黃章健，葉幗華，姚志強(qiáng)

基于隱私度和穩(wěn)定度的D2D數(shù)據(jù)共享伙伴選擇機(jī)制

黃章健1,2，葉幗華1,2，姚志強(qiáng)1,2

（1. 福建師范大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，福建 福州 350117；2. 福建省公共服務(wù)大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，福建 福州 350117）

設(shè)備到設(shè)備（D2D）數(shù)據(jù)共享已經(jīng)成為一種很有前途的卸載蜂窩網(wǎng)絡(luò)流量的解決方案，但數(shù)據(jù)共享伙伴的隱私脆弱性和服務(wù)不穩(wěn)定性影響著共享服務(wù)的質(zhì)量。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出一種基于隱私度和穩(wěn)定度的D2D數(shù)據(jù)共享伙伴選擇機(jī)制（PSUS）。首先對(duì)提供者的隱私信息進(jìn)行抽象和概括，根據(jù)提供者的隱私偏好和歷史共享記錄構(gòu)建隱私度量的方法，得出提供者在不同共享服務(wù)中的隱私度；然后基于隱私度來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享過(guò)程，提供者在隱私偏好約束下緩存數(shù)據(jù)并在隱私度低的時(shí)候參與共享服務(wù)以滿足提供者的隱私要求；最后在已滿足隱私要求的提供者的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種多指標(biāo)評(píng)價(jià)法來(lái)評(píng)估提供者的服務(wù)穩(wěn)定性以選擇穩(wěn)定的共享伙伴。通過(guò)性能分析，證明所提機(jī)制的可行性。

D2D數(shù)據(jù)共享；隱私偏好；隱私度量；多指標(biāo)評(píng)價(jià)

1 引言

隨著第五代（5G）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)，人們對(duì)各種移動(dòng)服務(wù)和應(yīng)用的需求日益增長(zhǎng)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)在不久的將來(lái)將面臨巨大的流量壓力。為了減輕蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)和降低5G中蜂窩用戶的中斷概率，設(shè)備到設(shè)備通信（D2D）被認(rèn)為是一個(gè)突出的解決方案，且其在支持?jǐn)?shù)據(jù)共享和本地服務(wù)方面發(fā)揮著越來(lái)越積極的作用[1-2]。例如，用戶設(shè)備（UE）想要從互聯(lián)網(wǎng)下載的數(shù)據(jù)在附近的一些UE上可用，相同需求的用戶可在基站（BS）的幫助下使用D2D連接形成通信群組來(lái)實(shí)現(xiàn)緩存和共享文件，這樣可以大大減輕BS的流量負(fù)擔(dān)[3]。因此，D2D數(shù)據(jù)共享顯示出減少通信延遲、提高通信能力以及促進(jìn)多種新應(yīng)用和服務(wù)的巨大潛力[4]。

一個(gè)典型的D2D數(shù)據(jù)共享群組內(nèi)，請(qǐng)求指定數(shù)據(jù)的用戶稱為數(shù)據(jù)需求者，擁有所需內(nèi)容且在需求者請(qǐng)求共享服務(wù)時(shí)提供數(shù)據(jù)的用戶稱為數(shù)據(jù)提供者，在一次數(shù)據(jù)共享服務(wù)中會(huì)有眾多的提供者為需求者提供數(shù)據(jù)以減少通信延遲和卸載BS的流量。盡管D2D數(shù)據(jù)共享具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在大規(guī)模應(yīng)用中仍然面臨兩個(gè)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)，即隱私性和穩(wěn)定性[5]。數(shù)據(jù)共享群組中設(shè)備之間直接相連，彼此的可信度未知。群組內(nèi)的提供者高度關(guān)注自己的隱私，在組內(nèi)向需求者傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，由于考慮自身隱私泄露問(wèn)題而只提供粗粒度的數(shù)據(jù)，大幅降低了數(shù)據(jù)共享服務(wù)的質(zhì)量；提供者多為移動(dòng)用戶，資源受限問(wèn)題也會(huì)影響共享服務(wù)的穩(wěn)定性，即共享易人為中斷或共享時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低了需求者的體驗(yàn)質(zhì)量。

