構造移動P2P環(huán)境下的分布式信任模型

馮景瑜 張玉清

1西安電子科技大學計算機網(wǎng)絡與信息安全教育部重點實驗室 陜西 710071 2中國科學院研究生院國家計算機網(wǎng)絡入侵防范中心 北京 100043

0 引言

P2P(Peer-to-Peer)是一種新興的不依賴中心實體的分布式網(wǎng)絡環(huán)境，在分布式計算、文件共享、電子市場等領域得到了廣泛的應用。目前，隨著移動終端處理能力的增強和無線技術的發(fā)展，P2P技術已經(jīng)擴展到移動計算領域。與傳統(tǒng)的P2P網(wǎng)絡相比，移動P2P環(huán)境中的網(wǎng)絡拓撲結構隨著節(jié)點的移動而動態(tài)變化，節(jié)點加入和退出網(wǎng)絡的頻繁性更加突出。移動P2P網(wǎng)絡的這種高度動態(tài)性，使其收益與風險并存，更容易滋生惡意節(jié)點的欺詐、濫用網(wǎng)絡資源行為。一種可行的方法是構造信任模型，對用戶評定信任等級，選擇信任等級高的節(jié)點進行交易。

現(xiàn)有的信任模型主要針對固定網(wǎng)絡，無法適應移動P2P網(wǎng)絡的高度動態(tài)性特征。典型的局部信任模型如 Cornelli，通過簡單的局部廣播手段，詢問有限的節(jié)點以獲取某個節(jié)點的可信性。這種方式的優(yōu)點是計算簡便、收斂快；不足處在于局部范圍內(nèi)的查詢，在節(jié)點頻繁加入和離開的移動P2P網(wǎng)絡中，容易出現(xiàn)評價數(shù)據(jù)的匱乏?；谌值男湃文Ｐ停儐柧W(wǎng)絡中的所有節(jié)點來獲取某個節(jié)點的可信性，容易對網(wǎng)絡產(chǎn)生較大的系統(tǒng)開銷，難以應用于節(jié)點能力有限的移動P2P網(wǎng)絡中。

文獻提出了一種移動 P2P網(wǎng)絡信任模型(Power Peer-Based Trust Model, PPTM)。該模型將移動P2P網(wǎng)絡劃分多個組，每個組都由一個Power節(jié)點管理組內(nèi)節(jié)點的評價查詢。當組內(nèi)節(jié)點發(fā)出查詢請求時，本組的Power節(jié)點與其余組的Power節(jié)點進行交涉，聚集評價數(shù)據(jù)，計算出信任度。這種方案將計算量集中到Power節(jié)點處，但Power節(jié)點來源于普通的移動設備，同時應對多個組內(nèi)節(jié)點的信任計算需求時，移動設備計算能力的有限性會使其存在單點失效的問題。

本文從節(jié)點的報文轉發(fā)能力得到啟發(fā)，提出了一種移動P2P環(huán)境下的分布式信任模MobTrust，使節(jié)點各自維護自己的信任計算需求。節(jié)點執(zhí)行轉發(fā)功能時，根據(jù)邏輯距離備份被轉發(fā)的評價數(shù)據(jù)，使其分布式存儲于網(wǎng)絡中，提高了評價數(shù)據(jù)利用率。同時，設計雙反饋機制用于保障評價數(shù)據(jù)的可靠性，在此基礎上以輕量級地計算方式得出信任度，減輕了移動設備計算能力的消耗。

1 MobTrust信任模型

1.1 評價數(shù)據(jù)的分布式存儲

由于移動P2P網(wǎng)絡的高度動態(tài)性，僅依靠推薦節(jié)點獲取評價數(shù)據(jù)，很容易造成評價數(shù)據(jù)在關鍵時刻的缺失。MobTrust引入K桶理論，設置檔案節(jié)點，使其基于邏輯距離存儲被轉發(fā)的評價數(shù)據(jù)。

定義1. 以二進制標示節(jié)點ID，則兩個節(jié)點x,y之間的邏輯距離定義為ID上的二進制異或運算，既d(x, y)= x⊕y。對應位相同時結果為0，不同時結果為1。例如：

顯然，這兩個節(jié)點的邏輯距離為27＋20＝129。

定義2. 對于0≦i≦K，每個檔案節(jié)點記錄距離其[2i, 2i+1)范圍內(nèi)的推薦節(jié)點所提交的評價數(shù)據(jù)，并存儲在形如＜IDs,IDc→IDd,R, TS ＞格式的列表中。這些列表構成了檔案節(jié)點的K桶，其結構如表1所示。

表1 K桶結構

其中，dis=2i+1-2i,表示每個列表的最大存儲量。IDs、IDc和IDd分別表示源節(jié)點、推薦節(jié)點、目標節(jié)點的ID；R為被記錄的評價數(shù)據(jù)；TS為時間戳。

