P2P 网络中基于 QoS 的抑制搭便车策略研究

答辩人 : 李玉玲导师：刘玉华教授

P2P 网络中基于 QoS 的抑制搭便车策略研究

目录1. 研究背景和意义

2. P2P 网络中抑制搭便车的平衡机制的研究

3. 基于信任值的抗脆弱性模型的建立

4. 基于 QoS 的抑制搭便车策略

5. 结论和展望

1 研究背景和意义 (1/4) C/S 模式：服务器易成为瓶颈。 P2P 网络：节点之间可以直接进行通讯，网络中的节点具有双重身份。优点：提高网络效率及资源利用率，充分开发每个网络结点的潜力。

Clients

Server

图 1.1 C/S 网络工作模式示意图图 1.2 P2P 网络工作模式示意图

1 研究背景和意义 (2/4)

关于 P2P 网络流量测量结果，可得以下 3 个结论：（ 1 ）搭便车现象随着时间推移，变得日趋严重；（ 2 ）搭便车现象在所有 P2P 应用系统中均普遍存在；（ 3 ）搭便车行为是一种跨地域、跨不同物理网络的普遍现象，尽管在不同地域和子网中的严重程度存在差异。

搭便车现象给 P2P 网络带来的负面影响如下：（ 1 ）网络中大多数节点不共享资源，导致网络中资源的数量明显降低。（ 2 ）导致集散现象的出现，超过一半的查询响应都由为数极少的集散节点提供，使得 P2P 网络趋向于 C/S 模式， P2P 网络具有的健壮

性将不复存在。（ 3 ）增加系统的开销和传输时延，降低了网络的工作效率。

1 研究背景和意义 (3/4) 目前抑制搭便车行为的方法

有三种：激励机制、博弈论方法、经济模型。

目前对基于抑制机制的搭便车现象的研究尚有很多问题亟待解决，主要体现在以下三个方面：

（ 1 ）效用函数的设置；（ 2 ）没有很好的解决 P2P

网络中节点的异构性；（ 3 ）未考虑交易时节点共享资源的 QoS 问题。

较高

计算节点效用函数

节点请求发送查询信息和下载服务

下载资源

重新计算效用函数

拒绝下载

较低判断节点效用函数值

是否为其它节点提供服务

是否

结束

等待时间触发，有服务请求？

无有

图 1.2 激励机制算法基本流程

1 研究背景和意义 (4/4)

本文的主要内容提出了一种抑制搭便车行为的平衡机制，允许一定程度

的搭便车节点的存在，按照区分服务的思想鼓励节点积极的参与资源共享；

提出基于节点信任值的抗脆弱性模型，有效的避免集散节点的形成，增强网络的鲁棒性和稳健性；

提出了一种在保证 QoS 的同时，对搭便车节点进行抑制的策略，达到提高网络资源利用率和资源交易成功率的目的。

2 P2P 网络中抑制搭便车的平衡机制 (1/6)

搭便车现象会给 P2P 网络带来的生命周期、资源丰富性、健壮性及可用性等负面影响。

当搭便车节点比率较小时，网络中多数是热心提供服务的节点，网络通讯资源将大量闲置，造成资源的浪费。

允许搭便车节点存在，根据效用函数的大小为节点提供有区别的服务。


节点的收益值

惩罚值

贡献值

),(),(

i )()()(T),E(PTPDLf

kkTPULf

k

ikik

fSizefDCountfSize

)()( =),(),(

i kTPRLf

k fRCountfRSizeTPik

),(),()1,(),( TPTPETPDTPD iiii

2 P2P 网络中抑制搭便车的平衡机制 (3/6) 使用层次分析法即 AHP 法来估算节点的综合性能。(1) 建立层次结构模型，如图 2.2 所示

(2) 构造各层之间的成对比较矩阵

13/1

31'A

综合性能

C(PPi,OTi)

物理性能(D1)

在线时间(D2)

时钟频率(D11)

带宽大小 (D12)

硬盘容量(D13)

图 2.2 节点综合性能的层次结构图

13/23/1

2/312/1

321

'B


(3) 计算每个成对比较矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，并做一致性检验

λ(1)=2 ， w(1)= [0.75 0.25]T

λ1(2)=3 ， w1

(2)= [0.545 0.273 0.182]T

(4) 计算组合权向量并做一致性检查

节点的综合性能

25.0

136.0

205.0

409.0

0]w ,[ww (1))2(1

OTHDBWCROTPPC ii 25.0136.0205.0409.0),(


节点的效用值

节点的效用值与节点的贡献值和节点的综合性能有关。节点的贡献越多，综合性能越好，所获得的效用值也就越大。

效用值用于衡量消费节点的优先级，效用值大的的节点与效用值小的节点竞争下载资源时，具有优先分配权。

),(),()( iiii OTPPCTPDTU


图 2.3 搭便车节点数量随时间变化图图 2.4 共享资源数量的比较

没有采用平衡机制的 P2P 网络中搭便车节点的数量随时间的变化增长很快，共享资源的数量增加缓慢，其数量值的百分比在 71.2%左右波动。基于平衡机制的 P2P 网络中搭便车节点的比例稳定在 24.5%左右，且共享资源的数量明显增加。该机制能激励节点积极的参与共享，有效的提高了网络资源的利用率。

