p2p網(wǎng)絡(luò)搭便車行為的激勵(lì)機(jī)制

p2p網(wǎng)絡(luò)搭便車行為的激勵(lì)機(jī)制

0p2p網(wǎng)絡(luò)面臨網(wǎng)絡(luò)弱化的問題近年來，隨著p2p技術(shù)的成熟，基于p2p技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在互聯(lián)網(wǎng)上越來越流行。從早期的Nasper,到時(shí)下最為流行的文件下載應(yīng)用BitTorrent和eMule,P2P網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分。P2P網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)本身,從有中心節(jié)點(diǎn)的Nasper,到無中心非結(jié)構(gòu)化的Gnutella、Freenet,再到現(xiàn)在的基于DHT(DistributedHashTable)的結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)如Chord、CAN及Pastry等,也在不斷地進(jìn)化。然而,目前的P2P網(wǎng)絡(luò),無論是結(jié)構(gòu)化的還是非結(jié)構(gòu)化的,都基于一個(gè)假設(shè),那就是每個(gè)參與的節(jié)點(diǎn)都能善意地,最大化地提供網(wǎng)絡(luò)資源。但單個(gè)節(jié)點(diǎn)往往希望最大化自身的網(wǎng)絡(luò)效用。由于目前的P2P網(wǎng)絡(luò)沒有考慮這個(gè)事實(shí),一方面使得P2P網(wǎng)絡(luò)中搭便車者(FreeRider)盛行。根據(jù)對Gnutella網(wǎng)絡(luò)的調(diào)查顯示,近70%的節(jié)點(diǎn)是搭便車者,他們不作任何貢獻(xiàn)或作少量的貢獻(xiàn),卻向網(wǎng)絡(luò)索取大量的資源;而有近半數(shù)的資源來自網(wǎng)絡(luò)的1%的共享節(jié)點(diǎn),這使得網(wǎng)絡(luò)資源集中化,造成網(wǎng)絡(luò)擁堵,從而引發(fā)了公共悲劇問題。另一方面,節(jié)點(diǎn)擁有的資源同質(zhì)化日趨嚴(yán)重,用戶無法從P2P網(wǎng)絡(luò)獲得有效的資源。隨著公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PublicKeyInfrastructure,PKI)建設(shè)的完善,數(shù)字證書已經(jīng)日益普及。本文提出了一種基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)和PKI體系的激勵(lì)機(jī)制,它不但鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)提供資源下載,還讓資源加入者從中受益,從而不但可以有效地抑制搭便車行為,更使得網(wǎng)絡(luò)資源日益豐富。1該框架1.1節(jié)點(diǎn)下載的激勵(lì)措施首先引入幾個(gè)概念:貢獻(xiàn)值、上傳下載比、資源價(jià)格和分配比例。貢獻(xiàn)值是指節(jié)點(diǎn)對P2P網(wǎng)絡(luò)所作的貢獻(xiàn)。每個(gè)在P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)貢獻(xiàn)值C。上傳下載比是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供的上傳帶寬與下載帶寬的比值,記為r。每個(gè)資源都付出一定的貢獻(xiàn)值才能夠使用,即資源價(jià)格p。當(dāng)節(jié)點(diǎn)從P2P網(wǎng)絡(luò)下載資源時(shí),若資源價(jià)格為p,那么它應(yīng)該支付p點(diǎn)貢獻(xiàn)值,即其貢獻(xiàn)值變?yōu)镃-p。分配比例β是指提供下載所得的收益中分配給資源發(fā)布者的比例,即βp分配給資源發(fā)布節(jié)點(diǎn),(1-β)p分配給提供資源下載的節(jié)點(diǎn),以鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)發(fā)布資源。為了鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)多作貢獻(xiàn),目前主要有兩種激勵(lì)措施:金錢支付和差異化服務(wù)。前者涉及到虛擬貨幣及支付系統(tǒng)等問題,盡管可以采用微支付等手段,但它并不實(shí)用。本文采用后者作為主要的激勵(lì)措施,通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)下載的優(yōu)先次序,來達(dá)到差異化服務(wù)的目的。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)向某個(gè)節(jié)點(diǎn)請求文件時(shí),由于上傳帶寬的限制,被請求節(jié)點(diǎn)無法同時(shí)為所有節(jié)點(diǎn)提供資源,此時(shí)為所有的請求節(jié)點(diǎn)計(jì)算優(yōu)先系數(shù)k,公式如下:k={C*r,C≥0C/r,C>0k={C*r,C≥0C/r,C>0采用高k值優(yōu)先下載的原則,具有較高k值的節(jié)點(diǎn)先行下載,較低k值的節(jié)點(diǎn)則加入等待隊(duì)列。1.2資源下載協(xié)議在資源R投入到P2P網(wǎng)絡(luò)并最終下載到用戶節(jié)點(diǎn)的過程中,存在以下參與節(jié)點(diǎn):O:Owner,資源的發(fā)布節(jié)點(diǎn);S:Sender,資源的提供下載節(jié)點(diǎn);U:User,資源的使用節(jié)點(diǎn),它從S處下載資源;M:Mediation,中介仲裁節(jié)點(diǎn)。其中,對某一資源,只存在一個(gè)發(fā)布節(jié)點(diǎn)O,在資源的傳播過程中可以存在多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)S,也會為多個(gè)節(jié)點(diǎn)U所使用。而且節(jié)點(diǎn)U在下載資源后,同樣可以作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)提供資源給其他用戶節(jié)點(diǎn)。為了保障這個(gè)激勵(lì)機(jī)制的正常運(yùn)行,設(shè)計(jì)如下協(xié)議:資源發(fā)布協(xié)議如圖1。