移動對等網(wǎng)合作激勵機制研究

霍 英，劉 蕙，陸國軍

（1.韶關(guān)學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005；2.密蘇里州立大學(xué) 計算機科學(xué)系，美國 密蘇里 斯普林菲爾德65897；3.聯(lián)邦大學(xué) 工程與信息技術(shù)學(xué)院，澳大利亞 維多利亞 吉普斯蘭3841）

移動對等網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于文件共享、即時通信、流媒體傳輸?shù)阮I(lǐng)域.隨著網(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，移動應(yīng)用越來越廣.第40次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》顯示，截至2017年6月，中國網(wǎng)民規(guī)模達7.51億，其中手機網(wǎng)民規(guī)模達7.24億，手機上網(wǎng)的網(wǎng)民比例為96.3%，手機作為第一大上網(wǎng)終端設(shè)備的地位更加鞏固，移動終端的使用率快速增長［1］.相對于傳統(tǒng)對等網(wǎng)絡(luò)而言，移動對等網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、高度動態(tài)、異構(gòu)、低關(guān)聯(lián)度、拓撲動態(tài)多變、鏈接速率不穩(wěn)定和易失效性、網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點資源受限、環(huán)境復(fù)雜、終端操作系統(tǒng)不統(tǒng)一等特點.

對等網(wǎng)絡(luò)的成功很大程度上取決于用戶之間的共享與協(xié)作，但在對等網(wǎng)絡(luò)中大量同時存在的自私節(jié)點卻嚴重影響了網(wǎng)絡(luò)的性能，例如在Gnutella網(wǎng)絡(luò)中就存在70%的節(jié)點不共享任何資源，90%的節(jié)點不響應(yīng)其他節(jié)點發(fā)送的請求，而網(wǎng)絡(luò)中25%的節(jié)點卻承擔(dān)了整個P2P系統(tǒng)99%的負載.設(shè)計良好可行的激勵機制，激勵所有成員共同參與、相互合作是對等網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)注的核心內(nèi)容之一［2-6］.尤其移動對等網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點多為手機、PDA、小型PC等移動設(shè)備，這些設(shè)備本身的資源（如存儲空間、計算處理能力及電池功率）與PC相比存在很大差距，其自身的資源限制使它不能長期擔(dān)當(dāng)服務(wù)器角色，并且還必須考慮貢獻資源、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中還有信令本身消耗的電池能量，節(jié)點資源的局限性進一步助長了自私行為.這種自私行為一方面打擊了貢獻資源節(jié)點的積極性，另一方面也使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點越來越不愿意貢獻自己所擁有的資源，從而造成網(wǎng)絡(luò)中可使用的有效資源越來越少，這樣網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作交互行為將日益減少，而這將進一步限制移動對等網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用.這些都對移動對等網(wǎng)中節(jié)點的合作激勵機制提出了更高的要求.如何合理高效地使用移動節(jié)點提供的網(wǎng)絡(luò)資源、約束這些不合作行為，促進移動節(jié)點有效、自覺地進行合作，減少網(wǎng)絡(luò)延時、節(jié)省帶寬消耗、防止網(wǎng)絡(luò)擁塞，對高度動態(tài)、異構(gòu)、低關(guān)聯(lián)度的移動對等網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要.

1 主要合作激勵機制

目前已有很多研究人員分別針對傳統(tǒng)對等網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)等分布式系統(tǒng)中的合作激勵機制開展了專門的研究，并取得了一系列成績［7-10］.在激勵機制方面的研究主要集中在4個方面：基于貨幣的激勵機制、基于互惠的激勵機制、基于聲譽的激勵機制和基于博弈論的激勵機制［11］.

