基于貝葉斯博弈的MP2P高性能安全資源節點選擇策略

劉巖，張國印，何金洲，徐鋒

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基于貝葉斯博弈的MP2P高性能安全資源節點選擇策略

劉巖1，張國印1，何金洲2，徐鋒1

(1. 哈爾濱工程大學計算機科學與技術學院，黑龍江哈爾濱 150001；2. 中國電信集團公司哈爾濱分公司，黑龍江哈爾濱 150001)

針對MP2P網絡節點運算能力有限、移動性強、可靠性弱導致網絡拓撲結構頻繁變化，提出一種基于貝葉斯博弈的MP2P高性能安全資源節點選擇策略。該策略首先綜合考慮節點的性能、信譽，設定了一種計算安全資源節點的方案，然后采用靜態貝葉斯博弈理論進行信任資源節點連接通信，確保請求資源節點連接高性能安全資源節點，該方案有效降低了資源節點的失效率，提高了網絡效率。

MP2P；博弈；安全；資源節點選擇

1 引言

MP2P(mobile peer-to-peer)是伴隨著P2P（peer- to-peer）網絡和移動計算領域的不斷發展而形成的新型網絡，是一種動態分布式自組織覆蓋網絡。MP2P網絡中各自治對等移動節點間采用直接交互的方式進行數據資源的傳輸、共享以及各類服務的協同處理[1]。

MP2P網絡大量節點頻繁加入、離開以及節點不斷移動所導致的一系列不穩定問題，導致MP2P網絡的管理維護較傳統P2P網絡更難。簡單地將傳統P2P網絡中資源節點的選擇方法移植到MP2P網絡會造成較長的查詢延遲、資源節點較高的失效率、安全性無法保證等問題。

本文提出了基于貝葉斯博弈的高性能安全資源節點選擇策略，首先，在網絡資源節點選擇上，側重那些信譽高、性能好的節點作為資源節點，有效降低節點的失效率和縮短查詢延遲。其次，利用貝葉斯博弈理論進行資源節點連接通信，請求資源節點可以較好地連接高性能安全資源節點，進而提高資源下載率。

2 相關工作

目前，有關MP2P網絡資源節點選擇方面的文獻較少。資源節點選擇實質上要考慮2個關鍵因素，即節點性能（包括信息處理能力和在線時長）和節點的可靠性。文獻[2]提出了2個方案：1）采用貪婪算法選擇出超級節點，節點度最大的節點作為資源節點，和其相連的鄰居節點作為葉子節點；2）采用MIS(maximum independent set)算法選擇資源節點。文獻[3,4]分別采用模糊認知圖和多屬性決策理論對MP2P系統中節點服務能力進行綜合評估。

針對MP2P網絡節點可靠性的探討工作如下。文獻[5]首次提出使用信任來解決“當請求節點對陌生節點的歷史行為不可知的情況下，是否與其進行交互的問題”，采用雙層架構的拓撲模型，采用隨機策略選擇陌生節點，信任方案應具有分布式、輕量級的特征。文獻[6]提出一種以信任理論為理念層、信任模型為可操作層、移動應用系統為應用層的可信框架。文獻[7]提出了一種基于直接、間接信譽值評估的全局信譽值評估信任機制以保障MP2P安全。

3 MP2P網絡下資源節點的選擇

3.1 資源節點性能計算

如前所述，選擇資源節點一個很重要的指標是資源節點的性能。定義3個變量描述節點綜合性能：、，其中，表示節點的信息處理能力；表示節點的在線時間；表示節點和傳播資源文件的信譽。

1) 節點的值計算如下

其中，為帶寬，為CPU速度，為存儲空間。值的大小表明節點的性能高低。

2) 節點的值計算如下

其中，為節點的移動速度；為節點總在線時長；為節點上線次數。MP2P網絡節點通信范圍有限并隨時在移動，節點的移動速度越慢，則越不容易超出此通信范圍，不會造成節點頻繁失效。此外，節點會在網絡中存在多久無法預知，但可從節點在網絡中的歷史在線時間估測其在該網絡中存在的時間。

