劉巖，張國(guó)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(jié)點(diǎn)選擇策略

劉巖1，張國(guó)印1，何金洲2，徐鋒1

(1. 哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；2. 中國(guó)電信集團(tuán)公司哈爾濱分公司，黑龍江哈爾濱 150001)

針對(duì)MP2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)算能力有限、移動(dòng)性強(qiáng)、可靠性弱導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)點(diǎn)選擇策略。該策略首先綜合考慮節(jié)點(diǎn)的性能、信譽(yù)，設(shè)定了一種計(jì)算安全資源節(jié)點(diǎn)的方案，然后采用靜態(tài)貝葉斯博弈理論進(jìn)行信任資源節(jié)點(diǎn)連接通信，確保請(qǐng)求資源節(jié)點(diǎn)連接高性能安全資源節(jié)點(diǎn)，該方案有效降低了資源節(jié)點(diǎn)的失效率，提高了網(wǎng)絡(luò)效率。

MP2P；博弈；安全；資源節(jié)點(diǎn)選擇

1 引言

MP2P(mobile peer-to-peer)是伴隨著P2P（peer- to-peer）網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域的不斷發(fā)展而形成的新型網(wǎng)絡(luò)，是一種動(dòng)態(tài)分布式自組織覆蓋網(wǎng)絡(luò)。MP2P網(wǎng)絡(luò)中各自治對(duì)等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間采用直接交互的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的傳輸、共享以及各類(lèi)服務(wù)的協(xié)同處理[1]。

MP2P網(wǎng)絡(luò)大量節(jié)點(diǎn)頻繁加入、離開(kāi)以及節(jié)點(diǎn)不斷移動(dòng)所導(dǎo)致的一系列不穩(wěn)定問(wèn)題，導(dǎo)致MP2P網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)較傳統(tǒng)P2P網(wǎng)絡(luò)更難。簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)P2P網(wǎng)絡(luò)中資源節(jié)點(diǎn)的選擇方法移植到MP2P網(wǎng)絡(luò)會(huì)造成較長(zhǎng)的查詢(xún)延遲、資源節(jié)點(diǎn)較高的失效率、安全性無(wú)法保證等問(wèn)題。

本文提出了基于貝葉斯博弈的高性能安全資源節(jié)點(diǎn)選擇策略，首先，在網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)點(diǎn)選擇上，側(cè)重那些信譽(yù)高、性能好的節(jié)點(diǎn)作為資源節(jié)點(diǎn)，有效降低節(jié)點(diǎn)的失效率和縮短查詢(xún)延遲。其次，利用貝葉斯博弈理論進(jìn)行資源節(jié)點(diǎn)連接通信，請(qǐng)求資源節(jié)點(diǎn)可以較好地連接高性能安全資源節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提高資源下載率。

2 相關(guān)工作

目前，有關(guān)MP2P網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)點(diǎn)選擇方面的文獻(xiàn)較少。資源節(jié)點(diǎn)選擇實(shí)質(zhì)上要考慮2個(gè)關(guān)鍵因素，即節(jié)點(diǎn)性能（包括信息處理能力和在線時(shí)長(zhǎng)）和節(jié)點(diǎn)的可靠性。文獻(xiàn)[2]提出了2個(gè)方案：1）采用貪婪算法選擇出超級(jí)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)度最大的節(jié)點(diǎn)作為資源節(jié)點(diǎn)，和其相連的鄰居節(jié)點(diǎn)作為葉子節(jié)點(diǎn)；2）采用MIS(maximum independent set)算法選擇資源節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[3,4]分別采用模糊認(rèn)知圖和多屬性決策理論對(duì)MP2P系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)服務(wù)能力進(jìn)行綜合評(píng)估。

針對(duì)MP2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠性的探討工作如下。文獻(xiàn)[5]首次提出使用信任來(lái)解決“當(dāng)請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)對(duì)陌生節(jié)點(diǎn)的歷史行為不可知的情況下，是否與其進(jìn)行交互的問(wèn)題”，采用雙層架構(gòu)的拓?fù)淠Ｐ?，采用隨機(jī)策略選擇陌生節(jié)點(diǎn)，信任方案應(yīng)具有分布式、輕量級(jí)的特征。文獻(xiàn)[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(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)為應(yīng)用層的可信框架。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于直接、間接信譽(yù)值評(píng)估的全局信譽(yù)值評(píng)估信任機(jī)制以保障MP2P安全。

3 MP2P網(wǎng)絡(luò)下資源節(jié)點(diǎn)的選擇

3.1 資源節(jié)點(diǎn)性能計(jì)算

如前所述，選擇資源節(jié)點(diǎn)一個(gè)很重要的指標(biāo)是資源節(jié)點(diǎn)的性能。定義3個(gè)變量描述節(jié)點(diǎn)綜合性能：、，其中，表示節(jié)點(diǎn)的信息處理能力；表示節(jié)點(diǎn)的在線時(shí)間；表示節(jié)點(diǎn)和傳播資源文件的信譽(yù)。

