面向分布式开放环境的信任管理机制及其应用研究

摘要

随着网络技术的迅猛发展，各类用户对分布式开放环境中资源共享和交互协作的需求激增。在工作效率得到极大提升的同时，因环境的开放性、动态性和复杂性导致的安全问题却不容忽视。一方面，为了保证共享资源不被恶意破坏，必须准确评估交互双方的动态信任关系。另一方面，为了构建有效的交互协作环境，在双方互信的基础上，还需对是否提供资源服务做出可信决策。面对新的需求，传统的面向封闭集中式环境的安全机制暴露出无法克服的弱点。信任管理机制有助于在无足够先验知识的交互者之间构建健康有效的协作关系，已成为目前解决分布式开放环境中安全问题的核心支撑技术之一。
　　分布式开放环境中交互实体间的信任关系存在极强的主观性和不确定性。利用云模型能较好表述不确定性这一特点，提出了一种新的基于该理论的主观信任演化策略。首先，定义了信任值空间、信任概念空间、信任云、信任概念云及诚实值空间、诚实概念空间和诚实概念云等一系列重要概念。然后，介绍了基于正向云发生器的正向云算子和逆向云发生器的逆向云算子，并设计了一种新的相似云算子，这三种云算子能支持对信任关系的基本运算。接着，针对信任演化过程中的信任传递、合并、评估和更新四个基本环节，相应地提出了四个算法，并从理论上分析了各算法的时间复杂度和正确性。最后，通过Repast仿真工具，在模拟环境中验证了该信任演化策略的高效性、合理性和有效性。结果显示，相似云算子和相似度能有效地辅助信任评估算法完成对实体信任等级的判断；信任更新算法能准确反映不同实体的行为特征，并逐步筛选出恶意实体。与具有类似功能的机制相比较，提出的策略能以损失较少的服务吞吐率为代价，提供相对完整和合理的信任演化功能；在保证安全的前提下为实体提供更多的协作机会；能更敏锐、更准确地捕获各类实体的行为特征。
　　分布式开放环境中的资源提供者是否向资源请求者提供资源服务，不仅取决于双方的互信关系，还应考察执行服务过程时存在的风险是否超过了资源提供者可承受的范围，即信任与风险将共同影响资源提供者的决策结果。强调信任与风险的区别与联系，提出了一种量化风险的方法，并将其应用于资源服务的可信决策中。首先，讨论了资源服务决策过程中产生风险的主要原因，分析了风险与信任的关系，指出了已有风险量化方法的不足。然后，形式化定义了一组与信任和风险相关的基本概念，并以此为基础建立了一种信任与风险相融合的资源服务可信决策模型。接着，给出了一种基于概率的信誉推理机制，并设计了一种基于Chernoff界的风险度算法。从理论上分析了风险度算法的时间复杂度和正确性。最后，在Repast中进行了仿真实验。结果显示，提出的风险度计算方法能快速、准确地评估环境的平均风险度，且能在决策者允许的风险范围内增加实体间资源共享和交互协作的机会，具有较强的实用性；同时，构建的决策模型能有效地辅助资源提供者实施可信决策。
　　为了在实际应用中验证提出的主观信任管理机制的有效性，选择新兴的分布式开放环境——数据密集型计算环境，以一类典型的数据密集型应用——独立任务包为例，通过将最佳数据副本集合的构造过程抽象为确定型多准则决策问题，并运用优劣解距离法求解，提出了一种可靠性感知的多准则数据副本选择策略。该策略既强调考虑开放环境中资源不可靠性的重要性，采用基于云模型的信任演化机制度量数据副本的可靠性，体现了用户对数据服务QoS需求的模糊性和非定量特征；也在问题建模时反映副本失效对任务完成时间和执行成本的影响，增强了模型与真实场景的贴近度。从理论上分析了提出的副本选择算法的时间复杂度和正确性，并在OptorSim中进行了仿真实验。实验结果显示，在不可靠环境中，该策略能有效降低副本失效率，达到了尽可能减少因数据访问失败造成的时间和经济成本损失的目的；在可靠环境中，该策略也表现出了较好的适应能力。

目录

封面

声明

中文摘要

1 绪 论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要工作和组织结构

2 一种基于云模型的信任管理模型

2.1 问题的提出

2.2 主观信任及其基本操作

2.3 一种基于云模型的信任管理模型

2.4 实验及实验结果分析

2.5 本章小结

3 一种风险感知的资源服务可信决策机制

3.1 问题的提出

3.2 基本概念

3.3 一种风险感知的资源服务可信决策机制

3.4 实验及实验结果分析

3.5 本章小结

4 一种可靠性感知的多准则数据副本选择策略

4.1 问题的提出

4.2 问题描述与建模

4.3 一种可靠性感知的多准则数据副本选择算法

4.4 实验及实验结果分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表及录用的论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利

附录3 攻读博士学位期间参加的主要科研项目