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        基于區(qū)塊鏈的數(shù)字版權登記技術*

        2019-04-24 08:24:58趙國鋒周繼華
        關鍵詞:賬本哈希合約

        趙國鋒,何 英,周繼華

        (1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065;2.重慶金美通信有限公司,重慶 400030)

        0 引言

        隨著互聯(lián)網(wǎng)上文本的傳播越來越迅捷,人們對數(shù)字文本的需求也越來越高。據(jù)統(tǒng)計,2018年,我國數(shù)字出版產(chǎn)業(yè)的累計用戶規(guī)模達到18.25億人?;ヂ?lián)網(wǎng)期刊、電子圖書、數(shù)字報紙的總收入為82.7億元,與2017年相比增長5.35%[1]。在數(shù)字出版產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的同時,盜版、侵權事件也愈演愈烈。目前的數(shù)字版權保護主要是依賴第三方機構的集中式管控,但這種方式也面臨一些問題:(1)基于第三方機構的版權管控機制流程繁瑣,效率低[2];(2)沒有統(tǒng)一的數(shù)字版權管控平臺導致數(shù)字版權資源分散,版權歸屬模糊;(3)當前集中化的版權管控機制容易遭受單點故障,數(shù)據(jù)存儲安全性低。

        隨著區(qū)塊鏈技術的面世,去中心化、自主驗證、數(shù)據(jù)不可篡改、可溯源等特點為當前數(shù)字版權領域的問題提供了解決途徑。文獻[2]分析了傳統(tǒng)數(shù)字版權領域中存在的問題,并提到區(qū)塊鏈技術在解決數(shù)字版權領域的問題上有著天然優(yōu)勢;文獻[3]將區(qū)塊鏈技術引入數(shù)字版權領域,創(chuàng)建了基于區(qū)塊鏈的版權系統(tǒng)模型;李悅[4]依托以太坊平臺[5],結合智能合約技術實現(xiàn)版權登記在區(qū)塊鏈上的自動化執(zhí)行。

        但這些案例存在以下問題:(1)沒有考慮完整數(shù)字作品的存儲。只是簡單地提取出作品的特征值,將特征值存入到區(qū)塊鏈中作為版權的存證,以至于版權存證信息的不完整,面對版權糾紛時,仍不能提供強有力的版權憑證。(2)沒有考慮數(shù)字作品的侵權檢測。這些案例只是在區(qū)塊鏈上簡單地記錄出作品的特征值,沒有將作品內(nèi)容與官方申明了版權的內(nèi)容進行全面對比,是一種象征性證明,以至于抄襲作品、盜版作品都能順利地獲取版權證明,沒有實際價值與意義。(3)版權登記效率低下。這些案例均是依托于比特幣、以太坊等區(qū)塊鏈構建數(shù)字版權系統(tǒng),由于這些平臺的固有缺陷,導致版權登記效率低下。(4)缺乏身份認證。沒有對登記者的身份信息進行實名認證,這與版權登記的對用戶身份需求相悖。

        隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展,以超級賬本[6]為代表的區(qū)塊鏈平臺,性能更好、資源消耗更少。因此本文構建了基于超級賬本的數(shù)字版權登記系統(tǒng),主要解決以下問題:(1)通過鏈上鏈下結合的存儲方式解決區(qū)塊鏈存儲大文件的難題。區(qū)塊鏈上記錄作品索引及創(chuàng)作者信息,區(qū)塊鏈下通過IPFS系統(tǒng)存儲數(shù)字作品。(2)對登記的數(shù)字作品實現(xiàn)了侵權檢測。即計算出作品simhash,并與登記庫中的作品simhash對比,若不超過其閾值,則通過檢測。(3)通過智能合約技術實現(xiàn)版權登記及數(shù)據(jù)訪問控制,只有經(jīng)過授權的用戶才能訪問登記信息,確保了個人數(shù)據(jù)的隱私性。實驗分析表明,該系統(tǒng)有較好的性能和安全性。

