面向聯(lián)盟鏈的去中心化身份認(rèn)證節(jié)點(diǎn)選取方案

常雨蒙 景 旭

(西北農(nóng)林科技大學(xué)信息工程學(xué)院 陜西 咸陽 712100)

0 引 言

聯(lián)盟鏈?zhǔn)菍μ囟ńM織開放的區(qū)塊鏈，在高可用、高性能、可編程、隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)監(jiān)管上更有優(yōu)勢，被認(rèn)為是“部分去中心化”或“多中心”的區(qū)塊鏈。相比公有鏈，聯(lián)盟鏈有節(jié)點(diǎn)數(shù)精簡、系統(tǒng)運(yùn)行效率更高、成本更低、確認(rèn)時(shí)間短、節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)入控制、國家安全標(biāo)準(zhǔn)支持等優(yōu)點(diǎn)，作為支持分布式商業(yè)基礎(chǔ)的組件，滿足分布式商業(yè)中的多方對等合作、合規(guī)有序發(fā)展，更容易在應(yīng)用場景中落地[1]。

為推進(jìn)區(qū)塊鏈數(shù)字技術(shù)和交易驗(yàn)證，2015年Linux基金會(huì)發(fā)起開源項(xiàng)目超級賬本(Hyperledger)，成為聯(lián)盟鏈典型案例，其中最受關(guān)注的項(xiàng)目是IBM的Fabric。Fabric架構(gòu)設(shè)計(jì)中為提供身份認(rèn)證和監(jiān)管留有成員管理服務(wù)(Membership Service Providers,MSP)接口。默認(rèn)MSP基于標(biāo)準(zhǔn)公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(Public Key Infrastructure,PKI)進(jìn)行身份驗(yàn)證，并且可以容納商業(yè)證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)，也提供了獨(dú)立的證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)(Certificate Authority,CA)Fabric-CA[2]。區(qū)塊鏈產(chǎn)品設(shè)有專門的管理機(jī)構(gòu)或管理平臺(tái)來控制鏈上節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證和授權(quán)，這種有效地去中心化與區(qū)塊鏈完全無中心化的初衷并不完全一致，但能夠滿足部門內(nèi)部或行業(yè)內(nèi)部的可靠的互聯(lián)互通[3]。X.509證書鏈層次模型中包括了信任傳遞，信任上級CA就是完全信任它們頒發(fā)的證書，沒有考慮到信任傳遞的衰減[4]。根據(jù)X.509的嚴(yán)格層次關(guān)系，所有的實(shí)體包括終端實(shí)體和中間層的CA都完全信任一個(gè)根CA，若中心化CA故障，導(dǎo)致所有證書不可用[5]。雖然Fabric網(wǎng)絡(luò)可以由一個(gè)或多個(gè)MSP共同管理，但是系統(tǒng)的安全性取決于預(yù)先存儲(chǔ)的信任的根CA自簽名證書。作為有限的第三方，CA具有直接關(guān)乎整個(gè)開源平臺(tái)安全與否的重要性。

在聯(lián)盟鏈中使用一個(gè)絕對權(quán)威的認(rèn)證中心不符合權(quán)力分散的去中心化思想，單一節(jié)點(diǎn)有特殊權(quán)力就不可被視為區(qū)塊鏈[6]。在優(yōu)良保密協(xié)議(PGP)公鑰管理機(jī)制中沒有可信賴中心，采用公鑰介紹機(jī)制，用戶都是平等關(guān)系，每個(gè)公鑰都可以簽發(fā)證書，全部操作都基于對介紹人的信任和公鑰的合法性，采用了自底向上的方式建立證書體系。聯(lián)盟機(jī)構(gòu)在沒有統(tǒng)一的集中認(rèn)證的情況下進(jìn)行互相認(rèn)證，認(rèn)證包括實(shí)體身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)來源認(rèn)證。PGP公鑰認(rèn)證的無中心化與聯(lián)盟鏈對等節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證特性相吻合。

