信任模型在媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

黃繼海，張 文，李海濤

（1.中州大學(xué) 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450044；2.國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)中心，河南 鄭州 450002）

0 引言

目前，眾多學(xué)者對(duì)P2P信任模型已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，文獻(xiàn)[1-2]給出了證據(jù)理論的模型，文獻(xiàn)[3]給出了角色的模型等。綜合當(dāng)前P2P信任模型的研究成果[4]如下：文獻(xiàn)[5]基于社會(huì)屬性建立信任模型，是較早建立信任模型的文獻(xiàn)，但模型形式復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[6]在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上提出了在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)信任模型的方法，但是需要設(shè)計(jì)和維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有較高的時(shí)間復(fù)雜度；文獻(xiàn)[7]的模型的信任度既采用來(lái)自其提供的服務(wù)又來(lái)自別人的推薦，而且信任度可以通過和其他節(jié)點(diǎn)交換信息來(lái)更新；文獻(xiàn)[8]給出了一個(gè)基于二進(jìn)制的模型，通過查詢節(jié)點(diǎn)以往的交易行為取得節(jié)點(diǎn)的不信任度，節(jié)點(diǎn)只存儲(chǔ)與其交易的不值得信任的節(jié)點(diǎn)信息。

在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中，Peer可以自主地選擇媒體流的交易對(duì)象，如何進(jìn)行交易對(duì)象的選擇決定了媒體流交換的可靠性。如果Peer選擇的交易對(duì)象僅有較小的上傳帶寬，那么該P(yáng)eer從該交易間傳輸媒體流將消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，而且傳輸過程中還可能出現(xiàn)中斷的情況，尤其是若從惡意節(jié)點(diǎn)處下載了含有惡意內(nèi)容的文件，則還可能破壞Peer的安全。筆者基于P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)給出了信任模型的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了各個(gè)模塊在模型中的具體實(shí)現(xiàn)，最后對(duì)信任模型在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)

媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為3層（見圖1），從上到下依次為應(yīng)用層、接口層和通信層。

應(yīng)用層提供媒體點(diǎn)播過程中的各種服務(wù)：媒體流點(diǎn)播、管理和通信安全服務(wù)等。接口層主要為應(yīng)用層提供相關(guān)的接口，包括媒體流的分發(fā)、搜索、傳輸、內(nèi)容管理、安全和用戶管理模塊。通信層主要實(shí)現(xiàn)底層的選路功能，并為上面兩層提供透明的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。本文主要對(duì)接口層中的安全管理模塊——信任模型在媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行論述，解決系統(tǒng)中用戶通信的安全問題。

2 信任模型

2.1 總體結(jié)構(gòu)

該P(yáng)2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的信任模型的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

模型中包含3類節(jié)點(diǎn)：

1）Peer。媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的普通終端用戶，Peer在進(jìn)行交易的節(jié)點(diǎn)的信任度可以從智能節(jié)點(diǎn)處獲得，根據(jù)信任度大小決定是否進(jìn)行交易的能力。Peer本地記錄歷史交易結(jié)果，可以向交易節(jié)點(diǎn)的檔案點(diǎn)發(fā)送評(píng)價(jià)信息。

2）智能節(jié)點(diǎn)。保存其下所有興趣組內(nèi)的用戶列表；對(duì)任意節(jié)點(diǎn)i，向其檔案點(diǎn)j請(qǐng)求獲得其他節(jié)點(diǎn)對(duì)i的信任評(píng)價(jià)信息；并根據(jù)本地保存的各評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的全局信任信息，計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)的全局信任度。

3）評(píng)價(jià)檔案點(diǎn)。是終端用戶用來(lái)存儲(chǔ)其他節(jié)點(diǎn)對(duì)檔案節(jié)點(diǎn)上的評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的交易評(píng)價(jià)信息，有一定的存儲(chǔ)空間，并響應(yīng)智能節(jié)點(diǎn)的信任評(píng)價(jià)信息請(qǐng)求。檔案點(diǎn)對(duì)上面存儲(chǔ)的評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)信息處于透明狀態(tài)，以防止檔案點(diǎn)對(duì)評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行惡意的修改。