D2D數(shù)據(jù)共享群組中，不同提供者所處的環(huán)境不同，數(shù)據(jù)共享伙伴的隱私脆弱性和服務(wù)不穩(wěn)定性尤為明顯。因此，若要保證D2D數(shù)據(jù)共享的服務(wù)質(zhì)量和提高組內(nèi)需求者的體驗(yàn)質(zhì)量，關(guān)鍵是為需求者選擇合適的共享伙伴。目前，這樣的選擇工作需要做出如下的貢獻(xiàn)：1) 在提供者進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時(shí)減少其隱私的泄露；2) 在數(shù)據(jù)共享群組內(nèi)的眾多候選人中選擇穩(wěn)定的提供者以保證共享服務(wù)的穩(wěn)定性。D2D數(shù)據(jù)共享伙伴的選擇首要考慮的應(yīng)是隱私泄露問(wèn)題，確保提供者在隱私安全的前提下共享數(shù)據(jù)。此時(shí)，了解提供者在數(shù)據(jù)共享階段的隱私性變得至關(guān)重要，即提供者的隱私性影響其在D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)中的表現(xiàn)。另外，為了確保共享服務(wù)的穩(wěn)定性，一些研究者使用聲譽(yù)來(lái)保證共享伙伴之間的合作[6]，通過(guò)選擇符合聲譽(yù)閾值的提供者參與數(shù)據(jù)共享服務(wù)。然而，一個(gè)聰明的提供者可以在共享服務(wù)中維持其聲譽(yù)并使其剛好超過(guò)閾值，這樣他們將成為搭便車者[7]。因此，僅依靠聲譽(yù)閾值[8]的劃定來(lái)選擇伙伴會(huì)導(dǎo)致搭便車和服務(wù)斷開(kāi)的現(xiàn)象，影響共享服務(wù)的穩(wěn)定性。

綜上所述，共享伙伴的隱私性和穩(wěn)定性都是影響D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)質(zhì)量的重要因素。設(shè)計(jì)和構(gòu)建有效的共享伙伴選擇機(jī)制，對(duì)于保證一定數(shù)量的提供者在滿足其隱私要求下參與共享服務(wù)和需求者穩(wěn)定的獲取所需數(shù)據(jù)具有重要的研究意義。為保證數(shù)據(jù)共享服務(wù)的隱私性和穩(wěn)定性，本文提出一種D2D數(shù)據(jù)共享伙伴選擇機(jī)制（PSUS）。通過(guò)隱私偏好的設(shè)置和歷史共享記錄度量出提供者對(duì)某次共享服務(wù)生成的隱私信息的重視程度（即隱私度），由此設(shè)計(jì)D2D數(shù)據(jù)共享過(guò)程以滿足提供者的隱私要求；同時(shí)基于提供者的聲譽(yù)、可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、等待時(shí)間和傳輸速率4個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估提供者的服務(wù)穩(wěn)定性程度（即穩(wěn)定度），在滿足隱私要求的提供者中優(yōu)先選擇穩(wěn)定度高的作為共享伙伴，保證數(shù)據(jù)共享服務(wù)的質(zhì)量。

2 相關(guān)工作

目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者先后在D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)中的隱私性和穩(wěn)定性問(wèn)題方面提出研究成果。在隱私性方面，Hua等[9]對(duì)信息交換過(guò)程中的隱私保護(hù)問(wèn)題進(jìn)行研究，提出場(chǎng)景自適應(yīng)的隱私度量的研究方向。Wishart 等[10]根據(jù)共享數(shù)據(jù)內(nèi)容和周圍環(huán)境對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，提供者根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況設(shè)置數(shù)據(jù)的模糊程度，還可以控制向誰(shuí)共享數(shù)據(jù)，并設(shè)置共享的策略和共享數(shù)據(jù)的詳細(xì)級(jí)別。Franz 等[11]的方法是在共享群組的所有成員之間協(xié)商隱私策略，包括共享哪些數(shù)據(jù)以及其準(zhǔn)確性。也有一些研究者將工作重心放在設(shè)計(jì)安全的D2D數(shù)據(jù)共享協(xié)議上，Wang等[12]提出兩種隱私保護(hù)認(rèn)證和密鑰協(xié)議（PPAKA-HAMC和PPAKA-IBS），以保證安全和匿名的D2D共享服務(wù)。Mohseni-Ejiyeh等[13]提出一種在D2D通信中進(jìn)行安全數(shù)據(jù)共享的有效協(xié)議，該協(xié)議可禁止未經(jīng)授權(quán)的提供者參與服務(wù)，還可通過(guò)授權(quán)來(lái)操作提供者的歷史記錄，若惡意行為超過(guò)閾值，會(huì)懲罰行為不端的提供者。