1.1 基于貨幣的激勵機制

基于貨幣的激勵機制中，用戶必須支付相應(yīng)虛擬貨幣才能從系統(tǒng)中享受到服務(wù)，如果節(jié)點提供服務(wù)，則可以通過中央服務(wù)器收取相應(yīng)的虛擬貨幣，如果節(jié)點需要享受服務(wù)，也必須支付相應(yīng)的虛擬貨幣給中央服務(wù)器，虛擬貨幣的存在促使節(jié)點要想獲取更多資源，必須有相應(yīng)的付出，使得節(jié)點有積極性去參與合作，而虛擬貨幣擁有量的多少也反映出了節(jié)點對系統(tǒng)貢獻的情況［12-13］.典型系統(tǒng)包括如ARA、PPAY和KARMA.文獻［14］提出了積分獎勵的策略，當(dāng)節(jié)點為其他用戶提供資源時，系統(tǒng)將為該節(jié)點獎勵一定的積分，當(dāng)節(jié)點需要使用其他用戶提供的資源時，則需要支付一定的積分，同時，節(jié)點擁有的積分值越高，則其享受到的資源越多，服務(wù)也越好；文獻［15］則利用百分比來模擬貨幣機制，根據(jù)節(jié)點貢獻資源的多少，系統(tǒng)對其賦予不同的百分比，百分比越高，意味著該節(jié)點在系統(tǒng)中的貢獻越多，百分比越低，意味著該節(jié)點可能是自私節(jié)點；百分比高的節(jié)點在獲得連接與選擇方面的機會也越多，從而走上富者愈富的道路；文獻［16］提出了一種動態(tài)的報酬支付機制，即節(jié)點獲得的報酬不僅與其提供的資源數(shù)量有關(guān)，還與其提供的資源價值或傳播熱度密切相關(guān).

基于貨幣的激勵機制實現(xiàn)相對簡單且公平性強，但應(yīng)用于移動對等網(wǎng)絡(luò)時面臨許多局限性：首先，基于貨幣的機制需要一個中央服務(wù)器來開展各種認證，這會帶來服務(wù)器瓶頸問題；其次，基于貨幣的機制中，每個節(jié)點都必須有一個明確的身份標(biāo)識，且在一定時期內(nèi)保持不變，而移動節(jié)點天生的動態(tài)性與匿名性不太容易滿足這一要求；再次，對于節(jié)點提供的服務(wù)如何進行統(tǒng)一定價問題，在移動環(huán)境下由于節(jié)點的高度動態(tài)、異構(gòu)、低關(guān)聯(lián)度，使得定價機制比傳統(tǒng)的P2P網(wǎng)絡(luò)更難統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn).

1.2 基于互惠的激勵機制

基于互惠的激勵機制中，節(jié)點會將與它有過交易記錄的節(jié)點信息及貢獻情況記錄下來，并定義為一系列的數(shù)值，也即貢獻度.在之后的交易過程中，節(jié)點將根據(jù)貢獻度給予其他節(jié)點不同程度的回報.典型系統(tǒng)包括BitTorrent和eMule.互惠機制包括直接互惠和間接互惠.文獻［17］在P2P拓撲構(gòu)造過程中，提出優(yōu)先在具有互惠能力的節(jié)點之間建立拓撲連接，從而減少節(jié)點的自私行為及惡意行為對拓撲構(gòu)造的負面影響.

文獻［18］提出了一種以貨易貨交換環(huán)的方法來抑制P2P中的不合作行為.但基于互惠機制的激勵機制在移動環(huán)境下進行應(yīng)用，也存在待解決的問題：首先，如何評價其他結(jié)點的貢獻度，難以有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；其次，如何保證貢獻度的可靠性及可信性問題.畢竟貢獻度是由節(jié)點提供的，在這個過程中，是否存在節(jié)點的共謀與串通，是否存在惡意節(jié)點的攻擊，都需要進一步驗證.再次，節(jié)點的身份標(biāo)識問題，互惠機制中節(jié)點貢獻度與其身份標(biāo)識一一對應(yīng)，而移動環(huán)境下節(jié)點的動態(tài)性加劇，如何保障節(jié)點再次加入系統(tǒng)時其身份的不變性，才能使得其之前的貢獻度繼續(xù)有效；另一方面，對于惡意節(jié)點而言，還要防范如何避免其利用移動環(huán)境的動態(tài)與低關(guān)聯(lián)度來更容易的達到洗白的目的.最后，在P2P網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點在長時間內(nèi)不斷進行交易的可能性本身就小，加之在移動環(huán)境下，用戶在業(yè)務(wù)形態(tài)、應(yīng)用內(nèi)容、使用習(xí)慣、興趣偏好方面的差異性進一步增大，這使得基于互惠的激勵機制的應(yīng)用范圍進一步變小.

