機會網(wǎng)絡中自私節(jié)點的激勵機制研究

肖 楠，宋科寧，鄧 敏，熊曾剛，徐 瓊，徐 方

(1.湖北工程學院 計算機與信息科學學院，湖北 孝感 432000;2.中國人民解放軍95829部隊戰(zhàn)勤保障隊，湖北 孝感 432000;3.湖北大學 計算機與信息工程學院，湖北 武漢 430062)

在移動智能設備普及的時代，無線通信技術發(fā)展迅速，許多無線自組織網(wǎng)絡也相繼出現(xiàn)，如Ad Hoc網(wǎng)絡(Mobile Ad-hoc NETworks，MANET)、無線傳感器網(wǎng)絡等。而處于無線自組織網(wǎng)絡中的設備在通信之前都需要提前建立一條完整的端到端鏈路，然而由于節(jié)點的頻繁移動、分布不均勻等因素的影響，通信雙方的連接經(jīng)常會中斷，最終導致設備間無法正常通信。在這種情況下，機會網(wǎng)絡(Opportunistic Networks)[1-3]提供了一種新的訪問方式，讓設備可以在沒有通信鏈路的情況下完成通信。

機會網(wǎng)絡[1-3]是一種新的自組織網(wǎng)絡，它主要依靠節(jié)點間的移動和相遇完成消息的轉發(fā)過程，并且利用了“存儲-攜帶-轉發(fā)”的通信方法將消息從源節(jié)點傳遞到目的節(jié)點，從而實現(xiàn)節(jié)點間消息的傳輸。

但是機會網(wǎng)絡沒有固定的拓撲結構，節(jié)點間的通信范圍有限，數(shù)據(jù)傳輸過程中很難實現(xiàn)直接傳輸，因此機會網(wǎng)絡利用節(jié)點間的相遇選擇中繼節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，從而具有傳輸延遲、傳輸成功率較低等問題。而以往的研究重點集中在路由算法上，沒有深入研究過節(jié)點的行為，并且現(xiàn)有的算法也都是基于節(jié)點間的完全合作，沒有考慮過節(jié)點是否自私。如果節(jié)點是自私的，就會直接影響到消息的成功轉發(fā)，并且網(wǎng)絡很難對節(jié)點行為實行監(jiān)督和管理。此外，在現(xiàn)實生活中一個人就是一個節(jié)點，這就給節(jié)點賦予了社會屬性，因此節(jié)點很容易產(chǎn)生自私行為，從而影響網(wǎng)絡的性能，也給機會網(wǎng)絡帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，如何激勵機會網(wǎng)絡中的自私節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉發(fā)成為目前研究的熱點。

1 自私節(jié)點概述

機會網(wǎng)絡主要以“存儲-攜帶-轉發(fā)”的轉發(fā)方式實現(xiàn)節(jié)點間的通信，而由于沒有完整的通信鏈路，所以節(jié)點能夠自己決定是否進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。但又因為資源有限，節(jié)點不愿意轉發(fā)消息，因此很容易產(chǎn)生自私行為[4-9]。

1.1 節(jié)點自私的原因

在機會網(wǎng)絡中節(jié)點產(chǎn)生自私行為的原因主要有以下幾種[4-9]：

1)有限的網(wǎng)絡資源。由于節(jié)點只有有限的能量、緩存空間等資源，因此在數(shù)據(jù)轉發(fā)的同時節(jié)點會使用自身的緩存空間存儲數(shù)據(jù)，消耗自身的能量轉發(fā)數(shù)據(jù)給下一跳節(jié)點，并且參與轉發(fā)的節(jié)點還不會獲得任何的收益，所以很容易導致節(jié)點產(chǎn)生不參與合作轉發(fā)或者直接丟棄轉發(fā)內容的自私行為。

2)維護隱私安全。節(jié)點在幫助傳輸信息的同時，會暴露自己的地址、身份等相關信息，從而使惡意節(jié)點容易攻擊中繼節(jié)點，損害節(jié)點自身利益。因此，在沒有任何中繼保護或者是利益獲取的情況下，節(jié)點不會參與數(shù)據(jù)轉發(fā)。

3)追求最大利益。比如基于虛擬貨幣的激勵策略和基于聲譽的激勵策略。每個節(jié)點都有一定的虛擬貨幣或聲譽，而轉發(fā)數(shù)據(jù)會獲得相應的貨幣或聲譽值。這時節(jié)點就會為了追求最大利益，偽造信息和欺騙消息發(fā)送者，從而制造自己成功轉發(fā)的假象，獲得相應的虛擬貨幣和聲譽值，但是實際上節(jié)點并沒有參與轉發(fā)。