在D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)的穩(wěn)定性方面，為需求者選擇合適的提供者是研究者的主要工作。Yan等[14]提出一種用于多媒體傳輸?shù)纳鐣?huì)意識(shí)信任框架以從D2D中繼用戶中選擇值得信賴的D2D協(xié)作用戶。He等[15]提出一個(gè)綜合評(píng)分機(jī)制（CSM），它根據(jù)歷史共享記錄、當(dāng)前傳輸速率和預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)算每個(gè)候選提供者的分?jǐn)?shù)，并且基于CSM和匈牙利算法，提出共享激勵(lì)和提供者選擇（CIPS）算法，以優(yōu)化多個(gè)并發(fā)需求者的數(shù)據(jù)提供者的選擇。部分常見(jiàn)的伙伴選擇方案是基于聲譽(yù)機(jī)制[7-8]的，但其共性的問(wèn)題有二：一是聲譽(yù)更新需要進(jìn)一步考慮，二是僅依賴聲譽(yù)值的共享伙伴選擇機(jī)制存在偏差或不全面，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享服務(wù)不穩(wěn)定。

上述工作多數(shù)是考慮隱私性或者穩(wěn)定性中的一個(gè)問(wèn)題，對(duì)D2D數(shù)據(jù)共享伙伴選擇的研究缺乏綜合性，即在共享群組內(nèi)考慮隱私的方案中未關(guān)注共享服務(wù)的穩(wěn)定性，或者著重于穩(wěn)定性問(wèn)題的方案中忽略了提供者的隱私，這都將降低D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)的質(zhì)量。本文所提出的共享伙伴選擇機(jī)制從隱私性和穩(wěn)定性兩方面出發(fā)，提供者只在滿足隱私閾值的情況下參與數(shù)據(jù)共享或者緩存共享數(shù)據(jù)，并且通過(guò)穩(wěn)定度從已經(jīng)滿足隱私要求的提供者中確定共享伙伴。

3 系統(tǒng)模型

本文考慮需求者通過(guò)BS協(xié)作的方式從多個(gè)提供者處獲取數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，具體形式如圖1所示。BS主要用于管理數(shù)據(jù)共享群組中的通信，包括用戶的接入認(rèn)證、資源調(diào)度時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和隱私保護(hù)等[16]。在數(shù)據(jù)緩存方面，BS因和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器直接相連，因此它可為需求者提供任何所需的數(shù)據(jù)。另外，一些提供者會(huì)主動(dòng)在自己設(shè)備中緩存一些數(shù)據(jù)以快速響應(yīng)共享服務(wù)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)D2D通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)共享需要以下步驟：1)一個(gè)需求者向BS 發(fā)起共享請(qǐng)求；2) BS將數(shù)據(jù)請(qǐng)求在需求者的D2D通信距離內(nèi)廣播給其他UE，只有那些數(shù)據(jù)符合要求的提供者才會(huì)回應(yīng)，其他的提供者則保持沉默；3) 如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有響應(yīng)，即需求者周圍沒(méi)有合適的提供者，BS將直接向需求者發(fā)送請(qǐng)求的數(shù)據(jù)；4) BS將監(jiān)控整個(gè)數(shù)據(jù)共享過(guò)程，直到共享服務(wù)完成。

圖1 D2D數(shù)據(jù)共享模型

4 PSUS的構(gòu)造

4.1 隱私度量

使用D2D連接的UE在共享數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)生成諸如位置、時(shí)間、通信持續(xù)時(shí)間、設(shè)備類型、服務(wù)請(qǐng)求類型等可用于識(shí)別自身的信息[17]，這些信息在數(shù)據(jù)共享過(guò)程中會(huì)暴露提供者的隱私。不同的提供者對(duì)于共享服務(wù)中的這些信息的重視程度不同，即可通過(guò)這部分信息度量其隱私度的高低，而隱私度的高低影響著提供者在共享服務(wù)中的表現(xiàn)，所以盡量選擇隱私度低的提供者作為共享伙伴以達(dá)到滿足不同提供者隱私要求的目的，同時(shí)提高共享服務(wù)質(zhì)量。考慮到隱私的主觀性，PSUS為了合理地度量出某提供者的隱私度，利用提供者在數(shù)據(jù)共享服務(wù)中對(duì)生成隱私信息的重視偏好，同時(shí)結(jié)合其歷史共享記錄，形式化定義并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法量化提供者的隱私。

