林 偉,鄭相涵
(福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 福州 350108)
對(duì)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特有的去中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)同計(jì)算服務(wù)模式、動(dòng)態(tài)波動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特性帶來了新的安全挑戰(zhàn)。如圖1所示,首先由于中心化認(rèn)證機(jī)制的缺失,在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)過程中,消息發(fā)送方無法判斷其鄰居節(jié)點(diǎn)是否安全可靠,同時(shí)消息接收方也很難對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性分析;其次,節(jié)點(diǎn)間的交互依賴于一系列參與節(jié)點(diǎn)的協(xié)同計(jì)算,在源節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)A)與目的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)B)連接過程中,惡意中間節(jié)點(diǎn)能夠?qū)κ盏降南⑦M(jìn)行增加、刪除、修改、復(fù)制、惡意轉(zhuǎn)發(fā)等操作,破壞數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性,降低系統(tǒng)可用性,也能夠通過解析獲取到的消息竊取消息路徑中的節(jié)點(diǎn)隱私[1],如標(biāo)識(shí)符、IP、端口、數(shù)據(jù)內(nèi)容等;最后,對(duì)等網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)波動(dòng)的自組織網(wǎng)絡(luò),任何節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)、自由地加入與退出,給消息的可靠傳遞與網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了不確定因素。因此,開展對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全互聯(lián)的研究,確保消息的可靠傳遞和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
圖1 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)
針對(duì)以上問題,本文構(gòu)建了一個(gè)私有云協(xié)助的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)信任度量模型,借助私有云平臺(tái)在存儲(chǔ)與計(jì)算過程中的高效性、安全性等特點(diǎn),引入主觀邏輯理論對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任評(píng)估,信任評(píng)估依賴節(jié)點(diǎn)自身經(jīng)驗(yàn)以及其他節(jié)點(diǎn)的推薦信息,引入迭代推薦過濾算法篩選推薦信息,并充分考慮信任的時(shí)間衰減特性。
現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信任模型為P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全互聯(lián)提供了可參考的理論依據(jù),主要分為兩個(gè)類別:集中式信任度量和分布式信任度量。在集中式信任度量方案中,中心化的信任服務(wù)器收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)在每次交易完成后的相互信任評(píng)價(jià),并對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信任度統(tǒng)一計(jì)算與存儲(chǔ)。如eBay[2]采用簡單的加權(quán)平均法對(duì)節(jié)點(diǎn)信任值進(jìn)行計(jì)算;Spora系統(tǒng)[3]在eBay算法的基礎(chǔ)上,引入時(shí)間加權(quán)因子,對(duì)近期的信任評(píng)價(jià)賦予更高的權(quán)值。集中式信任度量方案具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),目前廣泛應(yīng)用于各大電子商務(wù)交易中。但是該方案在P2P系統(tǒng)中的應(yīng)用可能帶來如下幾個(gè)方面的限制。
·單點(diǎn)故障問題。由于系統(tǒng)的運(yùn)行過度依賴少數(shù)中心化的信任服務(wù)器,容易造成單點(diǎn)故障問題,影響系統(tǒng)的可靠性與可擴(kuò)展性。
