張祖昶 王 誠(chéng)

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

P2P（peer-to-peer）網(wǎng)絡(luò)是一種開(kāi)放、自由地進(jìn)行文件交換和資源共享的網(wǎng)絡(luò)，廣泛用于文件共享、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[1-9]。P2P網(wǎng)絡(luò)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著很多問(wèn)題。由于

P2P網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)具有對(duì)等、異構(gòu)和獨(dú)立的特性，可以隨意進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)中缺乏強(qiáng)制措施，因此，P2P網(wǎng)絡(luò)存在很多安全隱患，使得節(jié)點(diǎn)之間很難建立起信任關(guān)系[5,8,9]。這嚴(yán)重制約了P2P網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。因此，如何在P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間建立有效的信任機(jī)制，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

1 相關(guān)工作

目前,P2P網(wǎng)絡(luò)的信任模型主要分為兩類：集中式管理模型和對(duì)等信任模型[5,8,9]。集中式管理模型主要是借鑒傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理的模式，將傳統(tǒng)有效的方法應(yīng)用到P2P網(wǎng)絡(luò)中去；對(duì)等信任模型主要是在不改變P2P網(wǎng)絡(luò)特性的前提下，完全依靠P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身來(lái)進(jìn)行信任評(píng)估。對(duì)于集中式管理模型而言，其建立的條件是要對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一些改變，而這些改變很大程度上是傾向于回歸傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。因此，在集中式管理模型下，P2P網(wǎng)絡(luò)可以建立起一定程度上的安全機(jī)制，但其代價(jià)是喪失P2P網(wǎng)絡(luò)的特性。對(duì)于對(duì)等信任模型而言，其難點(diǎn)是如何建立起網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信任關(guān)系，其優(yōu)點(diǎn)是保持了P2P網(wǎng)絡(luò)的特性。因此，對(duì)等信任模型一直是P2P網(wǎng)絡(luò)研究的主要方向。本文所研究的P2P網(wǎng)絡(luò)信任評(píng)估模型，就是屬于對(duì)等信任模型。

在P2P網(wǎng)絡(luò)中，由于要保持網(wǎng)絡(luò)的特性，因此，P2P網(wǎng)絡(luò)必然要存在很多不定因素和巨大安全風(fēng)險(xiǎn)。為了消除這些問(wèn)題，當(dāng)前已經(jīng)有很多學(xué)者和機(jī)構(gòu)正進(jìn)行相關(guān)的研究[1-15]。本文希望建立起一種有效的P2P網(wǎng)絡(luò)安全模型，有助于P2P網(wǎng)絡(luò)的更進(jìn)一步地完善和發(fā)展。

2 信任評(píng)估模型

對(duì)于P2P網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間的訪問(wèn)行為可抽象為類似于人類社會(huì)的交易行為。因此，本文將人類社會(huì)的交易評(píng)估模型引入到P2P網(wǎng)絡(luò)中，使之成為解決P2P網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的一種手段。

2.1 模型相關(guān)定義

在交易評(píng)估機(jī)制中，對(duì)個(gè)體的信任評(píng)估一般由直接信任評(píng)估和間接（或推薦）信任評(píng)估組成，簡(jiǎn)稱信任度，它是根據(jù)個(gè)體交易的歷史信息，由多重因素綜合而成。這些因素包括交易歷史、交易成本、交易次數(shù)、交易頻率、交易風(fēng)險(xiǎn)和誠(chéng)信度等。這些因素在評(píng)估機(jī)制中均有作用和影響，但由于各個(gè)因素自身的特點(diǎn)，其作用和影響大小不一。本文由此提出了一種多重因素綜合的P2P網(wǎng)絡(luò)信任評(píng)估模型，并在此給出信任評(píng)估模型的相關(guān)定義。

定義1：令 Ω=｛r1，r2，...，rn｝是含節(jié)點(diǎn)數(shù)為 n 的 P2P 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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)，x∈［0，N（ri，rj）］。

定義2：在集合 Ω 中， 對(duì)于?ri∈Ω，?rj∈Ω，且 ri≠rj，令 B（ri，rj）是節(jié)點(diǎn) ri對(duì) rj的信任等級(jí)，C（ri，rj）是節(jié)點(diǎn) ri對(duì) rj的交易成本，R（ri，rj）是節(jié)點(diǎn)ri對(duì)rj的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

定義3：對(duì)于?ri∈Ω，?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?ri∈Ω，?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?ri∈Ω，?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