1.2 自私節(jié)點的分類

按照上述節(jié)點自私的原因，自私節(jié)點可以分為以下三類：

1)最大利益化的節(jié)點。節(jié)點希望最大限度地利用網(wǎng)絡資源并且盡可能地減少資源消耗。那么這類節(jié)點就會拒絕參與轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包，但是它們會復制自己的數(shù)據(jù)包，提高傳輸成功率并減少網(wǎng)絡的傳輸延遲。這就會導致其他節(jié)點的利益和網(wǎng)絡的性能受到影響。

2)資源不足的節(jié)點。當節(jié)點資源不足時， 它們沒有精力去轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包， 因此往往會表現(xiàn)出不參與數(shù)據(jù)包轉發(fā)或直接丟棄數(shù)據(jù)包的自私行為。

3)惡意節(jié)點。這類節(jié)點會偽造信息并且欺騙其他節(jié)點證明自己并非自私節(jié)點，引誘其他節(jié)點選擇自己作為中繼節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)從而騙取利益，降低網(wǎng)絡性能。

另外自私節(jié)點也可以根據(jù)資源限制和社會關系將自私節(jié)點分為個體自私節(jié)點和社會自私節(jié)點。

1)個體自私節(jié)點。由于能量、緩存空間等有限的資源，節(jié)點很容易產(chǎn)生自私行為。因此，這類節(jié)點它們主要是轉發(fā)自己的信息，但是拒絕為其他節(jié)點轉發(fā)信息。

2)社會自私節(jié)點。因為社會屬性的關系，節(jié)點會具有不同的社會關系，所以很容易影響節(jié)點的行為。這類節(jié)點主要是根據(jù)它們的社會關系來減輕自己的自私程度，并且只轉發(fā)那些與它們有緊密社會關系的節(jié)點傳遞過來的信息，從而導致了網(wǎng)路中節(jié)點的自私行為。

1.3 自私節(jié)點的檢測

隨著自私節(jié)點的數(shù)量增加，網(wǎng)絡中傳遞消息的數(shù)量會迅速減少，性能降低。因此，如果可以發(fā)現(xiàn)并阻止節(jié)點的自私行為，即使所有節(jié)點都傾向于自私行為，也有可能實現(xiàn)節(jié)點完全協(xié)作時的相同性能。但是，機會網(wǎng)絡中節(jié)點的行為會受到各種內部因素和外部因素的影響，所以節(jié)點表現(xiàn)出來的自私方式也各有不同。因此，制定不同的檢測機制并使用檢測機制檢測出自私節(jié)點是有必要的，這樣可以減少自私節(jié)點對路由算法的干擾，降低其對網(wǎng)絡性能的影響。目前，已經(jīng)提出了幾種機制用來檢測網(wǎng)絡中節(jié)點對消息的拒絕轉發(fā)和丟棄行為。主要應用于自私節(jié)點的檢測方法[9]有以下幾種：

1)鄰居監(jiān)測。Marti等[10]提出了一個眾所周知的監(jiān)控系統(tǒng)——“看門狗系統(tǒng)”，它的原理如圖1所示。假設存在一條從節(jié)點S經(jīng)過中間節(jié)點A、B、C到達節(jié)點D的路徑，節(jié)點A不能直接傳輸?shù)焦?jié)點C但它可以監(jiān)聽節(jié)點B的通信。因此，當節(jié)點A發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給節(jié)點B去轉發(fā)給節(jié)點C的時候，節(jié)點A通?？梢灾拦?jié)點B是否發(fā)送了這個數(shù)據(jù)包，并且，如果沒有為轉發(fā)過程單獨執(zhí)行加密操作，那么節(jié)點A還可以判斷節(jié)點B是否篡改了數(shù)據(jù)。所以，Watchdog算法的主要過程是：節(jié)點會將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)包放在自己的緩沖區(qū)中，然后通過維護最近發(fā)送過數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)，將每個監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)包與緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包進行比較，查看是否存在匹配。如果存在匹配，則證明此數(shù)據(jù)包已被轉發(fā)，Watchdog算法會將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包刪除。當然，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包超過一定的生存周期，那么Watchdog會給負責轉發(fā)這個數(shù)據(jù)包的節(jié)點增加一條故障記錄。當故障記錄超過一定的閾值后，Watchdog就會將這個節(jié)點認定為行為不當?shù)墓?jié)點，同時將這條認定消息發(fā)送并告知源節(jié)點。因此，看門狗主要用來檢測行為不當?shù)墓?jié)點，其中消息的發(fā)送者會驗證它遇到的節(jié)點是否轉發(fā)了消息。

但是此監(jiān)控方法中的節(jié)點A只能判斷節(jié)點B是否將數(shù)據(jù)包發(fā)送給節(jié)點C，但是它無法判斷節(jié)點C是否接收到數(shù)據(jù)包，所以看門狗檢測機制無法觀察出第二跳節(jié)點的行為。

