潘華強(qiáng)， 向昕彥

　　(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205)

　　摘要：搭便車行為對對等網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重負(fù)面影響。首先提出了一種基于等級概念的網(wǎng)絡(luò)激勵機(jī)制以抑制搭便車行為并解決公共悲劇問題。所提出的效用函數(shù)為公平性特別考慮了用戶的絕對貢獻(xiàn)值和物理特性，并根據(jù)層次分析法來計(jì)算它們的值。通過實(shí)驗(yàn)仿真證明了此種機(jī)制的有效性和實(shí)用性，并對此機(jī)制的發(fā)展給出了展望。

　　關(guān)鍵詞：對等網(wǎng)絡(luò)；搭便車；激勵機(jī)制；等級結(jié)構(gòu)

0引言

　　對等（peertopeer,簡稱P2P）系統(tǒng)簡單地定義為通過直接交換共享計(jì)算機(jī)資源和服務(wù)，不同PC用戶之間不經(jīng)過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)或服務(wù)的技術(shù)，它允許互聯(lián)網(wǎng)用戶直接使用對方的文件，使得網(wǎng)絡(luò)上的溝通變得容易、更直接，真正地消除了中間商。

　　從計(jì)算模式上來說，P2P打破了傳統(tǒng)的Client/Server(C/S) 模式［1］，在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是對等的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)服務(wù)器，為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，同時(shí)也享用其他節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)。

　　搭便車（freeriding）行為是對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用戶具有自私心理作用下的一種結(jié)果。參考文獻(xiàn)［2］歸納出了如下搭便車的主要不良影響：

　　(1)對等網(wǎng)絡(luò)中在線節(jié)點(diǎn)越多，熱心節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)越大，可能導(dǎo)致熱心節(jié)點(diǎn)因長期過載而宕機(jī)或主動退出；

　　(2)多數(shù)節(jié)點(diǎn)的搭便車行為會降低對等網(wǎng)絡(luò)的生命周期；

　　(3)如果搭便車現(xiàn)象過于嚴(yán)重，對等網(wǎng)絡(luò)將趨近于C/S通信模式。

　　為了抑制搭便車行為，本文提出了一種基于等級概念的激勵機(jī)制［3］，通過限制節(jié)點(diǎn)下載文件的權(quán)限來鼓勵節(jié)點(diǎn)多做貢獻(xiàn)。在此抑制機(jī)制中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的，并且能夠通過計(jì)算自己分享文件的等級來控制它的服務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，從而解決公共悲劇問題［4］。

1基于等級結(jié)構(gòu)的搭便車行為抑制機(jī)制的提出

　　首先給出這種新的激勵機(jī)制在P2P網(wǎng)絡(luò)中的工作過程。

　　1.1激勵機(jī)制工作過程

　　此激勵機(jī)制的工作過程分為以下3部分：

　　（1）每個(gè)節(jié)點(diǎn)共享文件并且設(shè)置所共享文件等級。

　?。?）系統(tǒng)中的用戶只能下載等于或低于自己等級的文件。

　?。?）當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)就會自動更新用戶的物理特性，而只要用戶一直待在系統(tǒng)中，每隔幾小時(shí)，系統(tǒng)就會更新它的絕對供給值，然后更新用戶的等級。此外，當(dāng)一個(gè)新用戶加入系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)定義它的等級最低。

　　上述的過程說明首先要計(jì)算出絕對貢獻(xiàn)值和物理特性值，然后根據(jù)它們得出新的效用函數(shù)，最后建立等級結(jié)構(gòu)并找出效用函數(shù)與等級之間的對應(yīng)關(guān)系。