每個K桶的覆蓋范圍呈指數(shù)關系，且以推薦節(jié)點的ID為基準，這就形成了評價數(shù)據(jù)在推薦節(jié)點附近的分布，從而保證推薦節(jié)點離線時，網(wǎng)絡中仍有多個節(jié)點響應評價查詢請求。當檔案節(jié)點轉發(fā)一個評價時，依據(jù)推薦節(jié)點的 ID查詢和更新K 桶，執(zhí)行如下步驟：

Step 1. 計算自己和目標節(jié)點的邏輯距離d(x, y)= x⊕y。

Step 2. 判定0≦d(x, y)≦2K是否成立。若成立，繼續(xù)執(zhí)行Step 3，否則丟棄該評價。

Step 3. 如果K桶中已存有關于y的評價數(shù)據(jù)，根據(jù)時間戳，覆蓋舊的數(shù)據(jù)。否則，跳轉到Step4。

Step 4. 定位到對應的列表中，存儲該評價。

Step 5. 如果x向某個源節(jié)點提供K桶中的評價數(shù)據(jù)，則等待交易雙發(fā)的評價反饋。

1.2 評價可信性處理

由于移動設備處理能力弱、存儲能力有限，以及待機時間較短等諸多因素的存在，建立在復雜計算方式上的評價可信度，會嚴重增加移動設備的負荷。針對這一問題，本文設計雙反饋機制用于提高檔案節(jié)點所存儲數(shù)據(jù)的可靠性。在此基礎上，使用評價量化機制，以輕量級的計算方式得出評價可信度。

（1）雙反饋更新機制

作為對分布式存儲機制的補充，雙反饋機制要求源節(jié)點和目標節(jié)點反饋交易結果評價，并運用一致性函數(shù)，更新推薦節(jié)點的K桶。

設Fs和Fd分別是源節(jié)點和目標節(jié)點在交易完成后反饋的評價，引入一致性函數(shù)ψ：

表示兩個反饋評價之間的距離，θ是給定的距離闕值。檔案節(jié)點收到反饋后，結合R進行一致性驗證處理：

① 當ψ==1時，雙方反饋一致。用Fs更新R。

② 當ψ==0時，一方?jīng)]有反饋。如果Fd== n ull，表明惡意節(jié)點妄圖通過不遞交反饋，掩飾其惡意行為，用min(Fs,R) 更新R。如果Fs==null，表明源節(jié)點不想更新目標節(jié)點的評價數(shù)據(jù)，用min(Fd,R)更新R。

③ 當ψ= =-1時，雙方反饋不一致。表明一方提交了不真實的反饋，可能是源節(jié)點欺騙，也可能是惡意節(jié)點掩飾，用min(Fs,Fd,R) 更新R。

（2）評價量化機制

區(qū)別評價數(shù)據(jù)來源，在以源節(jié)點優(yōu)先考慮自身評價的原則下，計算評價可信度。

“自身評價最優(yōu)”原則. 節(jié)點總是認為自己是最可信的，若源節(jié)點自身具有目標節(jié)點的交易經(jīng)驗評價，則以此量化評價可信度。

設Φ={Rc-i|0≦i≦M}為推薦節(jié)點的評價數(shù)據(jù)集合，Ψ ={Ra-i|0≦i≦N}為檔案節(jié)點的評價數(shù)據(jù)集合，則推薦節(jié)點和檔案節(jié)點的評價可信度分別為

“大多數(shù)判決”原則. 若源節(jié)點自身缺乏交易經(jīng)驗評價，則寄希望于觀察大多數(shù)成員的意見。本文中，檔案節(jié)點在K桶中存儲評價數(shù)據(jù)時，要求源節(jié)點交易完成后反饋評價，通過雙反饋機制保證所存儲數(shù)據(jù)的真實性。此外，使用推薦節(jié)點的ID更新K桶中的數(shù)據(jù)，使得檔案節(jié)點分散在網(wǎng)絡的不同位置，增加了相互合謀串聯(lián)的難度。基于此，檔案節(jié)點存儲的評價數(shù)據(jù)可成為“大多數(shù)判決”的依據(jù)，則其中，為Ψ集合中的評價數(shù)據(jù)均值。

1.3 信任度量

進行信任度量時，源節(jié)點首先考慮自身存儲的評價數(shù)據(jù)。若自身沒有，或評價數(shù)據(jù)不充分的情況下，則向網(wǎng)絡發(fā)出查詢請求。

定義 3.Txy表示源節(jié)點x對目標節(jié)點y的信任度量結果，既信任度。該值反映了目標節(jié)點的可信性，以數(shù)值的形式直觀表述出來，作為源節(jié)點的交易判定依據(jù)。則，Txy的計算如下：

