基于隱私度和穩定度的D2D數據共享伙伴選擇機制

黃章健，葉幗華，姚志強

基于隱私度和穩定度的D2D數據共享伙伴選擇機制

黃章健1,2，葉幗華1,2，姚志強1,2

（1. 福建師范大學數學與信息學院，福建 福州 350117；2. 福建省公共服務大數據挖掘與應用工程技術研究中心，福建 福州 350117）

設備到設備（D2D）數據共享已經成為一種很有前途的卸載蜂窩網絡流量的解決方案，但數據共享伙伴的隱私脆弱性和服務不穩定性影響著共享服務的質量。針對這個問題，提出一種基于隱私度和穩定度的D2D數據共享伙伴選擇機制（PSUS）。首先對提供者的隱私信息進行抽象和概括，根據提供者的隱私偏好和歷史共享記錄構建隱私度量的方法，得出提供者在不同共享服務中的隱私度；然后基于隱私度來設計數據共享過程，提供者在隱私偏好約束下緩存數據并在隱私度低的時候參與共享服務以滿足提供者的隱私要求；最后在已滿足隱私要求的提供者的基礎上，設計一種多指標評價法來評估提供者的服務穩定性以選擇穩定的共享伙伴。通過性能分析，證明所提機制的可行性。

D2D數據共享；隱私偏好；隱私度量；多指標評價

1 引言

隨著第五代（5G）移動通信網絡的到來，人們對各種移動服務和應用的需求日益增長，蜂窩網絡在不久的將來將面臨巨大的流量壓力。為了減輕蜂窩網絡的通信負擔和降低5G中蜂窩用戶的中斷概率，設備到設備通信（D2D）被認為是一個突出的解決方案，且其在支持數據共享和本地服務方面發揮著越來越積極的作用[1-2]。例如，用戶設備（UE）想要從互聯網下載的數據在附近的一些UE上可用，相同需求的用戶可在基站（BS）的幫助下使用D2D連接形成通信群組來實現緩存和共享文件，這樣可以大大減輕BS的流量負擔[3]。因此，D2D數據共享顯示出減少通信延遲、提高通信能力以及促進多種新應用和服務的巨大潛力[4]。

一個典型的D2D數據共享群組內，請求指定數據的用戶稱為數據需求者，擁有所需內容且在需求者請求共享服務時提供數據的用戶稱為數據提供者，在一次數據共享服務中會有眾多的提供者為需求者提供數據以減少通信延遲和卸載BS的流量。盡管D2D數據共享具有顯著優勢，但在大規模應用中仍然面臨兩個重大的技術挑戰，即隱私性和穩定性[5]。數據共享群組中設備之間直接相連，彼此的可信度未知。群組內的提供者高度關注自己的隱私，在組內向需求者傳輸數據時，由于考慮自身隱私泄露問題而只提供粗粒度的數據，大幅降低了數據共享服務的質量；提供者多為移動用戶，資源受限問題也會影響共享服務的穩定性，即共享易人為中斷或共享時間過長，降低了需求者的體驗質量。

D2D數據共享群組中，不同提供者所處的環境不同，數據共享伙伴的隱私脆弱性和服務不穩定性尤為明顯。因此，若要保證D2D數據共享的服務質量和提高組內需求者的體驗質量，關鍵是為需求者選擇合適的共享伙伴。目前，這樣的選擇工作需要做出如下的貢獻：1) 在提供者進行數據共享時減少其隱私的泄露；2) 在數據共享群組內的眾多候選人中選擇穩定的提供者以保證共享服務的穩定性。D2D數據共享伙伴的選擇首要考慮的應是隱私泄露問題，確保提供者在隱私安全的前提下共享數據。此時，了解提供者在數據共享階段的隱私性變得至關重要，即提供者的隱私性影響其在D2D數據共享服務中的表現。另外，為了確保共享服務的穩定性，一些研究者使用聲譽來保證共享伙伴之間的合作[6]，通過選擇符合聲譽閾值的提供者參與數據共享服務。然而，一個聰明的提供者可以在共享服務中維持其聲譽并使其剛好超過閾值，這樣他們將成為搭便車者[7]。因此，僅依靠聲譽閾值[8]的劃定來選擇伙伴會導致搭便車和服務斷開的現象，影響共享服務的穩定性。

