構(gòu)造移動(dòng)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(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 710071 2中國科學(xué)院研究生院國家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shí)體的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在分布式計(jì)算、文件共享、電子市場等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，隨著移動(dòng)終端處理能力的增強(qiáng)和無線技術(shù)的發(fā)展，P2P技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的P2P網(wǎng)絡(luò)相比，移動(dòng)P2P環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而動(dòng)態(tài)變化，節(jié)點(diǎn)加入和退出網(wǎng)絡(luò)的頻繁性更加突出。移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)的這種高度動(dòng)態(tài)性，使其收益與風(fēng)險(xiǎn)并存，更容易滋生惡意節(jié)點(diǎn)的欺詐、濫用網(wǎng)絡(luò)資源行為。一種可行的方法是構(gòu)造信任模型，對(duì)用戶評(píng)定信任等級(jí)，選擇信任等級(jí)高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交易。

現(xiàn)有的信任模型主要針對(duì)固定網(wǎng)絡(luò)，無法適應(yīng)移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)的高度動(dòng)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(diǎn)以獲取某個(gè)節(jié)點(diǎn)的可信性。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡便、收斂快；不足處在于局部范圍內(nèi)的查詢，在節(jié)點(diǎn)頻繁加入和離開的移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)中，容易出現(xiàn)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的匱乏。基于全局的信任模型，詢問網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)來獲取某個(gè)節(jié)點(diǎn)的可信性，容易對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的系統(tǒng)開銷，難以應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)能力有限的移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)中。

文獻(xiàn)提出了一種移動(dòng) P2P網(wǎng)絡(luò)信任模型(Power Peer-Based Trust Model, PPTM)。該模型將移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)劃分多個(gè)組，每個(gè)組都由一個(gè)Power節(jié)點(diǎn)管理組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)查詢。當(dāng)組內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)出查詢請(qǐng)求時(shí)，本組的Power節(jié)點(diǎn)與其余組的Power節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交涉，聚集評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，計(jì)算出信任度。這種方案將計(jì)算量集中到Power節(jié)點(diǎn)處，但Power節(jié)點(diǎn)來源于普通的移動(dòng)設(shè)備，同時(shí)應(yīng)對(duì)多個(gè)組內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信任計(jì)算需求時(shí)，移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的有限性會(huì)使其存在單點(diǎn)失效的問題。

本文從節(jié)點(diǎn)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力得到啟發(fā)，提出了一種移動(dòng)P2P環(huán)境下的分布式信任模MobTrust，使節(jié)點(diǎn)各自維護(hù)自己的信任計(jì)算需求。節(jié)點(diǎn)執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)功能時(shí)，根據(jù)邏輯距離備份被轉(zhuǎn)發(fā)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，使其分布式存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)中，提高了評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率。同時(shí)，設(shè)計(jì)雙反饋機(jī)制用于保障評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的可靠性，在此基礎(chǔ)上以輕量級(jí)地計(jì)算方式得出信任度，減輕了移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的消耗。

1 MobTrust信任模型

1.1 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)

由于移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)的高度動(dòng)態(tài)性，僅依靠推薦節(jié)點(diǎn)獲取評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，很容易造成評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在關(guān)鍵時(shí)刻的缺失。MobTrust引入K桶理論，設(shè)置檔案節(jié)點(diǎn)，使其基于邏輯距離存儲(chǔ)被轉(zhuǎn)發(fā)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

定義1. 以二進(jìn)制標(biāo)示節(jié)點(diǎn)ID，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)x,y之間的邏輯距離定義為ID上的二進(jìn)制異或運(yùn)算，既d(x, y)= x⊕y。對(duì)應(yīng)位相同時(shí)結(jié)果為0，不同時(shí)結(jié)果為1。例如：

顯然，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯距離為27＋20＝129。

定義2. 對(duì)于0≦i≦K，每個(gè)檔案節(jié)點(diǎn)記錄距離其[2i, 2i+1)范圍內(nèi)的推薦節(jié)點(diǎn)所提交的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在形如＜IDs,IDc→IDd,R, TS ＞格式的列表中。這些列表構(gòu)成了檔案節(jié)點(diǎn)的K桶，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 K桶結(jié)構(gòu)

其中，dis=2i+1-2i,表示每個(gè)列表的最大存儲(chǔ)量。IDs、IDc和IDd分別表示源節(jié)點(diǎn)、推薦節(jié)點(diǎn)、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的ID；R為被記錄的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)；TS為時(shí)間戳。