1.3 基于信譽的激勵機制

基于信譽的激勵機制在傳統(tǒng)P2P網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣，又分為采用局部信譽和采用全局信譽信息兩種方法，其核心是通過記錄節(jié)點的行為，綜合直接觀察結(jié)果和第三方信息形成對節(jié)點合作性的判斷，形成一個信譽值，在之后的節(jié)點交互過程中，信譽好的節(jié)點將獲得更好的服務(wù).這一類的典型應(yīng)用包括KaZaA和e-Bay等.采用局部信譽的激勵機制中，節(jié)點的信譽值分布式地存儲在其他節(jié)點的歷史記錄中，不需要集中式存儲器或控制器來保存和維護全局視圖，這類機制的擴展性較強.基于信譽的激勵機制可以使非合作節(jié)點的甄別速度大幅提高，因為在這種系統(tǒng)中，信譽值高的節(jié)點更容易吸引其他節(jié)點，逐漸形成特定的拓撲結(jié)構(gòu)或區(qū)域自治系統(tǒng)，逐漸的將信譽值低的節(jié)點排除在外，使得系統(tǒng)中的節(jié)點逐漸走上合作之路.

文獻［19］根據(jù)節(jié)點的歷史交易記錄和貢獻水平，將整個網(wǎng)絡(luò)中的用戶劃分為多個聲譽層次，以此抑制節(jié)點搭便車行為和惡意文件的傳播.文獻［20］也提出了一種利用社團構(gòu)建的思想來達到激勵節(jié)點貢獻資源的目的，其主要思想是加入某個社團的節(jié)點可以擁有特殊的權(quán)力，但節(jié)點加入社團需要一定的準(zhǔn)入機制，節(jié)點為了獲取這種特權(quán)則會主動作出貢獻，達到合作激勵的目的.

在移動環(huán)境下采用基于信譽的激勵機制有幾個問題需要解決：首先是通信開銷問題，由于這類機制中需要借助于第三方獲取共享交易記錄與信譽信息，會產(chǎn)生額外的通信開銷，移動環(huán)境的高度動態(tài)、鏈接速率不穩(wěn)定和易失效性、網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點資源受限等問題，使得這額外增加的通信開銷問題尤為明顯；其次是移動環(huán)境進一步加劇了信息的可靠性保障問題的難度，尤其如何保障移動環(huán)境下第三方信息；最后還是身份標(biāo)識問題，移動環(huán)境的高度動態(tài)性使得如何確認節(jié)點的永久、唯一身份變得更加困難，也給不合作節(jié)點更多可乘之機，尤其在匿名系統(tǒng)中，使得基于信譽的激勵機制無法有效開展.

1.4 基于博弈論的激勵機制

近年來，越來越多的研究者關(guān)注應(yīng)用博弈論來解決合作激勵問題.基于博弈論的激勵機制主要是通過設(shè)計節(jié)點的行為策略來制約節(jié)點的不合作傾向［21］.在基于博弈論的方法中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點就是參與者，節(jié)點采取的行為方式即策略，而節(jié)點得到的回報值即為效用.節(jié)點在博弈過程中，將依據(jù)自己的直接觀察結(jié)果和第三方信息來綜合判斷其它節(jié)點的合作情況，并通過比較采取不同策略為自己帶來的效用，選擇自身的行為策略.目前使用博弈論進行激勵機制研究主要包括兩大方面內(nèi)容：一方面主要研究博弈模型的建立，分析是否存在純納什均衡策略，證明如何在多項式時間內(nèi)達到純納什均衡策略；另一方面主要是進行機制設(shè)計，保證節(jié)點能夠真實地匯報信息，通過優(yōu)化最終達到一個帕累托最優(yōu).