　　1.2節(jié)點(diǎn)絕對供獻(xiàn)值評估

　　一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)對系統(tǒng)所做的絕對供給涉及8個(gè)因素：節(jié)點(diǎn)共享文件的數(shù)量、節(jié)點(diǎn)已下載文件的數(shù)量、節(jié)點(diǎn)已上傳文件數(shù)量、節(jié)點(diǎn)已下載數(shù)據(jù)的大小、節(jié)點(diǎn)已上傳數(shù)據(jù)的大小、節(jié)點(diǎn)已上傳文件大小、文件被共享次數(shù)、節(jié)點(diǎn)登錄系統(tǒng)次數(shù)，即：ni_share、ni_down、ni_up、Si_share、Si_down、Si_up、ti、Logi。

　　節(jié)點(diǎn)的絕對貢獻(xiàn)值就是它的供給值(φi)與利益值(ψi)兩者之差，即：

　　ξi=αφi-ψi(1)

　　其中，α是個(gè)變量系數(shù)。節(jié)點(diǎn)的供給值就是整個(gè)系統(tǒng)從此節(jié)點(diǎn)的得益，利益值就是節(jié)點(diǎn)從系統(tǒng)中的得益。

　　1.2.1供給值

　　首先需要確定節(jié)點(diǎn)的供給值，本文用層次分析法（AHP）［5］來解決這個(gè)問題。在上面所提到的3個(gè)部分中，只有共享和上傳是與供給值有關(guān)的。共享又被分成兩個(gè)子部分：共享文件的總數(shù)量和總大小。

　　AHP的第二步就是通過成對比較得出優(yōu)先級別的過程。得出了3個(gè)成對比較矩陣(A, B1, B2)，A是C1、C2對于φ的相對重要性；B1、B2是C11、C12、C21、C22對于C1、C2的相對重要性。

　　通過Aw=λw, 能夠得到最大特征值以及A、B1和B2的特征向量：

　　λ(1)=2, w(1)=［01250875］T;

　　λ1(2)=2, w1(2)=［0333066700］T;

　　λ2(2)=2, w2(2)=［0003330667］T。

　　因此，組合權(quán)值為：

　　w=［w1(2), w2(2)］w(1)=0042

　　0083

　　0292

　　0583(2)

　　由于A、B1和B2都是一致性矩陣，因此不需要再對它們進(jìn)行一致性檢查，也不用對它們的結(jié)果進(jìn)行一致性檢查。故組合權(quán)值可以被看作表1中4個(gè)元素的權(quán)值。

　　于是，供給值的計(jì)算公式如下：

　　φi=0042|ti|/TLogi+0083〈Si_share,ti〉/TLogi

　　+0292ni_up/Logi+0583|Si_up|/Logi(3)

　　<Si_share, ti>=∑ni_sharef=1(si_f·ti_f)(4)

　　1.2.2利益值

　　與計(jì)算供給值相比，計(jì)算利益值更加簡單，因?yàn)樗恍杩紤]兩個(gè)因素：下載文件數(shù)量和下載文件大小。由于兩者同等重要，因此可以直接給出它們的權(quán)重值，如表2所示。

　　因此，利益值的計(jì)算公式如下：

　　ψi=05(ni_down+|Si_down|)(5)

　　根據(jù)式(1)、式(3)和式(5), 本文得出了絕對貢獻(xiàn)值的計(jì)算公式：

　　ξi=αφi－ψi=α(0042|ti|/TLogi+0083〈Si_share,ti〉/TLogi+0292ni_up/Logi+0583|Si_up|/Logi)－05(ni_down+|Si_down|)(6)

　　1.3節(jié)點(diǎn)物理特性評估

　　很難完成節(jié)點(diǎn)物理特性的量化過程，因?yàn)樵撨^程受很多因素影響，為了簡化這個(gè)問題，本文暫時(shí)只考慮影響用戶共享行為的幾個(gè)重要因素。在本文的估算模型中，只選出了以下6個(gè)因素： CPU的時(shí)鐘頻率和字長、RAM的存儲大小和存儲速度、硬盤大小、上傳帶寬。