3) 節點的計算如下

其中，R為節點的信譽，R為傳播文件的信譽。綜合信譽由節點信譽和傳播文件信譽組成，代表資源節點的可信度。

(4)

綜合以上因素，算法周期性地對節點進行評分

采用熵權法確定節點的性能指標權重。第個指標的信息熵計算式為

其中，為可獲資源節點數目，為性能指標數目，且，r表示第個資源節點的第個指標的狀態值。第個指標的熵權為

指標的信息熵E越小，其權重越大。反之，某指標的信息熵E越大，則其權重也應越小。

值存于各節點中，當請求資源節點發出資源請求時，資源節點根據性能排序形成請求節點可獲得的資源列表，如圖1所示。當新節點加入或資源節點的離開將觸發更新請求資源列表。

MP2P 網絡節點處于對等地位，節點的異質性、能力的差異、匿名性、在線時間長短等都成為影響實時性的關鍵[8]。節點選擇策略應充分考慮這些因素，選擇合適的節點，避免惡意節點攻擊以及節點失效導致的任務重調度等，從而提高系統的實時性。

3.2 貝葉斯博弈節點選擇策略

MP2P網絡中節點資源有限，大量節點失效會引起整個MP2P網絡被分割，造成系統癱瘓。因此，如何從請求資源列表中選取安全高性能資源節點為請求節點提供服務成為一個關鍵問題。

MP2P網絡中的節點本身是中性的，但操作者的善惡以及理性使節點具有了善惡、理性的屬性。這樣一來，節點變為具有理性的智能體，問題可以理解為“理性智能體間的競爭與協作問題”，相應地可以建立博弈模型給出解決問題的方案。

定義1 貝葉斯靜態博弈（2人非合作的不完全信息靜態博弈）表示為。

3) 每個參與者與其類型t相關的策略集，且和其他參與者的類型無關。

4) 每個參與者均有各自的效益函數u(1,2,…,st)。

以上4個要素同時具有，參與者同時選擇各自策略以追求各自利益最大化。節點與節點的博弈過程描述如下。該博弈范式如表1所示。

表1 RPi與LNID的博弈范式

(7)

(9)

(10)

(12)

(14)

采用雙矩陣博弈的求解方法可得如下結果。

3.3RP的節點選擇策略

4 實驗分析

4.1 環境配置

硬件環境為1.73 GHz雙核處理器和2 GB內存。軟件為NS-2.29仿真平臺。仿真實驗所需有關參數設置如表2所示。

4.2 效率測試

為驗證應用本文算法資源節點失效率較低和實時性較高，將本文算法和MIS算法[10]做測試比較如圖2所示。

從圖2可知，在相同運行時間內本文算法比MIS算法資源節點失效率低，2種算法資源節點失效率隨時間推移均變大，MIS算法節點失效率增幅加大，而本文算法節點失效率增幅相對較慢，差異程度約45%。因此，采用本文算法請求資源節點可獲目標資源節點活動周期長，網絡更加穩定。

表2 參數設置

查詢延遲是影響實時性的重要因素。好的節點選擇算法不僅可提高任務執行的成功率，還能避免因節點離開或失效導致的任務重調度，降低查詢延遲，提高系統實時性如圖3所示。

從圖3可知，隨著節點規模的增加，MIS算法查詢延遲增幅較大，而本文算法查詢延遲增幅相對較小。因為采用本文算法能夠連接到高性能安全節點，可避免由節點失效以及惡意節點被入侵檢測系統檢測出來所引發的任務重調度。一方面，減少了節點失效而導致請求信息的發送次數，另一方面，減少了惡意節點提供病毒資源被入侵檢測系統檢測出來所消耗的時間，從而大大降低了查詢延遲，系統的實時性較高。

