鄭曉健+李彤+付鐵威

摘要： P2P節(jié)點(diǎn)中存在的日益嚴(yán)重的搭便車行為對(duì)網(wǎng)絡(luò)的健壯性、可用性、服務(wù)響應(yīng)速度和生命周期等造成了很大影響。設(shè)計(jì)合理而有效的P2P信任模型來抑制搭便車行為已成為研究的重點(diǎn)。因此借鑒社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略，提出基于資源利用均衡的信譽(yù)評(píng)價(jià)方法即對(duì)資源貢獻(xiàn)大，以及貢獻(xiàn)與消費(fèi)平衡的節(jié)點(diǎn)賦予高信譽(yù)度。促使節(jié)點(diǎn)在貢獻(xiàn)資源時(shí)要考慮其他節(jié)點(diǎn)的需求，消費(fèi)資源時(shí)則要衡量自身提供資源的能力；同時(shí)為新節(jié)點(diǎn)提供基本信譽(yù)度來保障其盡早開展資源交易。仿真實(shí)驗(yàn)表明搭便車行為受到有效抑制，網(wǎng)絡(luò)資源的利用率明顯提高。

Abstract： The increasingly serious free riding behavior is prevalent in almost all P2P networks， which reduces the robustness， availability， service response speed， and lifetime of P2P networks. Research of the reasonable and effective P2P trust model to prohibit free-riders to contribute more to the system has become an important direction. Therefore， in reference to the social economic development strategy， the method of reputation equilibrium based on resources utilization is proposed， which a high degree of credibility is given the resource contribution nodes and the contribution and consumption balance nodes. The nodes consider other nodes' demand to contribute resources and measure their ability to consume resource. At the same time，it provides basic credibility to protect its resources for the new node as soon as possible to carry out transactions. Simulation results show that the free riding behavior is effectively restrainer and the resource utilization rate is increased.

關(guān)鍵詞： P2P網(wǎng)絡(luò)；資源利用率；信任模型；搭便車

Key words： P2P networks；resource utilization rate；trust model；free riding

中圖分類號(hào)：TP393.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）11-0024-03

1 概述

P2P網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、公平性和穩(wěn)定性依賴于節(jié)點(diǎn)資源的共享[1，10，11]，而資源共享要消耗內(nèi)存和帶寬，許多節(jié)點(diǎn)因此不愿意上傳其他節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的資源，只希望享受其他節(jié)點(diǎn)提供的資源服務(wù)，于是出現(xiàn)了所謂搭便車（free-riding）現(xiàn)象。P2P網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)匿名和自愿提供資源特性使搭便車現(xiàn)象普遍存在[2]。據(jù)測算，目前P2P網(wǎng)絡(luò)中20%的熱心節(jié)點(diǎn)承擔(dān)了近90%的資源服務(wù)流量[2，12]。盡管搭便車行為使履行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的責(zé)任壓向熱心節(jié)點(diǎn)一邊，會(huì)使某些節(jié)點(diǎn)因不堪負(fù)荷而退出，同時(shí)卻促進(jìn)了這些節(jié)點(diǎn)資源的重復(fù)利用，對(duì)視頻和購物網(wǎng)站等以提供信息為主的節(jié)點(diǎn)恰好是有益處的。

傳統(tǒng)信任模型對(duì)搭便車行為一直保持低容忍度，采用的是鼓勵(lì)貢獻(xiàn)、限制消費(fèi)的信譽(yù)激勵(lì)策略[3，4]。激勵(lì)機(jī)制一般分為基于信譽(yù)模型的激勵(lì)機(jī)制、基于博弈論的激勵(lì)機(jī)制以及基于社交網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)濟(jì)模型的激勵(lì)機(jī)制三類[3]?；谛抛u(yù)的激勵(lì)機(jī)制具有計(jì)算復(fù)雜度較低的優(yōu)點(diǎn)，因此被研究者普遍采用。信譽(yù)激勵(lì)是一種反饋機(jī)制，節(jié)點(diǎn)通過貢獻(xiàn)資源來積累信譽(yù)，積累到一定額度后才能從目標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲得資源[4]，這確實(shí)在一定程度上限制了搭便車行為，但也給新加入的節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)資源設(shè)置了門檻。因?yàn)楝F(xiàn)存節(jié)點(diǎn)缺乏對(duì)新節(jié)點(diǎn)的了解，不會(huì)輕易要求其上傳資源，所以新節(jié)點(diǎn)即便愿意貢獻(xiàn)資源也很難在短期內(nèi)通過積累信譽(yù)度來到達(dá)目的。

