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        增強(qiáng)交易因素影響的P2P網(wǎng)絡(luò)信任評(píng)估模型研究*

        2013-08-10 03:41:56張祖昶
        電信科學(xué) 2013年10期
        關(guān)鍵詞:信任次數(shù)交易

        張祖昶,王 誠(chéng)

        (南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 南京 210003)

        1 引言

        P2P(peer-to-peer)網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)放、自由、分布式的網(wǎng)絡(luò),這相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而言有很多優(yōu)點(diǎn)。目前,P2P技術(shù)廣泛應(yīng)用于文件共享、分布式計(jì)算、協(xié)同工作、即時(shí)通信、電子商務(wù)等領(lǐng)域[1],特別是電子商務(wù)領(lǐng)域。由于P2P電子商務(wù)的快速發(fā)展,P2P技術(shù)在商業(yè)經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在P2P網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間是相互平等的,具有開(kāi)放、動(dòng)態(tài)、匿名和無(wú)中心等特點(diǎn)[1],這使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在交易過(guò)程中,容易出現(xiàn)大量的安全問(wèn)題,這些安全問(wèn)題直接制約了P2P技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)以往的研究結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)[1~15],解決這一問(wèn)題的有效辦法是在P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立信任評(píng)價(jià)模型,這是降低交易風(fēng)險(xiǎn)和提高P2P系統(tǒng)整體可用性的有效解決方案。因此,如何在P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間建立有效的信任評(píng)價(jià)模型,已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

        2 相關(guān)工作

        在P2P網(wǎng)絡(luò)中,存在很多不確定因素和巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了解決這些問(wèn)題,有很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)正進(jìn)行相關(guān)的研究[1~15],如貝葉斯信任模型[8]、基于時(shí)間幀的動(dòng)態(tài)信任模型[9]以及基于相似度加權(quán)推薦的信任模型[14]等。在這些模型中,大部分思想都源自于人類(lèi)社會(huì)的交易模式。

        目前,P2P網(wǎng)絡(luò)的信任模型主要分為集中式管理模型和對(duì)等信任模型兩大類(lèi)[7,9,10]。集中式管理模型主要是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有效的管理方法應(yīng)用到P2P網(wǎng)絡(luò)中,此類(lèi)模型有一定的效應(yīng),但由于管理辦法出自于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),必然會(huì)失掉一些P2P網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),因此不具備一般性;對(duì)等信任模型主要是依靠P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身進(jìn)行信任評(píng)估,具有一般性,但由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間彼此獨(dú)立、自由,因此難于建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信任評(píng)估模型,這一直是P2P網(wǎng)絡(luò)安全研究的方向,也是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

        就P2P網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性而言,P2P網(wǎng)絡(luò)與人類(lèi)社會(huì)很相似,因此P2P網(wǎng)絡(luò)的信任評(píng)估模型也與人類(lèi)社會(huì)的交易信任評(píng)估模型相似。在人類(lèi)社會(huì)中,對(duì)個(gè)體的信任一般由直接信任和間接(或推薦)信任組成,簡(jiǎn)稱(chēng)信任度。這些信任的形成來(lái)自于個(gè)體交易的歷史信息,這些歷史信息包括交易成本、交易次數(shù)、交易頻率、交易風(fēng)險(xiǎn)、欺詐歷史和持續(xù)時(shí)間等因素。人類(lèi)社會(huì)的交易歷史經(jīng)驗(yàn)證明,這些因素在交易信任評(píng)估機(jī)制中確實(shí)起到了很重要的借鑒作用和影響,是構(gòu)成信任評(píng)估結(jié)論的事實(shí)依據(jù)。但由于這些因素各具自身的特點(diǎn),且對(duì)交易的情況和條件的要求也有所不同。因此,在分析這些因素產(chǎn)生的具體作用和影響時(shí),要根據(jù)交易當(dāng)時(shí)的情況和條件進(jìn)行評(píng)估,這樣才能建立起正確、有效的信任評(píng)估模型。

