p2p網絡搭便車行為的激勵機制

p2p網絡搭便車行為的激勵機制

0p2p網絡面臨網絡弱化的問題近年來，隨著p2p技術的成熟，基于p2p技術的網絡應用在互聯(lián)網上越來越流行。從早期的Nasper,到時下最為流行的文件下載應用BitTorrent和eMule,P2P網絡已經成為了互聯(lián)網不可或缺的一部分。P2P網絡的結構本身,從有中心節(jié)點的Nasper,到無中心非結構化的Gnutella、Freenet,再到現(xiàn)在的基于DHT(DistributedHashTable)的結構化P2P網絡如Chord、CAN及Pastry等,也在不斷地進化。然而,目前的P2P網絡,無論是結構化的還是非結構化的,都基于一個假設,那就是每個參與的節(jié)點都能善意地,最大化地提供網絡資源。但單個節(jié)點往往希望最大化自身的網絡效用。由于目前的P2P網絡沒有考慮這個事實,一方面使得P2P網絡中搭便車者(FreeRider)盛行。根據對Gnutella網絡的調查顯示,近70%的節(jié)點是搭便車者,他們不作任何貢獻或作少量的貢獻,卻向網絡索取大量的資源;而有近半數(shù)的資源來自網絡的1%的共享節(jié)點,這使得網絡資源集中化,造成網絡擁堵,從而引發(fā)了公共悲劇問題。另一方面,節(jié)點擁有的資源同質化日趨嚴重,用戶無法從P2P網絡獲得有效的資源。隨著公鑰基礎設施(PublicKeyInfrastructure,PKI)建設的完善,數(shù)字證書已經日益普及。本文提出了一種基于結構化網絡和PKI體系的激勵機制,它不但鼓勵節(jié)點提供資源下載,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,更使得網絡資源日益豐富。1該框架1.1節(jié)點下載的激勵措施首先引入幾個概念:貢獻值、上傳下載比、資源價格和分配比例。貢獻值是指節(jié)點對P2P網絡所作的貢獻。每個在P2P網絡中的節(jié)點都有一個貢獻值C。上傳下載比是指每個節(jié)點提供的上傳帶寬與下載帶寬的比值,記為r。每個資源都付出一定的貢獻值才能夠使用,即資源價格p。當節(jié)點從P2P網絡下載資源時,若資源價格為p,那么它應該支付p點貢獻值,即其貢獻值變?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,(1-β)p分配給提供資源下載的節(jié)點,以鼓勵節(jié)點發(fā)布資源。為了鼓勵節(jié)點多作貢獻,目前主要有兩種激勵措施:金錢支付和差異化服務。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,但它并不實用。本文采用后者作為主要的激勵措施,通過調整節(jié)點下載的優(yōu)先次序,來達到差異化服務的目的。當多個節(jié)點向某個節(jié)點請求文件時,由于上傳帶寬的限制,被請求節(jié)點無法同時為所有節(jié)點提供資源,此時為所有的請求節(jié)點計算優(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)點先行下載,較低k值的節(jié)點則加入等待隊列。1.2資源下載協(xié)議在資源R投入到P2P網絡并最終下載到用戶節(jié)點的過程中,存在以下參與節(jié)點:O:Owner,資源的發(fā)布節(jié)點;S:Sender,資源的提供下載節(jié)點;U:User,資源的使用節(jié)點,它從S處下載資源;M:Mediation,中介仲裁節(jié)點。其中,對某一資源,只存在一個發(fā)布節(jié)點O,在資源的傳播過程中可以存在多個發(fā)送節(jié)點S,也會為多個節(jié)點U所使用。而且節(jié)點U在下載資源后,同樣可以作為發(fā)送節(jié)點提供資源給其他用戶節(jié)點。為了保障這個激勵機制的正常運行,設計如下協(xié)議:資源發(fā)布協(xié)議如圖1。1.1資源擁有節(jié)點O對資源R做摘要:h1=H(R2),然后找到結構化網絡中應該存儲h1的節(jié)點R,將h1、p和β等信息存儲到這個節(jié)點上;1.2資源擁有節(jié)點O將R和h1發(fā)給Sender節(jié)點。