每個(gè)K桶的覆蓋范圍呈指數(shù)關(guān)系，且以推薦節(jié)點(diǎn)的ID為基準(zhǔn)，這就形成了評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在推薦節(jié)點(diǎn)附近的分布，從而保證推薦節(jié)點(diǎn)離線時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中仍有多個(gè)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)評(píng)價(jià)查詢請(qǐng)求。當(dāng)檔案節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)評(píng)價(jià)時(shí)，依據(jù)推薦節(jié)點(diǎn)的 ID查詢和更新K 桶，執(zhí)行如下步驟：

Step 1. 計(jì)算自己和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(píng)價(jià)。

Step 3. 如果K桶中已存有關(guān)于y的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，根據(jù)時(shí)間戳，覆蓋舊的數(shù)據(jù)。否則，跳轉(zhuǎn)到Step4。

Step 4. 定位到對(duì)應(yīng)的列表中，存儲(chǔ)該評(píng)價(jià)。

Step 5. 如果x向某個(gè)源節(jié)點(diǎn)提供K桶中的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，則等待交易雙發(fā)的評(píng)價(jià)反饋。

1.2 評(píng)價(jià)可信性處理

由于移動(dòng)設(shè)備處理能力弱、存儲(chǔ)能力有限，以及待機(jī)時(shí)間較短等諸多因素的存在，建立在復(fù)雜計(jì)算方式上的評(píng)價(jià)可信度，會(huì)嚴(yán)重增加移動(dòng)設(shè)備的負(fù)荷。針對(duì)這一問題，本文設(shè)計(jì)雙反饋機(jī)制用于提高檔案節(jié)點(diǎn)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性。在此基礎(chǔ)上，使用評(píng)價(jià)量化機(jī)制，以輕量級(jí)的計(jì)算方式得出評(píng)價(jià)可信度。

（1）雙反饋更新機(jī)制

作為對(duì)分布式存儲(chǔ)機(jī)制的補(bǔ)充，雙反饋機(jī)制要求源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)反饋交易結(jié)果評(píng)價(jià)，并運(yùn)用一致性函數(shù)，更新推薦節(jié)點(diǎn)的K桶。

設(shè)Fs和Fd分別是源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在交易完成后反饋的評(píng)價(jià)，引入一致性函數(shù)ψ：

表示兩個(gè)反饋評(píng)價(jià)之間的距離，θ是給定的距離闕值。檔案節(jié)點(diǎn)收到反饋后，結(jié)合R進(jìn)行一致性驗(yàn)證處理：

① 當(dāng)ψ==1時(shí)，雙方反饋一致。用Fs更新R。

② 當(dāng)ψ==0時(shí)，一方?jīng)]有反饋。如果Fd== n ull，表明惡意節(jié)點(diǎn)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(diǎn)不想更新目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，用min(Fd,R)更新R。

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

（2）評(píng)價(jià)量化機(jī)制

區(qū)別評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來源，在以源節(jié)點(diǎn)優(yōu)先考慮自身評(píng)價(jià)的原則下，計(jì)算評(píng)價(jià)可信度。

“自身評(píng)價(jià)最優(yōu)”原則. 節(jié)點(diǎn)總是認(rèn)為自己是最可信的，若源節(jié)點(diǎn)自身具有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的交易經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)，則以此量化評(píng)價(jià)可信度。

設(shè)Φ={Rc-i|0≦i≦M}為推薦節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集合，Ψ ={Ra-i|0≦i≦N}為檔案節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集合，則推薦節(jié)點(diǎn)和檔案節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)可信度分別為

“大多數(shù)判決”原則. 若源節(jié)點(diǎn)自身缺乏交易經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)，則寄希望于觀察大多數(shù)成員的意見。本文中，檔案節(jié)點(diǎn)在K桶中存儲(chǔ)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)時(shí)，要求源節(jié)點(diǎn)交易完成后反饋評(píng)價(jià)，通過雙反饋機(jī)制保證所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。此外，使用推薦節(jié)點(diǎn)的ID更新K桶中的數(shù)據(jù)，使得檔案節(jié)點(diǎn)分散在網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)存儲(chǔ)的評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)數(shù)據(jù)均值。

1.3 信任度量

進(jìn)行信任度量時(shí)，源節(jié)點(diǎn)首先考慮自身存儲(chǔ)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。若自身沒有，或評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)不充分的情況下，則向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出查詢請(qǐng)求。

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

其中DTxy和ITxy分別對(duì)應(yīng)y相對(duì)于x的直接信任度和間接信任度，權(quán)重因子α表示x對(duì)DTxy的依賴程度。α的計(jì)算與x對(duì)自身經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)的信心程度cof(confidence)成正比，而與時(shí)間衰減度總和成反比：

