張國潮，唐華云，陳建海*，沈 睿，何欽銘，黃步添，3

（1.浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，杭州 310027；2.中央國債登記結(jié)算有限責(zé)任公司，北京 100033；3.杭州云象網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

數(shù)字產(chǎn)品版權(quán)是數(shù)字化時代的產(chǎn)物。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的諸如音樂等數(shù)字化的作品在網(wǎng)絡(luò)中被傳播、存儲與使用。近年來，數(shù)字版權(quán)侵權(quán)糾紛現(xiàn)象頻發(fā)，引起人們的廣泛關(guān)注。數(shù)字版權(quán)就是作品創(chuàng)作者對于數(shù)字作品在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下執(zhí)行存儲復(fù)制、發(fā)行等操作的權(quán)利。版權(quán)的取得主要有兩種途徑，一種是自動取得，另一種是登記取得。根據(jù)我國的著作權(quán)法規(guī)定，作品一旦完成就自動擁有版權(quán)，即自動取得。為了解決著作權(quán)糾紛問題，通常會采用版權(quán)登記的方式來明確版權(quán)歸屬［1］。然而，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，音樂等數(shù)字作品的傳播渠道多、侵權(quán)成本低、侵權(quán)手段隱蔽等原因，導(dǎo)致目前我國的數(shù)字版權(quán)行業(yè)存在著諸多難題［2-3］：

1）版權(quán)確權(quán)難。在國家的版權(quán)保護(hù)中心進(jìn)行作品的登記周期較長，一般需要20～30個工作日。并且，版權(quán)登記需要一定的專業(yè)知識，登記者常常需要支付額外的費用委托中介機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理。

2）侵權(quán)監(jiān)控難。在互聯(lián)網(wǎng)時代，采用人工監(jiān)測的方式識別版權(quán)侵權(quán)幾乎不可能，而目前的一些自動化監(jiān)測技術(shù)水平有限且侵權(quán)網(wǎng)站頻繁改頭換面，難以跟蹤。

3）維權(quán)取證難。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的侵權(quán)具有虛擬性、隱蔽性和無空間時間限制性，這讓維權(quán)取證變得十分困難。

4）版稅結(jié)算難。在版權(quán)利益分配體系中，平臺方占據(jù)著主導(dǎo)地位，而作品創(chuàng)作者無法在利益分配中獲得符合其作品真正價值的等額收益［4］。

2008 年中本聰在一篇比特幣論文提出的區(qū)塊鏈技術(shù)引起廣泛關(guān)注［5］，為解決數(shù)字版權(quán)難題提供有效解決方案。作為比特幣底層的關(guān)鍵技術(shù)，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由點對點傳輸、密碼學(xué)以及共識算法等技術(shù)融合組成的新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些技術(shù)的組合使得區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)具有不可篡改、公開透明、防偽可溯源的優(yōu)勢特性。區(qū)塊鏈已經(jīng)在金融、供應(yīng)鏈、版權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注與應(yīng)用［6］。區(qū)塊鏈技術(shù)和數(shù)字版權(quán)保護(hù)具有天然的契合之處。首先，區(qū)塊鏈可以建立用戶地址和數(shù)據(jù)對象的硬鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)確權(quán)明確權(quán)益歸屬；其次，鏈上數(shù)據(jù)不可篡改、防偽可溯源的特性能為數(shù)字作品提供存證性證明以及實現(xiàn)證據(jù)固化；最后，自動執(zhí)行的智能合約可保障交易的安全公平。