        依據(jù)上述思想,在建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信任評(píng)估模型時(shí),充分考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間交易時(shí)的情況和條件,并在構(gòu)建評(píng)估模型的關(guān)聯(lián)公式時(shí),對(duì)影響效果較大的交易因素進(jìn)行適度的效能放大。希望通過(guò)此思路建立起一種有效的P2P網(wǎng)絡(luò)信任評(píng)估模型,使其有助于P2P網(wǎng)絡(luò)更進(jìn)一步地完善和發(fā)展。

        3 信任評(píng)估模型

        對(duì)于P2P網(wǎng)絡(luò)而言,P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的交易行為與人類(lèi)社會(huì)個(gè)體之間的交易行為很相似。因此,P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信任評(píng)估模型可以借鑒人類(lèi)社會(huì)的交易信任評(píng)估模型構(gòu)建。

        3.1 模型相關(guān)定義

        定義1 令 Ω={r1,r2,…,rp}是含節(jié)點(diǎn)數(shù)為 p的 P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集合,N(ri,rj)為集合Ω中任意兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)ri和rj之間交易的次數(shù),n∈[0,N(ri,rj)]。

        定義 2 在集合 Ω 中,對(duì)于坌ri∈Ω,坌rj∈Ω,且 ri≠rj,令 F(ri,rj)是節(jié)點(diǎn) ri對(duì) rj的惡意訪(fǎng)問(wèn)次數(shù),D(ri,rj)是節(jié)點(diǎn) ri對(duì)rj的惡意訪(fǎng)問(wèn)造成的損失。

        定義 3 對(duì)于坌ri∈Ω,坌rj∈Ω,且 ri≠rj,令 T(ri,rj)D為節(jié)點(diǎn)ri對(duì)節(jié)點(diǎn)rj的第N(ri,rj)+1次直接信任估值,則有:

        定義 4 對(duì)于坌ri∈Ω,坌rj∈Ω,且 ri≠rj,令 T(ri,rj)R為節(jié)點(diǎn)ri對(duì)節(jié)點(diǎn)rj的第N(ri,rj)+1次推薦信任估值,則有:

        定義 5 對(duì)于坌ri∈Ω,坌rj∈Ω,且 ri≠rj,令 T(ri,rj)為節(jié)點(diǎn) ri對(duì)節(jié)點(diǎn) rj的第 N(ri,rj)+1次信任估值,則有:

        其中,λ+μ=1,且 λ>0,μ>0。

        由式(3)可知,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信任值T(ri,rj)主要由ri和 rj之間的直接信任值 T(ri,rj)D和間接信任值 T(ri,rj)R加權(quán)組成,而且在間接信任值T(ri,rj)R中,還加入了節(jié)點(diǎn)ri對(duì)推薦節(jié)點(diǎn)rk的直接信任值T(ri,rk)D,在一定程度上增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)ri在評(píng)估模型中的影響和作用,提高了模型的主動(dòng)性和靈活性,避免了盲目聽(tīng)從推薦節(jié)點(diǎn)的情況發(fā)生。從邏輯推理上來(lái)說(shuō),這可以有效地提高評(píng)估模型的正確性和有效性,跟人類(lèi)社會(huì)的交易信任評(píng)估判斷方法的原理是相符的。在現(xiàn)實(shí)生活中,人類(lèi)社會(huì)的個(gè)體在交易的過(guò)程中,大部分情況下會(huì)選擇傾聽(tīng)他人的意見(jiàn),再結(jié)合自身對(duì)交易對(duì)方的信任程度做出最后的判斷。特別是在交易雙方彼此陌生的情況下,希望借助第三方意見(jiàn)的意圖更加明顯。但從現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)和例子可知,不是任何第三方的意見(jiàn)都能信。人類(lèi)社會(huì)對(duì)交易行為總結(jié)出一個(gè)結(jié)論:越值得信賴(lài)的人或機(jī)構(gòu),其給出的意見(jiàn)越權(quán)威或值得信賴(lài)。因此,在式(3)中,節(jié)點(diǎn)ri對(duì)推薦節(jié)點(diǎn)rk的直接信任值T(ri,rk)D的加入,符合上述交易評(píng)估思想,使得交易節(jié)點(diǎn)ri在整個(gè)交易評(píng)估過(guò)程中的影響放大,有利于模型做出正確的決斷。

