[發明專利]一種基于隱馬爾科夫模型的匿名P2P網絡匿名度評估方法

有效

• 申請號: 202110038567.8
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112866369B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 楊勝齊;趙鵬遠;李然
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H04L67/104
• 分類號: H04L67/104;H04L9/40;H04L41/14;G06F21/62
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

1.一種基于隱馬爾科夫模型的對匿名P2P網絡匿名度評估的方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟1：準備工作階段，對匿名P2P網絡中某一用戶的消息進行全局追蹤，獲取數據集，構建網絡拓撲結構；

步驟2：模型構建階段，適配模型填補節點；消息轉發節點組成的網絡圖并不能完全適配于隱馬爾科夫模型；為了適配該模型，需要在一些消息轉發路徑中間添加空白節點；

以網絡拓撲結構中最長路徑為準，將對中間轉發節點劃分分組，一些節點間存在跨分組連接情況，所以需要在所跨過分組中添加一個空白節點連接兩端，空白節點對下一個節點的轉發概率均為1；

步驟3：模型構建階段，計算概率矩陣；節點間的轉移概率由步驟1中監控獲取的數據集統計節點間轉發情況得到；發送者及中間轉發節點間的轉發概率組成了狀態轉移矩陣A，中間轉發節點到接收者的轉發概率組成了發射狀態矩陣B，B用來計算當前節點到其后繼節點的轉發概率，最后形成多層次隱馬爾科夫模型；

a)狀態轉移矩陣

A＝[a_i,j]_N*N?(1)

b)發射狀態矩陣

B＝[b_j(k)]_N*M?(2)

c)隱馬爾科夫模型

λ＝(A,B,π)?(3)

式(1)中，A為狀態轉移矩陣，N為隱藏狀態數量，N用來表示發送者節點數量或中間轉發節點數量；a_i,j表示從隱藏狀態i到j的概率；

式(2)中，B為發射狀態矩陣，M為可觀測狀態數量，M用來表示中間轉發節點數量或接收者節點數量；b_j(k)表示從隱藏狀態j到可觀測狀態k的概率；

式(3)中，λ為隱馬爾科夫模型，π為初始狀態概率向量，所有的初始狀態概率和為1，π用來表示在單位時間內每個發送者最先發送消息的概率；

步驟4：模型構建階段，評估發送者與接收者關系概率；評估方法模型建立起來后，計算評估發送者s_i與接收者r_j的關系概率值P(s_i→r_j丨λ)；

步驟5：評估階段，計算相對誤差；依據網絡拓撲結構，計算發送者s_i與接收者r_j關系概率的理論真值Y＝P(s_i→r_j)；用評估方法模型計算得到的評估結果與真值做相對誤差，從而得到評估方法模型的準確率；

步驟6：評估階段，計算匿名度；對于任意給定的消息，根據步驟5計算得到匿名P2P網絡中發送者和接收者的關系概率值，使用基于香農信息論的信息熵度量法計算出匿名P2P通信系統的匿名性；

n為中間轉發節點集合L的節點集合層數。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：

準備工作階段：將對匿名P2P網絡中某一用戶的消息進行全局追蹤，獲取數據集；

模型構建階段：將根據已有的數據集構建網絡拓撲結構，為適配隱馬爾可夫模型而填補節點；之后根據統計數據集數據，計算狀態轉移矩陣、發射狀態矩陣，最終形成多層次隱馬爾科夫模型；中間轉發節點集合L共有n層節點集合{L₁,...,L_n}，加上發送者節點集合S和接收者節點集合R，共有n+2層節點集合{S,L₁,L₂,...,L_n,R}，第i層集合中的節點數量為N_i；每兩層相鄰節點集合組成一層隱馬爾科夫模型，所以n+2層節點集合組成了n+1層隱馬爾科夫模型；每層隱馬爾科夫模型間概率遞歸推導如下：

a)初始化：

b)歸納計算：

c)最終求和：

式(4)中，表示第一層隱馬爾可夫模型可觀測序列為第i個節點時的概率，i＝1,...,N₂；N₁表示第一層集合中節點的數量，即S中的節點數量；N₂表示第二層集合中節點的數量，即L₁中的節點數量；π_j為第j個隱藏狀態的初始狀態概率向量；b_j(v_i)表示從第j個隱藏狀態到可觀測狀態v_i的發射概率；

式(5)中，表示第k層隱馬爾可夫模型可觀測序列為第i個節點時的概率，i＝1,...,N_k+1；N_k表示第k層集合中節點的數量；N_k+1表示第k+1層集合中節點的數量；表示第k-1層隱馬爾可夫模型可觀測序列為第j個節點時的概率；b_j(v_i)表示從第j個隱藏狀態到可觀測狀態v_i的發射概率；

式(6)中，P(O丨λ)表示觀測序列出現的后驗概率，即在多層次隱馬爾可夫模型條件下觀測序列出現的概率；N_n+1表示第n+1層集合中節點的數量，即L_n中的節點數量；表示第n層隱馬爾可夫模型可觀測序列為第j個節點時的概率；b_j(o)表示從第j個隱藏狀態到可觀測序列O發射概率；其中，可觀測序列O＝{r_t}，r_t∈R，R為接收者節點集合；

評估階段：計算關系概率的相對誤差，得到模型的準確率，最后評估得到匿名P2P網絡的匿名度；具體計算如下：

P(s_i→r_j丨λ)＝P(O丨λ)?(7)

△＝丨P(s_i-r_j丨λ)-Y丨?(8)

式(7)中P(s_i-r_j丨λ)表示在多層隱馬爾可夫模型條件下，發送者s_i到接收者r_j的后驗概率；

式(8)中△表示實驗值與理論真值之差的絕對值；Y＝P(s_i→r_j)為理論真值，即發送者s_i到接收者r_j的先驗概率；

式(9)中δ為關系概率相對誤差；

式(10)中d(s_i)為發送者s_i匿名度的值，n為中間轉發節點集合L的節點集合層數。