當(dāng)前基于區(qū)塊鏈的數(shù)字版權(quán)保護(hù)在學(xué)術(shù)界已有一定的研究。比如，文獻(xiàn)［7］設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字版權(quán)保護(hù)與交易系統(tǒng)，使用聯(lián)盟鏈技術(shù)提供數(shù)字內(nèi)容版權(quán)登記、跟蹤、鑒證、查詢、交易等全流程服務(wù)的數(shù)字版權(quán)保護(hù)與交易服務(wù)；但該文獻(xiàn)中僅提及將數(shù)字內(nèi)容的特征值存入?yún)^(qū)塊鏈，并未針對不同類型的作品說明采用何種數(shù)字內(nèi)容特征值提取技術(shù)。文獻(xiàn)［8］借助區(qū)塊鏈技術(shù)并結(jié)合數(shù)字版權(quán)交易場景，設(shè)計了一個基于聯(lián)盟鏈的數(shù)字版權(quán)交易系統(tǒng)模型，做了版權(quán)注冊和版權(quán)交易的實現(xiàn)，能夠保證版權(quán)信息不可篡改性和可溯源性；但該文獻(xiàn)主要關(guān)注版權(quán)交易部分，對于版權(quán)登記并無過多的描述。文獻(xiàn)［9］針對互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)下數(shù)字版權(quán)問題，在區(qū)塊鏈技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種基于超級賬本的數(shù)字版權(quán)登記模型，主要針對的是以文本形式作為載體的作品登記并且聚焦于版權(quán)登記部分。文獻(xiàn)［10］基于星際文件系統(tǒng)（InterPlanetary File System，IPFS）與區(qū)塊鏈技術(shù)建立了一個數(shù)字媒體版權(quán)和內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計了反映數(shù)字媒體文件特點的數(shù)字指紋，并將指紋記錄到Fabric 區(qū)塊鏈中，確保了數(shù)字媒體作品的不變性和出處；該文獻(xiàn)主要聚焦于版權(quán)登記部分，但在系統(tǒng)設(shè)計中將數(shù)字指紋存儲到區(qū)塊鏈中會帶來區(qū)塊鏈的存儲問題。文獻(xiàn)［11］提出了一種基于改進(jìn)實用拜占庭容錯算法（Practical Byzantine Fault Tolerance，PBFT）的聯(lián)盟式音視頻版權(quán)區(qū)塊鏈系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的新共識算法使系統(tǒng)在共識速度與數(shù)據(jù)通信次數(shù)方面得到了優(yōu)化；但該文獻(xiàn)主要敘述了改進(jìn)的PBFT，對于音視頻版權(quán)保護(hù)方面敘述較少。文獻(xiàn)［12］提出了一種基于區(qū)塊鏈信用體系的分布式數(shù)字版權(quán)管理（Digital Right Management，DRM）機(jī)制，主要針對版權(quán)交易過程，實現(xiàn)了版權(quán)交易過程的不可逆加密記錄并對分布式賬本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做了輕量級調(diào)整。文獻(xiàn)［13］提出了一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)和星際文件系統(tǒng)的去中心化音樂共享模型，實現(xiàn)了音樂的可信存儲以及用戶的購買等功能。

總體而言，上述研究工作雖然取得了一定進(jìn)展，但仍存在一些局限。主要表現(xiàn)如下：

1）沒有細(xì)分作品類型?，F(xiàn)有的基于區(qū)塊鏈的數(shù)字版權(quán)保護(hù)文獻(xiàn)中大多停留在數(shù)字版權(quán)這個層面進(jìn)行研究，但數(shù)字作品包括了文字、圖像、音頻、視頻等類型，不同類型的版權(quán)登記處理方式是不同的，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多簡要敘述，未進(jìn)行細(xì)分。而對于音樂作品的版權(quán)保護(hù)的文獻(xiàn)就更少了。

2）沒有全流程的版權(quán)服務(wù)。大多的文獻(xiàn)還是聚焦在數(shù)字版權(quán)登記這個方面，還有較少的文獻(xiàn)包含了版權(quán)交易，而對于版權(quán)的侵權(quán)監(jiān)控與取證維權(quán)則很少出現(xiàn)。

3）沒有考慮數(shù)字作品的傳播推廣。現(xiàn)有文獻(xiàn)大多采用聯(lián)盟鏈技術(shù)實現(xiàn)版權(quán)保護(hù)，雖然剔除了平臺方，讓作品創(chuàng)作者與購買者點對點交易解決了作品創(chuàng)作者利益分配不公平的問題，但與此同時也失去了平臺所起的傳播推廣作品的作用。這很少在基于區(qū)塊鏈的數(shù)字版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)文獻(xiàn)中被提及。