節(jié)點(diǎn)的信任評(píng)估值 T（ri，rj）由直接信任評(píng)估 T（ri，rj）D和間接信任評(píng)估 T（ri，rj）R組成。對(duì)于直接信任評(píng)估 T（ri，rj）D而言，任何一種交易行為，信任等級(jí) B（ri，rj）、交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) R（ri，rj）這三個(gè)因素都是至關(guān)重要的，在信任評(píng)估中起到關(guān)鍵性作用。因此，本文模型在總結(jié)交易節(jié)點(diǎn)之間的歷史交易信息基礎(chǔ)上，以交易節(jié)點(diǎn)之間的信任等級(jí) B（ri，rj）為主導(dǎo)因素，加入交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) R（ri，rj）這兩個(gè)主要影響交易評(píng)估的重要因素，構(gòu)成了直接信任評(píng)估T（ri，rj）D的評(píng)估信息來(lái)源。 在模型中，信任等級(jí) B（ri，rj）為正向因素，交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)R（ri，rj）為反向因素，符合人類社會(huì)的交易評(píng)估習(xí)慣。對(duì)于間接信任評(píng)估T（ri，rj）R而言，本文模型在綜合其他節(jié)點(diǎn)提供的推薦值時(shí)，加入了節(jié)點(diǎn)自主的評(píng)判元素——信任等級(jí)B（ri，rj），其目的是對(duì)這些推薦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次甄別，達(dá)到越是值得信賴的節(jié)點(diǎn)，其給出的推薦值越值得信賴的效果。如此讓誠(chéng)信的節(jié)點(diǎn)充分發(fā)揮了誠(chéng)信的作用，避免了推薦節(jié)點(diǎn)良莠不齊的情況出現(xiàn)，激發(fā)各個(gè)節(jié)點(diǎn)恪守誠(chéng)信的動(dòng)力，從而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成一套良好的交易機(jī)制。

2.2 濾除偽節(jié)點(diǎn)

類似于人類社會(huì)，在P2P網(wǎng)絡(luò)中，惡意節(jié)點(diǎn)也會(huì)針對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)的特性和安全漏洞，故意制造出大量的偽節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這些偽節(jié)點(diǎn)來(lái)為其提供良好的推薦信任，隱藏自身的污點(diǎn)，達(dá)到欺詐的目的。本文通過(guò)將節(jié)點(diǎn)交易評(píng)估過(guò)程和評(píng)估值保存下來(lái)，采用相關(guān)相似性來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)程度，以此來(lái)濾除P2P網(wǎng)絡(luò)中的偽節(jié)點(diǎn)。本文采用的具體計(jì)算相關(guān)相似性的方法是PCC（Pearson Correlation Coefficient），相關(guān)定義如下：

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n×n信任矩陣，n是節(jié)點(diǎn)總數(shù)，Eij為信任矩陣E中任意一個(gè)元素，滿足功率ρ，橫坐標(biāo)代表訪問(wèn)次數(shù)G。

定義7：對(duì)于?ri∈Ω，?rj∈Ω，設(shè) M=｛r1，r2，...，rp｝為節(jié)點(diǎn) ri與節(jié)點(diǎn)rj共同訪問(wèn)過(guò)的節(jié)點(diǎn)集合，且對(duì)于節(jié)點(diǎn)集合M有p

sim（i，j）取值范圍在[0，1]之間。 sim（i，j）的值越大，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。因此，本文根據(jù)這一性質(zhì)，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的歷史交易行為進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，將sim（i，j）取較大值的節(jié)點(diǎn)濾除，從而保證了節(jié)點(diǎn)間信任評(píng)估值的準(zhǔn)確性。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

定義8：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間判斷出所有惡意攻擊的次數(shù)X與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間所有訪問(wèn)次數(shù)G的比率稱為防御成功率ρ，即ρ＝X/G。

為了驗(yàn)證本文的信任評(píng)估模型的正確性和有效性，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真。仿真環(huán)境是采用20臺(tái)隨機(jī)安裝不同操作系統(tǒng)的PC機(jī)，互聯(lián)組成P2P網(wǎng)。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)，隨意的去攻擊或欺騙其他節(jié)點(diǎn)。仿真程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)模擬節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)過(guò)程。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）小于0.2時(shí)將被禁止訪問(wèn)。

在實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)之間的信任評(píng)估值 T（ri，rj）取值范圍為［0，1］，按照公式（3）來(lái)計(jì)算，通過(guò)對(duì)公式（3）中的權(quán)值λ和μ取不同值來(lái)進(jìn)行多次仿真實(shí)驗(yàn)。為了便于實(shí)驗(yàn)，本文對(duì)信任等級(jí)B（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)R（ri，rj）進(jìn)行了簡(jiǎn)化，這兩個(gè)因素均劃分為十個(gè)等級(jí)。對(duì)于信任等級(jí)B（ri，rj）而言，其取值越高代表信任等級(jí)越高。 對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) R（ri，rj）而言，其取值越高代表風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高。