針對上述問題，基于區(qū)塊鏈驗(yàn)證可信的思想，在聯(lián)盟鏈中既要做身份認(rèn)證，又不能使得單一節(jié)點(diǎn)存在特殊權(quán)利，提出一種去中心化身份認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)選取方案。首先，基于PGP公鑰介紹機(jī)制擴(kuò)展用戶的可信鄰域，以延長信任鏈；其次，基于延長的信任鏈建立PGP信任傳遞模型；再次，基于k階可達(dá)矩陣計(jì)算變長的節(jié)點(diǎn)聚合度，也就是節(jié)點(diǎn)信任度；第四，基于PageRank算法，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行完整信任度排名；最后，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模選取信任度排名前n個(gè)節(jié)點(diǎn)作為去中心化身份認(rèn)證的管理節(jié)點(diǎn)。

1 基于擴(kuò)展用戶可信鄰域的PGP信任模型

1.1 擴(kuò)展PGP用戶可信鄰域

PGP基于公鑰加密體系，通過介紹者模型建立信任機(jī)制，提供信任的遍歷手段，利用公開的信息將公鑰和信任相聯(lián)系。在PGP節(jié)點(diǎn)中有兩種密鑰環(huán)，私鑰環(huán)是公鑰/私鑰對，用來管理用戶的私鑰；公鑰環(huán)是本節(jié)點(diǎn)維護(hù)的一個(gè)其他人和相應(yīng)公鑰的列表，它不是封閉的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而是數(shù)學(xué)集合，可以松散地建模為受信任的列表或信任域。公鑰環(huán)為PGP信任模型提供實(shí)現(xiàn)方式[7]。在聯(lián)盟鏈中如果直接通過PGP建立，可能導(dǎo)致如下問題：PGP基于“介紹者模型”，它取決于認(rèn)證鏈的完整性，對于介紹者是完全信任，對介紹者信任的人也是完全信任。從用戶和信任關(guān)系角度看，信任鏈變長，信任等值傳遞，這不符合實(shí)際。更進(jìn)一步說，可驗(yàn)證鏈最長信任長度為2，難以與更多其他節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系，關(guān)系稀疏不利于評估。

針對上述問題，擴(kuò)展PGP用戶的可驗(yàn)證鏈長度，長度不再局限于2，對通過介紹人而得到的介紹人直接可信鄰域中的節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行認(rèn)證，擴(kuò)大用戶的可信鄰域。PGP沒有必須集中統(tǒng)一認(rèn)證的問題，以期待通過用戶自身選擇信任節(jié)點(diǎn)與更多節(jié)點(diǎn)建立更強(qiáng)的聯(lián)系。

用戶認(rèn)為完全可信的機(jī)構(gòu)或其他用戶信任其證書，這種用戶間的關(guān)系稱為直接信任，是系統(tǒng)中最基本的信任關(guān)系。通過PGP公鑰介紹機(jī)制建立的節(jié)點(diǎn)間關(guān)系稱為推薦信任。根據(jù)信任路徑，可將信任關(guān)系劃分為間接信任和擴(kuò)展信任。用戶將直接信任人作為可信介紹人，通過中間介紹人而得到其他人公鑰從而建立的聯(lián)系稱為間接信任關(guān)系。通過間接信任人與更遠(yuǎn)的用戶建立聯(lián)系，單條信任鏈上多于一個(gè)中介人而建立的信任關(guān)系稱為擴(kuò)展信任關(guān)系。

PGP用戶公鑰環(huán)中每一項(xiàng)都是它信任的另一個(gè)用戶的公鑰證書，與證書相關(guān)的是密鑰合法性域，使得用戶相信自己公鑰環(huán)中的用戶公鑰是正確的。信任程度越高，用戶標(biāo)識與密鑰標(biāo)識間捆綁關(guān)系越強(qiáng)。每個(gè)簽名有一個(gè)簽名信任域，表示用戶信任該簽名的程度。密鑰合法性域來源于該表項(xiàng)中的簽名信任域。每個(gè)表項(xiàng)定義一個(gè)與特定所有者的公鑰證書的信任程度的域，并且信任級別的設(shè)定由用戶自己決定。