為了解決當(dāng)前數(shù)字音樂版權(quán)管理的問題，本文提出并實現(xiàn)了一個基于區(qū)塊鏈的數(shù)字音樂版權(quán)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下特點：

1）僅針對音樂領(lǐng)域。本文系統(tǒng)聚焦于數(shù)字音樂版權(quán)的管理，采用Shazam 算法作為音樂文件的特征指紋提取與相似性比對算法，該算法能夠很好地防止盜版作品的上鏈登記以及識別侵權(quán)作品。

2）全流程的版權(quán)服務(wù)。本文系統(tǒng)包含了版權(quán)登記、版權(quán)交易、侵權(quán)監(jiān)測、證據(jù)固化、音樂生態(tài)以及用戶管理六大功能模塊，涵蓋了版權(quán)管理的主要環(huán)節(jié)，讓作品創(chuàng)作者能夠全方位地管理版權(quán)作品。

3）激勵機(jī)制。本文系統(tǒng)基于VNT Chain 公有鏈進(jìn)行構(gòu)建，公有鏈具有Token 經(jīng)濟(jì)，利用Token 經(jīng)濟(jì)結(jié)合傳統(tǒng)的推廣手段能夠激勵系統(tǒng)用戶推廣作品，讓作品更好的傳播。而音樂眾籌則可解決音樂創(chuàng)作者前期資金緊缺的問題，激勵創(chuàng)作者創(chuàng)作，讓整個音樂行業(yè)更加繁榮。

本文系統(tǒng)對于規(guī)范數(shù)字音樂版權(quán)管理，激勵音樂創(chuàng)作者創(chuàng)作以及繁榮整個音樂行業(yè)具有重要意義。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 VNT Chain

區(qū)塊鏈可分為公有鏈、聯(lián)盟鏈與私有鏈［14］。在公有鏈中，所有的礦工均可參與共識協(xié)商，在聯(lián)盟鏈中僅有被選擇的節(jié)點才可參與共識協(xié)商，而私有鏈的共識協(xié)商則是被一個組織完全控制。公有鏈對所有人開放，能夠吸引更多的用戶，社區(qū)也比較活躍；聯(lián)盟鏈可以應(yīng)用于很多業(yè)務(wù)場景；私有鏈則主要被用于公司內(nèi)部業(yè)務(wù)。

VNT Chain［15］由全球領(lǐng)先的區(qū)塊鏈技術(shù)服務(wù)商——云象提供技術(shù)支撐，采用聚合鏈架構(gòu)，包括聯(lián)盟鏈、公有鏈以及跨鏈三個部分，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)體系與資產(chǎn)服務(wù)體系的相互協(xié)同和發(fā)展。VNT Chain 公有鏈采用了一種全新的Vortex 共識算法，可達(dá)到10 000 TPS（Transaction Per Second）以上。高TPS 可以讓系統(tǒng)產(chǎn)生的交易更快地打包并驗證上鏈，為用戶提供更好的DAPP 體驗。同時VNT Chain 也具備Token 經(jīng)濟(jì)，這在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以實現(xiàn)一些激勵機(jī)制，讓用戶更愿意參與進(jìn)來。

1.2 星際文件系統(tǒng)

星際文件系統(tǒng)即IPFS，它是一個可以創(chuàng)建持久且分布式存儲和共享文件的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，致力于解決現(xiàn)有超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）的不足。IPFS 在存儲文件時會先將文件等大小分塊，再構(gòu)建各塊的Hash 值并構(gòu)建文件檢索表，這樣就可將文件分塊存儲在分布式的服務(wù)器上。在查找時只需輸入存儲文件時返回的Hash值，IPFS就會根據(jù)文件檢索表和內(nèi)部的路由表自動查找并合并各文件塊組成原始文件［16-17］。

存儲在IPFS 上的數(shù)據(jù)由于是分布式的具有一定的安全性，且能夠較好解決區(qū)塊鏈無法存儲大數(shù)據(jù)的問題，但是它需要結(jié)合區(qū)塊鏈的激勵機(jī)制來使用戶愿意分享它們的磁盤空間，并且發(fā)布IPFS 上的內(nèi)容是被設(shè)定為公開的，任何擁有內(nèi)容Hash 的人都可以訪問這些內(nèi)容，這就帶來了一些隱私方面的問題。這些是在基于IPFS 進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時所需考慮的問題。