·高復(fù)雜度信任度量算法難以實(shí)施。在規(guī)模大、連接頻率高的P2P系統(tǒng)中,高復(fù)雜度的信任度量算法與更新機(jī)制可能給信任服務(wù)器帶來較大負(fù)擔(dān),直接影響系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效率。
·接入與響應(yīng)的高時(shí)延。節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性(如移動(dòng)接入)、連接頻率等因素可能會(huì)大大增加信任服務(wù)器的接入與響應(yīng)時(shí)延,降低終端用戶的體驗(yàn)度。
分布式信任度量是從主觀角度出發(fā),結(jié)合信任概念對(duì)節(jié)點(diǎn)的行為屬性、行為交互及結(jié)果進(jìn)行判斷,一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)行為的主觀可信度量。EigenTrust[4]利用信任的傳遞特性,提出了一種由鄰居節(jié)點(diǎn)間的直接信任計(jì)算全局信任的方法。在算法描述中,直接信任值高的鄰居節(jié)點(diǎn)推薦的信任值被賦予更大的權(quán)重。PowerTrust[5]在EigenTrust的基礎(chǔ)上提出了向前看隨機(jī)游走(look-ahead random walk)策略,將鄰居節(jié)點(diǎn)的直接信任與間接鄰居的推薦信任綜合考慮到算法中,進(jìn)一步提高了信任值計(jì)算的準(zhǔn)確性。PeerTrust[6]給出了類似EigenTrust的信任計(jì)算方法,但認(rèn)為節(jié)點(diǎn)的直接信任值是由反饋評(píng)價(jià)、交易數(shù)量、反饋評(píng)價(jià)節(jié)點(diǎn)的可信度、交易屬性、交易環(huán)境5個(gè)要素決定的。DRS[7]考慮到節(jié)點(diǎn)的信任評(píng)價(jià)隨時(shí)間而衰減,引入了時(shí)間衰減因子,提出了一種基于Dirichlet概率分布的信任計(jì)算方法,有效抑制了惡意節(jié)點(diǎn)在累積一定信任度后對(duì)網(wǎng)絡(luò)或其他節(jié)點(diǎn)施加的惡意行為。相比于集中式信任度量機(jī)制,分布式信任度量方案不存在單點(diǎn)故障問題,具有更高的可靠性與可擴(kuò)展性,而且將信任算法的計(jì)算分配給所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),因此在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中不受信任算法復(fù)雜度的影響。但是,該方案在P2P系統(tǒng)的擴(kuò)展應(yīng)用中,也普遍存在以下兩方面的局限。
·間接信任度采集過程繁瑣。由于缺乏中心化的管理模式,節(jié)點(diǎn)間接信任度的獲取需要依靠大量的數(shù)據(jù)發(fā)送與采集工作,這在增加節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)的同時(shí)也可能造成較高的時(shí)延。
·分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全性不高。雖然上述方案采用各種算法對(duì)信任數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲(chǔ),但卻很難保障數(shù)據(jù)在異地存儲(chǔ)過程中的機(jī)要性、完整性以及訪問過程的便利性,可能直接影響系統(tǒng)的安全性與實(shí)際應(yīng)用性能。
近年來,云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展及其在安全領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為P2P信任機(jī)制的建立提供了一條新思路。一方面,云計(jì)算平臺(tái)融合了分布式計(jì)算、負(fù)載均衡等概念與技術(shù)特點(diǎn)[8,9],克服了集中式信任模型方案無法解決的單點(diǎn)故障難題,并能夠?yàn)榇笠?guī)模終端用戶提供高性能計(jì)算、隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入等服務(wù);另一方面,在公有云安全技術(shù)尚未成熟的當(dāng)前階段,作為面向客戶個(gè)性化定制的私有云平臺(tái)[10],能提供對(duì)數(shù)據(jù)、安全性和服務(wù)質(zhì)量的有效控制,可以有效解決分布式信任模型方案在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與安全領(lǐng)域的局限性。
本文提出了一種私有云協(xié)助的P2P信任模型,它具有如下特點(diǎn)。
·信任度量基于主觀邏輯理論,算法復(fù)雜度低。
