基于博弈论的对等网络节点自私性研究

摘要

随着互联网的迅速发展，文件共享、视频直播、远程教育等大量的多用户大规模网络应用应运而生，在给用户带来丰富应用的同时也产生了庞大的数据传输问题。P2P技术通过采用分布式的计算方法，利用有限的计算能力、存储空间和网络带宽有效地解决了传统单播和广播机制中由庞大数据量导致的网络拥塞和带宽资源浪费等问题。在此背景下，近年来P2P网络技术获得了长足的发展和完善，用户规模日益扩大。
　　 在P2P网络中，每一个节点都是独立决策的用户，某些自私的用户期望承担较少的转发负担并获得较高的服务质量，而现有数据传输方法默认所有用户都是平等一致的节点，因此用户的自私行为在损害了其它用户的利益的同时，还严重影响了网络性能和数据传输效率。IETF高度重视P2P网络中节点的自私行为，迄今为止已经提出了多种抑制此类行为的机制。
　　 本文深入研究了P2P文件共享和P2P流媒体直播两类典型应用中节点的自私行为，采用博弈论的思想分析不同用户的行为决策，提出了解决自私行为的两种方案:基于Bayes博弈的P2P文件共享系统激励机制和基于博弈论的P2P流媒体系统激励机制。
　　 1.针对P2P文件共享系统中节点的自私行为提出了一种基于Bayes博弈的激励机制。不同于以往基于完全信息博弈的机制，节点自身共享的资源为其私有信息，每个节点都根据自身共享资源的类型以及关于其它节点类型的信仰来确定自身的行为。在此机制中，节点发出的服务请求被响应的概率直接取决于该节点当前的声望值，由于节点的声望值只能通过其共享资源的途径得以增加，因此声望值可以有效激励节点积极为其它节点提供资源。
　　 仿真实验结果显示，该机制可以有效抑制节点的自私行为并促使节点更好地为其它节点提供服务，系统中的自私节点将收敛至一个较小的比例;在服务请求响应概率随时间变化情况的仿真中，该机制的表现要优于传统的基于交易的模型和基于纳什均衡的博弈模型;通过对节点服务质量的追踪统计，该机制可以有效提高文件共享系统的服务质量。
　　 2.构建了一个基于多树结构的P2P流媒体直播系统，通过对流媒体数据进行切割并交由多棵组播树进行转发传输，有效避免了节点负载不均和组播树修复的问题。数据在组播树的转发过程中，每个节点从父节点处接收为其分配的下载带宽，并为子节点分配下载带宽。为了节省自身资源，部分自私节点会选择拒绝或只为子节点分配很少的下载带宽。针对系统中节点的自私行为提出了一种基于博弈论的激励机制，在数据转发过程中节点从父节点处获得的下载带宽将直接取决于节点的声望值，从而有效抑制了节点的自私行为，同时周期性对组播树进行的重构操作使激励机制对每个节点的作用更加全面公正。
　　 仿真实验结果显示，该机制可以有效抑制节点的自私行为并促使节点更好地为子节点分配下载带宽，使节点的平均输出带宽维持在较好水平;系统中的自私节点最终收敛至一个较小的比例，优于基于积分的模型和基于历史信誉信息的博弈模型;通过对流媒体数据传输过程的追踪统计，该机制可以有效提高系统的性能。