3 基于信任值的抗脆弱性模型 (1/8)

图 3.1 P2P 网络中直接信任与推荐信任示意图

在 P2P文件共享系统中，节点 vi请求交易 vj 的文件，如果交易到的内容与请求交易的内容一致，就称一次成功交易，否则称一次失败交易。


直接信任值模型的建立

定义 3.2 Dij(k)表示节点 vi 对 vj 中 k类型资源进行交易的直接信任值，通过 vi 与 vj 的直接交易历史经验来计算，如式（ 3.1 ）所示：

sij(k)表示 vi 和 vj 进行 k类资源交易成功的次数， fij(k)表示失败的次数，参数 ρ代表信任值衰减调节因子，用来调节失败的交易使直接信任值降低的速率。参数 λ 制约着成功交易使节点从初始信任达到完全信任状态的速度。

0,1f )()(

)(

)(

，

kijkij

kij

kij s

sD （ 3.1 ）

3 基于信任值的抗脆弱性模型 (3/8) 推荐信任模型的建立定义 3.3 Rtj(k)表示节点 vj 中 k 资源类型的推荐信任值（从 vi 的角度看），取决于推荐节点自身的综合信任值和推荐节点与 vj 之间的直接信任值，如式（ 3.2 ）所示：

Bj(k)表示除节点 vi外与节点 vj 进行资源类型 k 交易的节点集合， D

xj(k)表示进行资源 k 的交易中，节点 vx 对 vj 的直接信任值， Ttx(k)表示

节点 vx 中 k 资源类型的综合信任值。

iBx

kxjkxj

kj

DTtRtx

)()((k)

)( 且（ 3.2 ）


综合信任值的计算定义 3.4 Tij(k)表示节点 vi 对 vj 的综合信任值，即 vi 和 vj 进行 k类资源交易的直接

信任值 Dij(k) 以及 vj 的推荐信任值 Rtj(k) 的和，如式（ 3.3 ）所示：

参数 α 是直接信任的权重因子，参数 β 是推荐信任的权重因子。资源提供节点的选取定义 3.5 Qij(k)表示选取资源提供节点的最终参考值，如式（ 3.4 ）所示：

N(i) 是单个节点的最大并发下载连接数， D(i) 为该节点的连接数。

1,0)()()( ，kjkijkij RtDT （ 3.3 ）

)(

)(

)((k) e iN

iD

Bjkijij

i

TQ

（ 3.4 ）

3 基于信任值的抗脆弱性模型 (5/8) 参数 ρ 的分析

图 3.2 是当 λ＝ 5 时， ρ 分别为 1 、 5 、 10 的情况下，交易成功和失败的次数 sij(k) 和 fij(k) 对直接信任值 Dij(k) 的影响。

图 3.2 参数 ρ 对直接信任值 Dij(k) 的影响

（ 1 ） ρ=1 ， λ＝ 5 （ 2 ） ρ=5 ， λ＝ 5 （ 3 ） ρ=10 ， λ＝ 5

3 基于信任值的抗脆弱性模型 (6/8) 参数 λ的分析

图 3.2 是当 ρ ＝ 3 时， λ 分别为 1 、 10 、 100 的情况下，交易成功和失败的次数 sij(k) 和 fij(k) 对直接信任值 Dij(k) 的影响。

图 3.2 参数 λ 对直接信任值 Dij(k) 的影响

（ 1 ） ρ=3 ， λ＝ 1 （ 2 ） ρ=3 ， λ＝ 10 （ 3 ） ρ=3 ， λ＝ 100

3 基于信任值的抗脆弱性模型 (7/8) 参数 ρ和 λ取值的分析

ρ 和 λ 值越大，对网络 QoS 的要求越严格，用户得到的服务也越好。但信任值的积累过于困难，降低了节点交易的积极性；

较低的 ρ 和 λ 值反映了系统对失败交易的容忍，体现不出对失败交易的惩罚，对信任值的积累起不到抑制作用，用户交易的风险也就随之增大 ;

通过大量的实验和实际数据的分析，根据网络规模本章选取 ρ＝ 3 和 λ＝ 10 。


基于信任值的控制网络相对无控制网络集散节点的数目明显减少，且节点连接数大多分布在 [2,16] 之间。

从图 3.5看出，在交易进行到一定阶段，基于信任值的控制网络的交易成功率保持在一个稳定状态，而无控制网络中交易成功率开始有明显的增加，随着交易次数的增多有下降趋势。