圖2 PSUS的流程

定義1 隱私信息

定義2 隱私偏好

隱私偏好（PP）是提供者對(duì)生成的隱私信息重視程度的主觀傾向，包含設(shè)備信息偏好（EP）、數(shù)據(jù)服務(wù)類型偏好（SP）、數(shù)據(jù)共享時(shí)間偏好（TP）和數(shù)據(jù)共享位置偏好（LP）。

4.2 基于提供者隱私度的數(shù)據(jù)共享過(guò)程

通過(guò)上述的隱私度量過(guò)程，得到提供者在某次共享服務(wù)中的隱私度后，由此構(gòu)建一種動(dòng)態(tài)的D2D數(shù)據(jù)共享過(guò)程，其過(guò)程如圖3所示。

1) 需求者向BS發(fā)起數(shù)據(jù)共享請(qǐng)求。

2) 提供者在數(shù)據(jù)共享等待期間，在隱私首選項(xiàng)的約束下主動(dòng)緩存數(shù)據(jù)以獲得主動(dòng)緩存收益[19]，同時(shí)提高數(shù)據(jù)共享服務(wù)的速率。

3) BS將數(shù)據(jù)請(qǐng)求在需求者的D2D通信距離內(nèi)廣播給提供者，數(shù)據(jù)符合要求的提供者予以回應(yīng)。

4) 提供者的設(shè)備生成此次共享服務(wù)的隱私信息，并通過(guò)PMP獲得自己的隱私度。

6) 提供者向BS提交泛化后的隱私度。

圖3 基于提供者隱私度的數(shù)據(jù)共享交互過(guò)程

8) BS將設(shè)置好的隱私閾值發(fā)布給組內(nèi)的提供者。

10) 滿足隱私閾值的提供者通過(guò)D2D鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)給需求者。

4.3 提供者服務(wù)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)過(guò)程

4.3.1 指標(biāo)的評(píng)價(jià)值

定義3 貢獻(xiàn)值

定義4 共享數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

這里主要闡述聲譽(yù)值的更新，因?yàn)榭沙掷m(xù)時(shí)長(zhǎng)、等待時(shí)間和傳輸速率均可從實(shí)際的D2D數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獲取。在D2D數(shù)據(jù)共享進(jìn)行階段由BS監(jiān)控整個(gè)共享服務(wù)，每次服務(wù)開(kāi)始前會(huì)獲取滿足隱私要求的提供者上述4個(gè)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)據(jù)并為其評(píng)價(jià)打分，分值區(qū)間為[0,10]，其中，0表示提供者在服務(wù)中該指標(biāo)表現(xiàn)最差，10表示提供者在服務(wù)中該指標(biāo)表現(xiàn)最好。

4.3.2 穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)

Step2 評(píng)價(jià)矩陣預(yù)處理，刪除數(shù)據(jù)完全相同的列。因熵權(quán)法是根據(jù)指標(biāo)數(shù)據(jù)之間的離散性來(lái)決定權(quán)重大小的，當(dāng)某指標(biāo)下的數(shù)值完全相同時(shí)，那么該指標(biāo)將無(wú)法提供任何有價(jià)值的信息，故將其刪除，但若所有指標(biāo)值均相同，則D2D數(shù)據(jù)共享伙伴的選擇變更為BS分配。