1.1資源擁有節(jié)點(diǎn)O對資源R做摘要:h1=H(R2),然后找到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該存儲h1的節(jié)點(diǎn)R,將h1、p和β等信息存儲到這個(gè)節(jié)點(diǎn)上;1.2資源擁有節(jié)點(diǎn)O將R和h1發(fā)給Sender節(jié)點(diǎn)。資源下載協(xié)議如圖2。2.1節(jié)點(diǎn)S為此次下載產(chǎn)生隨機(jī)密鑰sk,并用它對R進(jìn)行加密得:R2=Esk(R),然后對R2做摘要并用自己的私鑰ssk加密得:h2=Essk(H(R2))。用節(jié)點(diǎn)M的公鑰mpk加密sk得:sk2=Empk(sk),再用節(jié)點(diǎn)S的私鑰對sk2做加密得:sk3=Essk(sk2)。將R2,sk2,sk3,h1和h2發(fā)給用戶節(jié)點(diǎn)U;2.2用戶節(jié)點(diǎn)用節(jié)點(diǎn)S的公鑰解密h2得:h′2=Dsss(h2),同時(shí)對R2做摘要得h″2=H(R2),對比h′2和h″2,若相同,則向中介節(jié)點(diǎn)M發(fā)送sk2;2.3中介節(jié)點(diǎn)M用自己的私鑰解密sk2得:sk=Dmsk(sk2),將sk發(fā)給用戶節(jié)點(diǎn)U;2.4用戶節(jié)點(diǎn)U用sk解密R2得:R=Dsk(R2),再對R做摘要得:h′1=H(R2),如果h′1值與h1相符,通知節(jié)點(diǎn)M按比例支付貢獻(xiàn)值給節(jié)點(diǎn)O和S。1.3b.m之間的節(jié)點(diǎn)抵賴作為中介節(jié)點(diǎn)的M,同時(shí)具備仲裁職能。在發(fā)送節(jié)點(diǎn)S和用戶節(jié)點(diǎn)U發(fā)生爭執(zhí)時(shí),由M來裁決哪個(gè)節(jié)點(diǎn)抵賴。采用本文的協(xié)議,M只須與S或U中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)溝通即可判斷出哪個(gè)節(jié)點(diǎn)抵賴,從而可以有效地減低了仲裁的成本與復(fù)雜度。針對S或U的抵賴情況,分析如下:1被解密者的節(jié)點(diǎn)s不能得到支付1.1節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的內(nèi)容不是指定的資源R,那么在資源下載協(xié)議2.4中,用戶節(jié)點(diǎn)U對R2解密后做摘要的值h′1就不會等于h1,從而節(jié)點(diǎn)S無法得到支付;1.2節(jié)點(diǎn)S未發(fā)送正確的密鑰sk,在資源下載協(xié)議2.4中節(jié)點(diǎn)U無法解密R2,同樣節(jié)點(diǎn)S無法得到支付。2節(jié)點(diǎn)確定并驗(yàn)證2.1節(jié)點(diǎn)U聲稱根本沒有收到過資源,那么在資源下載協(xié)議2.2中,它就不可能發(fā)送sk2給節(jié)點(diǎn)M,顯然節(jié)點(diǎn)U抵賴;2.2節(jié)點(diǎn)U聲稱收到不正確的資源R,則它應(yīng)該向節(jié)點(diǎn)M提供R2,sk2,sk3,h1和h2。節(jié)點(diǎn)M用節(jié)點(diǎn)S的公鑰解密h2得到h1,同時(shí)對R2做摘要得到h′1,對比兩者以確保節(jié)點(diǎn)U提供的R2的真實(shí)性。同樣節(jié)點(diǎn)R用節(jié)點(diǎn)S的公鑰解密sk3得到sk′2,與sk2對比以確保節(jié)點(diǎn)U提供的sk2的真實(shí)性。然后節(jié)點(diǎn)M重復(fù)資源下載協(xié)議2.4中節(jié)點(diǎn)U的操作,從而可以確定U是否抵賴;2.3節(jié)點(diǎn)U聲稱收到錯(cuò)誤的密鑰sk,采用2.2的方法同樣可以驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)U是否抵賴。2資源沒有分配到所有的節(jié)點(diǎn)為評價(jià)本文的激勵(lì)機(jī)制,采用PeerSim進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。假設(shè)有50000個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)初始的貢獻(xiàn)值C均為0,然后為節(jié)點(diǎn)隨機(jī)地分配上傳帶寬和下載帶寬,并保證一半節(jié)點(diǎn)上傳下載比r大于或等于1.0,另一半節(jié)點(diǎn)r小于1.0。將60個(gè)資源隨機(jī)地分配到網(wǎng)絡(luò)中的60個(gè)節(jié)點(diǎn)上,每個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)資源,也就是說,這60個(gè)節(jié)點(diǎn)是資源發(fā)布節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)制(Cycle),每一次循環(huán)節(jié)點(diǎn)之間交換一次文件。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有了這60個(gè)資源,我們認(rèn)為它是已完成節(jié)點(diǎn),反之為未完成節(jié)點(diǎn)。從圖3～圖5中可以看出,在引入了本文的激勵(lì)機(jī)制后,所有節(jié)點(diǎn)、資源擁有節(jié)點(diǎn)和高貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)(r≥1.0)的完成情況都得到了有效的改善。而從圖6中,我們可以發(fā)現(xiàn),本文的激勵(lì)機(jī)制前期循環(huán)中,對低貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)(r<1.0)有明顯的抑制作用,從而為高貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)提供更好的服務(wù);在后期的循環(huán)中,由于高貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)完成度較高,低貢獻(xiàn)節(jié)點(diǎn)的完成情況也開始好轉(zhuǎn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文的激勵(lì)機(jī)制可以有效地抑制節(jié)點(diǎn)的自私行為,并鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)發(fā)布資源