图 3.4 两种网络中节点连接数的比较图 3.5 两种网络交易成功率的对比

4 基于 QoS 的抑制搭便车策略 (1/7)

由于 P2P 网络中节点的匿名性和贡献资源自愿性的特性，导致了 P2P 网络中存在两个难题：（ 1 ）搭便车现象。绝大多数缺乏提供服务的积极性。单个节点为追求自身网络效用的最大化，只享受系统的资源和服务而不为系统作贡献，只有少量的热心节点提供服务，从而导致了搭便车现象的出现。

（ 2 ）不可靠的服务。随着 P2P 应用的日益广泛，网络安全问题也越来越突出，表现为应用中大量欺诈行为的存在以及网络本身的不可靠 QoS上。


域的划分 P2P 网络的通信量已经占整个 Internet 通信量的最大部分， P2P

网络迫切需要对节点进行分域以降低额外通信开销。在实际的 P2P 网络中，大部分的节点往往和局部临近的节点交互

比较频繁，因此根据网络节点物理位置的临近性，物理距离较近的对等点聚集为一个域。

域内选择一个物理性能好（高带宽，高处理能力，大存储容量）的节点和多个备份节点来放置节点的资源信息，较好的适应 P2P

网络节点的随机性和动态性。


将节点的评价值多样化，设置 -1<=UE<=1 。促进节点积极的参与资源贡献的同时，还要努力提高交易的质量。

参数 ρ代表差评的惩罚因子，表示差的评价使文件信任值的损失将 ρ倍于好评的收益，从而对质量差的交易进行惩罚，避免交易中节点提供的不可靠的服务或节点的欺诈行为。

参数 λ 制约着初始的好评使节点达到完全信任状态的速度。所以一个节点要想积累信任值就只有通过提高交易成功的次数，提供可靠的 QoS ，规范自己的行为。

0),(|),(|)(

0),(),()(

2

1

n

1i

n

1i

jkjkk

jkjkk

vfUEvfUEfBE

vfUEvfUEfGE

01)()(

)()(

，，

kk

kk fBEfGE

fGEfT


节点的贡献值

节点的衰减值

有效贡献值

)(ount)()('),()(k

kvULf

kki fCfSizefTTvUDi

)(k

)()('),(ivDLf

kki fSizefTTvDD

),(),()1,(),( TvDDTvUDTvDTvD iiii


节点进行文件下载的过程描述：Step 1 判断 vj 是否满足下载条件。即比较消费节点 vj 的有效贡献值 D （ vj ， T ）

与下载阀值 ε 的大小，如果大于阀值，进行下载，转向 Step 2 。否则下载请求被拒绝，等待一段时间后，重新发出下载请求。Step 2 当消费节点 vj 发出下载文件 fk 的请求时，通过 vj 所在域内的管理节点先查找本域是否有该文件，如果查找到有相应的文件则转向 Step 3继续执行，如果没有转向 Step 4 。Step 3 获取域内 fk 的 T(vi ），选择信任值高的节点作为服务提供节点， vj获取到 vi

的 ID后，发出下载请求，转向 Step 5 。Step 4 vj 的请求由本域的管理节点转发到其它域的管理节点，它们分别在本域内查找，如果找到返回文件的信任值及所在节点和域的 ID ，选择信任值高的文件进行下载，转向 Step 5 。Step 5 vj 对 vi 提供的文件 fk 进行评价，在此交易周期结束后，更新管理节点和参与交易的节点的列表信息。


图 4.2 ρ=3 ， λ=5 时，信任值的变化

图 4.3 GE(fk) 与信任值之间的关系图 4.4 BE 与信任值之间的关系

图 4.5 交易成功率的比较


图 4.6 搭便车节点数量的对比图 4.7 平均路径程度的变化

仿真证明该策略能够在保证 QoS 的同时，对搭便车现象进行抑制，从而达到提高资源利用率和交易成功率的目的。本章的网络采用分域的方法，节点按照物理位置的临近性原则聚集成域，节点间交易大多在小范围的簇内进行，消息总跳数明显减少，表明分域模型可扩展性很强。

5 总结和展望

本文提出了 P2P 网络中基于 QoS 的抑制搭便车机制。核心内容主要为三部分

（ 1 ）分析了搭便车行为进行平衡的机制；

（ 2 ）设计了基于信任值的抗脆弱性模型，以此提高节点间交易文件

的质量；

（ 3 ）提出了基于 QoS 的抑制搭便车行为的策略。

工作展望（ 1 ）更优计算节点综合性能的方法

（ 2 ）更好的分域方法

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在校期间所参与项目和发表的论文参与的项目：国家自然科学基金项目“重叠网络中避免集散节点形成的拓扑控制机

制研究”（项目编号： 60673163 ）

发表的论文：[1] Yuhua Liu, Naixue Xiong, Yuling Li, Kaihua Xu, Jong Hyuk Park, Chuan Lin. A Secure Model for Cont

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