Step3 對(duì)提供者的各指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。

Step5 計(jì)算第個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為

Step6 加入修正因子的4項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值計(jì)算。

5 性能分析

5.1 理論分析

在D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)中，共享伙伴的隱私性和服務(wù)穩(wěn)定性都影響著共享服務(wù)的質(zhì)量。本文關(guān)注到若一個(gè)提供者在滿足其隱私要求下參與共享服務(wù)和穩(wěn)定地向需求者共享其所需數(shù)據(jù)是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。因此，基于D2D數(shù)據(jù)共享的網(wǎng)絡(luò)模型，提出一種共享伙伴的選擇機(jī)制PSUS，為需求者合理分配共享伙伴的同時(shí)保證提供者的隱私安全和共享服務(wù)的穩(wěn)定。PSUS關(guān)注到提供者在共享服務(wù)中的隱私問(wèn)題，在每次共享服務(wù)開(kāi)始前獲取到提供者的隱私度，通過(guò)選擇隱私度低的提供者參與共享服務(wù)可減少隱私泄露。首先，PSUS依據(jù)文獻(xiàn)[17]中提出的D2D通信會(huì)生成部分關(guān)于用戶隱私信息的概念，在其基礎(chǔ)上對(duì)其加以概括得到新的隱私信息的定義和提出隱私首選項(xiàng)的設(shè)置；又考慮到隱私的主觀性，將提供者的隱私偏好、歷史共享記錄和隱私風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度作為度量因子，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法合理地量化提供者隱私，得出提供者的隱私度。其次，PSUS通過(guò)候選提供者的隱私度構(gòu)建新的數(shù)據(jù)共享過(guò)程，提供者在隱私首選項(xiàng)的約束下主動(dòng)緩存數(shù)據(jù)，且在高于BS設(shè)置的隱私閾值時(shí)，不會(huì)參與共享服務(wù)，這將有效減少D2D數(shù)據(jù)共享組內(nèi)提供者的隱私度，讓提供者在數(shù)據(jù)共享階段不再擔(dān)心過(guò)高的隱私暴露而只提供粗粒度的數(shù)據(jù)。

另外，PSUS在滿足隱私要求提供者的基礎(chǔ)上進(jìn)一步做出工作，為了保證共享服務(wù)的穩(wěn)定性，利用4項(xiàng)與提供者有關(guān)的指標(biāo)對(duì)其服務(wù)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估且給出符合D2D數(shù)據(jù)共享環(huán)境的聲譽(yù)評(píng)分機(jī)制。評(píng)估穩(wěn)定性時(shí)，不是簡(jiǎn)單地對(duì)指標(biāo)進(jìn)行求和，而是采用加權(quán)求和的方法，這顯然比直接求和更具說(shuō)服力。為了客觀地完成穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，PSUS使用改進(jìn)的熵權(quán)法根據(jù)指標(biāo)的信息熵來(lái)合理調(diào)整各指標(biāo)的權(quán)重值，比主觀的分配權(quán)重更加合理。

5.2 實(shí)驗(yàn)仿真

本節(jié)在Matlab軟件上對(duì)PSUS進(jìn)行仿真分析，實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分：基于隱私度的數(shù)據(jù)共享過(guò)程和提供者穩(wěn)定度的評(píng)價(jià)過(guò)程，分別模擬由10、30和50個(gè)提供者組成的D2D數(shù)據(jù)共享群組，PMP中各隱私信息類型的參數(shù)通過(guò)隨機(jī)函數(shù)生成，之后按順序?qū)嵤㏄MP、BPP和SEP的步驟。

圖4是分別由10、30和50個(gè)提供者組成的D2D數(shù)據(jù)共享服務(wù)中各提供者的隱私度分布，表1是3個(gè)D2D數(shù)據(jù)共享群組中的伙伴選擇情況。BS根據(jù)圖4提供的隱私度分布直方圖，動(dòng)態(tài)設(shè)置如表1所示隱私閾值，以=10的組為例，BS監(jiān)控到隱私度處于VL，L級(jí)別的提供者較多，動(dòng)態(tài)設(shè)置隱私閾值為0.4，則該組提供者在隱私度高于0.4時(shí)不加入本次數(shù)據(jù)共享服務(wù)。其他兩組同理，提供者在隱私度高于0.6時(shí)不參與共享服務(wù)，保證了提供者的隱私安全。另外，按照隱私首選項(xiàng)的主動(dòng)緩存機(jī)制有助于提高數(shù)據(jù)共享服務(wù)的速率且不會(huì)過(guò)多暴露提供者的隱私。