·私有云協(xié)助擴(kuò)展信任模型,借助私有云平臺(tái)在存儲(chǔ)與計(jì)算過程中的高效性、安全性等優(yōu)勢(shì),保證歷史交易記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與信任計(jì)算過程的安全、可靠。
·信任數(shù)據(jù)采用本地與云平臺(tái)雙端存儲(chǔ),信任計(jì)算時(shí)優(yōu)先采用本地存儲(chǔ)信任數(shù)據(jù),本地?cái)?shù)據(jù)信息不足以進(jìn)行信任計(jì)算時(shí),將計(jì)算轉(zhuǎn)移至云平臺(tái)進(jìn)行,提高信任度量準(zhǔn)確性的同時(shí)兼顧運(yùn)行效率。
·信任計(jì)算依賴自身經(jīng)驗(yàn)與其他節(jié)點(diǎn)的推薦,動(dòng)態(tài)賦予權(quán)重,并提出一種推薦過濾算法,遏制節(jié)點(diǎn)的虛假推薦惡意攻擊行為。
·考慮信任隨時(shí)間而衰減的特性,引入時(shí)間權(quán)重因子,提升信任度量的準(zhǔn)確性和模型的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。
本文提出的信任模型如圖2所示,主要包含4個(gè)模塊,具體介紹如下。
(1)本地信任維護(hù)模塊
該模塊負(fù)責(zé)本地交易記錄的存儲(chǔ)、更新,并將本地記錄周期上傳至私有云平臺(tái)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A為服務(wù)請(qǐng)求者,節(jié)點(diǎn)B為服務(wù)提供者,A與B的交互記錄可以表示為HA(B)={H1,…,Hn},每個(gè)分量Hi代表A與B的單次交易記錄。Hi可以表示為一個(gè)三元組
(2)云端信任維護(hù)模塊
該模塊存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)上傳的交互記錄,這些記錄在云端信任計(jì)算時(shí)作為推薦數(shù)據(jù)使用。
(3)本地可信度量模塊
該模塊利用本地歷史交互記錄進(jìn)行直接信任計(jì)算,模塊首先對(duì)本地已有交互記錄進(jìn)行評(píng)估,只有本地記錄足夠充分時(shí)才進(jìn)行本地信任計(jì)算。
(4)云端可信度量模塊
一旦本地交互記錄不夠充分,信任計(jì)算需借助私有云平臺(tái)中存儲(chǔ)的大量推薦數(shù)據(jù),為防止虛假推薦對(duì)信任計(jì)算的影響,推薦數(shù)據(jù)需進(jìn)行相應(yīng)過濾。
[11]中,Jsang等人在β分布的基礎(chǔ)上,引入證據(jù)空間(evidence space)和觀念空間(opinion space),提出了基于主觀邏輯(subjective logic)的信任度量模型。本文的信任計(jì)算便是在主觀邏輯理論基礎(chǔ)上的相應(yīng)擴(kuò)展。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)A試圖與節(jié)點(diǎn)B交互時(shí),它要基于本地記錄進(jìn)行信任計(jì)算,以判斷節(jié)點(diǎn)B是否可信。
根據(jù)主觀邏輯理論,節(jié)點(diǎn)A對(duì)節(jié)點(diǎn)B的主觀信念可以用四元組=(b,d,u,a)表示。其中b、d、u分別表示節(jié)點(diǎn)A對(duì)節(jié)點(diǎn)B的信任度、不信任度和不確定度,且滿足b+d+u=1;a為基率且a∈[0,1],用于計(jì)算一個(gè)信念的概率期望值。信念的概率期望值計(jì)算如式(1)所示。
因此,基率a直接決定了不確定度u對(duì)概率期望值計(jì)算所起的作用。
圖2 信任模型體系
其中,C為常量,ns和nu分別表示節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B的交互記錄中滿意和不滿意交互的次數(shù)。因此,信任度計(jì)算可根據(jù)式(5)進(jìn)行。
一旦本地記錄不充分,可能導(dǎo)致信任計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確,此時(shí)應(yīng)將計(jì)算轉(zhuǎn)移至擁有大量交互記錄的私有云平臺(tái)。
4.2.1 節(jié)點(diǎn)自身經(jīng)驗(yàn)置信度計(jì)算
使用式(5)計(jì)算信任度將導(dǎo)致不同的交互記錄獲得相同信任度的問題。受參考文獻(xiàn)[12]的啟發(fā),本文引入“Confidence”變量來描述本地信任計(jì)算的置信度,記為Conf,通過β分布的方差計(jì)算得到:
其中,α和β為滿足β分布的兩個(gè)參數(shù)。表1比較了當(dāng)a=0.5,C=2時(shí)不同交互次數(shù)的置信度,雖然不同的交互記錄數(shù)將可能計(jì)算出相同的信任度,然而隨著交易次數(shù)的增多,Conf值將越來越大,即信任計(jì)算結(jié)果將更加準(zhǔn)確。
表1 不同交互次數(shù)置信度比較