綜上所述，共享伙伴的隱私性和穩定性都是影響D2D數據共享服務質量的重要因素。設計和構建有效的共享伙伴選擇機制，對于保證一定數量的提供者在滿足其隱私要求下參與共享服務和需求者穩定的獲取所需數據具有重要的研究意義。為保證數據共享服務的隱私性和穩定性，本文提出一種D2D數據共享伙伴選擇機制（PSUS）。通過隱私偏好的設置和歷史共享記錄度量出提供者對某次共享服務生成的隱私信息的重視程度（即隱私度），由此設計D2D數據共享過程以滿足提供者的隱私要求；同時基于提供者的聲譽、可持續時長、等待時間和傳輸速率4個指標來評估提供者的服務穩定性程度（即穩定度），在滿足隱私要求的提供者中優先選擇穩定度高的作為共享伙伴，保證數據共享服務的質量。

2 相關工作

目前，國內外研究學者先后在D2D數據共享服務中的隱私性和穩定性問題方面提出研究成果。在隱私性方面，Hua等[9]對信息交換過程中的隱私保護問題進行研究，提出場景自適應的隱私度量的研究方向。Wishart 等[10]根據共享數據內容和周圍環境對共享數據進行模糊處理，提供者根據現實情況設置數據的模糊程度，還可以控制向誰共享數據，并設置共享的策略和共享數據的詳細級別。Franz 等[11]的方法是在共享群組的所有成員之間協商隱私策略，包括共享哪些數據以及其準確性。也有一些研究者將工作重心放在設計安全的D2D數據共享協議上，Wang等[12]提出兩種隱私保護認證和密鑰協議（PPAKA-HAMC和PPAKA-IBS），以保證安全和匿名的D2D共享服務。Mohseni-Ejiyeh等[13]提出一種在D2D通信中進行安全數據共享的有效協議，該協議可禁止未經授權的提供者參與服務，還可通過授權來操作提供者的歷史記錄，若惡意行為超過閾值，會懲罰行為不端的提供者。

在D2D數據共享服務的穩定性方面，為需求者選擇合適的提供者是研究者的主要工作。Yan等[14]提出一種用于多媒體傳輸的社會意識信任框架以從D2D中繼用戶中選擇值得信賴的D2D協作用戶。He等[15]提出一個綜合評分機制（CSM），它根據歷史共享記錄、當前傳輸速率和預期獎勵計算每個候選提供者的分數，并且基于CSM和匈牙利算法，提出共享激勵和提供者選擇（CIPS）算法，以優化多個并發需求者的數據提供者的選擇。部分常見的伙伴選擇方案是基于聲譽機制[7-8]的，但其共性的問題有二：一是聲譽更新需要進一步考慮，二是僅依賴聲譽值的共享伙伴選擇機制存在偏差或不全面，可能導致數據共享服務不穩定。

上述工作多數是考慮隱私性或者穩定性中的一個問題，對D2D數據共享伙伴選擇的研究缺乏綜合性，即在共享群組內考慮隱私的方案中未關注共享服務的穩定性，或者著重于穩定性問題的方案中忽略了提供者的隱私，這都將降低D2D數據共享服務的質量。本文所提出的共享伙伴選擇機制從隱私性和穩定性兩方面出發，提供者只在滿足隱私閾值的情況下參與數據共享或者緩存共享數據，并且通過穩定度從已經滿足隱私要求的提供者中確定共享伙伴。

3 系統模型

本文考慮需求者通過BS協作的方式從多個提供者處獲取數據的場景，具體形式如圖1所示。BS主要用于管理數據共享群組中的通信，包括用戶的接入認證、資源調度時的數據轉發和隱私保護等[16]。在數據緩存方面，BS因和網絡服務器直接相連，因此它可為需求者提供任何所需的數據。另外，一些提供者會主動在自己設備中緩存一些數據以快速響應共享服務。具體來說，通過D2D通信方式進行數據共享需要以下步驟：1)一個需求者向BS 發起共享請求；2) BS將數據請求在需求者的D2D通信距離內廣播給其他UE，只有那些數據符合要求的提供者才會回應，其他的提供者則保持沉默；3) 如果在預定的時間內沒有響應，即需求者周圍沒有合適的提供者，BS將直接向需求者發送請求的數據；4) BS將監控整個數據共享過程，直到共享服務完成。

