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常從信任值較低的節(jié)點(diǎn)處下載資源，并給出較高的評(píng)價(jià)，有理由相信該節(jié)點(diǎn)很有可能是不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)。該方法可以暴露那些隱藏著的、不誠(chéng)實(shí)的有害節(jié)點(diǎn)，如果不想使這些隱藏節(jié)點(diǎn)暴露，free－riding節(jié)點(diǎn)必須做出有效上傳，保證擁有一個(gè)可靠的信任值。

該方法的重要意義在于將free－riding節(jié)點(diǎn)和不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)在一起，如果其中一部分沒有正常進(jìn)行資源上傳或提供真實(shí)評(píng)價(jià)，則會(huì)使其他非正常節(jié)點(diǎn)暴露，從而達(dá)到將其與正常節(jié)點(diǎn)區(qū)分開的目的。

此外，即使節(jié)點(diǎn)做出同樣的資源上傳，獲得的信任評(píng)價(jià)也不應(yīng)完全相同。當(dāng)為一個(gè)聲望值較高的節(jié)點(diǎn)做出同樣流量的資源上傳時(shí)，與為其他節(jié)點(diǎn)上傳相比，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)的這次上傳更有利于BT 網(wǎng)絡(luò)資源的分享，這是現(xiàn)有其他模型對(duì)交易量進(jìn)行計(jì)算時(shí)所忽略的地方。

在BT 網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一定數(shù)量的交易后，可以用帶權(quán)有向圖G ＝（V，E，W）來表示節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系。其中，V 表示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)；E＝｛（i，j）｜對(duì)于V 中的任意兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)i和j，i和j有過交易行為｝，表示節(jié)點(diǎn)間存在信任關(guān)系；W ＝｛w｜w ＝Rij｝，表示節(jié)點(diǎn)i對(duì)j的信任值。顯然，Rij的計(jì)算直接影響該模型的質(zhì)量。

每當(dāng)節(jié)點(diǎn)i從節(jié)點(diǎn)j下載一個(gè)piece，則認(rèn)為i和j產(chǎn)生了一次交易行為。如果i的下載是成功的并且獲得了需要的piece，那么這次交易就是成功的，否則就是失敗的。如果把所有成功和失敗的交易次數(shù)分別加在一起，記作s（i，j）和f（i，j），可以得到i對(duì)j 的直接信任值d（i，j）＝s（i，j）－f（i，j）。通過統(tǒng)計(jì)直接信任值可以得出節(jié)點(diǎn)j 對(duì)于節(jié)點(diǎn)i的信任值比重b（i，j）：

令Rij＝b（i，j）或Rij＝d（i，j），該方法可以對(duì)部分free－riding節(jié)點(diǎn)起到屏蔽作用，但僅體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j的“個(gè)人”看法，不能體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)j在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵程度（本文認(rèn)為能夠提高整個(gè)BT 網(wǎng)絡(luò)下載速率的節(jié)點(diǎn)為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)），對(duì)不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的欺騙行為很難做到較好的屏蔽。

如圖1所示，設(shè)節(jié)點(diǎn)1、2、3、4、7為正常節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)6為隱藏的不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)，即與正常節(jié)點(diǎn)一樣下載和上傳資源，節(jié)點(diǎn)5、8、9為free－riding節(jié)點(diǎn)，在這里只為節(jié)點(diǎn)6 上傳少量資源換取虛高的評(píng)價(jià)，不為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。節(jié)點(diǎn)5、8、9 可以通過optimistic unchoke機(jī)制從正常節(jié)點(diǎn)處獲得資源，然后發(fā)送給節(jié)點(diǎn)6，再從節(jié)點(diǎn)6那里獲得虛假的信任評(píng)價(jià)，繼續(xù)從正常節(jié)點(diǎn)處下載資源。這顯然不利于BT 網(wǎng)絡(luò)的公平性，不能保證資源以最快速度在網(wǎng)絡(luò)中傳播。

圖1 有害節(jié)點(diǎn)與正常節(jié)點(diǎn)Fig.1 Malicious peers and honest peers

節(jié)點(diǎn)的交易行為并不局限于為其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行資源上傳以得到相應(yīng)的信任值，同時(shí)還下載其所需的資源并對(duì)其他節(jié)點(diǎn)做出信任評(píng)價(jià)。所以，在關(guān)注節(jié)點(diǎn)資源上傳的同時(shí)，也需要關(guān)注該節(jié)點(diǎn)從哪些節(jié)點(diǎn)處獲得資源下載，這關(guān)系到該節(jié)點(diǎn)給出的評(píng)價(jià)是否可信。為了防止出現(xiàn)圖1 中freeriding節(jié)點(diǎn)與不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送極少的資源來實(shí)現(xiàn)合伙欺騙的情況，本文將信任值比重b（i，j）加入到信任管理模型當(dāng)中。

