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移动P2P覆盖网拓扑结构及节点合作保障机制研究

刘佳琦  
【摘要】:近年来,随着移动通信技术的快速发展和各种移动设备在用户中的日益普及,P2P无论是在学术领域还是在工业界,都已经扩展到与移动设备、无线网络相关的领域。研究者已经开始关注参与性更广、分布式更强、更具有对等自治特征的移动P2P网络(Mobile Peer-to-Peer Network,简称MP2P)。移动P2P网络的大规模、自组织、环境复杂、节点资源有限、网络拓扑经常发生变化等特点,对其研究和开发都提出了新的需求和挑战。 首先,P2P网络是一种建立在Internet上的分布式覆盖网络,其目标是能够充分地利用各种终端系统进行大规模协同合作和资源共享。因此,覆盖网络的拓扑结构对系统性能有重要影响。而对于移动P2P网络这样高分布式异构的环境而言,为了较好地实现各终端系统协同合作和资源共享的目标,维护和提高网络的性能,构建一个性能良好的覆盖网拓扑,是其研究的基础和关键技术之一。其次,P2P网络是以节点愿意共享资源为前提的,但是由于节点的分布性、动态性和异构性等,使得P2P网络中存在大量不可靠服务质量和欺诈行为(如搭便车、Sybil攻击、洗白)等问题。在移动环境中,这些问题同样存在,且由于移动环境的特点,使得对引入信任、激励策略等相关机制来保障节点彼此合作,以有效使用网络资源,提高网络性能的要求更加迫切,亦是移动P2P网络研究的关键技术之一。 本文主要围绕上述的覆盖网拓扑结构和保障节点合作的相关机制进行研究,主要内容和贡献如下: (1)结合多维度的基于网状和基于树型层次结构的优点,提出一种基于节点间信息交互的三维覆盖网拓扑结构(3D Overlay Based on Information Exchange for MP2P,简称3D-OBInfoEx),3D-OBInfoEx首先把节点按照距离的远近形成自治域,保障底层物理网络和覆盖网拓扑的匹配;然后综合考虑节点的多方面信息,基于节点之间的信息交互选择各自治域的信息中心;最后提出三信息中心互相备份,但各自承担不同功能的方法,把各自治域进行连接,避免瓶颈节点的出现,同时分担了节点的工作负载。在3D-OBInfoEx结构中,节点在仅知道相邻自治域信息的情况下,即通过局部的连接和信息交互来获得系统的全局视图,信息的更新和处理消耗较低,保证了结构的可扩展性、容错性和稳定性等。 (2)提出一种促进节点合作的惩罚培育机制。通过对经济学领域和社会学领域中一些促进个体合作行为的分析,在覆盖网拓扑结构构建和调整过程中,针对节点的搭便车、Sybil attack及Whitewashing等不合作行为,做出相应处理。该机制使系统中搭便车节点在有新节点加入时受到惩罚而退出系统,而Sybil attack及Whitewashing节点在申请加入覆盖网时就受到惩罚被拒绝加入。通过对节点的惩罚,培育节点的合作性,并保障合作节点能够更加有效地获得请求资源,从而使得节点更加积极地贡献,最终使系统中各节点能够自监督、自维护、自遵守合作规则,提高系统的整体性能。 (3)针对在高度动态的、彼此之间关联度较低的移动P2P系统中,节点如何维持高度合作的问题,同当前激励机制、博弈论等促进节点合作行为的研究不同,提出一种基于利他惩罚的节点合作保障机制。以行为经济学中通过大量实验证据表明的“人群中有很大一部分人愿意自己承担成本来惩罚不合作者,即使得不到任何收益”的利他性惩罚行为相关研究为理论依据,假设移动P2P系统中存在部分节点,具有惩罚那些违背合作规则的自私节点的行为倾向,自己承担惩罚自私节点的成本。利他惩罚节点通过惩罚自私节点,降低其不合作概率,来提高系统合作水平,从而增加系统整体收益,保障系统的良好性能。 (4)提出了移动P2P系统中增强节点利他惩罚能力的三种机制:规范内化、缔结同盟和第三方介入,分析了三种机制如何通过对被惩罚节点惩罚损耗s和利他惩罚节点惩罚成本cp的影响,来影响系统合作水平。通过数学建模,给出了系统在稳定和不稳定状态时,要保障系统完全合作,利他惩罚节点需满足的条件。最后从理论上证明了利他惩罚节点会尽可能贡献自己的资源能力,保障节点的合作行为以培育节点合作行为的扩展。


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