其中DTxy和ITxy分別對應y相對于x的直接信任度和間接信任度，權重因子α表示x對DTxy的依賴程度。α的計算與x對自身經(jīng)驗評價的信心程度cof(confidence)成正比，而與時間衰減度總和成反比：

定義4. 直接信任度是源節(jié)點對目標節(jié)點信任程度的直接經(jīng)驗度量。

設x與y在時間段[tstart,tend]內(nèi)共進行n次交易，第k次交易結束后，x評價y的交易行為，得出評價Sk，于是

?k為時間衰減度，弱化源節(jié)點以往評價對當前信任度計算的影響。?k的計算如下：

定義5. 間接信任度ITxy是x綜合其它節(jié)點的評價得出對y的信任程度評估。假定x發(fā)出查詢請求后，M個推薦節(jié)點響應請求并提交評價。同時從N個檔案節(jié)點處獲得評價數(shù)據(jù)。則：

2 仿真及分析

2.1 仿真環(huán)境

仿真以文件共享應用為場景，基于PeerSim實驗平臺，使用Java語言編程實現(xiàn)。仿真中，節(jié)點以一定概率在線，通過模擬節(jié)點任意加入和離開的過程考察 MobTrust對網(wǎng)絡動態(tài)性的適應能力。表2為仿真實驗的參數(shù)設置。

表2 仿真參數(shù)設置

2.2 仿真結果及分析

（1）評價數(shù)據(jù)利用率

評價數(shù)據(jù)利用率是每輪循環(huán)中評價查詢請求的響應總次數(shù)與交易結果評價總次數(shù)的比值，反映評價數(shù)據(jù)的綜合利用情況。

如圖 1所示，使用分布式存儲機制(Distributed Storage Scheme, DSS)后，MobTrust的評價數(shù)據(jù)利用率得到了顯著提高。這是因為DSS擴展了存儲評價數(shù)據(jù)的存儲范圍，即使推薦節(jié)點離線，也會有檔案節(jié)點響應評價查詢請求。相反，未使用DSS前，由于節(jié)點動態(tài)地加入或離開網(wǎng)絡，造成一些評價數(shù)據(jù)在關鍵時刻丟失，評價數(shù)據(jù)利用率就低。

圖1 評價數(shù)據(jù)利用率

（2）交易成功率

交易成功率是節(jié)點的成功交易總次數(shù)占所有交易總次數(shù)的比率，反映信任模型的應用效果。

圖2 不同規(guī)模惡意節(jié)點存在時的交易成功率

由圖2所示，引入雙反饋機制 (Bi-feedback Scheme: BFS)后，檔案節(jié)點根據(jù)交易雙方的評價反饋，更新存儲數(shù)據(jù)，保證了信任度量的準確性，以此達到提高成功交易總次數(shù)的目的。因此，隨著惡意節(jié)點比例的增加，BFS能使 MobTrust的交易成功率緩慢下降。對于未使用 BFS的 MobTrust，因為僅分析處理推薦節(jié)點提交的評價數(shù)據(jù)，很容易受到虛假評價的欺騙，所以難以保證信任度量的準確性。

（3）系統(tǒng)開銷

在信任模型運行過程中的系統(tǒng)開銷以評價數(shù)據(jù)的聚集時間來計量，包括所有的評價查詢、響應處理、信任計算等。Eigentrust、PPTM和MobTrust的系統(tǒng)開銷如圖3所示。

隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷增大，Eigentrust因為采取全局方式聚集評價數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)開銷迅速增加。相比而言，PPTM由Power節(jié)點負責信任計算，減輕了移動設備的負擔，所以系統(tǒng)開銷低于 Eigentrust。MobTrust要求每個檔案節(jié)點記錄距離其2K范圍內(nèi)的節(jié)點所提交的評價數(shù)據(jù)，經(jīng)過多輪循環(huán)，某些遠方推薦節(jié)點的評價數(shù)據(jù)被迭代存儲到源節(jié)點附近。即使源節(jié)點發(fā)出局部范圍內(nèi)的評價查詢請求，也會出現(xiàn)較多的節(jié)點響應。因而，MobTrust系統(tǒng)開銷的增加比較平緩。

圖3 系統(tǒng)開銷對比

3 結論

本文針對移動P2P網(wǎng)絡的高度動態(tài)性，提出了一種新的信任模型MobTrust。該模型使用K桶技術，要求每個檔案節(jié)點記錄距離其2K范圍內(nèi)的節(jié)點所提交的評價數(shù)據(jù)，使評價數(shù)據(jù)廣泛地分布式存儲于網(wǎng)絡中。同時，設計雙反饋機制，保證了信任度量的準確性。仿真結果表明，MobTrust相比傳統(tǒng)的信任模型，降低了系統(tǒng)開銷，并擁有較好的評價數(shù)據(jù)利用率和交易成功率。

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