模型采用Ts（i）和Tf（i）分別代表節(jié)點(diǎn)i的“上傳信任值”以及“評(píng)價(jià)信任值”。對(duì)Ts（i）和Tf（i）遞歸定義如下：

由定義可以看出，當(dāng)j的評(píng)價(jià)信任值Tf（j）越高且j從i下載的資源占其總下載量的比例b（j，i）越高時(shí)，Ts（i）的值越高，從而說明i提供相同的資源時(shí)，評(píng)價(jià)可信度高的節(jié)點(diǎn)可以更多地影響Ts（i）；當(dāng)j的上傳信任值Ts（j）越高且i從j下載的資源占其總下載量的比例b（i，j）越高時(shí)，Tf（i）就越高，從而說明節(jié)點(diǎn)i與重要節(jié)點(diǎn)的交易行為更為密切，其評(píng)價(jià)可信度更高。Ts（j）和Tf（j）的值隨著時(shí)間在不斷地變化，逐步趨于穩(wěn)定。

為了模型穩(wěn)定，本文在Ts（i）和Tf（i）每次迭代運(yùn)算之前對(duì)Ts（i）和Tf（i）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，保證其收斂性，必要的初始化操作使剛加入網(wǎng)絡(luò)的新節(jié)點(diǎn)能夠更公平地與其他節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)資源。算法偽代碼如下所示：

1.for i from 1to n do

2.initialize（Tf（i））

3.initialize（Ts（i））

4.initialize（Rij）

5.end for

6.while（BT running correctly）do

7.for i from 1to n do

8.for j from 1to n do

9.Ts（i）＝b（j，i）＊Tf（j）

10.end for

11.end for

12.normalize（Ts（i））

13.for i from 1to n do

14.for j from 1to n do

15.Tf（i）＝b（i，j）＊Ts（j）

16.end for

17.end for

18.normalize（Tf（i））

19.Rij＝α＊b（i，j）＋（1－α）＊Ts（i）

20.end while

在屏蔽free－riding節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，還必須鼓勵(lì)正常節(jié)點(diǎn)更多地上傳自己擁有的資源，利用Rij＝αb（i，j）＋（1－α）Ts（i）的值作為在tit－for－tat中對(duì)節(jié)點(diǎn)排序的依據(jù)（這里，節(jié)點(diǎn)i為資源請(qǐng)求者），替代原算法中使用類似b（i，j）等簡(jiǎn)單依據(jù)，其中α為屬于（0，1）的常量。在現(xiàn)有模型中，如果僅使用類似b（i，j）的值作為排序依據(jù)，則沒有考慮到節(jié)點(diǎn)i 對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)中的貢獻(xiàn)度。本文加入Ts（i）變量，將節(jié)點(diǎn)i對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)值納入考慮范圍，同時(shí)兼顧了節(jié)點(diǎn)i對(duì)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的“個(gè)人”看法。如果節(jié)點(diǎn)的“上傳信任值”或“評(píng)價(jià)信任值”有一個(gè)過低，則該節(jié)點(diǎn)為free－riding節(jié)點(diǎn)或不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的可能性大大增加，所以應(yīng)在執(zhí)行optimistic unchoke機(jī)制時(shí)，將這些節(jié)點(diǎn)排除在外，使其沒有繼續(xù)獲得資源、占用帶寬的資格。

該模型能夠有效使有害節(jié)點(diǎn)和正常節(jié)點(diǎn)分離，逐步形成分級(jí)。由于分級(jí)邊界的模糊性，使那些因與上傳信任值較低的節(jié)點(diǎn)有過交易而被誤認(rèn)為是不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，或因從不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)處獲得較高評(píng)價(jià)而被誤認(rèn)為是free－riding節(jié)點(diǎn)的正常節(jié)點(diǎn)在離開這些有害節(jié)點(diǎn)后，可以繼續(xù)獲得下載資源的機(jī)會(huì)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

針對(duì)上述提出的模型，本文基于PeerSim 模擬器對(duì)該模型進(jìn)行仿真模擬。仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置Table 1 Default value of parameters in simulation

