Sécuriser le partage de ressources P2P via la blockchain et les mécanismes de confiance et de réputation basés sur les GNN (Graph Neural Networks).

Securing P2P resource sharing via blockchain and GNN-based trust

• Auteur / Autrice : Bellaj Badr
• Direction : Noël Crespi, Abdellatif Mezrioui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, données, IA
• Date : Soutenance le 05/06/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Institut national des postes et télécommunications
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....) - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Département Réseaux et Services Multimédia Mobiles / TSP - RS2M - Network Systems and Services / NeSS-SAMOVAR
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : El Bakkali Hanane
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Davide Frey, Thi-Mai-Trang Nguyen, Cigdem Sengul
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Davide Frey, Thi-Mai-Trang Nguyen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux graphiques

Mots clés libres

Trust management

Artificial intelligence

Blockchain

Consensus

Gnn

Résumé

L'émergence de la technologie blockchain et des cryptomonnaies a ouvert la possibilité de créer de nouveaux modèles de gestion, de partage et de monétisation de ressources en pair-à-pair (P2P). Étant donné que ces modèles P2P sont sans confiance (trustless), des mécanismes de confiance et de réputation fiables et efficaces sont nécessaires pour minimiser le risque d'accès ou d'interaction avec des pairs malveillants. Plusieurs systèmes de gestion de confiance basés sur la réputation (RTMS) ont été proposés pour garantir la confiance dans les réseaux P2P, aider à choisir des ressources fiables et empêcher les comportements malveillants des pairs. Ces RTMS établissent la confiance en s'appuyant sur des réputations basées sur la communauté. Ils aident les pairs à évaluer la fiabilité des autres et à évaluer la qualité de service (QoS) en fonction de leur réputation et de leurs expériences passées mutuelles. Dans ces schémas, un réseau de confiance en surcouche pair-à-pair est établi.Cette thèse présente BTrust, un nouveau système de gestion de confiance décentralisé et modulaire pour les réseaux P2P à grande échelle, exploitant la technologie blockchain et les GNN (Graph Neural Network) pour l'évaluation de la confiance. BTrust introduit un modèle de confiance et de réputation multidimensionnel pour évaluer la fiabilité des pairs, dérivant dynamiquement une valeur unique à partir de plusieurs paramètres. La blockchain garantit un calcul, une diffusion et un stockage fiables de la confiance sans gestionnaire de confiance centralisé, tandis que les GNN capturent efficacement les relations complexes entre les pairs, conduisant à des évaluations de confiance précises et robustes.Une avancée importante dans notre protocole est la résolution du "problème de démarrage à froid" ou du "problème du score de confiance initial". Pour y parvenir, le pair d'amorçage adopte des marches aléatoires pour sélectionner des pairs fiables parmi ses voisins, garantissant une approche décentralisée sans dépendre d'une entité centralisée ou de pairs prédéfinis. Contrairement aux solutions existantes, cette méthode évite de submerger les pairs les plus dignes de confiance du réseau.Un autre défi abordé dans les systèmes de réputation est la réticence des pairs à fournir des rétroactions négatives, souvent par peur de représailles ou simplement en ne fournissant pas de rétroaction du tout. Pour résoudre ces problèmes, nous introduisons un mécanisme d'incitation qui encourage les rétroactions sincères et nous mettons en œuvre des mécanismes spécialisés pour sanctionner les comportements mauvais ou paresseux. Ces innovations favorisent un processus d'évaluation de confiance plus fiable et équilibré au sein du système.De plus, nous proposons une variante de BTrust appelée GBTrust, qui améliore le protocole original en incorporant des Graph Neural Networks (GNN) et un nouveau mécanisme basé sur l'attention spécifiquement conçu pour la gestion de la confiance. Cette variante permet d'améliorer la détection des pairs malveillants dynamiques et renforce la robustesse et la précision globale de l'évaluation de la confiance. En utilisant les GNN, GBTrust capture efficacement les relations complexes et les comportements dynamiques des pairs dans le réseau, permettant ainsi une identification plus précise des activités malveillantes et une meilleure adaptabilité aux dynamiques de confiance changeantes. Le mécanisme basé sur l'attention renforce également la capacité du modèle à prioriser et à pondérer différents facteurs de confiance, conduisant à des évaluations de confiance plus fiables et précises.Nous démontrons l'efficacité du système GBTrust proposé dans des réseaux P2P à grande échelle en utilisant des simulations d'un réseau P2P, et nous montrons que BTrust est hautement résilient aux pannes et robuste contre les nœuds malveillants.

The emergence of blockchain technology and cryptocurrencies has enabled the development of innovative peer-to-peer (P2P) models for resource allocation, sharing, and monetization. As these P2P models operate without inherent trust, the need for reliable trust and reputation mechanisms becomes crucial to minimize potential risks associated with engaging with malicious peers. Several trust management systems (TMS) have been proposed to establish trust in traditional P2P networks, aiming to facilitate the selection of dependable resources and deter peer misbehavior, with a significant focus on utilizing reputation as a guiding factor.Reputation-based trust systems (RTMS) play a fundamental role by leveraging community-based reputations to establish trust. They enable peers to assess the trustworthiness of others and evaluate the Quality of Service (QoS) based on shared reputations and past interactions. While these systems establish a peer-to-peer overlay trust network, the majority of these protocols are not tailored to suit Blockchain-based networks, resulting in various shortcomings due to their outdated design.This thesis presents our protocol BTrust, a novel decentralized and modular trust management system for large-scale P2P networks, leveraging blockchain technology and (Graph Neural Network) GNN for trust evaluation. BTrust introduces a multi-dimensional trust and reputation model to assess peer trustworthiness, dynamically deriving a single value from multiple parameters. The blockchain ensures reliable trust computation, dissemination, and storage without a central trust manager.An important breakthrough in our protocol is the resolution of the "cold start" or "initial trust score problem". To achieve this, the bootstrapping peer adopts random walks to select trustworthy peers among its neighbors, ensuring a decentralized approach without relying on any centralized entity or predefined peers. Unlike existing solutions, this method prevents overwhelming the most trusted peers in the network.Another challenge addressed in reputation systems is the reluctance of peers to provide negative feedback, often due to fear of retaliation or simply not providing feedback at all. To tackle these issues, we introduce an incentive mechanism that encourages truthful feedback and implement specialized mechanisms to penalize bad or lazy behavior. These innovations promote a more reliable and balanced trust evaluation process within the system.Furthermore, we propose a variant of BTrust called GBTrust, which improves upon the original protocol by incorporating Graph Neural Networks (GNNs) and a novel attention-based mechanism specifically designed for trust management. This variant enhances the detection of dynamic malicious peers and strengthens the overall robustness and accuracy of trust evaluation. By leveraging GNNs, GBTrust effectively captures the complex relationships and dynamic behavior of peers in the network, enabling more accurate identification of malicious activities and better adaptability to changing trust dynamics. The attention-based mechanism further enhances the model's ability to prioritize and weigh different trust factors, leading to more reliable and precise trust assessments.We demonstrate the efficiency of the proposed protocol in large-scale P2P networks using simulations of a P2P network and show that BTrust and its variant (GBTrust) are highly resilient to failures and robust against malicious nodes.