本文借鑒社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的策略，提出基于資源利用平衡度的信譽(yù)評(píng)價(jià)模型（Resource utilization balance model，RUB），將提高節(jié)點(diǎn)信息資源利用率作為目標(biāo)，鼓勵(lì)貢獻(xiàn)，并以消費(fèi)促貢獻(xiàn)，構(gòu)建節(jié)點(diǎn)信息資源貢獻(xiàn)和消費(fèi)平衡發(fā)展的評(píng)價(jià)機(jī)制，即給到達(dá)資源貢獻(xiàn)與資源消費(fèi)平衡的節(jié)點(diǎn)予更高的信譽(yù)度，因此節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)資源時(shí)會(huì)考慮其他節(jié)點(diǎn)的需求，消費(fèi)資源時(shí)則要衡量自身的提供資源的能力而不盲目消費(fèi)；為愿意貢獻(xiàn)、樂于消費(fèi)信息的新節(jié)點(diǎn)提供基本信譽(yù)度，保障其盡快開展正常的活動(dòng)。

2 相關(guān)工作

人們?cè)诖畋丬噯栴}上的研究重點(diǎn)是如何保證系統(tǒng)的公平性，以及信譽(yù)度維護(hù)，并不考慮服務(wù)質(zhì)量和資源利用性，如文獻(xiàn)[5]以上傳文件數(shù)來衡量系統(tǒng)公平性；文獻(xiàn)[6]用博弈論根據(jù)公平性指數(shù)對(duì)用戶提供分級(jí)服務(wù)；文獻(xiàn)[7，8]采用審計(jì)、競價(jià)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)機(jī)制抑制搭便車行為。但是由于利益的驅(qū)使網(wǎng)絡(luò)中總是存在搭便車節(jié)點(diǎn)和其他不法行為的節(jié)點(diǎn)，于是人們引入信任機(jī)制來保證P2P系統(tǒng)的服務(wù)效能，即根據(jù)每個(gè)用戶在交易中的行為表現(xiàn)為其賦予一個(gè)信譽(yù)度，服務(wù)節(jié)點(diǎn)總是選擇較高信譽(yù)度的客戶節(jié)點(diǎn)為其提供服務(wù)，客戶節(jié)點(diǎn)也總是選擇較高信譽(yù)度的服務(wù)節(jié)點(diǎn)來獲取服務(wù)，從而抑制搭便車節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)或降低被欺騙的可能，交易過后，雙方節(jié)點(diǎn)對(duì)交易進(jìn)行評(píng)價(jià)，系統(tǒng)根據(jù)交易狀況來更新服務(wù)節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度[9]。不難發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)信譽(yù)度作為評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)搭便車行為的重要指標(biāo)，主要反映節(jié)點(diǎn)的資源貢獻(xiàn)或消費(fèi)能力[4，9]，并不直接關(guān)注資源利用率。endprint

3 資源利用平衡度激勵(lì)模型

3.1 模型基本思想

RUB的設(shè)計(jì)思想是：

①資源貢獻(xiàn)和消費(fèi)平衡的節(jié)點(diǎn)可以獲得高信譽(yù)度，促使節(jié)點(diǎn)信息資源更新速度快，更受其他節(jié)點(diǎn)歡迎；

②對(duì)確有提供資源服務(wù)和使用愿望的新節(jié)點(diǎn)提供基本信譽(yù)度，輔助其盡快獲得參與資源貢獻(xiàn)和消費(fèi)活動(dòng)的權(quán)利；

③信譽(yù)度隨時(shí)間不斷衰減；

④對(duì)長期處于搭便車和資源消費(fèi)過度的節(jié)點(diǎn)給予懲罰。

3.2 信譽(yù)的度量

資源的利用率受節(jié)點(diǎn)行為的影響呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性，為了便于對(duì)資源利用率的監(jiān)測，將節(jié)點(diǎn)生存周期劃分為n個(gè)觀察期P={Ti|Ti=，i∈N+}，tr為審查時(shí)段，tc為積累時(shí)段。

①資源貢獻(xiàn)和消費(fèi)平衡度。用于反映各觀察期節(jié)點(diǎn)資源的利用情況。因此設(shè)節(jié)點(diǎn)在Ti的資源貢獻(xiàn)和消費(fèi)的平衡度為：？姿i=1-■+2·1-■（1）