圖4 提供者的隱私度分布

以上述實(shí)驗(yàn)中10的D2D群組為基礎(chǔ)，模擬6個(gè)已符合隱私要求的提供者的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)過(guò)程，其中，4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重如表2所示，各提供者的穩(wěn)定度如表3所示。BS按照穩(wěn)定度排序提供者，并依據(jù)此順序?yàn)樾枨笳叻峙涔蚕砘锇?。顯然，提供者6的穩(wěn)定度比其他提供者高，其表示相比于其他的提供者具有更高的聲譽(yù)、可持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、傳輸速率和更少的服務(wù)等待時(shí)間，擁有更高的服務(wù)穩(wěn)定性，它將被首選為數(shù)據(jù)提供者以保證數(shù)據(jù)共享的服務(wù)質(zhì)量。但提供者6不是唯一的共享伙伴，若需求者在和提供者6進(jìn)行數(shù)據(jù)共享時(shí)，發(fā)現(xiàn)6無(wú)法提供所需的所有數(shù)據(jù)時(shí)，若條件允許，需求者仍會(huì)按照穩(wěn)定度的高低繼續(xù)和提供者5進(jìn)行通信，以此類推，直至完成需求者的請(qǐng)求。

表1 D2D數(shù)據(jù)共享群組中的伙伴選擇情況

表2 權(quán)重的分配

表3 提供者的穩(wěn)定度

5.3 性能評(píng)估

(1) 隱私性評(píng)估

圖5反映隨著隱私閾值的增加，D2D群組內(nèi)提供者平均隱私度的變化?？梢钥吹?，在使用PSUS的D2D群組中，候選提供者的平均隱私度明顯低于未使用PSUS的D2D群組。這是因?yàn)镻SUS中的提供者在滿足首選項(xiàng)約束的前提下主動(dòng)緩存數(shù)據(jù)，并只在滿足隱私閾值的情況下參與共享服務(wù)，所以參與服務(wù)的提供者隱私度較低。而未使用PSUS的D2D群組在進(jìn)行數(shù)據(jù)共享服務(wù)時(shí)，30個(gè)提供者都可能被選擇為候選且主動(dòng)緩存數(shù)據(jù)隱私度未知，則平均隱私度不隨隱私閾值變化并均高于PSUS。其中，當(dāng)隱私閾值為1時(shí)，使用PSUS群組的候選提供者的數(shù)目為30個(gè)，但D2D群組內(nèi)提供者的隱私度仍低于未使用PSUS的D2D群組的原因是主動(dòng)緩存中隱私首選項(xiàng)約束。圖5反映PSUS的使用可以有效降低D2D數(shù)據(jù)共享群組內(nèi)的隱私度，減少因提供者隱私帶來(lái)的數(shù)據(jù)共享服務(wù)質(zhì)量下降的問(wèn)題。

圖5 D2D數(shù)據(jù)共享群組內(nèi)隱私度對(duì)比

(2) 穩(wěn)定性評(píng)估

在D2D數(shù)據(jù)共享群組中，通過(guò)4個(gè)指標(biāo)充分可靠地評(píng)估提供者的穩(wěn)定性。為了保證對(duì)提供者服務(wù)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的合理性，PSUS不是簡(jiǎn)單地對(duì)每個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行簡(jiǎn)單求和，而是采用加權(quán)求和的方法，并且通過(guò)改進(jìn)的熵權(quán)法根據(jù)指標(biāo)的信息熵大小動(dòng)態(tài)設(shè)置權(quán)重，即在指標(biāo)熵計(jì)算階段加入了修正因子，其合理性由文獻(xiàn)[21]所證明，克服了傳統(tǒng)熵權(quán)法的弊端，同時(shí)相對(duì)于主觀的隨機(jī)賦權(quán)具有較高的可信度和精確度，也更能滿足D2D網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性。因?yàn)槲墨I(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[22]中都有對(duì)D2D群組中移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，與本文所提評(píng)價(jià)方法具有可比性，所以表4給出3種方法的比較分析，發(fā)現(xiàn)PSUS使用的多指標(biāo)評(píng)價(jià)比文獻(xiàn)[7]具有指標(biāo)數(shù)和權(quán)重分配兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，因其并沒(méi)有對(duì)所選指標(biāo)因子加以權(quán)重計(jì)算。對(duì)于文獻(xiàn)[22]，雖然其所選的指標(biāo)數(shù)更多，也使用了加權(quán)求和的評(píng)估方法，但在權(quán)重確定方面顯然主觀分配的方法缺乏合理性，而比指標(biāo)數(shù)目顯然權(quán)重的合理分配更加重要。