1.3 智能合約

智能合約是可以自動執(zhí)行預(yù)先定義規(guī)則的一段計算機(jī)程序代碼，它能夠?qū)崿F(xiàn)價值的存儲、傳遞、控制和管理。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)中，一般采用智能合約來編寫業(yè)務(wù)邏輯并將智能合約部署到區(qū)塊鏈上，通過交易命令觸發(fā)并調(diào)用執(zhí)行［18-19］。

VNT Chain 的智能合約采用C 語言進(jìn)行編寫，提供了Bottle 工具實現(xiàn)智能合約的編譯以及JavaScript 語言的API 實現(xiàn)智能合約的部署與調(diào)用執(zhí)行［20］。

1.4 Shazam算法

每一個正版的音樂文件是唯一的，需要用一個唯一的數(shù)據(jù)去映射音樂文件。目前針對音樂文件唯一性的處理主要有三種方式：1）Hash 算法；2）數(shù)字水??；3）數(shù)字DNA（Deoxyribo Nucleic Acid）。第一種Hash方式雖然可以唯一地標(biāo)識一個音樂文件，但是無法做到文件的相似度匹配，也就無法識別出盜版的音樂文件；第二種數(shù)字水印方式通過將水印信息嵌入到音樂文件中來確定一個音樂文件，該種方式確實能夠防止音樂盜版，但是水印信息的嵌入將會影響音樂的質(zhì)量以及帶來音樂文件存儲空間的增加；第三種數(shù)字DNA 方式通過提取音樂文件的DNA（數(shù)字特征/特征指紋）作為音樂文件的唯一性標(biāo)識信息，通過DNA 的相似性比對可以防止盜版音樂的版權(quán)登記以及實現(xiàn)侵權(quán)監(jiān)測。

本文主要采用數(shù)字DNA 方式來對音樂文件進(jìn)行唯一性確定。基于數(shù)字特征的DNA 技術(shù)主要依據(jù)的數(shù)字特征大多是梅爾頻率倒譜系數(shù)（Mel Frequency Cepstrum Coefficient，MFCC），將MFCC 作為音樂文件的唯一性標(biāo)識，再對音樂文件之間的MFCC 矩陣進(jìn)行相似性比對。而基于指紋的DNA 技術(shù)主要分為三類：Echo print、Chroma print 和Landmark［21-23］。其中，Landmark 類指紋DNA 技術(shù)主要采用的特征指紋算法是Shazam 算法，它是Shazam 公司2003 年提出的。該算法包含了音樂特征指紋的提取與相似性比對兩個部分，主要涉及如下三個模塊［24］：

1）星狀圖。星狀圖可以理解為音樂文件的特征數(shù)據(jù)。Shazam 算法通過保留音頻的頻譜極大值將一張復(fù)雜的頻譜圖簡化為離散的星狀圖。頻譜的極大值是時頻區(qū)域內(nèi)那些值大于所有鄰居的點。

2）快速組合哈希。如果直接拿星狀圖進(jìn)行音樂文件之間的相似性比對也是可以的，但是速度非常慢。為此，Shazam算法提出了一種以空間換時間的快速組合哈希方法來提高相似性比對的速度。運(yùn)用該方法后，Shazam 算法將生成真正的音樂特征指紋數(shù)據(jù)。

3）檢索和打分。Shazam 算法會提取用戶上傳的音樂文件的特征指紋數(shù)據(jù)，在檢索數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行相似性比對并得出相似性分?jǐn)?shù)。最終選擇分?jǐn)?shù)最高的音樂作為匹配項。