圖1 D2D數據共享模型

4 PSUS的構造

4.1 隱私度量

使用D2D連接的UE在共享數據時會生成諸如位置、時間、通信持續時間、設備類型、服務請求類型等可用于識別自身的信息[17]，這些信息在數據共享過程中會暴露提供者的隱私。不同的提供者對于共享服務中的這些信息的重視程度不同，即可通過這部分信息度量其隱私度的高低，而隱私度的高低影響著提供者在共享服務中的表現，所以盡量選擇隱私度低的提供者作為共享伙伴以達到滿足不同提供者隱私要求的目的，同時提高共享服務質量?？紤]到隱私的主觀性，PSUS為了合理地度量出某提供者的隱私度，利用提供者在數據共享服務中對生成隱私信息的重視偏好，同時結合其歷史共享記錄，形式化定義并運用數學方法量化提供者的隱私。

圖2 PSUS的流程

定義1 隱私信息

定義2 隱私偏好

隱私偏好（PP）是提供者對生成的隱私信息重視程度的主觀傾向，包含設備信息偏好（EP）、數據服務類型偏好（SP）、數據共享時間偏好（TP）和數據共享位置偏好（LP）。

4.2 基于提供者隱私度的數據共享過程

通過上述的隱私度量過程，得到提供者在某次共享服務中的隱私度后，由此構建一種動態的D2D數據共享過程，其過程如圖3所示。

1) 需求者向BS發起數據共享請求。

2) 提供者在數據共享等待期間，在隱私首選項的約束下主動緩存數據以獲得主動緩存收益[19]，同時提高數據共享服務的速率。

3) BS將數據請求在需求者的D2D通信距離內廣播給提供者，數據符合要求的提供者予以回應。

4) 提供者的設備生成此次共享服務的隱私信息，并通過PMP獲得自己的隱私度。

6) 提供者向BS提交泛化后的隱私度。

圖3 基于提供者隱私度的數據共享交互過程

8) BS將設置好的隱私閾值發布給組內的提供者。

10) 滿足隱私閾值的提供者通過D2D鏈路發送數據給需求者。

4.3 提供者服務穩定性的評價過程

4.3.1 指標的評價值

定義3 貢獻值

定義4 共享數據評價

這里主要闡述聲譽值的更新，因為可持續時長、等待時間和傳輸速率均可從實際的D2D數據共享網絡環境中獲取。在D2D數據共享進行階段由BS監控整個共享服務，每次服務開始前會獲取滿足隱私要求的提供者上述4個指標的實際數據并為其評價打分，分值區間為[0,10]，其中，0表示提供者在服務中該指標表現最差，10表示提供者在服務中該指標表現最好。

4.3.2 穩定性的評價

Step2 評價矩陣預處理，刪除數據完全相同的列。因熵權法是根據指標數據之間的離散性來決定權重大小的，當某指標下的數值完全相同時，那么該指標將無法提供任何有價值的信息，故將其刪除，但若所有指標值均相同，則D2D數據共享伙伴的選擇變更為BS分配。

Step3 對提供者的各指標值進行歸一化處理。

Step5 計算第個評價指標的熵為

Step6 加入修正因子的4項指標的權重值計算。

5 性能分析

5.1 理論分析

在D2D數據共享服務中，共享伙伴的隱私性和服務穩定性都影響著共享服務的質量。本文關注到若一個提供者在滿足其隱私要求下參與共享服務和穩定地向需求者共享其所需數據是解決上述問題的關鍵。因此，基于D2D數據共享的網絡模型，提出一種共享伙伴的選擇機制PSUS，為需求者合理分配共享伙伴的同時保證提供者的隱私安全和共享服務的穩定。PSUS關注到提供者在共享服務中的隱私問題，在每次共享服務開始前獲取到提供者的隱私度，通過選擇隱私度低的提供者參與共享服務可減少隱私泄露。首先，PSUS依據文獻[17]中提出的D2D通信會生成部分關于用戶隱私信息的概念，在其基礎上對其加以概括得到新的隱私信息的定義和提出隱私首選項的設置；又考慮到隱私的主觀性，將提供者的隱私偏好、歷史共享記錄和隱私風險態度作為度量因子，運用數學方法合理地量化提供者隱私，得出提供者的隱私度。其次，PSUS通過候選提供者的隱私度構建新的數據共享過程，提供者在隱私首選項的約束下主動緩存數據，且在高于BS設置的隱私閾值時，不會參與共享服務，這將有效減少D2D數據共享組內提供者的隱私度，讓提供者在數據共享階段不再擔心過高的隱私暴露而只提供粗粒度的數據。