PGP用戶X作為自己的完全信賴中心進(jìn)行自簽名如式(1)所示。利用私鑰并附帶必要的身份相關(guān)信息生成一個(gè)根證書，將簽名、公鑰等相關(guān)信息公布來聲明自己的身份。

pgpCertx=Sigskx(pkx,self)

(1)

式中：Sigskx表示用X的私鑰對X的公鑰進(jìn)行簽名；pkx表示X的公鑰。

若用戶Y1認(rèn)為用戶X可信，則用戶X充當(dāng)CA角色，由X對Y1進(jìn)行身份核實(shí)與認(rèn)證，X對Y1簽發(fā)證書如式(2)所示。direct表示X與Y1是直接信任關(guān)系，且Y1完全信任X。

pgpCerty1-x=Sigskx(pky1,direct)

(2)

用戶X在一定范圍內(nèi)充當(dāng)局部CA角色，可以對多個(gè)用戶進(jìn)行公鑰認(rèn)證而簽發(fā)證書，如式(3)所示。用戶X將自己信任的人及其公鑰信息進(jìn)行簽名生成公鑰環(huán)并發(fā)布出去，表明自己的直接可信域?yàn)閅1,Y2,…,Yn。

keyringx=Sigx(y1,y2,…,yn,pky1,pky2,…,pkyn)

(3)

同理，用戶Z1認(rèn)為用戶X可信，用戶Z1充當(dāng)CA為用戶X簽發(fā)證書。X獲得Z1對其簽名證書，當(dāng)X與Z1信任以外的用戶建立聯(lián)系時(shí)，該證書就無法發(fā)揮作用，故X盡可能選擇一些可信的用戶為其簽發(fā)證書，來擴(kuò)大信任范圍，X的所有簽名如式(4)所示。

pgpCertx=pgpCertx-z1,pgpCertx-z2,…,pgpCertx-zn

(4)

利用對象的概念，把介紹人簽發(fā)的證書當(dāng)作主體的內(nèi)容，對此簽發(fā)一個(gè)新的證書，其中包括了對證書擔(dān)保的信任程度的定義，即證書的嵌套[4]。Z1根據(jù)X以及其他Z1信任的人給Y1簽發(fā)的證書，并通過自身設(shè)置的可信策略判定Y1的可信程度，若認(rèn)為完全可信或部分可信，則簽發(fā)證書如式(5)所示，indirect表示Z與Y1是間接信任關(guān)系。

pgpCerty1--=Sigskz((Sigskx,direct),indirect)

(5)

用戶Z信任用戶X，用戶X信任用戶Y，從而建立從Z到Y(jié)的信任傳播路徑。有向箭頭表示節(jié)點(diǎn)關(guān)系，箭尾是被認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)，箭頭指向的是被信任的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行頒發(fā)證書的操作，局部充當(dāng)CA角色，從而建立有向的信任鏈如圖1所示?？芍庇^地看到X是Zm與Yn建立聯(lián)系的中間介紹人，證書內(nèi)嵌形成證書鏈的用戶信任方向是從右到左，信任的傳遞方向是從左到右，兩者是兩個(gè)相反的方向。

圖1 基于中介人的信任鏈

在實(shí)際情況中，用戶Zm與用戶Yn沒有這么嚴(yán)格劃分，因?yàn)樾湃位騿蜗蚧螂p向的，肯定存在交叉，也可能是同一用戶，從局部看只是扮演的角色不同。用戶Zm與用戶Yn是平等的，在整個(gè)集體中沒有層級關(guān)系，也就是沒有上下級之分。