2)確認機制。TCP協(xié)議采用的就是端到端的確認機制(Acknowledgement, ACK)，接收端發(fā)送確認，并通知發(fā)送端接收到連續(xù)數(shù)據(jù)流中某些位置的數(shù)據(jù)包。這種選擇性確認(Selective ACK，SACK)技術主要用于確認無序的數(shù)據(jù)塊。Liu等[11]提出了一種2ACK機制，其中消息的接收者要發(fā)送兩次確認包-2ACK給發(fā)送者，以確認消息已經(jīng)成功接收。而2ACK技術與TCP協(xié)議中的ACK和SACK方案的不同之處在于：2ACK機制試圖檢測那些行為不端的節(jié)點，這些節(jié)點貪婪地為源節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)包，但在數(shù)據(jù)包到達時卻拒絕轉發(fā)；但TCP使用ACK和SACK卻是用來度量當前路由的有用性，并采取適當?shù)男袆印Ｋ?ACK機制的基本思想是：當節(jié)點收到上一跳節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，它會立刻采用洪泛的方式給上一跳節(jié)點發(fā)送確認信息。節(jié)點的檢測過程如圖2所示，當節(jié)點在下一跳節(jié)點上成功轉發(fā)數(shù)據(jù)包時，下一跳鏈接的目標節(jié)點將返回一個稱為2ACK的特殊兩跳確認，以表明數(shù)據(jù)包已成功接收。但是這樣的2ACK傳輸只發(fā)生在小部分數(shù)據(jù)包中而不是所有數(shù)據(jù)包，這種選擇性確認目的在于減少由2ACK方案引起的額外路由開銷。

3)自主檢測。Bigwood和Henderson[12]提出了IRONMAN算法，用來判斷節(jié)點的自私性。機會網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都會記錄下自己與其他節(jié)點的相遇信息，IRONMAN算法主要是利用這一信息來獲取節(jié)點間的合作情況，從而判斷節(jié)點是否是自私的。算法的實現(xiàn)過程如圖3所示，節(jié)點A想發(fā)送消息給B，但是它先遇見了節(jié)點C并把消息轉發(fā)給C，因為節(jié)點A認為C會在自己之前先遇見B。之后，節(jié)點C遇見了B，但因為它的自私，所以并沒有把消息轉發(fā)給節(jié)點B。后來，節(jié)點A遇到B后交換了雙方的歷史相遇信息，并且A告訴B它讓節(jié)點C把信息轉發(fā)給B。因此，節(jié)點B知道自己遇見了C但沒有接收到信息，從而也知道了節(jié)點C是自私節(jié)點。然而，在這一檢測過程中每個節(jié)點都是隨機移動的，所以并不能確定節(jié)點間下次的相遇時間，因此這類檢測并不能滿足一定的時效性。

4)基于聲譽檢測。在聲譽系統(tǒng)中，每個節(jié)點都有一定的聲譽值。而聲譽值是信用高低的體現(xiàn)，因此系統(tǒng)需要設置一定的閾值，當節(jié)點的聲譽值小于閾值的時候，節(jié)點就被確定為自私節(jié)點。Behrouz等[13]在Watchdog的機制上增加了聲譽機制，節(jié)點會根據(jù)直接和間接的檢測信息更新其他節(jié)點的信譽值，并更新自己對于其他節(jié)點的看法，從而判斷出其他節(jié)點是否是自私節(jié)點以及它們自私的程度。而Buchegger和Le Boudet[14]采用的檢測方法主要來源于Dawkins[15]所提出的“自私的基因”這一靈感， Dawkins使用了一個生態(tài)實例解釋了鳥類將寄生蟲從對方頭上清除的生存機會以及由此產(chǎn)生的基因選擇。他將鳥分成兩類：第一種是“傻瓜”，總是無條件幫助其他鳥類，第二種是“騙子”，總是欺騙其他鳥類讓它們把寄生蟲從頭上清除，卻沒有回報它們。顯然，欺騙者比較有優(yōu)勢，但是隨著時間的推移，這兩者都會被淘汰。因此，他介紹了第三種鳥——“吝嗇鬼”，這種鳥開始會幫助每一只鳥，但慢慢地它不會再幫助那些不回報的鳥。所以，模擬顯示，當剛開始的時候，大多數(shù)都是騙子，只有少數(shù)人是傻瓜和吝嗇鬼，但隨著時間的流逝吝嗇鬼會獲得最大的利益并最終獲勝。正如Dawkins所解釋的那樣，互惠、利他主義對每一個生態(tài)系統(tǒng)都是有益的。當同時給予恩惠時，節(jié)點就會因為即時的滿足而存在著一種內在的合作動機，但當給予幫助和償還之間存在延遲的時候，合作的好處就不那么明顯了。因此，CONFIDANT[14]利用了這一現(xiàn)象為路由和轉發(fā)優(yōu)惠定義了合適的成本和利潤，并且維護了非合作節(jié)點的經(jīng)驗歷史，從而使自私節(jié)點退出系統(tǒng)。