在網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)次數(shù)G取不同值時(shí)，本文通過(guò)比較防御成功率ρ來(lái)驗(yàn)證信任評(píng)估模型在網(wǎng)絡(luò)中是否有效。為了使信任評(píng)估模型的有效性能得到更充分的驗(yàn)證，本文在訪問(wèn)次數(shù)G取多次不同值時(shí)，做了相同的數(shù)據(jù)抽取，實(shí)驗(yàn)仿真的具體結(jié)果如表1所示：

表1 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

從表1可以得出如下結(jié)論：對(duì)于不同網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)次數(shù)G，不論權(quán)值λ和μ的取值如何變化，信任評(píng)估模型的防御成功率ρ的取值整體上相差不大，而且在權(quán)值λ和μ的比值相近時(shí)，信任評(píng)估模型的防御成功率ρ的取值處于一處峰谷狀態(tài)，其取值相對(duì)高于權(quán)值λ和μ的其他取值情況；隨著網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)次數(shù)G的增大，網(wǎng)絡(luò)的防御成功率ρ總的趨勢(shì)是提高的。這表明在信任評(píng)估模型中，本文所考慮的影響因素對(duì)整個(gè)模型來(lái)說(shuō)，是有助于提高網(wǎng)絡(luò)防御成功率的，這些影響因素是發(fā)揮正向作用的。圖1是實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果曲線圖，其中縱坐標(biāo)代表防御成

圖1 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)之間的信任評(píng)估值 T（ri，rj）是按照公式（3）來(lái)計(jì)算，而公式（3）中的節(jié)點(diǎn)信任評(píng)估值 T（ri，rj）由直接信任評(píng)估 T（ri，rj）D和間接信任評(píng)估 T（ri，rj）R組成。對(duì)于直接信任評(píng)估 T（ri，rj）D而言，本文模型在總結(jié)交易節(jié)點(diǎn)之間的歷史交易信息基礎(chǔ)上，以交易節(jié)點(diǎn)之間的信任等級(jí) B（ri，rj）為主導(dǎo)因素，加入交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) R（ri，rj）這兩個(gè)主要影響交易評(píng)估的重要因素，構(gòu)成了直接信任評(píng)估T（ri，rj）D的評(píng)估信息來(lái)源。 對(duì)于間接信任評(píng)估 T（ri，rj）R而言，本文模型在綜合其他節(jié)點(diǎn)提供的推薦值時(shí)，加入了節(jié)點(diǎn)自主的評(píng)判元素——信任等級(jí)B（ri，rj），使得在對(duì)這些推薦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次甄別，達(dá)到越是值得信賴的節(jié)點(diǎn)，其給出的推薦值越值得信賴的效果。從具體的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果來(lái)看，本文所構(gòu)建的信任評(píng)估模型的期望基本上得以實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與預(yù)想的設(shè)想基本一致。在本文的信任評(píng)估模型中，信任等級(jí)B（ri，rj）為正向因素，交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) R（ri，rj）為反向因素，這些設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果證明信任評(píng)估模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，在P2P網(wǎng)絡(luò)中，建立網(wǎng)絡(luò)的信任評(píng)估模型能有效地提高網(wǎng)絡(luò)的防御能力。通過(guò)信任評(píng)估模型，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以對(duì)來(lái)訪者進(jìn)行甄別和判斷，通過(guò)一定的算法來(lái)判斷來(lái)訪節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)情況，可以有效地拒絕惡意節(jié)點(diǎn)的入侵，保證網(wǎng)絡(luò)中正常的信息交互的進(jìn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文模型在總結(jié)交易節(jié)點(diǎn)之間的歷史交易信息基礎(chǔ)上，以交易節(jié)點(diǎn)之間的信任等級(jí) B（ri，rj）為主導(dǎo)因素，加入交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)R（ri，rj）這兩個(gè)主要影響交易評(píng)估的重要因素，構(gòu)成了直接信任評(píng)估 T（ri，rj）D的評(píng)估信息來(lái)源。 信任等級(jí) B（ri，rj）為正向因素，交易成本 C（ri，rj）和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) R（ri，rj）為反向因素，符合人類社會(huì)的交易評(píng)估習(xí)慣。

本文的信任評(píng)估模型的思想是越熟悉的、越值得信賴的節(jié)點(diǎn)，其推薦的節(jié)點(diǎn)就越值得信任，這與人類社會(huì)中的交往行為類似。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，本文的信任評(píng)估模型適用于P2P網(wǎng)絡(luò)，在防止網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)惡意攻擊方面是有效的，特別是為了防止出現(xiàn)大量偽節(jié)點(diǎn)，模型通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)性來(lái)濾除這些偽節(jié)點(diǎn)。

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