        1 相關技術分析

        本系統(tǒng)的核心技術包括區(qū)塊鏈、智能合約、simhash及IPFS。

        (1)區(qū)塊鏈[7]:區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的節(jié)點將一段時間內(nèi)接收到的數(shù)據(jù)封裝到一個帶有時間戳的區(qū)塊中,網(wǎng)絡中其他節(jié)點對區(qū)塊進行有效性驗證,按照時間順序進行哈希鏈接,產(chǎn)生最新的區(qū)塊鏈,并在各個節(jié)點同步。時間的不可逆轉(zhuǎn)性致使歷史區(qū)塊數(shù)據(jù)無法修改和刪除,保證存儲數(shù)據(jù)的不可否認性和可溯源性。區(qū)塊鏈概念起源于比特幣[8],最初用來記錄數(shù)字貨幣交易信息,隨著技術的發(fā)展,出現(xiàn)了以太坊及超級賬本等可運行其他應用的區(qū)塊鏈平臺。表1為不同區(qū)塊鏈平臺的性能對比表。不難看出超級賬本效率高,資源消耗少,更能滿足商業(yè)化需求。因此本文構建了基于超級賬本的數(shù)字版權登記模型,給用戶提供更加便捷快速的版權管控服務。

        表1 不同區(qū)塊鏈平臺性能對比

        (2)IPFS:IPFS[9]是分布式存儲方式,與HTTP不同,IPFS不再關心中央服務器的位置,也不考慮文件名和路徑,它只關注文件中可能出現(xiàn)的內(nèi)容。將任何文件放在IPFS節(jié)點上后,將根據(jù)此文件的內(nèi)容計算加密哈希值。當IPFS被要求提供文件時,它使用分布式哈希表來查找此文件所在的節(jié)點,然后檢索此文件并對其進行驗證。

        (3)simhash:simhash[10]是一種局部敏感hash算法,即輸入內(nèi)容相似,則hash結果也相似,因此文本間的相似性檢測就轉(zhuǎn)化成文本simhash的相似性比較。simhash的相似性通過其海明距離度量,海明距離越小,表明對應文本越相似。simhash算法流程如圖1所示。

        圖1 simhash算法流程

        (4)智能合約:1995年密碼學家尼克薩博首次提出智能合約,將其定義為一系列計算機化的協(xié)議,是一組預設條件對應的程序化規(guī)則[11]。在區(qū)塊鏈中,智能合約用特定的計算機語言表示并存儲在區(qū)塊中,一旦合約中預先設定的條件滿足,就會自動觸發(fā)相應的操作。

        2 基于超級賬本的數(shù)字版權登記技術方案

        2.1 基于超級賬本的數(shù)字版權登記系統(tǒng)

        如圖2所示為基于超級賬本的數(shù)字版權登記系統(tǒng)架構圖。

        圖2 基于超級賬本的數(shù)字版權登記系統(tǒng)架構

        客戶端用于用戶注冊版權賬戶,發(fā)起版權登記請求。超級賬本基于PKI證書體系,每個用戶通過唯一的數(shù)字證書作為身份標識,用戶注冊的版權賬戶即是由證書公鑰生成。

        服務端分為三層結構:合約層實現(xiàn)版權登記及版權查詢功能;在網(wǎng)絡層,為了提高系統(tǒng)處理效率,將合約執(zhí)行和共識分離,區(qū)塊鏈節(jié)點從邏輯上分為三類:背書節(jié)點、排序節(jié)點及記賬節(jié)點,分別對應合約執(zhí)行、消息排序及寫入檢查等工作;存儲層:區(qū)塊鏈不適宜存儲大文件,本文采用鏈上鏈下結合的方式存儲版權登記信息,區(qū)塊鏈上記錄作品索引及創(chuàng)作者信息,區(qū)塊鏈下通過IPFS存儲數(shù)字作品。