另外，CORE算法[16]也是利用watchdog和聲譽機制檢測出行為不當?shù)墓?jié)點，但在進行信譽評估時，CORE把信譽值分成主觀信譽、間接信譽和功能信譽。直接信譽是直接由主體的觀察計算得到的，主要是給在過去的檢測中出現(xiàn)的零星不當行為在最近的觀察中做一個最小的影響評估值，從而避免由于鏈接中斷或者是因為不利節(jié)點引起的局部不當行為導致的錯誤檢測。主觀信譽的評價只考慮到主體與其相鄰主體之間的直接交互，而引入間接信譽可以增加反映復雜社會特征的可能性，同時主觀信譽的最終價值也會受到社區(qū)其他成員提供的信息的影響。功能信譽是用來描述根據(jù)不同功能計算出來的主觀信譽和間接信譽。間接信譽只考慮了積極價值，而功能信譽的引用增加了計算一個考慮不同觀察或評估標準的主觀信譽整體價值的可能性。然而，為了提高信譽值的準確性， 在評估節(jié)點的信譽值時， 不僅要考慮周圍的節(jié)點， 還要考慮多跳節(jié)點。

5)基于貨幣檢測。在基于貨幣的激勵機制中，往往容易自私的節(jié)點主要表現(xiàn)為貧窮節(jié)點和富裕節(jié)點。目前，大部分的激勵策略主要都是針對只擁有少量貨幣的節(jié)點處理問題，因為人們普遍認為貧窮的節(jié)點更容易表現(xiàn)出自私，但其實富裕節(jié)點也會表現(xiàn)出它的自私性。文獻[17]提出了一種基于IND算法的檢測機制，主要是通過獲取網(wǎng)絡中每個節(jié)點的貨幣值來構建哈希表，然后利用齊夫定律[18]及基尼系數(shù)定理[19]來判斷每個節(jié)點是否是富裕節(jié)點，同時更新每個節(jié)點的貨幣變化，設定一定的值作為閾值，從而實現(xiàn)對節(jié)點的監(jiān)測處理。當把富裕節(jié)點一段時間內所擁有貨幣的平均值與最近一次更新貨幣平均值進行比較，差值大于閾值時，該節(jié)點在很大程度上表現(xiàn)出偏好自私性，那么此節(jié)點被認為是自私節(jié)點。

2 激勵機制

目前，解決節(jié)點自私行為的方案[20]大體可以分為三大類：基于聲譽的激勵機制、基于貨幣的激勵機制、基于博弈論的激勵機制?；诼曌u的激勵機制主要是通過基于聲譽的檢測來判斷節(jié)點是否自私，并制定一些懲罰機制或鼓勵機制，從而達到激勵自私節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉發(fā)的合作中；基于貨幣的激勵機制主要是利用貨幣對轉發(fā)服務進行定價，節(jié)點通過支付虛擬貨幣去購買服務的方式去激勵節(jié)點參與合作轉發(fā)從而獲取報酬；基于博弈論的激勵機制主要是利用討價還價等策略為兩個節(jié)點之間的合作提供等價的交易，從而激勵節(jié)點幫助轉發(fā)消息。

2.1 基于聲譽的激勵機制

基于聲譽的激勵機制主要是利用信譽值來評判節(jié)點是否自私，同時采用了Watchdog機制來更新并監(jiān)測節(jié)點的信譽變化。當節(jié)點因為有限的資源而自私地拒絕為其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)后丟棄時，該節(jié)點的信譽值就會降低，而低于一定的閾值后就會以廣播的形式告知網(wǎng)絡中的每個節(jié)點，從而被整個網(wǎng)絡屏蔽，不再參與任何數(shù)據(jù)的轉發(fā)也不會有任何的節(jié)點幫助其轉發(fā)。當節(jié)點愿意為其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)時，該節(jié)點的信譽值就會升高。因此為了自身的信譽以及避免被隔離的風險，節(jié)點會選擇參與數(shù)據(jù)轉發(fā)的合作，以此達到了激勵自私節(jié)點的目的。

Xu等[21]提出了一個安全的基于信譽的動態(tài)窗口協(xié)議——SReD協(xié)議，它是一種基于鏈路狀態(tài)的本地化多路徑路由方案，主要包括以下三種模式：

1)基于信譽的路由生成模式。節(jié)點在其通信范圍內搜索具有最高信任索引的下一跳節(jié)點，以此生成路由。鄰居節(jié)點的信任索引由本地信任索引和信譽索引兩部分構成，這種聲譽機制可以最大限度地減少消息偽造，修改攻擊，黑洞攻擊和DOS攻擊。這種模式強調效率，在此模式下可以快速找到最佳路線。