其中Sd？叟0為資源貢獻(xiàn)量，Sc？叟0為資源消費(fèi)量，K為資源貢獻(xiàn)閾值。由（1）式計(jì)算節(jié)點(diǎn)的？姿i∈[0，4），可知：a）當(dāng)？姿i∈[0，1）時(shí)，資源貢獻(xiàn)量未超過貢獻(xiàn)閾值，資源消耗量也未超過貢獻(xiàn)量，表明節(jié)點(diǎn)的活躍程度不高，處于休眠狀態(tài)；b）當(dāng)？姿i∈[1，2）時(shí)，資源貢獻(xiàn)量超過貢獻(xiàn)閾值，資源消耗量未超過貢獻(xiàn)量，表明節(jié)點(diǎn)有共享資源的愿望，處于貢獻(xiàn)狀態(tài)；c）當(dāng)？姿i∈[2，3）時(shí)，資源貢獻(xiàn)量未超過貢獻(xiàn)閾值，但資源消耗量已超過貢獻(xiàn)量，表明節(jié)點(diǎn)有搭便車嫌疑，處于傾向狀態(tài)；d）當(dāng)？姿i∈[3，4）時(shí)，資源貢獻(xiàn)量超過貢獻(xiàn)閾值，資源消耗量超過貢獻(xiàn)量，表明節(jié)點(diǎn)有共享資源的愿望，但資源消耗可能過大，處于消費(fèi)狀態(tài)。在b）或d）時(shí)，節(jié)點(diǎn)均有共享資源的愿望，但消費(fèi)和貢獻(xiàn)差不能過大。因此設(shè)■i=■，若■i∈[0，？濁]則認(rèn)為節(jié)點(diǎn)處于平衡狀態(tài)（？濁平衡閾值），否則為非平衡狀態(tài)即處于b）為非平衡貢獻(xiàn)狀態(tài)，處于d）為非平衡消費(fèi)狀態(tài)。總之，形成節(jié)點(diǎn)狀態(tài)集：ST={B，C，A，S，T}，其中平衡狀態(tài)B、非平衡消費(fèi)狀態(tài)C、非平衡貢獻(xiàn)狀態(tài)A、休眠狀態(tài)S、傾向狀態(tài)T。

②信譽(yù)度。反映節(jié)點(diǎn)從創(chuàng)建到當(dāng)前觀察期在資源利用和行為方面的表現(xiàn)。因此設(shè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象信譽(yù)度為：

TRi=■■？琢i（st）·？姿i·？棕n-1·Kn-t（st），1？燮t，st∈{B，C，A，S，T} ？子，0？燮t？燮1

（2）

其中？琢i（st）∈[0，1]為狀態(tài)因子，■？琢i（st）=1，？琢i（B）>？琢2（C）>？琢3（A）>？琢4（S）>？琢5（T）>0，TRi∈[0，1]，？子∈[0，1]為新節(jié)點(diǎn)的基本信譽(yù)度，？棕∈[0，1]為時(shí)間衰減因子，K（st）為懲罰因子，K（B）=K（S）=K（A）=1，0

③激勵(lì)和懲罰。按照前述原則，用信譽(yù)度閾值？滋將節(jié)點(diǎn)信譽(yù)度分成兩類：a）若TRi>？滋，表明到目前為止的n個(gè)觀察期內(nèi)節(jié)點(diǎn)處于平衡狀態(tài)，具有很高的資源利用率；b）若TRi？燮？滋，表明到目前為止的n個(gè)觀察期內(nèi)節(jié)點(diǎn)資源貢獻(xiàn)相對(duì)消費(fèi)來說較少，資源利用率較低即屬于搭便車者。

④資源利用率，為節(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)資源量與其擁有的資源總量之比。

3.3 激勵(lì)和懲罰算法

網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：資源貢獻(xiàn)量Sd，資源消費(fèi)量Sc，資源信譽(yù)度Tr，狀態(tài)持續(xù)周期K，計(jì)時(shí)器Timer，高優(yōu)先級(jí)服務(wù)隊(duì)列q1和低優(yōu)先級(jí)服務(wù)隊(duì)列q2。包括節(jié)點(diǎn)資源請(qǐng)求程序，接收客戶節(jié)點(diǎn)C發(fā)出的資源查詢請(qǐng)求（C，TR，Q），按TR類型，將（C，TR，Q）放入服務(wù)隊(duì)列q1或q2；計(jì)時(shí)器中斷服務(wù)程序，按照多級(jí)輪循方式從服務(wù)隊(duì)列q1，q2提取資源查詢請(qǐng)求（C，TR，Q），并完成服務(wù)請(qǐng)求，若已經(jīng)到達(dá)審查時(shí)段，就按照（1）、（2）式計(jì)算本節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度，算法如下：

Response resource request algorithm

Begin

接收（C，TR，Q）

if（TR>？滋）

（C，TR，Q）插入服務(wù)隊(duì)列q1

else

根據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷情況按概率p將（C，TR，Q）插入服務(wù)隊(duì)列q2

End

Response timer request algorithm

Begin

if（q1非空）

從q1隊(duì)首?。–，TR，Q），并響應(yīng)（C，TR，Q）

else if（q2非空）

從q2隊(duì)首?。–，TR，Q），并響應(yīng)（C，TR，Q）

更新節(jié)點(diǎn)資源貢獻(xiàn)量Sd和資源消費(fèi)量Sc

if（timer==tr）

按照 （1） 、（2） 式計(jì)算節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)度并保存至Tr

