信任模型在媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的實現(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，很難實現(xiàn)；文獻(xiàn)[6]在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上提出了在對等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實現(xiàn)信任模型的方法，但是需要設(shè)計和維護(hù)一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有較高的時間復(fù)雜度；文獻(xiàn)[7]的模型的信任度既采用來自其提供的服務(wù)又來自別人的推薦，而且信任度可以通過和其他節(jié)點(diǎn)交換信息來更新；文獻(xiàn)[8]給出了一個基于二進(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象，如何進(jìn)行交易對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的時間，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，介紹了各個模塊在模型中的具體實現(xiàn)，最后對信任模型在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)實現(xiàn)的性能進(jìn)行了測試。

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)送評價信息。

2）智能節(jié)點(diǎn)。保存其下所有興趣組內(nèi)的用戶列表；對任意節(jié)點(diǎn)i，向其檔案點(diǎn)j請求獲得其他節(jié)點(diǎn)對i的信任評價信息；并根據(jù)本地保存的各評價節(jié)點(diǎn)的全局信任信息，計算各個節(jié)點(diǎn)的全局信任度。

3）評價檔案點(diǎn)。是終端用戶用來存儲其他節(jié)點(diǎn)對檔案節(jié)點(diǎn)上的評價節(jié)點(diǎn)的交易評價信息，有一定的存儲空間，并響應(yīng)智能節(jié)點(diǎn)的信任評價信息請求。檔案點(diǎn)對上面存儲的評價節(jié)點(diǎn)信息處于透明狀態(tài)，以防止檔案點(diǎn)對評價節(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、信任請求管理、信任評價管理、檔案點(diǎn)信任更新管理和信任度計算管理等模塊。此外，P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中智能節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一個用來存放興趣組內(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，同時Peer和檔案點(diǎn)維護(hù)本地交易記錄（含歷史交易記錄）和用戶的評價信息。

2.2 信任請求管理

信任請求管理的主要功能包括：通過發(fā)送請求從智能節(jié)點(diǎn)獲得用戶列表信息及用戶對應(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，Peer先向智能節(jié)點(diǎn)發(fā)送資源查詢請求（包括節(jié)目名稱、類型或關(guān)鍵字等）。

圖3展示了信任請求管理過程：1）用戶發(fā)送資源查詢請求消息，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)送用戶列表請求消息。3）智能節(jié)點(diǎn)收到用戶列表請求消息，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，智能節(jié)點(diǎn)根據(jù)信任度返回最大時間間隔，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)送用戶列表及對應(yīng)的新的信任度返回給請求用戶。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)對檔案點(diǎn)上存儲節(jié)點(diǎn)的評價信息，驗證其有效性。存儲的該評價信息作用有：1）評價信息在易于交易雙方的節(jié)點(diǎn)存放，保證了評價信息存放的安全性；2）評價信息集中存放，便于智能節(jié)點(diǎn)在計算信任度時一次請求即可獲取所有評價信息，減少了請求消息開銷。

信任更新的流程描述如下：1）檔案點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)的評價信息。2）提取評價節(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）檢查評價節(jié)點(diǎn)的評價更新間隔是否大于程序設(shè)定的最小評價間隔，大于則轉(zhuǎn)入步驟4），否則結(jié)束。4）驗證本次提交的評價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）更新提交的評價信息。

2.4 計算信任度

信任度計算是整個模型設(shè)計比較重要的一環(huán)，負(fù)責(zé)計算興趣組內(nèi)每個節(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)行計算的，通過這種方式既能保證信任計算的安全，又能減少信任度計算時的請求消息數(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算間隔字段是否超時，如果超時轉(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)送獲得信任評價信息的請求給該節(jié)點(diǎn)。3）如果沒有有效評價就返回j當(dāng)下的信任值；否則，轉(zhuǎn)入步驟4）。4）根據(jù)返回的信任評價信息計算其他節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)j的推薦度。5）從智能節(jié)點(diǎn)信任度庫表中取得每個評價節(jié)點(diǎn)的全局信任度。6）通過計算獲取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)送給請求交易的節(jié)點(diǎn)。

3 性能測試

在清華大學(xué)、中國傳媒大學(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)。在中國傳媒大學(xué)校園網(wǎng)上設(shè)置10個智能節(jié)點(diǎn)和240個客戶端；在清華大學(xué)校園網(wǎng)上設(shè)置1個智能節(jié)點(diǎn)和60個客戶端；在北京交通大學(xué)校園網(wǎng)上設(shè)置1個智能節(jié)點(diǎn)和60個用戶端。這樣共計12個智能節(jié)點(diǎn)和360個客戶端。

本文對該模型的性能按照如下方法進(jìn)行測試：首先，在媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中不使用信任模型，測試1個用戶同時下載8個文件（文件大小為2 kbyte～1 Mbyte）時，分別統(tǒng)計在不同的情況下（惡意節(jié)點(diǎn)的比例不同）下載完成8個文件的成功和失敗次數(shù)，從而計算平均成功下載率。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個文件的成功和失敗次數(shù)，計算平均成功下載率。圖4是兩組實驗的測試數(shù)據(jù)。

通過對比測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，惡意節(jié)點(diǎn)比例小于0.2時，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，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)，對該信任模型進(jìn)行了性能測試，測試結(jié)果完全達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計需求。信任模型在P2P媒體點(diǎn)播系統(tǒng)中的實現(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，具有較好的實用和推廣價值。

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