1) 節(jié)點(diǎn)的值計(jì)算如下

其中，為帶寬，為CPU速度，為存儲(chǔ)空間。值的大小表明節(jié)點(diǎn)的性能高低。

2) 節(jié)點(diǎn)的值計(jì)算如下

其中，為節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度；為節(jié)點(diǎn)總在線時(shí)長(zhǎng)；為節(jié)點(diǎn)上線次數(shù)。MP2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信范圍有限并隨時(shí)在移動(dòng)，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度越慢，則越不容易超出此通信范圍，不會(huì)造成節(jié)點(diǎn)頻繁失效。此外，節(jié)點(diǎn)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中存在多久無(wú)法預(yù)知，但可從節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的歷史在線時(shí)間估測(cè)其在該網(wǎng)絡(luò)中存在的時(shí)間。

3) 節(jié)點(diǎn)的計(jì)算如下

其中，R為節(jié)點(diǎn)的信譽(yù)，R為傳播文件的信譽(yù)。綜合信譽(yù)由節(jié)點(diǎn)信譽(yù)和傳播文件信譽(yù)組成，代表資源節(jié)點(diǎn)的可信度。

(4)

綜合以上因素，算法周期性地對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)分

采用熵權(quán)法確定節(jié)點(diǎn)的性能指標(biāo)權(quán)重。第個(gè)指標(biāo)的信息熵計(jì)算式為

其中，為可獲資源節(jié)點(diǎn)數(shù)目，為性能指標(biāo)數(shù)目，且，r表示第個(gè)資源節(jié)點(diǎn)的第個(gè)指標(biāo)的狀態(tài)值。第個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為

指標(biāo)的信息熵E越小，其權(quán)重越大。反之，某指標(biāo)的信息熵E越大，則其權(quán)重也應(yīng)越小。

值存于各節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)請(qǐng)求資源節(jié)點(diǎn)發(fā)出資源請(qǐng)求時(shí)，資源節(jié)點(diǎn)根據(jù)性能排序形成請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)可獲得的資源列表，如圖1所示。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入或資源節(jié)點(diǎn)的離開(kāi)將觸發(fā)更新請(qǐng)求資源列表。

MP2P 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于對(duì)等地位，節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性、能力的差異、匿名性、在線時(shí)間長(zhǎng)短等都成為影響實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵[8]。節(jié)點(diǎn)選擇策略應(yīng)充分考慮這些因素，選擇合適的節(jié)點(diǎn)，避免惡意節(jié)點(diǎn)攻擊以及節(jié)點(diǎn)失效導(dǎo)致的任務(wù)重調(diào)度等，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.2 貝葉斯博弈節(jié)點(diǎn)選擇策略

MP2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)資源有限，大量節(jié)點(diǎn)失效會(huì)引起整個(gè)MP2P網(wǎng)絡(luò)被分割，造成系統(tǒng)癱瘓。因此，如何從請(qǐng)求資源列表中選取安全高性能資源節(jié)點(diǎn)為請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

MP2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)本身是中性的，但操作者的善惡以及理性使節(jié)點(diǎn)具有了善惡、理性的屬性。這樣一來(lái)，節(jié)點(diǎn)變?yōu)榫哂欣硇缘闹悄荏w，問(wèn)題可以理解為“理性智能體間的競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)作問(wèn)題”，相應(yīng)地可以建立博弈模型給出解決問(wèn)題的方案。

定義1 貝葉斯靜態(tài)博弈（2人非合作的不完全信息靜態(tài)博弈）表示為。

3) 每個(gè)參與者與其類(lèi)型t相關(guān)的策略集，且和其他參與者的類(lèi)型無(wú)關(guān)。

4) 每個(gè)參與者均有各自的效益函數(shù)u(1,2,…,st)。

以上4個(gè)要素同時(shí)具有，參與者同時(shí)選擇各自策略以追求各自利益最大化。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的博弈過(guò)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(jié)果。

3.3RP的節(jié)點(diǎn)選擇策略

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 環(huán)境配置

硬件環(huán)境為1.73 GHz雙核處理器和2 GB內(nèi)存。軟件為NS-2.29仿真平臺(tái)。仿真實(shí)驗(yàn)所需有關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

4.2 效率測(cè)試

為驗(yàn)證應(yīng)用本文算法資源節(jié)點(diǎn)失效率較低和實(shí)時(shí)性較高，將本文算法和MIS算法[10]做測(cè)試比較如圖2所示。