2)概率路由生成模式。該模式的節(jié)點以概率方式生成路由。由于沒有策略應用于下一跳選擇過程，因此該模式比以前提出的路由算法更能抵抗各種攻擊，例如蟲洞和惡意攻擊。但是，這種模式必須犧牲一定的轉發(fā)效率才能獲得所需的安全性。

3)動態(tài)窗口機制。該機制可以自適應地切換上述兩種模式，實現(xiàn)了轉發(fā)效率與安全性之間的良好折衷。在此模式下，更新并維護動態(tài)窗口，其窗口大小表示了網(wǎng)絡環(huán)境的安全質量。如果網(wǎng)絡環(huán)境被認為是良性的，則該節(jié)點使用基于信譽的路由生成模式；否則節(jié)點將使用概率路由生成模式。

Li等[22]提出了一種機會網(wǎng)絡信譽輔助數(shù)據(jù)轉發(fā)協(xié)議——RADON協(xié)議，主要是將設計的聲譽框架與數(shù)據(jù)轉發(fā)協(xié)議集成，并且利用正反饋消息PFM幫助監(jiān)視節(jié)點的轉發(fā)行為，以更加準確地全面評估節(jié)點的數(shù)據(jù)轉發(fā)能力。而RADON協(xié)議主要由聲譽模塊、信任評估模塊和轉發(fā)決策模塊這三個模塊組成。聲譽模塊的重點是如何收集信譽系統(tǒng)RS信息，RS包括Watchdog組件提供的直接信息和來自其他節(jié)點的間接信息。直接信息主要通過收集PFM來監(jiān)測節(jié)點的轉發(fā)行為，在固定間隔內更新聲譽。而間接信息是由其他節(jié)點提供的并非直接觀察，它的來源不僅來自節(jié)點的鄰居，還來自之前接觸過的其他節(jié)點。當兩個節(jié)點相遇時，一個節(jié)點會將直接觀察另一個節(jié)點的信息作為間接信息。所以，利用間接信息對預測節(jié)點的未來轉發(fā)行為具有巨大影響。信任評估模塊的過程是當節(jié)點遇到另一節(jié)點后，前者必須根據(jù)其直接觀察得到的信息和間接信息來評估后者在轉發(fā)數(shù)據(jù)時的綜合聲譽。在轉發(fā)決策模塊中，除了過去接觸目的節(jié)點的次數(shù)之外，節(jié)點還會考慮數(shù)據(jù)轉發(fā)信譽以全面評估節(jié)點成功轉發(fā)數(shù)據(jù)的能力，同時還要權衡聲譽的角色以及評估下一個節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)時遇到目的節(jié)點的可能性。

之后，Bigwood等[12]則提出了一種新的機會網(wǎng)絡激勵機制——IRONMAN機制，利用已有的社交網(wǎng)絡(SRSN)信息來檢測和懲罰自私節(jié)點，激勵它們參與網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)轉發(fā)，并為機會網(wǎng)絡中的節(jié)點增加聲譽并激勵節(jié)點擺脫自私行為。該機制利用訪談或在線社交網(wǎng)絡的信息來快速檢測自私節(jié)點，并且使用SRSN為節(jié)點提供聲譽。兩個節(jié)點在相遇時交換雙方的歷史信息并更新其他節(jié)點的聲譽值，然后根據(jù)聲譽值決定選擇是否轉發(fā)數(shù)據(jù)。

2012年，Mei等[23]提出了Give2Get機制，其中包含了兩種針對個體自私的移動無線網(wǎng)絡轉發(fā)協(xié)議——Give2Get流行病轉發(fā)和Give2Get授權轉發(fā)，這兩種協(xié)議都包括三個階段：消息生成、中繼階段和測試階段。當一個節(jié)點創(chuàng)建要發(fā)送的消息時，首先生成消息。生成消息后，發(fā)送方會嘗試將其中繼到它遇到的前兩個節(jié)點并且協(xié)商加密會話密鑰(Session Key，SK)開始可能的中繼會話，一旦確認為消息的中繼，這兩個節(jié)點會反饋中繼證明給發(fā)送者，那么當中繼節(jié)點再次遇到發(fā)送者后就進入到了測試階段。如果中繼節(jié)點能交付之前的中繼證明或者其緩存空間中還保存著先前轉發(fā)過的消息，就說明該節(jié)點信譽值高而且值得信賴，相反，說明該節(jié)點是自私節(jié)點，同時廣播該節(jié)點的自私行為并將它從網(wǎng)絡中剔除。