　　由于矩陣A′不是一致性矩陣，因此這部分中的結(jié)果還要做一致性檢測。CI是一致性指數(shù)，CR是一致性比率。

　　于是，得到了如下的物理特性估算公式：

　　Γi=028T_clocki+0093Wi+0051V_RAMi

　　+0154S_RAMi+0049S_HDi+0373B_upi(7)

　　1.4抑制機(jī)制的效用函數(shù)

　　效用函數(shù)［6］是用來衡量系統(tǒng)中的用戶對系統(tǒng)所做貢獻(xiàn)的，它是激勵機(jī)制設(shè)計(jì)的核心。在本文所提出的激勵機(jī)制中，將它定義為：

　　U(i, h)= U(i, h-T)+ U(i, T)(8)

　　其中，U(i, h-T)是節(jié)點(diǎn)i從它首次進(jìn)入系統(tǒng)到當(dāng)前的積累效用, U(i, T)則是當(dāng)下節(jié)點(diǎn)i創(chuàng)造的效用，它是絕對供給值與物理特性值的比值，即：

　　1.5等級結(jié)構(gòu)的建立

　　假設(shè)等級結(jié)構(gòu)中一共包含nrank級,而nrank對于不同的系統(tǒng)和不同的時(shí)期都是不同的。鑒于本文提出的抑制機(jī)制與量化比較相似，且用戶需要自己設(shè)定共享文件等級，因此限定nrank≤9。

　　為了建立金字塔型結(jié)構(gòu)［7］，本文約定上層等級用戶數(shù)量約為下層用戶數(shù)量的2/3且第一級（最底層）用戶數(shù)量為μ·τ,τ是此級別用戶總量，μ是個(gè)參數(shù)，于是：

2仿真及結(jié)果

　　本文使用了BA模型［8］來構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并且在機(jī)器上對P2P系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。本文假設(shè)系統(tǒng)中分布著1 000份文件且這些文件的大小是隨機(jī)的。在仿真系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的虛擬硬件和上傳帶寬，但是它們所共享文件數(shù)量則是隨機(jī)分配的。本文分別模擬了沒有控制機(jī)制的初始P2P系統(tǒng)和在基于等級概念的激勵機(jī)制控制下的P2P系統(tǒng)從5 000節(jié)點(diǎn)到14 000節(jié)點(diǎn)的增長過程，并得到了一些比較數(shù)據(jù)，如圖1和圖2所示。

　　系統(tǒng)的搭便車者數(shù)量比較

　　從圖1可以看出，在基于等級概念的激勵機(jī)制下的搭便車者數(shù)量隨著時(shí)間明顯減少，但是原始系統(tǒng)中的搭便車者數(shù)量卻是增加的。

　　在圖2中,仿真結(jié)果顯示在起初的10個(gè)時(shí)間段中，系統(tǒng)中的用戶數(shù)量以每段1 000的數(shù)量呈增長趨勢，而搭便車者在所有用戶中的比例是在所提出的系統(tǒng)中呈下降趨勢的，但在原始P2P系統(tǒng)中則是上升的。

　　從圖1和圖2看到，基于等級概念的激勵機(jī)制確實(shí)使搭便車者數(shù)量減少了，從而證明此機(jī)制確實(shí)能有效抑制系統(tǒng)中的搭便車行為。

　　此外，圖1和圖2中的Incentive曲線并沒有降至0而是一直慢慢減少，這證明了本文提出的激勵機(jī)制雖然有效減少了搭便車行為，但是不能徹底消除系統(tǒng)中的搭便車行為。

3結(jié)論

　　雖然本文提出了一種新的激勵機(jī)制來抑制系統(tǒng)中的搭便車行為和解決公共悲劇的問題，但許多方面還需要進(jìn)一步深入研究。在本文中，將新用戶的等級設(shè)為最低，雖然有效抑制了重新洗牌的問題，但卻使得新用戶的等級低于搭便車者。將會在未來的工作中解決這一問題。

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