本文提出的方案首先對(duì)節(jié)點(diǎn)自身信任數(shù)據(jù)進(jìn)行Conf值計(jì)算,如果Conf值過低,則認(rèn)為當(dāng)前本地?cái)?shù)據(jù)不充分,此時(shí)將計(jì)算轉(zhuǎn)移至擁有更多交互記錄的私有云平臺(tái)。
4.2.2 云端信任計(jì)算
一旦本地記錄不充分,信任計(jì)算將需要借助云端存儲(chǔ)的大量推薦數(shù)據(jù)。云端計(jì)算信任值用TA(B)表示,可采用式(8)計(jì)算得出。
其中,γ=1-ρn表示信任權(quán)重,ρ∈[0,1]為信任權(quán)重因子,n為節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B的直接交互次數(shù)。因此節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B的直接交互經(jīng)驗(yàn)越多,節(jié)點(diǎn)A對(duì)節(jié)點(diǎn)B的直接信任度占比越大。B)為推薦信任度,P為推薦者集合。假設(shè)i為推薦者數(shù)量,和分別表示第m個(gè)推薦者Dm的推薦信息中滿意與不滿意交互記錄的數(shù)量,則B)可表示為:
4.2.3 推薦信息過濾
在P2P中,推薦者提供信息的準(zhǔn)確性和誠實(shí)性無法保證,惡意節(jié)點(diǎn)可能提供虛假的推薦信息執(zhí)行惡意攻擊[13],因此云端信任計(jì)算過程中的推薦信息過濾是必要的。受參考文獻(xiàn)[14]和參考文獻(xiàn)[15]的啟發(fā),本文推薦過濾過程主要包括以下兩個(gè)步驟。
(1)推薦者過濾
對(duì)每個(gè)推薦者Dm計(jì)算(Dm),如 果(Dm)大于預(yù)設(shè)閾值,則該推薦者提供的信息是誠實(shí)的;否則,過濾掉該推薦者所提供的信息。
(2)推薦信息過濾
過濾推薦者后,為進(jìn)一步保證信任計(jì)算的準(zhǔn)確性,推薦信息也需做相應(yīng)過濾。推薦信息依據(jù)推薦者分組。假設(shè)有i組,計(jì)算每一組信任值(B),獲得平均值(B)。比較信任值(B)與平均值(B),如果(B)偏離平均值,則第m組推薦不準(zhǔn)確,將其過濾。
迭代過濾算法的簡要步驟如下。
步驟3根據(jù)式(10)計(jì)算平均值。
步驟5重復(fù)步驟2到步驟4,直至過濾完畢。
4.2.4 交互記錄時(shí)間加權(quán)
通常情況下,近期發(fā)生的交易記錄更能反映節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài),對(duì)信任計(jì)算具有更高的價(jià)值[16]。本文引入時(shí)間權(quán)重,對(duì)近期發(fā)生的交互記錄賦予更高的權(quán)重。假設(shè)當(dāng)前時(shí)間為tcur,則時(shí)間權(quán)重為Wk=ωtcur-dk,ω∈[0,1]為時(shí)間權(quán)重因子,dk是第k條交互發(fā)生的時(shí)間。因此,信任加權(quán)計(jì)算式為:
實(shí)驗(yàn)以P2P環(huán)境下的資源共享為應(yīng)用背景,使用開源項(xiàng)目openChord模擬P2P環(huán)境,每個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖從其他節(jié)點(diǎn)上下載自身沒有的資源,選用Hadoop+Hbase搭建私有云平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)仿真環(huán)境為3臺(tái)Intel Core i5(3.2 GHz,8 GB內(nèi)存),實(shí)驗(yàn)中使用了以下性能指標(biāo)。
·交互成功率:交互成功次數(shù)與總交互次數(shù)的比值。
·識(shí)別準(zhǔn)確率:準(zhǔn)確識(shí)別節(jié)點(diǎn)的次數(shù)與總識(shí)別次數(shù)的比值。
實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了4種節(jié)點(diǎn),具體介紹如下。
·好節(jié)點(diǎn):提供的資源和推薦信息都是真實(shí)可靠的。
·簡單惡意節(jié)點(diǎn):固定以70%的概率提供不可靠的資源。
·虛假推薦節(jié)點(diǎn):提供虛假推薦信息。
·策略惡意節(jié)點(diǎn):先提供可靠的資源服務(wù)積攢信任度,隨后提供不可靠服務(wù)。
實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見表2。
表2 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)
5.2.1 信任閾值的影響
本文首先研究信任閾值對(duì)交互成功率的影響,給出4個(gè)信任閾值,分別為0.4、0.5、0.6和0.7,并假設(shè)惡意節(jié)點(diǎn)所占比例為30%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。
圖3 交互成功率隨時(shí)間變化