2.2 基于貨幣的激勵機制

基于貨幣的激勵機制主要是利用貨幣對轉發(fā)服務進行定價，當節(jié)點幫助轉發(fā)數(shù)據(jù)后就會獲得相應的虛擬貨幣作為報酬，而當節(jié)點自身要發(fā)送數(shù)據(jù)時也要提供相應的虛擬貨幣去購買其他節(jié)點的轉發(fā)服務，這其中就需要可信的第三方機構對虛擬貨幣進行調度，比如虛擬銀行(Virtual Bank，VB)或者credit管理清算中心(Credit Clearance Service，CCS)。當數(shù)據(jù)成功到達目的節(jié)點后，第三方管理中心就會將相應的貨幣分給參與數(shù)據(jù)轉發(fā)的各個中繼節(jié)點，并且對這一交易給出相應的憑證。而第三方機構的管理過程如圖4所示。

Zhu等[24]提出了一種安全的多層信用激勵方案——Smart機制，它允許信用由當前轉發(fā)的節(jié)點來分發(fā)而不需要發(fā)送者的參與。具體來說，Smart是基于分層硬幣的概念，該硬幣提供虛擬電子信用以收取和獎勵網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)轉發(fā)的提供，主要由基礎成和支持層組成，并且每個層由源節(jié)點、目的節(jié)點或中繼節(jié)點生成。基礎層由源節(jié)點生成，主要包括信用值、報酬條件、服務等級要求(Class of Service，CoS)和其他獎勵策略等信息，而在隨后的消息傳送過程中，每個中間節(jié)點將通過附加不可偽造的數(shù)字簽名在基礎層的基礎上生成新層——支持層，這意味著轉發(fā)節(jié)點同意在預定義的CoS要求下提供轉發(fā)服務，并將根據(jù)未來的獎勵政策給予獎勵。同時通過支持層可以輕松跟蹤消息的傳送路徑，并通過檢查每個支持層的簽名來確定每個中間節(jié)點。如果提供的轉發(fā)服務滿足預定義獎勵政策中定義的報酬條件，則每個沿一個或多個路徑轉發(fā)的中間節(jié)點將根據(jù)不同的數(shù)據(jù)轉發(fā)算法共享在該硬幣中定義的信用和實際的轉發(fā)結果。

但是，由于與硬幣相關的所有安全性都是中間節(jié)點管理，自私節(jié)點甚至是一組串通節(jié)點可能會任意地將假層注入當前硬幣中或從硬幣中移除若干有效層，試圖欺騙網(wǎng)絡以求最大化其預期福利。所以Lu等[25]在Smart的基礎上加入了聲譽機制，即Pi機制，在此機制中提供了一個公平的激勵模型。在獎勵模型中，為了實現(xiàn)公平性，當且僅當消息到達目的節(jié)點時，中間轉發(fā)節(jié)點可以從源節(jié)點獲得信用，而對于那些消息轉發(fā)失敗的節(jié)點仍然可以從可信機構獲得良好的信譽值。同時，在提出的Pi協(xié)議中還提供了認證和完整性保護，從而改進了Smart機制中存在的問題。

同年，Chen等[26]提出了一種基于貨幣的激勵機制——MobiCent機制，它允許底層路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)最有效的路徑，并且理智的節(jié)點不會故意浪費轉發(fā)機會或通過創(chuàng)建不存在的聯(lián)系人來欺騙以增加它們的回報。同時，MobiCent還提供不同的支付機制以滿足希望最小化支付或數(shù)據(jù)傳送延遲的客戶。它主要利用第三方信任管理機構保存密鑰信息，源節(jié)點將需要發(fā)送的消息傳送給中繼節(jié)點，當消息轉發(fā)到目的節(jié)點后，目的節(jié)點會支付相應的虛擬貨幣給中繼節(jié)點，不需要源節(jié)點支付任何貨幣，同時管理機構還會提供認證服務。

文獻[27]主要提出了一種基于價格效用比的激勵機制——PDU，它主要是結合節(jié)點自身資源計算出節(jié)點效用值和轉發(fā)消息的價格之間的比值PUD，并利用這個比值構成有向圖，然后采用Dijkstra算法得到一條最短可信路徑，再與設置的延遲門限值比較，逐漸找出一條延遲短且價格效用比最小的最優(yōu)路徑作為消息傳輸路徑。因此，自私節(jié)點要獲取轉發(fā)機會就必須降低價格從而提高自身的效用值，使PUD變小，否則就會被隔離出網(wǎng)絡。

2.3 基于博弈論的激勵機制

基于博弈論的激勵機制也稱為平等交換激勵機制，主要遵循競爭和討價還價的原則以相同的方式處理與之聯(lián)系的節(jié)點。因此，為了最大限度地提高自身的利益，節(jié)點最終將選擇合作來幫助其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)。