2 系統(tǒng)需求

2.1 功能需求

基于區(qū)塊鏈的數(shù)字音樂版權(quán)管理系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)為音樂作品提供存證性證明，利用Shazam 算法為音樂作品提供原創(chuàng)性證明。智能合約、鏈上數(shù)據(jù)不可篡改且防偽可溯源的特性能夠保障交易的安全執(zhí)行以及侵權(quán)證據(jù)的真實性，而公有鏈特有的Token 經(jīng)濟(jì)則有利于音樂生態(tài)的繁榮發(fā)展。本文系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)內(nèi)容進(jìn)行模塊化分類可分為用戶管理、版權(quán)登記、版權(quán)交易、侵權(quán)監(jiān)測、證據(jù)固化以及音樂生態(tài)六大模塊。各模塊及其子模塊功能如圖1所示。

用戶管理模塊負(fù)責(zé)對與用戶相關(guān)信息的統(tǒng)一管理，包括用戶在本文系統(tǒng)的登錄注冊、完善個人信息以及查看個人相關(guān)信息。版權(quán)登記模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶對自己原創(chuàng)作品的著作權(quán)登記，用戶可在該模塊中對自己的原創(chuàng)作品進(jìn)行著作權(quán)登記或者下載登記好的著作權(quán)證書以及原創(chuàng)音樂文件。版權(quán)交易模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶之間的版權(quán)交易，用戶在該模塊中可出售自己的版權(quán)或在版權(quán)商城中查看自己感興趣的版權(quán)并進(jìn)行購買。侵權(quán)監(jiān)測模塊與證據(jù)固化模塊可結(jié)合起來使用：侵權(quán)監(jiān)測模塊用于幫助用戶發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的盜版音樂，用戶可在該模塊中上傳網(wǎng)站上的音樂文件進(jìn)行相似性比對確定是否疑似侵權(quán)，如果用戶發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站侵權(quán)則可以通過截圖、錄屏等方式提取侵權(quán)證據(jù)文件；證據(jù)固化模塊負(fù)責(zé)將用戶持有的侵權(quán)證據(jù)文件進(jìn)行上鏈存儲，為后續(xù)的司法維權(quán)提供有力證據(jù)。音樂生態(tài)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)整個音樂行業(yè)的繁榮，解決在去除第三方平臺后而失去平臺推廣音樂作用的問題，對于普通用戶可以通過對音樂的推廣來獲得音樂版權(quán)收益的分紅，而對于音樂創(chuàng)作者則可以通過出售待創(chuàng)作音樂的部分股權(quán)來眾籌獲取音樂作品前期創(chuàng)作的資金。推廣與眾籌的行為都可當(dāng)作一種交易而被記錄上鏈。

圖1 基于區(qū)塊鏈的數(shù)字音樂版權(quán)管理系統(tǒng)功能模塊Fig.1 Function modules of digital music copyright management system based on blockchain

2.2 非功能需求

一個系統(tǒng)除了為用戶提供應(yīng)有的功能外，還要關(guān)注必要的非功能需求，為用戶提供良好的使用體驗與安全保障。本文系統(tǒng)主要的非功能需求包含如下內(nèi)容：

1）高效。系統(tǒng)對于用戶請求的處理要在較短的時間內(nèi)完成，響應(yīng)時間越短，用戶體驗越好；同時系統(tǒng)在單位時間內(nèi)可成功傳輸一定量的數(shù)據(jù)。

2）安全。系統(tǒng)需要具備一定的攻擊防護(hù)手段，如IP 限制。對于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)則需要保證機(jī)密的數(shù)據(jù)不被竊取以及非法篡改，同時還要保證合法用戶能夠正常地使用系統(tǒng)。

3）可擴(kuò)展。模塊化的開發(fā)系統(tǒng)有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展以及代碼的復(fù)用。

4）可靠。系統(tǒng)在恢復(fù)故障后能夠較容易恢復(fù)到正常運(yùn)行。

5）易用。系統(tǒng)界面設(shè)計要美觀，符合受眾的喜好，且系統(tǒng)操作要簡易。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 架構(gòu)設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的數(shù)字音樂版權(quán)管理系統(tǒng)的架構(gòu)可分為三層，分別是前端系統(tǒng)、后端系統(tǒng)以及底層存儲，如圖2所示。