用戶進(jìn)行間接簽發(fā)證書時(shí)，檢驗(yàn)直接信任用戶對間接信任用戶簽發(fā)的證書，對比間接信任用戶的證書與直接信任用戶的公鑰環(huán)，驗(yàn)證信任路徑與信任來源。該驗(yàn)證過程中，既考慮用戶的證書數(shù)量，又考慮用戶的證書來源用戶的可信度，及自身與證書來源用戶的信任關(guān)系，從而防止為提高介紹人的中心性而惡意增加信任人。

1.2 基于延長信任鏈的PGP信任模型

傳統(tǒng)的信任結(jié)構(gòu)一般是層次型的，而PGP采用了網(wǎng)狀信任結(jié)構(gòu)(web of trust)[8]。在網(wǎng)狀信任結(jié)構(gòu)中，沒有大家都信任的中心權(quán)威機(jī)構(gòu)，而是用戶以各自為中心，相互認(rèn)證公鑰，相互簽名公鑰證書。這些簽名使得用戶的公鑰彼此相連,形成自然的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就是信任網(wǎng)[9]。

擴(kuò)展之后的PGP信任簽名不再給予同等的信任力度，即你信任我，可能你也會(huì)對我信任的這些證書給予一定程度的信任，并非完全信任。節(jié)點(diǎn)的公鑰環(huán)中節(jié)點(diǎn)集合是其直接信任域，也是邊長為一的信任關(guān)系，稱作一度信任關(guān)系。將此定義延伸，將直接信任人的直接信任域中節(jié)點(diǎn)定義為邊長為二的間接信任，稱作二度信任。依此類推，定義三度信任等。在信任鏈中，隨著鏈長增長，信任衰減則信任越弱。

多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以對一個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)證形成單一節(jié)點(diǎn)擁有多個(gè)簽名，來提高單個(gè)節(jié)點(diǎn)的可信度。節(jié)點(diǎn)間通過互相認(rèn)證，生成簽名信任域，用直接傳播方法發(fā)布和獲取用戶的可信鄰域，通過信任傳遞而建立一個(gè)信任網(wǎng)如圖2所示。PGP信任模型以用戶節(jié)點(diǎn)為中心，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以自由選擇信賴哪些證書、拒絕哪些證書，也可以根據(jù)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑條數(shù)和長度等綜合判斷其可信度。實(shí)線表示直接信任關(guān)系，是基于節(jié)點(diǎn)本身的評判認(rèn)知而建立的；虛線代表建立的間接信任關(guān)系。如果說實(shí)線是穩(wěn)定的關(guān)系，則虛線是不確定性關(guān)系。隨著認(rèn)證鏈的延長，節(jié)點(diǎn)關(guān)系越來越弱，縱向認(rèn)證的可信程度也越來越弱。如果節(jié)點(diǎn)間存在多條信任路徑，橫向上一定程度提高信任度。

圖2 PGP信任傳遞模型

2 基于鄰接矩陣的節(jié)點(diǎn)k階聚合度

2.1 節(jié)點(diǎn)關(guān)系的形式化表達(dá)

因?yàn)镻GP信任模型依賴于用戶自身的行為和決策能力，因此以用戶為中心的模型在技術(shù)水平較高和利害關(guān)系高度一致的群體中是可行的。針對聯(lián)盟鏈情況，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)可用性，系統(tǒng)全節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)中的機(jī)構(gòu)相對應(yīng)，節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)由組織成員的信用和資產(chǎn)做背書，故此系統(tǒng)中預(yù)備節(jié)點(diǎn)不存在匿名性。系統(tǒng)中由組織成員所代表的預(yù)備節(jié)點(diǎn)均被認(rèn)作合作節(jié)點(diǎn)，不存在不合作的節(jié)點(diǎn)，或者至少在這個(gè)階段是合作的。