End

4 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證RUB在應(yīng)用中對(duì)搭便車節(jié)點(diǎn)的抑制效果，并評(píng)估其資源利用率。本文采用自己編寫的模擬器構(gòu)造Gnutella結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)來完成實(shí)驗(yàn)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)是理想網(wǎng)絡(luò)即任一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨意地找到所需節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)數(shù)為2000個(gè)，節(jié)點(diǎn)資源為共享文件，數(shù)量為20000個(gè)并按照Zipf分布存儲(chǔ)到節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均完成100次交易，每次交易是從還未被訪問過的文件中隨機(jī)選擇其一并下載，交易成功即讓節(jié)點(diǎn)擁有該文件，交易失敗就不增加節(jié)點(diǎn)的文件。

實(shí)驗(yàn)是對(duì)比網(wǎng)絡(luò)中存在不同比例的搭便車節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用RUB激勵(lì)機(jī)制和沒有任何激勵(lì)機(jī)制的系統(tǒng)的影響，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯?，兩類節(jié)點(diǎn)的交易成功率上，平衡節(jié)點(diǎn)呈逐步上升趨勢(shì)，而搭便車節(jié)點(diǎn)則呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著平衡節(jié)點(diǎn)和搭便車節(jié)點(diǎn)比例變化，平衡節(jié)點(diǎn)數(shù)相對(duì)減少，節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)速度加快，而一些搭便車節(jié)點(diǎn)被拒絕或因數(shù)量增加查詢請(qǐng)求被延緩，響應(yīng)超時(shí)所至。對(duì)于新節(jié)點(diǎn)在剛參與交易時(shí)就獲得了較高的成功率。實(shí)驗(yàn)說明RUB激勵(lì)機(jī)制對(duì)搭便車節(jié)點(diǎn)查詢請(qǐng)求的抑制作用產(chǎn)生了明顯效果。同時(shí)實(shí)驗(yàn)比較了在激勵(lì)機(jī)制作用下兩類節(jié)點(diǎn)的資源利用率情況，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，隨著觀察期的加長平衡節(jié)點(diǎn)的資源利用率明顯提高，說明得到其他節(jié)點(diǎn)給予的良好服務(wù)，而搭便車節(jié)點(diǎn)資源利用率提高緩慢，獲得的服務(wù)質(zhì)量不佳。

5 結(jié)束語

針對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)存在的搭便車現(xiàn)象，從調(diào)整節(jié)點(diǎn)信譽(yù)評(píng)價(jià)方法入手提出以平衡資源的貢獻(xiàn)和消費(fèi)、提高資源利用率為基礎(chǔ)的激勵(lì)和懲罰機(jī)制。通過該機(jī)制來抑制搭便車行為，體現(xiàn)了公平原則，還提高了資源利用率。對(duì)于新節(jié)點(diǎn)參與交易的積極性給予了保護(hù)。實(shí)驗(yàn)表明，該激勵(lì)機(jī)制保證了平衡節(jié)點(diǎn)獲得較高的下載成功率，同時(shí)也鼓勵(lì)了貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)，懲罰了搭便車行為。

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[12]LI Li-miao， CHEN Zhi-gang， GUI Jin-song，et. P2P Network Trust Model Based on Priority[J]. Computer Engineering.2013，39（5）：148-151.endprint

5 結(jié)束語

針對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)存在的搭便車現(xiàn)象，從調(diào)整節(jié)點(diǎn)信譽(yù)評(píng)價(jià)方法入手提出以平衡資源的貢獻(xiàn)和消費(fèi)、提高資源利用率為基礎(chǔ)的激勵(lì)和懲罰機(jī)制。通過該機(jī)制來抑制搭便車行為，體現(xiàn)了公平原則，還提高了資源利用率。對(duì)于新節(jié)點(diǎn)參與交易的積極性給予了保護(hù)。實(shí)驗(yàn)表明，該激勵(lì)機(jī)制保證了平衡節(jié)點(diǎn)獲得較高的下載成功率，同時(shí)也鼓勵(lì)了貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)，懲罰了搭便車行為。

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5 結(jié)束語

針對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)存在的搭便車現(xiàn)象，從調(diào)整節(jié)點(diǎn)信譽(yù)評(píng)價(jià)方法入手提出以平衡資源的貢獻(xiàn)和消費(fèi)、提高資源利用率為基礎(chǔ)的激勵(lì)和懲罰機(jī)制。通過該機(jī)制來抑制搭便車行為，體現(xiàn)了公平原則，還提高了資源利用率。對(duì)于新節(jié)點(diǎn)參與交易的積極性給予了保護(hù)。實(shí)驗(yàn)表明，該激勵(lì)機(jī)制保證了平衡節(jié)點(diǎn)獲得較高的下載成功率，同時(shí)也鼓勵(lì)了貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)，懲罰了搭便車行為。

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