P2P文件共享系統(tǒng)的BitTorrent協(xié)議[28]中采用了Tit-For-Tit機制，在此協(xié)議中用戶上傳與下載的數(shù)據(jù)量必須是對等的。而Shevade等[29]提出基于DTN網(wǎng)絡的激勵感知路由策略，主要使用TFT機制并結合慷慨和懺悔策略來解決節(jié)點的自私問題。通過發(fā)送數(shù)據(jù)分組確認證明下一跳節(jié)點完成轉發(fā)，這種積極的反饋允許節(jié)點與其鄰居進行平衡的交換完成互惠服務并獎勵良好行為。首先，采用慷慨方案解決經(jīng)常初始化和某一時刻不對稱的問題，然后采用懺悔方案解決無線的惡意報復問題。

后來，Buttyan等[30]提出了一種基于易貨貿(mào)易原則的激勵機制來阻止節(jié)點的自私行為，同時兩個節(jié)點之間的交換價值必須相等。每個消息對節(jié)點的有用度不通，所以，根據(jù)節(jié)點對消息的興趣程度可以將消息區(qū)分為主要消息和次要消息兩種。如果移動節(jié)點對消息的內容感興趣，則此消息是給定節(jié)點的主要消息，反之則是次要消息。因為不同的移動節(jié)點對不同的內容感興趣，所以，對于不同的移動節(jié)點消息可以具有不同的類型。而網(wǎng)絡中每個節(jié)點需要的消息是不一樣的，對于一些節(jié)點來說的次要消息可能是其他節(jié)點的主要消息，因此每個節(jié)點都必須攜帶部分的次要消息完成交換服務，并且必須是等量的交換。

之后，Wu等[31-32]又借助經(jīng)濟學[19]中的商品交換理論——討價還價方法來解決消息交換中節(jié)點的自私問題。首先，擁有轉發(fā)服務的中繼節(jié)點會為服務進行定價，如果購買轉發(fā)服務的節(jié)點同意賣方的價格，那么交易完成。否則，買方為服務提供自己的定價，賣方同意的話，交換完成，否則就只能進行下一輪的協(xié)商交易直到交易的完成。

在TFT機制中還有一類典型的Ad-hoc VCG拍賣機制[33]，源于經(jīng)濟學[19]中的Vickrey-Clarke-Grove(VCG)拍賣模型。該機制中節(jié)點先對自己的轉發(fā)服務定價，然后買方通過拍賣競價的方式競相購買賣方的服務，從而激勵中繼節(jié)點給出它們可以轉發(fā)所需的真實成本，并支付給賣方報酬。

對于這類激勵機制，國內研究主要是通過數(shù)據(jù)相互交換或者是買賣雙方利用貨幣等形式協(xié)商完成交易的過程，如物-物交換。簡單的物-物交換[34](simple barter trade，SBT )的原則就是你交給我一個數(shù)據(jù)，我還給你一個數(shù)據(jù)。這種交換要求嚴格的對等機制，會導致網(wǎng)絡中的節(jié)點之間不能完全地轉發(fā)數(shù)據(jù)，從而降低了網(wǎng)絡的性能。因此，在文獻[35]中，研究者提出了一種基于債務的激勵機制——DBT，它在SBT的基礎上降低了交換要求，引入了債務這一概念，允許節(jié)點可以先借再還，從而使節(jié)點間保持長期的等價交換。DBT的主要思想過程主要分為兩個階段，在第一階段中每個節(jié)點都會根據(jù)自己對其他節(jié)點的信任值為它們提供無息債務，如果債務方的債務值高于債權方所提供的最大無息債務后，債權方就開始計算利息，進而更新債務值，直到債務值再次低于最大無息債務，否則就到第二懲罰階段；在第二階段中，節(jié)點會將對自私節(jié)點的信任值設置為零，并且拒絕為其轉發(fā)信息直到自私節(jié)點還清自己的債務，否則，自私節(jié)點會被隔離出網(wǎng)絡，直至自己產(chǎn)生數(shù)據(jù)還清債務后才能重新進入網(wǎng)絡。然而，DBT雖然提高了數(shù)據(jù)的交易量，卻增加了網(wǎng)絡緩存的負擔，所以，文獻[27]提出了一種基于效用的激勵機制——UBT，主要是通過預測未來相遇節(jié)點和相遇節(jié)點轉發(fā)消息到目的節(jié)點的概率進行緩存決策從而提高緩存效率和網(wǎng)絡性能。UBT采用了順序循環(huán)隊列節(jié)省存儲空間，并引入了滑動窗口的概念，使節(jié)點只記錄當前W個區(qū)間的相遇次數(shù)，從而反映節(jié)點相遇的最新趨勢；同時采用了鏈式存儲的方法使節(jié)點只需動態(tài)地為相遇頻率較高的節(jié)點維護信息。

3 現(xiàn)有激勵機制主要問題

現(xiàn)有激勵機制主要用于傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡中，而對于機會網(wǎng)絡的特殊性許多機制不能完全適用，同時現(xiàn)有的激勵機制還存在著許多問題[12]。