節(jié)點(diǎn)不一定都有完全可信的直接信任節(jié)點(diǎn)。沒有完全可信節(jié)點(diǎn)作為中間介紹人的節(jié)點(diǎn)稱為孤立節(jié)點(diǎn)。作為聯(lián)盟鏈的預(yù)備節(jié)點(diǎn)至少需要存在一定數(shù)量的完全可信節(jié)點(diǎn)在后續(xù)作為信任推薦節(jié)點(diǎn)，若是孤立節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行認(rèn)證節(jié)點(diǎn)選擇時(shí)就被忽略了，需要預(yù)備節(jié)點(diǎn)大部分處于聯(lián)通圖中。對基于PGP構(gòu)建的信任網(wǎng)絡(luò)所采用的信任模型做出以下假設(shè)：(1) 節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的評判標(biāo)準(zhǔn)，自行選出一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)作為直接信任節(jié)點(diǎn)。每個(gè)預(yù)備節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)可以建立起直接信任的節(jié)點(diǎn)。(2) 節(jié)點(diǎn)之間地位平等，即使是網(wǎng)絡(luò)中的預(yù)備節(jié)點(diǎn)，其地位也平等。(3) 基于介紹人推薦的信任傳遞路徑相互獨(dú)立。

節(jié)點(diǎn)之間通過互相的信任關(guān)系，將自己信任的節(jié)點(diǎn)添加到自己的信任列表。然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)將自己的信任列表公布出去，通過獲取每個(gè)節(jié)點(diǎn)的直接信任域，從而得到所有節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系。這一過程與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無關(guān)，只針對建立的信任關(guān)系。聯(lián)盟鏈中企業(yè)或?qū)嶓w等作為一個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)，一般作為PGP用戶充當(dāng)局部的CA且相互獨(dú)立。將聯(lián)盟機(jī)構(gòu)全節(jié)點(diǎn)所代表的PGP用戶抽象為點(diǎn)，將全節(jié)點(diǎn)之間通過公鑰介紹機(jī)制建立的關(guān)系抽象為邊，通過PGP信任模型將點(diǎn)和邊映射形成一個(gè)信任關(guān)系網(wǎng)。

以本地節(jié)點(diǎn)關(guān)系為例，現(xiàn)以節(jié)點(diǎn)A為基準(zhǔn)，得到A的直接信任域，對直接信任域中節(jié)點(diǎn)的公鑰環(huán)進(jìn)行遍歷得到直接信任人的信任人，即間接信任人，與自己對間接信任人簽發(fā)證書進(jìn)行對比，取二者交集得間接信任域。從間接信任域獲得其直接信任域，如此遞歸遍歷得到A的所有可達(dá)節(jié)點(diǎn)的信任傳遞路徑，將有直接信任關(guān)系的節(jié)點(diǎn)添加邊，如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)A的信任關(guān)系

因?yàn)樾湃侮P(guān)系具有不對稱性，故節(jié)點(diǎn)關(guān)系是有向的。以圖3為例，將通過遍歷得到的信任關(guān)系用布爾矩陣表達(dá)，用兩個(gè)數(shù)組來存儲(chǔ)，一個(gè)一維數(shù)組存儲(chǔ)頂點(diǎn)信息，一個(gè)二維數(shù)組存儲(chǔ)弧的信息。設(shè)有向圖G有N個(gè)頂點(diǎn)，則鄰接矩陣是一個(gè)N×N的布爾數(shù)組，如果節(jié)點(diǎn)i信任j，即從頂點(diǎn)i到j(luò)之間有邊，則定義i行j列的元素值為1，否則為0，如式(6)所示。

(6)

圖3的鄰接矩陣表示圖上點(diǎn)到點(diǎn)恰好經(jīng)過一條邊的路徑條數(shù)的矩陣，即一步可達(dá)的路徑條數(shù)。0表示點(diǎn)到點(diǎn)恰好經(jīng)過一條邊的路徑條數(shù)為0，沒有直接的可達(dá)路徑。本文所有節(jié)點(diǎn)自身認(rèn)為不可達(dá)，則主對角線為0，減少自身傳遞的閉包。將圖3以節(jié)點(diǎn)A為起始點(diǎn)通過廣度優(yōu)先遍歷節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的鄰接矩陣M，亦稱作可達(dá)矩陣，如式(7)所示。