        這種增強(qiáng)交易因素影響的思想在式(1)中也有體現(xiàn)。在式(1)中,突出了惡意訪(fǎng)問(wèn)次數(shù) F(ri,rj)和惡意損失 D(ri,rj)這兩個(gè)對(duì)信任評(píng)估產(chǎn)生重大影響的因素。對(duì)于惡意訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)F(ri,rj),模型的思路是不管是否造成交易方節(jié)點(diǎn)ri的損失,只要節(jié)點(diǎn)rj存在過(guò)惡意訪(fǎng)問(wèn),對(duì)于節(jié)點(diǎn)rj的信任值將迅速大幅度下降。因此,在式(1)中對(duì)惡意訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)F(ri,rj)采用反比例的關(guān)聯(lián)形式。對(duì)于惡意損失D(ri,rj)因素,在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的交易行為中一般比較容易進(jìn)行評(píng)估,而且數(shù)值一般比較大,因此直接在式(1)中作為負(fù)面評(píng)價(jià)因子出現(xiàn),可以直接體現(xiàn)其影響和作用。

        本文模型主要依據(jù)人類(lèi)社會(huì)交易評(píng)判思想和方法,對(duì)交易過(guò)程中一些重要因素的影響和作用加以放大,以構(gòu)建出一個(gè)增強(qiáng)某些重要交易因素的信任評(píng)估模型,從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成一套良好的交易機(jī)制。

        3.2 濾除偽節(jié)點(diǎn)

        P2P網(wǎng)絡(luò)為人類(lèi)社會(huì)所創(chuàng)造,因此包含很多人類(lèi)的元素,會(huì)出現(xiàn)許多類(lèi)似于人類(lèi)社會(huì)的現(xiàn)象和事件。P2P網(wǎng)絡(luò)存在大量惡意的偽節(jié)點(diǎn)就是其中一種普遍的情況。這種情況嚴(yán)重地危及了P2P網(wǎng)絡(luò)的安全,因此必須采取措施進(jìn)行處理。對(duì)于此類(lèi)情況,一般都采用相關(guān)相似性原理計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)程度[14],以此濾除P2P網(wǎng)絡(luò)中的偽節(jié)點(diǎn)。本文將節(jié)點(diǎn)交易評(píng)估過(guò)程和評(píng)估值保存下來(lái),采用PCC(pearson correlation coefficient)計(jì)算方法計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)程度,以此濾除P2P網(wǎng)絡(luò)中的偽節(jié)點(diǎn)。

        定義6 令矩陣E為P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間歷史推薦評(píng)估轉(zhuǎn)換而來(lái)的 p×p信任矩陣,p是節(jié)點(diǎn)總數(shù),Eij為信任矩陣E中的任意一個(gè)元素,若滿(mǎn)足,則

        定義 7 對(duì)于坌ri∈Ω,坌rj∈Ω,設(shè) M={r1,r2,…,rs}為節(jié)點(diǎn)ri與節(jié)點(diǎn)rj共同訪(fǎng)問(wèn)過(guò)的節(jié)點(diǎn)集合,且對(duì)于節(jié)點(diǎn)集合M有s

        在式(5)中,sim(i,j)∈[0,1],sim(i,j)的取值越大,表示節(jié)點(diǎn)ri與節(jié)點(diǎn)rj之間的相關(guān)性越大,反之亦然。根據(jù)這一特性,通過(guò)對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的歷史交易行為按式(5)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算,將sim(i,j)取較大值的節(jié)點(diǎn)濾除,就可以將大部分P2P網(wǎng)絡(luò)偽節(jié)點(diǎn)濾除。