定義4. 直接信任度是源節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信任程度的直接經(jīng)驗(yàn)度量。

設(shè)x與y在時(shí)間段[tstart,tend]內(nèi)共進(jìn)行n次交易，第k次交易結(jié)束后，x評(píng)價(jià)y的交易行為，得出評(píng)價(jià)Sk，于是

?k為時(shí)間衰減度，弱化源節(jié)點(diǎn)以往評(píng)價(jià)對(duì)當(dāng)前信任度計(jì)算的影響。?k的計(jì)算如下：

定義5. 間接信任度ITxy是x綜合其它節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)得出對(duì)y的信任程度評(píng)估。假定x發(fā)出查詢請(qǐng)求后，M個(gè)推薦節(jié)點(diǎn)響應(yīng)請(qǐng)求并提交評(píng)價(jià)。同時(shí)從N個(gè)檔案節(jié)點(diǎn)處獲得評(píng)價(jià)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(yīng)用為場景，基于PeerSim實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用Java語言編程實(shí)現(xiàn)。仿真中，節(jié)點(diǎn)以一定概率在線，通過模擬節(jié)點(diǎn)任意加入和離開的過程考察 MobTrust對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性的適應(yīng)能力。表2為仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果及分析

（1）評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率

評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率是每輪循環(huán)中評(píng)價(jià)查詢請(qǐng)求的響應(yīng)總次數(shù)與交易結(jié)果評(píng)價(jià)總次數(shù)的比值，反映評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的綜合利用情況。

如圖 1所示，使用分布式存儲(chǔ)機(jī)制(Distributed Storage Scheme, DSS)后，MobTrust的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率得到了顯著提高。這是因?yàn)镈SS擴(kuò)展了存儲(chǔ)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)范圍，即使推薦節(jié)點(diǎn)離線，也會(huì)有檔案節(jié)點(diǎn)響應(yīng)評(píng)價(jià)查詢請(qǐng)求。相反，未使用DSS前，由于節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)地加入或離開網(wǎng)絡(luò)，造成一些評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)在關(guān)鍵時(shí)刻丟失，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率就低。

圖1 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率

（2）交易成功率

交易成功率是節(jié)點(diǎn)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(yīng)用效果。

圖2 不同規(guī)模惡意節(jié)點(diǎn)存在時(shí)的交易成功率

由圖2所示，引入雙反饋機(jī)制 (Bi-feedback Scheme: BFS)后，檔案節(jié)點(diǎn)根據(jù)交易雙方的評(píng)價(jià)反饋，更新存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保證了信任度量的準(zhǔn)確性，以此達(dá)到提高成功交易總次數(shù)的目的。因此，隨著惡意節(jié)點(diǎn)比例的增加，BFS能使 MobTrust的交易成功率緩慢下降。對(duì)于未使用 BFS的 MobTrust，因?yàn)閮H分析處理推薦節(jié)點(diǎn)提交的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，很容易受到虛假評(píng)價(jià)的欺騙，所以難以保證信任度量的準(zhǔn)確性。

（3）系統(tǒng)開銷

在信任模型運(yùn)行過程中的系統(tǒng)開銷以評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的聚集時(shí)間來計(jì)量，包括所有的評(píng)價(jià)查詢、響應(yīng)處理、信任計(jì)算等。Eigentrust、PPTM和MobTrust的系統(tǒng)開銷如圖3所示。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，Eigentrust因?yàn)椴扇∪址绞骄奂u(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)開銷迅速增加。相比而言，PPTM由Power節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信任計(jì)算，減輕了移動(dòng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，所以系統(tǒng)開銷低于 Eigentrust。MobTrust要求每個(gè)檔案節(jié)點(diǎn)記錄距離其2K范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)所提交的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，經(jīng)過多輪循環(huán)，某些遠(yuǎn)方推薦節(jié)點(diǎn)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)被迭代存儲(chǔ)到源節(jié)點(diǎn)附近。即使源節(jié)點(diǎn)發(fā)出局部范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)查詢請(qǐng)求，也會(huì)出現(xiàn)較多的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。因而，MobTrust系統(tǒng)開銷的增加比較平緩。

圖3 系統(tǒng)開銷對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)的高度動(dòng)態(tài)性，提出了一種新的信任模型MobTrust。該模型使用K桶技術(shù)，要求每個(gè)檔案節(jié)點(diǎn)記錄距離其2K范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)所提交的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，使評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)廣泛地分布式存儲(chǔ)于網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，設(shè)計(jì)雙反饋機(jī)制，保證了信任度量的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)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(píng)價(jià)數(shù)據(jù)利用率和交易成功率。

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