根據(jù)3類節(jié)點(diǎn)的具體功能，在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的信任模型程序主要包括：節(jié)點(diǎn)加入管理、信任請(qǐng)求管理、信任評(píng)價(jià)管理、檔案點(diǎn)信任更新管理和信任度計(jì)算管理等模塊。此外，P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中智能節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一個(gè)用來(lái)存放興趣組內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的組內(nèi)全局信任度信息的信任度數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)Peer和檔案點(diǎn)維護(hù)本地交易記錄（含歷史交易記錄）和用戶的評(píng)價(jià)信息。

2.2 信任請(qǐng)求管理

信任請(qǐng)求管理的主要功能包括：通過發(fā)送請(qǐng)求從智能節(jié)點(diǎn)獲得用戶列表信息及用戶對(duì)應(yīng)的信任度；結(jié)合本節(jié)點(diǎn)歷史交易根據(jù)記錄信任度大小選擇交易對(duì)象。

用戶加入節(jié)目組后就可以根據(jù)其需求下載和共享相關(guān)的媒體流了。在下載媒體數(shù)據(jù)時(shí)，Peer先向智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送資源查詢請(qǐng)求（包括節(jié)目名稱、類型或關(guān)鍵字等）。

圖3展示了信任請(qǐng)求管理過程：1）用戶發(fā)送資源查詢請(qǐng)求消息，智能節(jié)點(diǎn)返回相關(guān)資源信息。2）用戶根據(jù)資源信息，向智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送用戶列表請(qǐng)求消息。3）智能節(jié)點(diǎn)收到用戶列表請(qǐng)求消息，在擁有同一資源的用戶中隨機(jī)選擇部分用戶（用戶數(shù)的大小可以通過系統(tǒng)設(shè)定，其中默認(rèn)值為40，最大值為80，最小值為20）。同時(shí)，智能節(jié)點(diǎn)根據(jù)信任度返回最大時(shí)間間隔，觸發(fā)用戶的信任度更新管理模塊的運(yùn)行。4）智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送用戶列表及對(duì)應(yīng)的新的信任度返回給請(qǐng)求用戶。5）用戶根據(jù)返回的信任度大小、歷史交易信息以及系統(tǒng)設(shè)定的交互所需的信任度閾值，選擇要進(jìn)行交易的用戶。

2.3 檔案點(diǎn)信任更新模塊

檔案點(diǎn)信任更新模塊的主要功能是：接收其他節(jié)點(diǎn)對(duì)檔案點(diǎn)上存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)信息，驗(yàn)證其有效性。存儲(chǔ)的該評(píng)價(jià)信息作用有：1）評(píng)價(jià)信息在易于交易雙方的節(jié)點(diǎn)存放，保證了評(píng)價(jià)信息存放的安全性；2）評(píng)價(jià)信息集中存放，便于智能節(jié)點(diǎn)在計(jì)算信任度時(shí)一次請(qǐng)求即可獲取所有評(píng)價(jià)信息，減少了請(qǐng)求消息開銷。

信任更新的流程描述如下：1）檔案點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)信息。2）提取評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的ID信息，并查找二叉樹，若不存在則創(chuàng)建新的二叉樹節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)入步驟4），否則，轉(zhuǎn)入步驟3）。3）檢查評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)更新間隔是否大于程序設(shè)定的最小評(píng)價(jià)間隔，大于則轉(zhuǎn)入步驟4），否則結(jié)束。4）驗(yàn)證本次提交的評(píng)價(jià)信息中的總交易次數(shù)與上次提交的交易次數(shù)之差是否大于1，若大于1則更新過程結(jié)束，否則進(jìn)入步驟5）。5）更新提交的評(píng)價(jià)信息。