另外，PSUS在滿足隱私要求提供者的基礎上進一步做出工作，為了保證共享服務的穩定性，利用4項與提供者有關的指標對其服務穩定性進行評估且給出符合D2D數據共享環境的聲譽評分機制。評估穩定性時，不是簡單地對指標進行求和，而是采用加權求和的方法，這顯然比直接求和更具說服力。為了客觀地完成穩定性的評價，PSUS使用改進的熵權法根據指標的信息熵來合理調整各指標的權重值，比主觀的分配權重更加合理。

5.2 實驗仿真

本節在Matlab軟件上對PSUS進行仿真分析，實驗分為兩個部分：基于隱私度的數據共享過程和提供者穩定度的評價過程，分別模擬由10、30和50個提供者組成的D2D數據共享群組，PMP中各隱私信息類型的參數通過隨機函數生成，之后按順序實施PMP、BPP和SEP的步驟。

圖4是分別由10、30和50個提供者組成的D2D數據共享服務中各提供者的隱私度分布，表1是3個D2D數據共享群組中的伙伴選擇情況。BS根據圖4提供的隱私度分布直方圖，動態設置如表1所示隱私閾值，以=10的組為例，BS監控到隱私度處于VL，L級別的提供者較多，動態設置隱私閾值為0.4，則該組提供者在隱私度高于0.4時不加入本次數據共享服務。其他兩組同理，提供者在隱私度高于0.6時不參與共享服務，保證了提供者的隱私安全。另外，按照隱私首選項的主動緩存機制有助于提高數據共享服務的速率且不會過多暴露提供者的隱私。

圖4 提供者的隱私度分布

以上述實驗中10的D2D群組為基礎，模擬6個已符合隱私要求的提供者的穩定性評價過程，其中，4個指標的權重如表2所示，各提供者的穩定度如表3所示。BS按照穩定度排序提供者，并依據此順序為需求者分配共享伙伴。顯然，提供者6的穩定度比其他提供者高，其表示相比于其他的提供者具有更高的聲譽、可持續時長、傳輸速率和更少的服務等待時間，擁有更高的服務穩定性，它將被首選為數據提供者以保證數據共享的服務質量。但提供者6不是唯一的共享伙伴，若需求者在和提供者6進行數據共享時，發現6無法提供所需的所有數據時，若條件允許，需求者仍會按照穩定度的高低繼續和提供者5進行通信，以此類推，直至完成需求者的請求。

表1 D2D數據共享群組中的伙伴選擇情況

表2 權重的分配

表3 提供者的穩定度

5.3 性能評估

(1) 隱私性評估

圖5反映隨著隱私閾值的增加，D2D群組內提供者平均隱私度的變化?？梢钥吹?，在使用PSUS的D2D群組中，候選提供者的平均隱私度明顯低于未使用PSUS的D2D群組。這是因為PSUS中的提供者在滿足首選項約束的前提下主動緩存數據，并只在滿足隱私閾值的情況下參與共享服務，所以參與服務的提供者隱私度較低。而未使用PSUS的D2D群組在進行數據共享服務時，30個提供者都可能被選擇為候選且主動緩存數據隱私度未知，則平均隱私度不隨隱私閾值變化并均高于PSUS。其中，當隱私閾值為1時，使用PSUS群組的候選提供者的數目為30個，但D2D群組內提供者的隱私度仍低于未使用PSUS的D2D群組的原因是主動緩存中隱私首選項約束。圖5反映PSUS的使用可以有效降低D2D數據共享群組內的隱私度，減少因提供者隱私帶來的數據共享服務質量下降的問題。