表4 3種評(píng)價(jià)方法的比較分析

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)D2D數(shù)據(jù)共享中伙伴的隱私性和穩(wěn)定性影響著共享服務(wù)質(zhì)量的問(wèn)題，本文提出一種基于隱私度和的穩(wěn)定度的共享伙伴選擇機(jī)制，利用設(shè)計(jì)的隱私度量方法得到提供者的隱私度，并構(gòu)建一種基于隱私度的數(shù)據(jù)共享過(guò)程，保證提供者只在隱私度低的情況下參與共享數(shù)據(jù)，同時(shí)關(guān)注到僅依靠聲譽(yù)選擇共享伙伴的弊端，在前文滿足隱私要求的提供者的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種多指標(biāo)評(píng)價(jià)的方法來(lái)評(píng)估提供者的服務(wù)穩(wěn)定性以選擇最佳的共享伙伴。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論分析中的各種結(jié)果，表明所提機(jī)制是可行的。當(dāng)然所提的隱私度量方法和指標(biāo)評(píng)價(jià)方法仍存在一定的局限性，未來(lái)也將集中于更加簡(jiǎn)而有效的D2D通信中隱私度量方法和更加智能的服務(wù)穩(wěn)定性評(píng)估方法的研究。

[1] PEDHADIYA M K, JHA R K, BHATT H G. Device to device communication: A survey[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2019, 129: 71-89.

[2] WU D, ZHOU L, CAI Y. Social-aware rate based content sharing mode selection for D2D content sharing scenarios[J]. IEEE Transactions on Multimedia, 2017, 19(11): 2571-2582.

[3] JIANG J, ZHANG S, LI B, et al. Maximized cellular traffic offloading via device-to-device content sharing[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2016, 34(1): 82-91.

[4] MILITANO L, ARANITI G, CONDOLUCI M, et al. Device-to-device communications for 5G internet of things[J]. EAI Endorsed Transactions on Internet of Things, 2015, 15(1): 1-15.

[5] ZHANG A, CHEN J, HU R Q, et al. SeDS: secure data sharing strategy for D2D communication in LTE-advanced networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(4): 2659-2672.

[6] YU T, ZHOU Z, ZHANG D, et al. Indapson: an incentive data plan sharing system based on self-organizing network[C]//IEEE Conference on Computer Communications. 2014: 1545-1553.

[7] HE J Z, WANG H B, ZHANG T. Incentive and selection for D2D content sharing: a comprehensive scoring mechanism[C]// 2016 IEEE 13th International Conference on Signal Processing (ICSP). 2016: 1208-1213.

[8] ZHOU R F, HWANG K. PowerTrust: a robust and scalable reputation system for trusted peer-to-peer computing[C]//IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2007: 460-473.

[9] 華佳烽, 李鳳華, 郭云川, 等.信息交換過(guò)程中的隱私保護(hù)技術(shù)研究[J]. 網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào). 2016, 2(3): 28-38.

HUA J W, LI F H, GUO Y C, et al. Research on privacy protection technology in information exchange process[J]. Journal of Network and Information Security, 2016, 2(3): 28-38.

[10] WISHART R, HENRICKSEN K, INDULSKA J. Context privacy and obfuscation supported by dynamic context source discovery and processing in a context management system[C]//International Conference on Ubiquitous Intelligence and Computing. 2007: 929-940.

[11] FRANZ E, SPRINGER T, HARDER N. Enhancing privacy in social applications with the notion of group context[C]//2012 International Conference for Internet Technology and Secured Transactions. 2012: 112-118.

[12] WANG M, YAN Z. Privacy-preserving authentication and key agreement protocols for D2D group communications[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2018, 14(8): 3637-3647.

[13] MOHSENI-EJIYEH A, ASHOURI-TALOUKI M, MAHDAVI M. A lightweight and secure data sharing protocol for D2D communications[C]//2017 14th International ISC (Iranian Society of Cryptology) Conference on Information Security and Cryptology (ISCISC). 2017: 42-47.