A0110100000000B1000010000000C1000001100000D1000000000000E0000000000000F0100000001000H0010000100100L0010000000010O0001000000000P0000000000000Q0000000000000R0000000100001S0000000000000

(7)

2.2 基于鄰接矩陣的節(jié)點(diǎn)k階聚合度計(jì)算

可達(dá)矩陣可以表示節(jié)點(diǎn)之間直接或間接關(guān)系?？蛇_(dá)關(guān)系滿足傳遞性，所有一階可達(dá)矩陣實(shí)際上又是節(jié)點(diǎn)的傳遞閉包對應(yīng)的關(guān)系矩陣。可達(dá)矩陣與自身的復(fù)合一定等于可達(dá)矩陣[8]。兩個(gè)布爾矩陣相乘，得到兩步可達(dá)的路徑條數(shù)，當(dāng)存在多條路徑和重復(fù)路徑，則表示該邊的影響更強(qiáng)。根據(jù)定理1，用鄰接矩陣自乘得到矩陣G×G表示i行到j(luò)列恰好經(jīng)過兩條邊的路徑條數(shù)的矩陣[9]。將矩陣M與自身相乘的結(jié)果如式(8)所示，M2表示節(jié)點(diǎn)間兩步可達(dá)的路徑數(shù)目。同理，Gk表示i行到j(luò)列恰好經(jīng)過k條邊的路徑條數(shù)的矩陣，即經(jīng)過k跳的路徑數(shù)目。

A2000011110000B0211000000000C0131001000010D0000000000000E0111000000000F1000010000000H1000001100000L1010001200000O0000000000000P0100000000000Q0010000000000R0010001000010S0000000100000

(8)

定理1[11]設(shè)A(G)是圖G的鄰接矩陣，則A(G)k中i行、j列元素aij表示G中連接vi到vj的長度為k的通路的數(shù)目。

Mk每行代表的行節(jié)點(diǎn)經(jīng)過k步到達(dá)列節(jié)點(diǎn)的路徑數(shù)，則行節(jié)點(diǎn)到達(dá)列節(jié)點(diǎn)的多步可達(dá)路徑數(shù)目之和的矩陣為：T=M+M2+…+Mk，k為步數(shù)。換言之，所有行節(jié)點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)列節(jié)點(diǎn)的k步以內(nèi)的路徑條數(shù)的和為Tij。T是1步到k步結(jié)果的累加，代表了行節(jié)點(diǎn)到列節(jié)點(diǎn)的k步以內(nèi)可達(dá)路徑的數(shù)目，也表示節(jié)點(diǎn)的中心性或者聚合度，T是節(jié)點(diǎn)的k階聚合度，為后續(xù)節(jié)點(diǎn)選取提供一個(gè)重要參考指標(biāo)。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任依賴于中間節(jié)點(diǎn)和路徑長度及數(shù)量，路徑可以一直延長，考慮到實(shí)際應(yīng)用則將步長限定在一定范圍內(nèi)。六度分割理論[12]可以通俗地解釋為“你和任何一個(gè)陌生人之間所間隔的人不會(huì)超過六個(gè)，也就是說，最多通過六個(gè)人你就能夠認(rèn)識任何一個(gè)陌生人”。六度分割說明了社會(huì)中普遍存在的“弱紐帶”，但是卻發(fā)揮著非常強(qiáng)大的作用。關(guān)于六度分割的應(yīng)用，將網(wǎng)絡(luò)世界比擬社會(huì)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)三度影響力對六度分割進(jìn)行強(qiáng)弱關(guān)系的定性劃分，前三度是強(qiáng)連接性，信任長度在超過三時(shí)，影響力急劇下降[12]。為保證更高的可信度而使用三度以內(nèi)的強(qiáng)連接，在此基礎(chǔ)上，且考慮到在六度理論中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)考慮當(dāng)下自己認(rèn)為可能性最高的節(jié)點(diǎn)去建立連接，考慮到強(qiáng)連接是信任傳遞基礎(chǔ)，弱連接是信任的輔助，故將步長限制于3到6之間，k取值范圍是3≤k≤6，從而只計(jì)算信任的有效影響。k值范圍固定，但是數(shù)值可變，T也稱步長可變的節(jié)點(diǎn)聚合度。