文獻［22］采用非合作博弈理論對無線網(wǎng)絡(luò)路由中因自私節(jié)點的存在而帶來的問題進行了分析和研究.文獻［23］則采用了博弈論的VCG（Vickrey-Clarke-groves）算法來優(yōu)化對等網(wǎng)絡(luò)中的帶寬分配和計費方案，同時在服務(wù)開銷和用戶收益兩個方面達到了近似最優(yōu)和用戶激勵的目標(biāo).文獻［24］采用非合作重復(fù)博弈方法構(gòu)造了一種名為PETrust的激勵機制，該機制將節(jié)點的行為區(qū)分為誠實合作、偶爾偏離、搖擺投機及惡意行為4種方式，依據(jù)不同行為方式系統(tǒng)采取相應(yīng)的獎勵及懲罰策略，引導(dǎo)節(jié)點行為朝著有利于系統(tǒng)期望的方式采取行動.文獻［25］利用轉(zhuǎn)發(fā)困境博弈模型提出了一種應(yīng)用于無線自組網(wǎng)的激勵機制，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點在路由過程中通過混合策略中的概率轉(zhuǎn)發(fā)策略，達到整個系統(tǒng)的混合策略納什均衡.文獻［26］針對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點基于對懲罰的威懾，及節(jié)點對于未來收益的重視，采用一種重復(fù)博弈策略建立了一個無線自組網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的激勵機制，使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自愿進行協(xié)作.文獻［27］根據(jù)節(jié)點類型（善意節(jié)點和惡意節(jié)點）、節(jié)點策略（合作和不合作）以及節(jié)點信息形成不同的節(jié)點組合策略，分別采取不同的博弈策略.針對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點一般只擁有局部信息的現(xiàn)狀，文獻［28］利用了一種非完全信息非合作博弈方法來構(gòu)建移動P2P覆蓋網(wǎng)，并通過啟發(fā)式算法得到了一個相對穩(wěn)定的覆蓋網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu).

傳統(tǒng)博弈論大都是基于行為主體是理性的假設(shè)，演化博弈論與傳統(tǒng)博弈論最大的區(qū)別在于對行為主體采取的是有限理性假設(shè)，在演化博弈過程中，每一個參與人并不是“全能全知”的，采取的策略也不是在瞬間獲得最優(yōu)效用的，是被假設(shè)為程序化地采用某一既定策略，它對于某種成功策略的認識是在演化過程中不斷進行修正和改進的，從而逐漸得到一些新的修正策略來作為后續(xù)行動的準(zhǔn)則［29］.在這些修正策略下，參與人將逐漸獲得最優(yōu)效用，這更接近現(xiàn)實世界的情況.演化博弈論能夠比傳統(tǒng)的博弈論更好的分析和解決管理學(xué)問題，并對合作行為提出了一些可行的機制［30］.文獻［31］從經(jīng)濟學(xué)角度系統(tǒng)介紹了進化博弈5種不同的研究方法與框架，并對決策機制的研究趨勢進行了展望.文獻［32］提出用演化博弈理論建模移動自組網(wǎng)非協(xié)作路由問題，在證明了博弈的Nash均衡和無環(huán)的有效路徑之間一一對應(yīng)之后，提出了基于演化博弈的路由算法.文獻［33］介紹了小世界、無標(biāo)度等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上演化博弈的研究情況及結(jié)論.