        2.2 基于超級賬本的版權登記信息存儲機制

        圖3所示為基于超級賬本的數(shù)字版權登記系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖,基于此架構,版權登記信息存儲機制包含如下步驟:

        圖3 基于超級賬本的數(shù)字版權登記系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

        (1)注冊版權賬戶:超級賬本是帶有準入控制的區(qū)塊鏈,每個訪問其網(wǎng)絡的用戶應首先通過注冊獲得身份證書,用戶注冊的版權賬戶即由用戶證書公鑰生成。

        (2)IPFS存儲數(shù)字作品:用戶登錄系統(tǒng),上傳數(shù)字作品到IPFS,若上傳成功,IPFS會為作品生成唯一的哈希值,用戶可通過作品哈希值訪問存儲在IPFS中的數(shù)字作品。

        (3)發(fā)起版權登記提案:用戶通過客戶端發(fā)起登記提案即可調(diào)用部署在區(qū)塊鏈上的智能合約,合約執(zhí)行的結果將被存儲在區(qū)塊鏈上。模型中的提案包含兩大類,分別對應版權登記提案及版權查詢提案。提案由提案頭、提案數(shù)據(jù)和簽名構成。提案頭包含合約的名稱及版本;簽名是由用戶的私鑰生成,是為了確保提案數(shù)據(jù)不被篡改;提案數(shù)據(jù)由合約的函數(shù)名及函數(shù)參數(shù)構成,函數(shù)參數(shù)即是用戶的輸入信息。不同類型的提案其包含的函數(shù)名不同,傳遞的函數(shù)參數(shù)也不同。版權登記提案的函數(shù)參數(shù)由數(shù)字作品哈希摘要、訪問控制列表及用戶信息等構成。版權查詢提案由作品哈希摘要及用戶身份信息構成。

        (4)提案背書:客戶端發(fā)送提案到版權區(qū)塊鏈的背書節(jié)點,背書節(jié)點需要驗證提案格式是否正確,是否存在重放攻擊,提案簽名是否有效,上述驗證通過后背書節(jié)點將模擬執(zhí)行版權合約,生成一系列的讀寫集。背書節(jié)點需對執(zhí)行結果簽名并將提案和執(zhí)行結果打包返回客戶端。

        (5)構造區(qū)塊:客戶端收集足夠的提案響應,驗證背書節(jié)點簽名及執(zhí)行結果,通過后將提案響應提交到版權區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的共識節(jié)點。共識節(jié)點將對提案進行排序,打包區(qū)塊并廣播給其他節(jié)點。版權區(qū)塊鏈使用kafka共識機制,共識網(wǎng)絡中包含多個主題,每個主題對應多個分區(qū)。對于每個區(qū)塊的生成,是通過出塊大小和出塊時間共同決定的,一旦有一個條件滿足將會觸發(fā)區(qū)塊操作。

        (6)區(qū)塊同步:版權區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中,節(jié)點之間同步區(qū)塊采用的是gossip最終一致性協(xié)議。每個節(jié)點隨機地向鄰近節(jié)點定時發(fā)送本地賬本當前的快照,如最高塊高度、最高塊哈希值、狀態(tài)樹哈希值等一些賬本的摘要信息,并且接收來自其他節(jié)點發(fā)送的賬本快照,節(jié)點間通過快照進行賬本對比及區(qū)塊請求,最終使得全網(wǎng)所有節(jié)點在較短時間內(nèi)達到賬本一致狀態(tài)。區(qū)塊同步過程如圖4所示。

        圖4 區(qū)塊同步過程

        2.3 基于智能合約的版權管控協(xié)議

        部署在區(qū)塊鏈上的合約分為兩大類:版權登記及版權查詢合約。背書節(jié)點收到客戶端發(fā)來的提案,首先對客戶端身份進行驗證,通過后便可模擬執(zhí)行版權合約。版權登記合約與版權查詢合約的設計如下:

        (1)版權登記合約協(xié)議

        ①驗證用戶身份。用戶身份包含如下信息:身份標識、x.509證書、證書生成的公鑰等。用戶身份的校驗主要是對證書的校驗,首先是對證書路徑的檢查,校驗根證書、中間CA證書是否有效,是否有從身份證書到可信根CA證書的有效路徑;其次是對CRL的檢查,檢查證書是否被吊銷。CRL在本地CRLS目錄下,是由CA根證書簽發(fā)的被吊銷的證書文件。

        ②驗證用戶簽名,確保提案數(shù)據(jù)完整且沒有被篡改。

        ③作品上傳檢測。根據(jù)作品信息(IPFS存儲路徑、作品大小、作品名稱)查詢作品是否已完整上傳,若是,將作品標志位w置為1,否則置為0。

        ④作品侵權檢測。通過IPFS路徑下載作品,計算作品simhash,與登記庫中的作品simhash對比,若相似度未超過閾值,則侵權檢測通過,并將侵權檢測標志位s置為1。

        ⑤生成版權登記信息的讀寫集。寫集包含登記作品的信息、權利人身份信息及訪問控制列表。其中,訪問控制列表是由數(shù)據(jù)所有者自己確定,只有經(jīng)過授權的用戶才能訪問登記信息,這樣保證了個人數(shù)據(jù)的私密性。

        (2)版權查詢合約協(xié)議

        ①驗證用戶身份。同上。

        ②驗證用戶簽名,確保提案數(shù)據(jù)完整且沒有被篡改。

        ③訪問權限檢測。根據(jù)該作品的訪問控制列表,查詢該用戶是否有訪問權限。

        ④根據(jù)作品哈希查詢其版權歸屬。

        3 實驗與測試

        為了測試系統(tǒng)的性能,通過以下方式搭建了測試網(wǎng)絡。測試網(wǎng)絡基于超級賬本源碼構建。實驗網(wǎng)絡拓撲如下:服務器A、B、C、D、E分別模擬組織1、組織2、共識集群、Fabric CA及Client。其中,服務器A開啟4個Peer docker,其中一個為Endoser;服務器B開啟3個Peer docker,其中一個為Endoser;服務器C上開啟多個Order docker,模擬共識節(jié)點群;服務器D上裝載Fabric CA sever;服務器E上裝載Fabric client。另外,服務器A和服務器B上分別裝載IPFS程序,用于存儲數(shù)字作品。實驗服務器配置如表2所示。

        表2 服務器配置

        如圖5所示,隨著請求頻率的增加,系統(tǒng)處理速率逐漸增加,直到請求頻率達到1 000筆/s時,系統(tǒng)處理速率逐漸達到飽和,版權登記及版權查詢處理速率分別約為970筆/s、1 084筆/s。

        圖5 系統(tǒng)處理速率

        如圖6所示,隨著請求頻率的增加,系統(tǒng)處理時延最開始緩慢增加,版權登記及版權查詢平均處理時延分別約為0.8 s、0.1 s。當請求頻率達到1 000筆/s時,由于系統(tǒng)處理能力逐漸達到飽和,時延增加幅度加大。

        圖6 系統(tǒng)處理時延

        通過上述分析,正常請求頻率下,系統(tǒng)的版權登記及版權查詢處理速率約為973筆/s和1 084筆/s,處理時延約為0.8 s和0.1 s??傮w來說,系統(tǒng)整體性能基本滿足商用需求。

        4 結束語

        本文首先設計了基于超級賬本的數(shù)字版權登記模型,然后通過simhash查重算法實現(xiàn)了作品侵權檢測,最后結合智能合約技術實現(xiàn)了版權登記及數(shù)據(jù)訪問控制,確保了個人數(shù)據(jù)的隱私性。未來工作將考慮更進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

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