2.4 計(jì)算信任度

信任度計(jì)算是整個(gè)模型設(shè)計(jì)比較重要的一環(huán)，負(fù)責(zé)計(jì)算興趣組內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信任度，信任度是系統(tǒng)中用戶交易的信任依據(jù)。信任度是在智能節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算的，通過這種方式既能保證信任計(jì)算的安全，又能減少信任度計(jì)算時(shí)的請(qǐng)求消息數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)的開銷。

交易節(jié)點(diǎn)j的計(jì)算信任度的過程如下：1）智能節(jié)點(diǎn)判斷節(jié)點(diǎn)j的信任度信息中的計(jì)算間隔字段是否超時(shí)，如果超時(shí)轉(zhuǎn)入步驟2）；否則，直接返回節(jié)點(diǎn)j的信任度。2）查詢節(jié)點(diǎn)j的檔案點(diǎn)信息，并發(fā)送獲得信任評(píng)價(jià)信息的請(qǐng)求給該節(jié)點(diǎn)。3）如果沒有有效評(píng)價(jià)就返回j當(dāng)下的信任值；否則，轉(zhuǎn)入步驟4）。4）根據(jù)返回的信任評(píng)價(jià)信息計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)j的推薦度。5）從智能節(jié)點(diǎn)信任度庫(kù)表中取得每個(gè)評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的全局信任度。6）通過計(jì)算獲取j的全局信任度。7）把節(jié)點(diǎn)j的全局信任度通過消息方式發(fā)送給請(qǐng)求交易的節(jié)點(diǎn)。

3 性能測(cè)試

在清華大學(xué)、中國(guó)傳媒大學(xué)和北京交通大學(xué)的校園網(wǎng)（IPv6）上部署該P(yáng)2P點(diǎn)播系統(tǒng)。在中國(guó)傳媒大學(xué)校園網(wǎng)上設(shè)置10個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和240個(gè)客戶端；在清華大學(xué)校園網(wǎng)上設(shè)置1個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和60個(gè)客戶端；在北京交通大學(xué)校園網(wǎng)上設(shè)置1個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和60個(gè)用戶端。這樣共計(jì)12個(gè)智能節(jié)點(diǎn)和360個(gè)客戶端。

本文對(duì)該模型的性能按照如下方法進(jìn)行測(cè)試：首先，在媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中不使用信任模型，測(cè)試1個(gè)用戶同時(shí)下載8個(gè)文件（文件大小為2 kbyte～1 Mbyte）時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)在不同的情況下（惡意節(jié)點(diǎn)的比例不同）下載完成8個(gè)文件的成功和失敗次數(shù)，從而計(jì)算平均成功下載率。平均成功下載率是指成功下載的次數(shù)占總下載次數(shù)的比率。然后，在上述同樣的條件下在該P(yáng)2P點(diǎn)播系統(tǒng)中采用信任模型，在不同的情況下（惡意節(jié)點(diǎn)的比例不同）下載完成8個(gè)文件的成功和失敗次數(shù)，計(jì)算平均成功下載率。圖4是兩組實(shí)驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

通過對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，惡意節(jié)點(diǎn)比例小于0.2時(shí)，是否采用信任模型的P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的平均成功下載率變化不大。但惡意節(jié)點(diǎn)比例超過0.2時(shí)，隨著惡意節(jié)點(diǎn)比例的提高，采用信任模型的媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的成功下載率比不采用信任模型的差別越來(lái)越大。由此可知，本文提出的信任模型在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的用戶交易中安全性能的保證起到了良好的作用。

4 小結(jié)

本文把信任模型應(yīng)用到了P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)。提出并介紹了媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和信任模型的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)該信任模型進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)需求。信任模型在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，不但能夠保證系統(tǒng)中媒體流的傳輸效率，而且大大提高了P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)的安全性，具有較好的實(shí)用和推廣價(jià)值。

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