2 行為經(jīng)濟學(xué)應(yīng)用在激勵機制研究的可能性

在激勵機制研究中，研究者大多假設(shè)節(jié)點是理性或有限理性的，在大多數(shù)情況下這種假設(shè)是合理的，但是對于網(wǎng)絡(luò)中存在一些非理性行為時卻不能有很好的解釋，尤其在現(xiàn)實世界這種假設(shè)通常得不到保證.現(xiàn)實社會中人本身就不是完全理性的，也很難保證人在各個決策階段都保持理性.網(wǎng)絡(luò)世界中的很多行為實際是人在現(xiàn)實社會中行為的折射，現(xiàn)實社會中人的大量非理性行為也會反映到網(wǎng)絡(luò)世界中并導(dǎo)致非理性行為.

傳統(tǒng)經(jīng)濟學(xué)假設(shè)個體成員間具有偏好一致性，即個體行為及偏好具有同質(zhì)性，同時每個個體成員都是自利的，都以追求自身效用的最大化為目標(biāo).當(dāng)每個個體成員實現(xiàn)了自身效用最大化的時候，也就達到了整個系統(tǒng)的均衡狀態(tài).但實際上，現(xiàn)實世界中每個個體在業(yè)務(wù)形態(tài)、應(yīng)用內(nèi)容、使用習(xí)慣、興趣偏好等方面均存在明顯差別，每個個體成員在競爭資源的能力方面也存在差異，很多個體成員并不能真正實現(xiàn)自身效用的最大化，也就很難達到整個系統(tǒng)的均衡狀態(tài)，即個體成員間存在很大的異質(zhì)性［34］.尤其在移動對等網(wǎng)絡(luò)中，個體成員的異質(zhì)性表現(xiàn)更為明顯.在設(shè)計節(jié)點的合作激勵時，不能忽視個體成員異質(zhì)性帶來的影響.

行為經(jīng)濟學(xué)是將行為分析學(xué)、心理學(xué)與和經(jīng)濟學(xué)有機結(jié)合起來的一個產(chǎn)物，它以現(xiàn)實為基礎(chǔ)構(gòu)造理論，直接對傳統(tǒng)經(jīng)濟學(xué)的幾個關(guān)鍵假設(shè)進行了修正，可以較好的解釋傳統(tǒng)選擇理論中一些無法解釋的現(xiàn)象［35-37］.如擺脫了傳統(tǒng)理論中關(guān)于人是理性或有限理性的假設(shè)，考察各種非理性行為及其產(chǎn)生的原因；擺脫了現(xiàn)實世界很難得到的完全信息的假設(shè)；擺脫了個體成員自利和追求效用最大化的假設(shè)，以更符合現(xiàn)實世界的情況；擺脫了偏好一致性的假設(shè)，指出了個體行為的“異質(zhì)性”本質(zhì).

移動對等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間的合作關(guān)系與現(xiàn)實社會中人與人之間的合作具有相似性，應(yīng)用行為經(jīng)濟學(xué)，充分考慮移動對等網(wǎng)中成員的異質(zhì)性及非理性行為的存在，就能進一步結(jié)合實際狀況來解釋和解決移動對等網(wǎng)絡(luò)中的合作問題，應(yīng)用行為經(jīng)濟學(xué)中的相關(guān)理論來研究移動對等網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的合作激勵機制是今后的一個研究方向.

3 結(jié)語

隨著移動應(yīng)用環(huán)境的日漸成熟，移動對等網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用日漸寬廣.目前對于移動對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點非合作行為的相關(guān)激勵機制方面的研究取得了一定的成果，但對于合作行為的本質(zhì)和真正內(nèi)在機理，還有很廣闊的研究空間.尤其在考慮到現(xiàn)實中成員異質(zhì)性及非理性行為存在的前提下，研究移動對等網(wǎng)的節(jié)點激勵機制還有很多尚待解決的問題，具有很好的研究前景.

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