        4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

        定義 8 對(duì)于坌ri∈Ω,坌rj∈Ω,且 ri≠rj,令 G(ri,rj)為節(jié)點(diǎn)ri遭到節(jié)點(diǎn)rj惡意訪(fǎng)問(wèn)的總次數(shù),V(ri,rj)為節(jié)點(diǎn) ri對(duì)節(jié)點(diǎn)rj的惡意訪(fǎng)問(wèn)做出正確判斷的總次數(shù),ρ(ri,rj)為節(jié)點(diǎn)ri對(duì)節(jié)點(diǎn)rj的惡意訪(fǎng)問(wèn)做出正確判斷的成功率,則ρ(ri,rj)=V(ri,rj)/G(ri,rj)。

        為驗(yàn)證本文模型的正確性和有效性,采用C語(yǔ)言編寫(xiě)仿真程序,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)模擬節(jié)點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。仿真環(huán)境采用20臺(tái)PC機(jī)互聯(lián)組成P2P網(wǎng)絡(luò),每臺(tái)PC機(jī)隨機(jī)安裝不同的操作系統(tǒng)模擬網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。為了便于實(shí)驗(yàn),在這20臺(tái)PC機(jī)中指定其中的10臺(tái)PC機(jī)作為惡意節(jié)點(diǎn)或偽節(jié)點(diǎn),令其隨意地攻擊或欺騙其他節(jié)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中,節(jié)點(diǎn)之間的信任評(píng)估值 T(ri,rj)的取值范圍為[0,1],按照式(3)計(jì)算,通過(guò)對(duì)式(3)中的權(quán)值λ和μ取不同值進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)初始化時(shí),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信任評(píng)估值T(ri,rj)均為0.5。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)間訪(fǎng)問(wèn)的次數(shù)、性質(zhì)、結(jié)果及直接評(píng)估和推薦評(píng)估都將被記錄,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的信任評(píng)估值 T(ri,rj)<0.2 時(shí)將被禁止訪(fǎng)問(wèn)。

        通過(guò)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),以不同的網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)G為條件時(shí),對(duì)比網(wǎng)絡(luò)對(duì)惡意訪(fǎng)問(wèn)行為做出正確判斷的成功率ρ,從而驗(yàn)證模型是否有效。實(shí)驗(yàn)仿真的具體結(jié)果見(jiàn)表1。

        從表1可以得出如下結(jié)論:從整體上看,網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)G取不同值時(shí),網(wǎng)絡(luò)對(duì)于惡意訪(fǎng)問(wèn)行為的成功識(shí)別率ρ的取值是比較相近的,且隨著網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)次數(shù)G的增大,網(wǎng)絡(luò)成功識(shí)別率ρ的取值總體趨勢(shì)是緩慢增大的;在權(quán)值λ和μ的比值相近時(shí),網(wǎng)絡(luò)成功識(shí)別率ρ的取值處于峰谷狀態(tài),其取值相對(duì)高于權(quán)值λ和μ的其他取值情況。

        圖1是實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果曲線(xiàn),通過(guò)圖1可以更加直觀(guān)地發(fā)現(xiàn)上述規(guī)律。權(quán)值λ和μ的不同取值,直接影響式(3)中的直接信任值 T(ri,rj)D和間接信任值 T(ri,rj)R的影響力。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)中可以看出,在信任評(píng)估中,需要結(jié)合直接信任和間接信任兩個(gè)因子,兩者互為補(bǔ)充,缺一不可。

        表1 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

        圖1 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

        5 結(jié)束語(yǔ)

        仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在本文的信任評(píng)估模型中,所考慮的交易因素關(guān)聯(lián)關(guān)系是正確的,能起到正向的作用;對(duì)于整個(gè)模型來(lái)說(shuō),這些措施有助于提高整體網(wǎng)絡(luò)的防御能力,提升網(wǎng)絡(luò)的安全度;對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言,通過(guò)本文的模型可以建立一個(gè)有效、判斷正確的信任評(píng)估機(jī)制,而且本文的模型實(shí)現(xiàn)也不是很困難。綜上所述,在P2P網(wǎng)絡(luò)中,通過(guò)一定的算法可以判斷來(lái)訪(fǎng)節(jié)點(diǎn)的真實(shí)意圖,能有效地拒絕惡意節(jié)點(diǎn)的入侵,保證P2P網(wǎng)絡(luò)中正常信息交互的進(jìn)行。

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