考察惡意節點占節點總數5%和15%這2種情況下的下載成功率。橫坐標表示節點的移動速度，縱坐標表示下載成功率。采用本算法后和采用MIS算法的下載成功率如圖4所示。

(a) 惡意節點占節點總數5%的情況

(b) 惡意節點占節點總數15%的情況

圖4 下載成功率對比分析

從圖4中曲線變化趨勢分析可知，應用本文算法后，下載成功率曲線下降趨勢放緩，能夠適應不同速度的變化，這是由于在資源節點的選擇策略上增加了對于相關指標因素的評價，而采用MIS算法的下載成功率隨節點速度增加后下降很大。1.2 m/s屬于一個臨界值。

為此，本文假定在通信范圍內節點保持在線，并以1.2 m/s的移動速度移動，測試了該情況下惡意節點分別為15%、35%、50%、70%的狀態下資源下載成功率和資源下載成功平均時間如圖5所示。

從圖5中可知，隨著惡意節點增加，采用MIS算法的下載成功率銳減，當惡意節點占節點總數70%時，下載成功率較低為19.8%。而本文算法當惡意節點達到50%時最低，其他情況下下載率基本在85%以上。從圖6中曲線變化趨勢分析可知，應用本文算法后，下載成功平均時間曲線增長趨勢放緩，這是由于采用靜態貝葉斯博弈節點選擇策略總能連接高性能安全資源節點，將惡意節點隔離，節省連接惡意節點所消耗的時間，而采用MIS算法的下載成功平均時間隨惡意節點比例增加增幅很大。

5 結束語

MP2P網絡中節點具有性能有限，高移動性，安全性未知等特點，選擇高性能安全資源節點對保證網絡穩定、降低系統開銷、信息存儲等方面起到關鍵作用。本文提出一種根據節點性能選擇資源節點，并使用貝葉斯博弈理論與資源節點互連，保證資源節點的可靠性。理論分析和實驗結果一致表明，使用該方法的資源請求節點總能選擇連接高性能安全資源節點，保證資源無污染性和安全性，有效降低資源節點失效率，提高整體網絡效率。在之后的研究中，可將網絡信譽機制靈活應用于實時任務調度，構建高效的實時性節點選擇策略。

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MP2P high capacity and security resource node selection strategy based on Bayesian game

LIU Yan1, ZHANG Guo-yin1, HE Jin-zhou2, XU Feng1

（1. College of Computer Science and Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Harbin Branch, Company of China Telecom., Harbin 150001, China）

Considering the changes of MP2P topology due to the limitation of the capability, the unreliable and the churn of the node, the efficiency and safety resource node selection strategy based on Bayesian game were proposed in MP2P network. Firstly, the safety resource calculation method was designed that takes the node capability and the node reputation into consideration. Secondly, adopting the Bayesian game theory to connect the resource nodes, ensuring the requesting node can intercommunicate with the high efficiency and safety resource node, the strategy can efficiently reduce failure rate of the resource nodes, greatly improving the network efficiency.

MP2P network, game, security, node selection

TP302.1

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016012

2014-10-15；

2015-02-03

國家自然科學基金資助項目（No.61073042, No.61202455）；中央高校基本科研業務費專項基金資助項目（No.HEUCF100612）

The National Natural Science Foundation of China (No.61073042, No.61202455), The Fundamental Research Funds for the Central Universities of China (No.HEUCF100612)

劉巖（1980-），男，山東萊州人，哈爾濱工程大學博士生，主要研究方向為移動對等網、人工免疫等。

張國印（1962-），男，山東黃縣人，哈爾濱工程大學教授、博士生導師，主要研究方向為網絡與信息安全、嵌入式系統等。

何金洲（1979-），男，黑龍江哈爾濱人，中國電信集團哈爾濱分公司助理工程師，主要研究方向為移動對等網、3G/4G無線網絡優化及協議等。

徐鋒（1977-），男，河北滄州人，哈爾濱工程大學博士生，主要研究方向為移動對等網、信息系統安全等。