圖4 識(shí)別準(zhǔn)確率隨時(shí)間變化
從圖3和圖4可以看出,除了信任閾值為0.7的情況,交互成功率和識(shí)別準(zhǔn)確率都隨著時(shí)間以及信任閾值的增加而增加。這是因?yàn)榻换ビ涗浀睦鄯e以及合適信任閾值的選取,使得模型可以有效識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)。而當(dāng)信任閾值設(shè)置過大時(shí)(如0.7),模型無法識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,將信任閾值設(shè)定為0.6。
5.2.2 簡單惡意節(jié)點(diǎn)比例的影響
研究簡單惡意節(jié)點(diǎn)比例對(duì)模型的影響,仿真時(shí)間分別取500 s、4 500 s和9 500 s。從圖5可以看出,仿真時(shí)間越長,交互成功率越高。此外,隨著惡意節(jié)點(diǎn)比例的增加,交互成功率下降,而仿真時(shí)間為9 500 s的曲線下降幅度最小,這是因?yàn)闀r(shí)間越長,模型擁有足夠多的記錄來識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)。
圖5 簡單惡意節(jié)點(diǎn)比例的影響
5.2.3 網(wǎng)絡(luò)大小的影響
通過設(shè)定不同的節(jié)點(diǎn)數(shù)量研究網(wǎng)絡(luò)大小對(duì)模型的影響,簡單惡意節(jié)點(diǎn)的比例為30%。從圖6可以看出,只要模型積累足夠多的交互記錄,交互成功率就始終保持在很高的水平,節(jié)點(diǎn)數(shù)量的改變不會(huì)對(duì)模型造成太大影響。
圖6 網(wǎng)絡(luò)大小的影響
5.2.4 虛假推薦攻擊抵抗
研究模型是否能夠有效抵抗虛假推薦攻擊。實(shí)驗(yàn)中給定不同的虛假推薦者比例,并對(duì)比使用迭代推薦過濾算法與不使用迭代推薦過濾算法的性能,仿真時(shí)間為10 000 s。從圖7可以看出,隨著虛假推薦者比例的增加,兩種情況的交互成功率都明顯下降,但是前者的交互成功率大大高于后者的交互成功率。因此推薦過濾算法可有效抵抗虛假推薦攻擊。此外,當(dāng)虛假推薦節(jié)點(diǎn)比例不超過35%時(shí),模型的有效性最佳。
圖7 虛假推薦節(jié)點(diǎn)比例的影響
5.2.5 動(dòng)態(tài)行為攻擊抵抗
研究模型能否有效抵抗動(dòng)態(tài)行為攻擊。實(shí)驗(yàn)假設(shè)惡意節(jié)點(diǎn)在3 500 s前以95%的概率提供可靠服務(wù),而后以95%的概率提供不可靠服務(wù)。本文還對(duì)比了引入時(shí)間權(quán)重與不引入時(shí)間權(quán)重的情況,策略惡意節(jié)點(diǎn)比例為30%。從圖8可以看出,策略惡意節(jié)點(diǎn)在積攢足夠信任度后開始提供不可靠服務(wù),交互成功率急劇下降。隨著時(shí)間的增加,交互成功率也逐漸緩慢上升,這說明模型已初步具有抵抗動(dòng)態(tài)行為攻擊的能力。而時(shí)間權(quán)重因子的引入進(jìn)一步增強(qiáng)了模型的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性,節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)得以有效反映,因此交互成功率依舊可以維持很高的水平。
圖8 時(shí)間權(quán)重的影響
本文提出了一種私有云協(xié)助的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)信任度量模型,模型中信任度量依靠節(jié)點(diǎn)自身經(jīng)驗(yàn)以及其他節(jié)點(diǎn)的推薦信息,合理賦予權(quán)重,使用過濾算法對(duì)推薦信息進(jìn)行篩選,充分利用了網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性及時(shí)間相關(guān)性。模型還借助私有云平臺(tái)為大規(guī)模終端節(jié)點(diǎn)提供了高性能計(jì)算及安全數(shù)據(jù)存儲(chǔ),從而有效解決了傳統(tǒng)方案存在的單點(diǎn)故障問題及在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與安全領(lǐng)域的局限性。仿真結(jié)果表明,模型能有效遏制低質(zhì)量交互攻擊、虛假推薦攻擊、動(dòng)態(tài)行為攻擊等惡意攻擊行為。最后,對(duì)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)存在的節(jié)點(diǎn)隔離問題進(jìn)行了分析與研究。
本文的研究并未考慮P2P環(huán)境中存在的其他行為和因素,如數(shù)據(jù)消息在傳輸過程中的安全性以及更為復(fù)雜的惡意行為攻擊,這些都是下一步需要完善的工作。
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