[14] ZHANG A, WANG L, YE X, et al. Light-weight and robust security-aware D2D-assist data transmission protocol for mobile-health systems[J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 2017, 12(3): 662-675.

[15] YAN J, WU D, WANG R. Socially aware trust framework for multimedia delivery in D2D cooperative communication[J]. IEEE Transactions on Multimedia, 2019, 21(3): 625-635.

[16] HE J, WANG H, CHU X, et al. Incentive mechanism and content provider selection for device-to-device-based content sharing[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019.

[17] JAMEEL F, HAMID Z, JABEEN F, et al. A survey of device-to-device communications: research issues and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2018, 20(3): 2133-2168.

[18] JENSEN C D, KORSGAARD T R. Dynamics of trust evolution: auto-configuration of dispositional trust dynamics[C]//International Conference on Security and Cryptography. 2008: 509-517.

[19] BAI B, WANG L, HAN Z, et al. Caching based socially-aware D2D communications in wireless content delivery networks: a hypergraph framework[J]. IEEE Wireless Communications, 2016, 23(4): 74-81.

[20] JING L, NG M K, HUANG J Z. An entropy weighting-means algorithm for subspace clustering of high-dimensional sparse data[J]. IEEE Transactions on Knowledge & Data Engineering, 2007 (8): 1026-1041.

[21] 張近樂(lè), 任杰. 熵理論中熵及熵權(quán)計(jì)算式的不足與修正[J].統(tǒng)計(jì)與信息論壇, 2011, 26(1): 3-5.

ZHANG J L, REN J. The deficiencies and amendments of the calculation formulate of entropy and entropy weight in the theory of entropy[J]. Statistics & Information Forum, 2011, 26(1): 3-5.

[22] JIN B, JIANG D, XIONG J, et al. D2D data privacy protection mechanism based on reliability and homomorphic encryption[J]. IEEE Access, 2018, 6: 51140-51150.

D2D data sharing partner selection mechanism based on privacy degree and stability degree

HUANG Zhangjian1,2, YE Guohua1,2, YAO Zhiqiang1,2

1. School of Mathematics and Information, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China 2. Fujian Engineering Research Center of Public Service Big Data Mining and Application, Fuzhou 350117, China

Device to device (D2D) data sharing has become a promising solution to offload cellular network traffic, but the privacy vulnerability and service instability of data sharing partners affect the quality of shared services. To solve this problem, a D2D data sharing partner selection mechanism based on degree of privacy degree and stability degree (named PSUS) was proposed. Firstly, the privacy information of the provider was abstracted and summarized, and the privacy measurement method was built according to the privacy preferences of the provider and the historical records of shared services, and the privacy degree of the provider in different shared services was obtained. Then, the data sharing process was designed based on privacy degree, and the provider cached data under the constraints of privacy preferences and participates in sharing services with low privacy to meet the provider's privacy requirements. Finally, on the basis of the provider who has satisfied the privacy requirements, a multi-index evaluation method was designed to evaluate the service stability of providers to select stable sharing partners. The feasibility of the proposed mechanism was demonstrated by analysis of performance.

D2D data sharing, privacy preference, privacy metric, multi-index evaluation

The National Natural Science Foundation of China(No.61872090, No.61370078)

TP393

A

10.11959/j.issn.2096?109x.2019060

黃章?。?994? ），男，安徽六安人，福建師范大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算與安全服務(wù)。

葉幗華（1976? ），女，福建霞浦人，福建師范大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)安全隱私保護(hù)和信息安全。

姚志強(qiáng)（1967? ），男，福建莆田人，博士，福建師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)安全隱私保護(hù)、多媒體安全、應(yīng)用安全。

論文引用格式：黃章健, 葉幗華, 姚志強(qiáng). 基于隱私度和穩(wěn)定度的D2D數(shù)據(jù)共享伙伴選擇機(jī)制[J]. 網(wǎng)絡(luò)與信息安全學(xué)報(bào), 2019, 5(6): 31-41.

HUANG Z J, YE G H, YAO Z Q. D2D data sharing partner selection mechanism based on privacy degree and stability degree[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2019, 5(6): 31-41.

2019?04?02；

2019?07?11

姚志強(qiáng)，yzq@finu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61872090, No.61370078）