從圖2可知，在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)本文算法比MIS算法資源節(jié)點(diǎn)失效率低，2種算法資源節(jié)點(diǎn)失效率隨時(shí)間推移均變大，MIS算法節(jié)點(diǎn)失效率增幅加大，而本文算法節(jié)點(diǎn)失效率增幅相對(duì)較慢，差異程度約45%。因此，采用本文算法請(qǐng)求資源節(jié)點(diǎn)可獲目標(biāo)資源節(jié)點(diǎn)活動(dòng)周期長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定。

表2 參數(shù)設(shè)置

查詢(xún)延遲是影響實(shí)時(shí)性的重要因素。好的節(jié)點(diǎn)選擇算法不僅可提高任務(wù)執(zhí)行的成功率，還能避免因節(jié)點(diǎn)離開(kāi)或失效導(dǎo)致的任務(wù)重調(diào)度，降低查詢(xún)延遲，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性如圖3所示。

從圖3可知，隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增加，MIS算法查詢(xún)延遲增幅較大，而本文算法查詢(xún)延遲增幅相對(duì)較小。因?yàn)椴捎帽疚乃惴軌蜻B接到高性能安全節(jié)點(diǎn)，可避免由節(jié)點(diǎn)失效以及惡意節(jié)點(diǎn)被入侵檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)所引發(fā)的任務(wù)重調(diào)度。一方面，減少了節(jié)點(diǎn)失效而導(dǎo)致請(qǐng)求信息的發(fā)送次數(shù)，另一方面，減少了惡意節(jié)點(diǎn)提供病毒資源被入侵檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)所消耗的時(shí)間，從而大大降低了查詢(xún)延遲，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較高。

考察惡意節(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)5%和15%這2種情況下的下載成功率。橫坐標(biāo)表示節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度，縱坐標(biāo)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(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)5%的情況

(b) 惡意節(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)15%的情況

圖4 下載成功率對(duì)比分析

從圖4中曲線變化趨勢(shì)分析可知，應(yīng)用本文算法后，下載成功率曲線下降趨勢(shì)放緩，能夠適應(yīng)不同速度的變化，這是由于在資源節(jié)點(diǎn)的選擇策略上增加了對(duì)于相關(guān)指標(biāo)因素的評(píng)價(jià)，而采用MIS算法的下載成功率隨節(jié)點(diǎn)速度增加后下降很大。1.2 m/s屬于一個(gè)臨界值。

為此，本文假定在通信范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)保持在線，并以1.2 m/s的移動(dòng)速度移動(dòng)，測(cè)試了該情況下惡意節(jié)點(diǎn)分別為15%、35%、50%、70%的狀態(tài)下資源下載成功率和資源下載成功平均時(shí)間如圖5所示。

從圖5中可知，隨著惡意節(jié)點(diǎn)增加，采用MIS算法的下載成功率銳減，當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)占節(jié)點(diǎn)總數(shù)70%時(shí)，下載成功率較低為19.8%。而本文算法當(dāng)惡意節(jié)點(diǎn)達(dá)到50%時(shí)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(shì)分析可知，應(yīng)用本文算法后，下載成功平均時(shí)間曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，這是由于采用靜態(tài)貝葉斯博弈節(jié)點(diǎn)選擇策略總能連接高性能安全資源節(jié)點(diǎn)，將惡意節(jié)點(diǎn)隔離，節(jié)省連接惡意節(jié)點(diǎn)所消耗的時(shí)間，而采用MIS算法的下載成功平均時(shí)間隨惡意節(jié)點(diǎn)比例增加增幅很大。

5 結(jié)束語(yǔ)

MP2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有性能有限，高移動(dòng)性，安全性未知等特點(diǎn)，選擇高性能安全資源節(jié)點(diǎn)對(duì)保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、降低系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)、信息存儲(chǔ)等方面起到關(guān)鍵作用。本文提出一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)性能選擇資源節(jié)點(diǎn)，并使用貝葉斯博弈理論與資源節(jié)點(diǎn)互連，保證資源節(jié)點(diǎn)的可靠性。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明，使用該方法的資源請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)總能選擇連接高性能安全資源節(jié)點(diǎn)，保證資源無(wú)污染性和安全性，有效降低資源節(jié)點(diǎn)失效率，提高整體網(wǎng)絡(luò)效率。在之后的研究中，可將網(wǎng)絡(luò)信譽(yù)機(jī)制靈活應(yīng)用于實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，構(gòu)建高效的實(shí)時(shí)性節(jié)點(diǎn)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61073042, No.61202455）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)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(xué)博士生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)對(duì)等網(wǎng)、人工免疫等。

張國(guó)?。?962-），男，山東黃縣人，哈爾濱工程大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全、嵌入式系統(tǒng)等。

何金洲（1979-），男，黑龍江哈爾濱人，中國(guó)電信集團(tuán)哈爾濱分公司助理工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)對(duì)等網(wǎng)、3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及協(xié)議等。

徐鋒（1977-），男，河北滄州人，哈爾濱工程大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)對(duì)等網(wǎng)、信息系統(tǒng)安全等。