在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置有500 個(gè)初始節(jié)點(diǎn)，對(duì)一個(gè)500 MB文件進(jìn)行分享，模擬現(xiàn)實(shí)中2 個(gè)小時(shí)的下載，在分別擁有20%、40%以及60%的freeriding節(jié)點(diǎn)情況下，對(duì)是否使用該模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 完成資源下載的節(jié)點(diǎn)數(shù)量Fig.2 Number of nodes which finish downloading

從圖2中不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于free－riding節(jié)點(diǎn)比例越低的情況，使用該模型對(duì)下載速率的提高越大。因?yàn)樵撃Ｐ湍軌驅(qū)⒂泻?jié)點(diǎn)與正常節(jié)點(diǎn)隔離，當(dāng)free－riding節(jié)點(diǎn)比例過高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中可上傳帶寬減小，即使將正常節(jié)點(diǎn)與有害節(jié)點(diǎn)隔離，由于正常節(jié)點(diǎn)數(shù)量過少，有害節(jié)點(diǎn)不斷占用與正常節(jié)點(diǎn)的連接，導(dǎo)致文件分享效率提高不大。3 種情況下平均用時(shí)分別減少17%、15%和2%。

如圖3所示，使用本模型后，free－riding節(jié)點(diǎn)的下載完成比例明顯降低，其中在擁有20%freeriding節(jié)點(diǎn)的情況下，有害節(jié)點(diǎn)的屏蔽效果不明顯是由于正常節(jié)點(diǎn)下載完成后將空閑的上傳帶寬分配給了free－riding節(jié)點(diǎn)。而圖2中使用本模型處理擁有20%free－riding節(jié)點(diǎn)的情況下，在5500 s左右時(shí)正常節(jié)點(diǎn)基本全部完成下載，有足夠的剩余帶寬為free－riding節(jié)點(diǎn)提供資源，使圖3中free－riding節(jié)點(diǎn)的完成比例上升。實(shí)驗(yàn)證明，該模型能夠有效防止在正常節(jié)點(diǎn)沒有完成下載時(shí)free－riding節(jié)點(diǎn)占用正常節(jié)點(diǎn)的下載帶寬，提高文件分享速率。

圖3 Free－riding節(jié)點(diǎn)下載完成比例Fig.3 Completion rate of free－riding nodes

如圖4所示，在擁有20%free－riding節(jié)點(diǎn)的情況下，當(dāng)不存在不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)時(shí)，僅擁有上傳信任值的模型可以大幅提高文件分享的速率；當(dāng)存在不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)時(shí)，僅擁有上傳信任值的模型對(duì)文件分享速率的提高十分有限，但本文提出的模型受不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)的影響較小，可以屏蔽掉不誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)BT 網(wǎng)絡(luò)的影響。

圖4 與僅有上傳信任值模型對(duì)比Fig.4 Compared with upload trust model

經(jīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析可知，該模型對(duì)女巫攻擊、勾結(jié)攻擊以及部分欺騙攻擊同樣具有一定的屏蔽效果。在保證500個(gè)正常節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，分別加入上述3 種有害節(jié)點(diǎn)，使用該模型后，分別可以減少7%、12%以及5%的性能降低。

3 結(jié)束語

本文提出的模型能夠在一定范圍內(nèi)有效提高BT 網(wǎng)絡(luò)中的文件分享速度，減少節(jié)點(diǎn)的平均下載時(shí)間。在鼓勵(lì)用戶主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)的同時(shí)，有效屏蔽free－riding行為在內(nèi)的多種針對(duì)BT 網(wǎng)絡(luò)的攻擊，提升BT 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。但當(dāng)有害節(jié)點(diǎn)數(shù)量明顯多于正常節(jié)點(diǎn)時(shí)，該模型雖然對(duì)BT 網(wǎng)絡(luò)性能提升不大，但對(duì)有害節(jié)點(diǎn)仍具有一定的屏蔽效果。

下一步研究工作將以本文成果為基礎(chǔ)，提升有害節(jié)點(diǎn)多于正常節(jié)點(diǎn)情況下的系統(tǒng)性能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)包括Lying－piece攻擊、Chatty－peer攻擊以及內(nèi)容污染攻擊在內(nèi)的多種現(xiàn)有針對(duì)BT 網(wǎng)絡(luò)的攻擊進(jìn)行屏蔽，進(jìn)一步提高BT 網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可用性，為用戶提供一個(gè)更好、更公平的資源分享平臺(tái)。

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