1)基于聲譽激勵機制。在基于聲譽的激勵機制中，并沒有被考慮節(jié)點的聲譽值變化規(guī)律。對于信譽值高或者臨近閾值的節(jié)點，相同的激勵策略只會引發(fā)懶惰性，不會再主動轉發(fā)數(shù)據(jù)提高信譽以實現(xiàn)更高的信譽價值，并且在間歇性機會網(wǎng)絡中利用該機制監(jiān)測下一跳節(jié)點的行為難以實現(xiàn)。

2)基于貨幣激勵機制。在基于貨幣的激勵機制中，整個交易過程都需要可信的第三方信任管理機構來支持。每個節(jié)點在管理機構中都有自己的賬戶和基金，當交易完成后節(jié)點對應賬戶中的貨幣會有相應的增多或減少，這會導致沒有足夠貨幣支付的節(jié)點仍然享受著其他節(jié)點的轉發(fā)服務，并且無論中繼節(jié)點的轉發(fā)服務好還是壞，購買方需要支付的貨幣是一樣的，從而導致了不公平性的出現(xiàn)。其次，該機制也不能保證在節(jié)點進行欺騙性攻擊后貨幣的安全性。

3)基于博弈論激勵機制。在基于博弈論的激勵機制中，節(jié)點間的交易必須要求提供平等的服務，主要針對的是對稱性網(wǎng)絡，但是這在非對稱的網(wǎng)絡中是很難實現(xiàn)的，并且，在拍賣機制中節(jié)點的競拍價格也很隨意，無法實現(xiàn)真實的報價，經(jīng)常出現(xiàn)虛假信息和重新拍賣等問題。同時，這種機制會降低數(shù)據(jù)的交易量，對緩存空間的要求極高。

4 未來研究方向

如今機會網(wǎng)絡的研究還沒有什么突破性的進展，并且實現(xiàn)機會網(wǎng)絡的廣泛應用還需要很長的時間，所以，需要改進現(xiàn)有算法和模型去解決上述問題。

1)基于聲譽。針對上述有關聲譽機制的問題，可以在基于聲譽的激勵機制基礎上加入等級評價制度。如果信譽值高的節(jié)點或者剛剛到達閾值邊界的節(jié)點不再主動轉發(fā)消息后，可以采用降低該節(jié)點的等級，此后轉發(fā)該節(jié)點消息的優(yōu)先權也會降低，相反，如果主動轉發(fā)消息，節(jié)點的等級會上升，節(jié)點的消息也可以被優(yōu)先轉發(fā)。這樣做會促使所有的節(jié)點主動轉發(fā)數(shù)據(jù)，提高消息轉發(fā)效率。

2)基于貨幣。針對上述有關貨幣機制的問題，在基于貨幣的激勵機制中需要對用戶的賬戶進行加密認證，并且對每次的交易設置憑證，記錄每次交易的內容和相對應的虛擬貨幣，然后在對應的賬戶中更新?lián)碛械呢泿拧Ｈ绻?jié)點沒有貨幣能夠支付轉發(fā)服務，就會自發(fā)地為其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)從而賺取貨幣。

3)基于博弈論。針對上述博弈論的相關問題，可以在博弈論的基礎上加入聲譽機制或貨幣機制捆綁成新的激勵策略，在討價還價的原則上協(xié)商轉發(fā)服務的定價。但是，交易的協(xié)商過程不可能是無止境的，所以為交易雙方設置耐心參數(shù)是必須的。當賣方?jīng)]有耐心后就不提供轉發(fā)服務，而買方?jīng)]有耐心后就不購買轉發(fā)服務。因此，利用討價還價的方法可以提高消息的轉發(fā)效率及緩存利用率，或者通過預測可能的相遇節(jié)點和其轉發(fā)數(shù)據(jù)的概率來進行緩存決策從而提高緩存利用率。

5 結語

本文對機會網(wǎng)絡中自私節(jié)點的激勵機制進行了研究。首先介紹了自私節(jié)點產(chǎn)生的原因以及檢測算法，然后闡述現(xiàn)有的激勵自私節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉發(fā)合作的方案，主要分成了基于信譽、貨幣、博弈論這三類激勵機制。最后，指出了每類方案中存在的主要問題，以及可能的解決方法。

目前，對機會網(wǎng)絡研究的方式越來越多，將機會網(wǎng)絡與其他學科領域技術交叉結合去解決機會網(wǎng)絡中的節(jié)點自私問題已經(jīng)慢慢地成為了這個領域新的研究方向，如機器學習。由于機會網(wǎng)絡中節(jié)點具有社會性和規(guī)律性，通過利用機器學習來研究機會網(wǎng)絡中節(jié)點生成的歷史數(shù)據(jù)，可以預測節(jié)點間的相遇概率、消息的傳輸路徑、消息轉發(fā)成功的可能性，并且還可以挖掘更有用的信息。