資源下載協(xié)議如圖2。2.1節(jié)點S為此次下載產生隨機密鑰sk,并用它對R進行加密得: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M的公鑰mpk加密sk得:sk2=Empk(sk),再用節(jié)點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U;2.2用戶節(jié)點用節(jié)點S的公鑰解密h2得:h′2=Dsss(h2),同時對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M發(fā)送sk2;2.3中介節(jié)點M用自己的私鑰解密sk2得:sk=Dmsk(sk2),將sk發(fā)給用戶節(jié)點U;2.4用戶節(jié)點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M按比例支付貢獻值給節(jié)點O和S。1.3b.m之間的節(jié)點抵賴作為中介節(jié)點的M,同時具備仲裁職能。在發(fā)送節(jié)點S和用戶節(jié)點U發(fā)生爭執(zhí)時,由M來裁決哪個節(jié)點抵賴。采用本文的協(xié)議,M只須與S或U中的一個節(jié)點溝通即可判斷出哪個節(jié)點抵賴,從而可以有效地減低了仲裁的成本與復雜度。針對S或U的抵賴情況,分析如下:1被解密者的節(jié)點s不能得到支付1.1節(jié)點S發(fā)送的內容不是指定的資源R,那么在資源下載協(xié)議2.4中,用戶節(jié)點U對R2解密后做摘要的值h′1就不會等于h1,從而節(jié)點S無法得到支付;1.2節(jié)點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U無法解密R2,同樣節(jié)點S無法得到支付。2節(jié)點確定并驗證2.1節(jié)點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M,顯然節(jié)點U抵賴;2.2節(jié)點U聲稱收到不正確的資源R,則它應該向節(jié)點M提供R2,sk2,sk3,h1和h2。節(jié)點M用節(jié)點S的公鑰解密h2得到h1,同時對R2做摘要得到h′1,對比兩者以確保節(jié)點U提供的R2的真實性。同樣節(jié)點R用節(jié)點S的公鑰解密sk3得到sk′2,與sk2對比以確保節(jié)點U提供的sk2的真實性。然后節(jié)點M重復資源下載協(xié)議2.4中節(jié)點U的操作,從而可以確定U是否抵賴;2.3節(jié)點U聲稱收到錯誤的密鑰sk,采用2.2的方法同樣可以驗證節(jié)點U是否抵賴。2資源沒有分配到所有的節(jié)點為評價本文的激勵機制,采用PeerSim進行仿真實驗。假設有50000個節(jié)點,每個節(jié)點初始的貢獻值C均為0,然后為節(jié)點隨機地分配上傳帶寬和下載帶寬,并保證一半節(jié)點上傳下載比r大于或等于1.0,另一半節(jié)點r小于1.0。將60個資源隨機地分配到網絡中的60個節(jié)點上,每個節(jié)點一個資源,也就是說,這60個節(jié)點是資源發(fā)布節(jié)點。實驗采用循環(huán)制(Cycle),每一次循環(huán)節(jié)點之間交換一次文件。如果一個節(jié)點擁有了這60個資源,我們認為它是已完成節(jié)點,反之為未完成節(jié)點。從圖3～圖5中可以看出,在引入了本文的激勵機制后,所有節(jié)點、資源擁有節(jié)點和高貢獻節(jié)點(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),本文的激勵機制前期循環(huán)中,對低貢獻節(jié)點(r<1.0)有明顯的抑制作用,從而為高貢獻節(jié)點提供更好的服務;在后期的循環(huán)中,由于高貢獻節(jié)點完成度較高,低貢獻節(jié)點的完成情況也開始好轉。從實驗結果可以看出,本文的激勵機制可以有效地抑制節(jié)點的自私行為,并鼓勵節(jié)點發(fā)布資源