圖5 D2D數據共享群組內隱私度對比

(2) 穩定性評估

在D2D數據共享群組中，通過4個指標充分可靠地評估提供者的穩定性。為了保證對提供者服務穩定性評價的合理性，PSUS不是簡單地對每個指標因子進行簡單求和，而是采用加權求和的方法，并且通過改進的熵權法根據指標的信息熵大小動態設置權重，即在指標熵計算階段加入了修正因子，其合理性由文獻[21]所證明，克服了傳統熵權法的弊端，同時相對于主觀的隨機賦權具有較高的可信度和精確度，也更能滿足D2D網絡環境的復雜性。因為文獻[7]和文獻[22]中都有對D2D群組中移動設備進行評價的方法，與本文所提評價方法具有可比性，所以表4給出3種方法的比較分析，發現PSUS使用的多指標評價比文獻[7]具有指標數和權重分配兩個優勢，因其并沒有對所選指標因子加以權重計算。對于文獻[22]，雖然其所選的指標數更多，也使用了加權求和的評估方法，但在權重確定方面顯然主觀分配的方法缺乏合理性，而比指標數目顯然權重的合理分配更加重要。

表4 3種評價方法的比較分析

6 結束語

針對D2D數據共享中伙伴的隱私性和穩定性影響著共享服務質量的問題，本文提出一種基于隱私度和的穩定度的共享伙伴選擇機制，利用設計的隱私度量方法得到提供者的隱私度，并構建一種基于隱私度的數據共享過程，保證提供者只在隱私度低的情況下參與共享數據，同時關注到僅依靠聲譽選擇共享伙伴的弊端，在前文滿足隱私要求的提供者的基礎上，設計一種多指標評價的方法來評估提供者的服務穩定性以選擇最佳的共享伙伴。通過實驗與理論分析中的各種結果，表明所提機制是可行的。當然所提的隱私度量方法和指標評價方法仍存在一定的局限性，未來也將集中于更加簡而有效的D2D通信中隱私度量方法和更加智能的服務穩定性評估方法的研究。

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D2D data sharing partner selection mechanism based on privacy degree and stability degree

HUANG Zhangjian1,2, YE Guohua1,2, YAO Zhiqiang1,2

1. School of Mathematics and Information, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, China 2. Fujian Engineering Research Center of Public Service Big Data Mining and Application, Fuzhou 350117, China

Device to device (D2D) data sharing has become a promising solution to offload cellular network traffic, but the privacy vulnerability and service instability of data sharing partners affect the quality of shared services. To solve this problem, a D2D data sharing partner selection mechanism based on degree of privacy degree and stability degree (named PSUS) was proposed. Firstly, the privacy information of the provider was abstracted and summarized, and the privacy measurement method was built according to the privacy preferences of the provider and the historical records of shared services, and the privacy degree of the provider in different shared services was obtained. Then, the data sharing process was designed based on privacy degree, and the provider cached data under the constraints of privacy preferences and participates in sharing services with low privacy to meet the provider's privacy requirements. Finally, on the basis of the provider who has satisfied the privacy requirements, a multi-index evaluation method was designed to evaluate the service stability of providers to select stable sharing partners. The feasibility of the proposed mechanism was demonstrated by analysis of performance.

D2D data sharing, privacy preference, privacy metric, multi-index evaluation

The National Natural Science Foundation of China(No.61872090, No.61370078)

TP393

A

10.11959/j.issn.2096?109x.2019060

黃章?。?994? ），男，安徽六安人，福建師范大學碩士生，主要研究方向為云計算與安全服務。

葉幗華（1976? ），女，福建霞浦人，福建師范大學副教授，主要研究方向為大數據安全隱私保護和信息安全。

姚志強（1967? ），男，福建莆田人，博士，福建師范大學教授、博士生導師，主要研究方向為大數據安全隱私保護、多媒體安全、應用安全。

論文引用格式：黃章健, 葉幗華, 姚志強. 基于隱私度和穩定度的D2D數據共享伙伴選擇機制[J]. 網絡與信息安全學報, 2019, 5(6): 31-41.

HUANG Z J, YE G H, YAO Z Q. D2D data sharing partner selection mechanism based on privacy degree and stability degree[J]. Chinese Journal of Network and Information Security, 2019, 5(6): 31-41.

2019?04?02；

2019?07?11

姚志強，yzq@finu.edu.cn

國家自然科學基金資助項目（No.61872090, No.61370078）