多步可達(dá)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的k步可達(dá)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的聚合度，忽略可達(dá)節(jié)點(diǎn)本身也受其本身k步可達(dá)節(jié)點(diǎn)迭代的影響，這種計(jì)算方式是靜態(tài)，沒考慮迭代影響，故下一步將迭代影響考慮進(jìn)去，以達(dá)到更精確的切實(shí)可用的結(jié)果。

3 基于PageRank信任度排名的節(jié)點(diǎn)選取

PageRank[13]是搜索引擎中網(wǎng)頁排序的經(jīng)典算法。將Web做如下抽象：將每個(gè)網(wǎng)頁抽象成一個(gè)節(jié)點(diǎn)；如果一個(gè)頁面A有鏈接直接鏈向B，則存在一條有向邊從A到B(多個(gè)相同鏈接不重復(fù)計(jì)算邊)。整個(gè)Web被抽象為一幅有向圖。對每個(gè)目標(biāo)網(wǎng)頁附上權(quán)值，權(quán)值大的就靠前顯示，權(quán)值小的就靠后顯示。PageRank算法借鑒學(xué)術(shù)界論文重要性的評估方法：誰被引用的次數(shù)多，誰就越重要[13]。

在計(jì)算信任網(wǎng)中用戶信任度時(shí)，用戶對應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用戶間的指向性信任關(guān)系抽象為邊，借鑒PageRank排名算法，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任評估排名。該算法基于“從優(yōu)質(zhì)網(wǎng)頁鏈接而來的網(wǎng)頁必定還是優(yōu)質(zhì)網(wǎng)頁”的回歸關(guān)系，在應(yīng)用中可認(rèn)為“高可信用戶認(rèn)證的用戶也必定是高可信的”。應(yīng)用在評估節(jié)點(diǎn)信任排名時(shí)具體為：當(dāng)節(jié)點(diǎn)A有一個(gè)信任連接指向節(jié)點(diǎn)B，就認(rèn)為節(jié)點(diǎn)B獲得了節(jié)點(diǎn)A對它貢獻(xiàn)的分值，該值的多少取決于節(jié)點(diǎn)A本身的可信程度，節(jié)點(diǎn)A的可信程度越高，節(jié)點(diǎn)B獲得的信任貢獻(xiàn)值就越高。換言之，相對于低信任度節(jié)點(diǎn)，高信任度節(jié)點(diǎn)影響并提高其周圍節(jié)點(diǎn)的可信度，通過高信任度節(jié)點(diǎn)及其周圍的節(jié)點(diǎn)的共同作用提高了局部的可信度。由于節(jié)點(diǎn)中信任關(guān)系的傳遞，該分值的計(jì)算是一個(gè)迭代過程，最終節(jié)點(diǎn)根據(jù)所得分值進(jìn)行排序。PageRank的數(shù)學(xué)公式如式(9)[13]所示。

(9)

式中：PR(x)是節(jié)點(diǎn)的PageRank值；PR()為信任節(jié)點(diǎn)x的節(jié)點(diǎn)Yi的PageRank值；Cout(Yi)為節(jié)點(diǎn)Yi所信任節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；σ為阻尼系數(shù)，表示節(jié)點(diǎn)向后傳遞信任的程度，值越大衰減程度越??；N為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。在計(jì)算中一般σ取值為0.85。

該計(jì)算比較依賴PR初始值，PageRank初始化值的選取很大程度上決定了算法的適用性，故根據(jù)節(jié)點(diǎn)的聚合程度來設(shè)定初始值。在計(jì)算中通過迭代達(dá)到數(shù)據(jù)收斂，一般迭代二十多次達(dá)到收斂。根據(jù)六度分割理論、三度影響力的劃分、節(jié)點(diǎn)選擇高信譽(yù)節(jié)點(diǎn)的傾向性，綜合考慮k步可達(dá)矩陣?yán)奂铀淼墓?jié)點(diǎn)聚合度作為節(jié)點(diǎn)PR初始值，k的取值可根據(jù)需求的精度由系統(tǒng)決定。

以圖3為例，將節(jié)點(diǎn)k階可變聚合度作為PR初始值，經(jīng)過PageRank排名算法迭代，并進(jìn)行歸一化，得到數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)k階聚合度的PR排名

PR計(jì)算經(jīng)過20次迭代，節(jié)點(diǎn)PR值在一定誤差范圍內(nèi)趨于平穩(wěn)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)k階的PR值進(jìn)行排序，比較k取值不同的情況下PR值排名變化，最后得出在k=4時(shí)相當(dāng)一部分信任高的節(jié)點(diǎn)PR值排名基本穩(wěn)定?？紤]到影響程度和效率，認(rèn)證管理節(jié)點(diǎn)選取數(shù)量為4個(gè)時(shí)，此時(shí)節(jié)點(diǎn)C、L、H和R的PR值較高，可以作為聯(lián)盟鏈認(rèn)證節(jié)點(diǎn)。當(dāng)k值越大，節(jié)點(diǎn)PR值越集中。最后的PR值排名和節(jié)點(diǎn)選取之間受數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)規(guī)模、選取數(shù)量等因素影響。不同情況下k值可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)整。

對于認(rèn)證節(jié)點(diǎn)的選取要遵循幾個(gè)原則：不能過度集中，節(jié)點(diǎn)必須有一定的數(shù)量才能保證去中心化；后續(xù)由這些節(jié)點(diǎn)頒發(fā)全局認(rèn)證的證書的安全性也依賴于共識機(jī)制中對惡意節(jié)點(diǎn)的比例上限，不能集體作弊；考慮到共識效率，節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也不能過多，在去中心化性和效率和安全性上做一個(gè)折中。最終選擇信任高的節(jié)點(diǎn)作為認(rèn)證節(jié)點(diǎn)，依賴于所追求的效率和去中心化程度。

4 結(jié) 語

聯(lián)盟鏈中采用單節(jié)點(diǎn)做身份認(rèn)證，導(dǎo)致權(quán)力不對等且難以滿足去中心化的問題，提出面向聯(lián)盟鏈的去中心化身份認(rèn)證節(jié)點(diǎn)選取方案。該方案通過PGP公鑰介紹機(jī)制自底向上地建立認(rèn)證機(jī)制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)影響力進(jìn)行信任評估排名，最后選出n個(gè)PR值排名靠前的節(jié)點(diǎn)作為認(rèn)證節(jié)點(diǎn)。在聯(lián)盟鏈內(nèi)選出一定數(shù)量的高信譽(yù)節(jié)點(diǎn)作為身份認(rèn)證節(jié)點(diǎn)，來保證身份認(rèn)證的去中心化，從而該方案面向聯(lián)盟鏈身份認(rèn)證滿足區(qū)塊鏈中扁平化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高身份認(rèn)證的可用性和安全性。

本文為聯(lián)盟鏈認(rèn)證節(jié)點(diǎn)的信任評估和選取提供一條新的途徑，具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。對節(jié)點(diǎn)的正向傳遞影響力進(jìn)行評估，對可能出現(xiàn)惡意節(jié)點(diǎn)的破壞行為沒有檢測機(jī)制及相應(yīng)的替換方案，本文存在一定的局限性。未來我們將增加對節(jié)點(diǎn)的多方位評估，力求更加接近真實(shí)應(yīng)用環(huán)境，并為后續(xù)節(jié)點(diǎn)的替換方案做足工作。