1）底層存儲。系統(tǒng)一共有三種存儲引擎，分別是區(qū)塊鏈平臺、IPFS以及數(shù)據(jù)庫，它們各有優(yōu)缺點。存儲在區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)具有不可篡改且防偽可溯源的特性，它能夠作為司法存證的依據(jù)；但在公有鏈上存儲數(shù)據(jù)是需要消耗燃料的，也就是公有鏈上發(fā)行的數(shù)字貨幣，所以僅把最重要的數(shù)據(jù)上鏈存儲。本文系統(tǒng)將用戶個人信息、音樂版權(quán)信息、版權(quán)交易信息、維權(quán)證據(jù)信息以及與音樂生態(tài)有關(guān)的交易信息存儲在VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺上。IPFS 將文件分塊進(jìn)行分布式存儲具有一定的安全性，且能夠較好地解決區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲問題，但任何擁有地址Hash 的用戶都可獲取該Hash 值所尋址的內(nèi)容，具有一定的隱私風(fēng)險。本文系統(tǒng)將音樂文件的特征指紋數(shù)據(jù)以及用戶的維權(quán)證據(jù)文件存儲于IPFS 上。MySQL 作為傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫具有操作簡單、訪問高效的特點；但是中心化的數(shù)據(jù)庫容易出現(xiàn)單點故障的問題，相較于前面兩個存儲引擎，具有較高的安全隱患。本文系統(tǒng)將用戶的音樂文件存儲于本地，并在MySQL 數(shù)據(jù)庫中存儲音樂文件的存儲路徑，這樣能夠提高音樂文件的讀取速度。

2）后端系統(tǒng)。后端系統(tǒng)是底層存儲與前端系統(tǒng)的橋梁，實現(xiàn)了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，包含智能合約實現(xiàn)與非智能合約實現(xiàn)兩個部分。系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的智能合約實現(xiàn)包括用戶管理合約、版權(quán)登記合約、版權(quán)交易合約、證據(jù)固化合約以及音樂生態(tài)合約；而系統(tǒng)業(yè)務(wù)邏輯的非智能合約實現(xiàn)包括侵權(quán)監(jiān)測功能的實現(xiàn)以及Shazam 算法的實現(xiàn)，版權(quán)登記功能與侵權(quán)監(jiān)測功能的實現(xiàn)需要用到Shazam算法。

3）前端系統(tǒng)。前端系統(tǒng)通過良好的交互界面直接面向用戶提供服務(wù)。本文系統(tǒng)采用Web 作為前端，主要通過Vue.js框架、Element UI 框架進(jìn)行構(gòu)建，并通過Axios 訪問后端系統(tǒng)提供的RESTful接口。

圖2 基于區(qū)塊鏈的數(shù)字音樂版權(quán)管理系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of digital music copyright management system based on blockchain

3.2 功能模塊設(shè)計

本文系統(tǒng)一共有六大功能模塊，包括用戶管理模塊、版權(quán)登記模塊、版權(quán)交易模塊、侵權(quán)監(jiān)測模塊、證據(jù)固化模塊以及音樂生態(tài)模塊。除了侵權(quán)監(jiān)測模塊外，其余功能模塊都需要借助智能合約實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)在VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺上的存儲與讀取。VNT Chain的智能合約采用C語言進(jìn)行編寫，每個智能合約都需要導(dǎo)入vntlib.h 頭文件。本文系統(tǒng)一共有5 個智能合約，包括用戶管理合約、版權(quán)登記合約、版權(quán)交易合約、證據(jù)固化合約以及音樂生態(tài)合約。下面將對系統(tǒng)的各個功能模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.2.1 用戶管理模塊

用戶管理模塊主要是對用戶相關(guān)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，方便用戶對這些信息的查看，如圖3 所示。其中用戶管理合約中記錄了與用戶相關(guān)的個人信息，包括用戶在VNT Chain 平臺上的錢包地址、用戶的版權(quán)人姓名以及手機(jī)號。用戶需先在VNT Chain 官方網(wǎng)站［25］注冊錢包，注冊完成將會得到KeyStore 文件、密碼、私鑰、賬戶地址等信息，這些信息十分重要，用戶需要妥善保管。用戶在登錄系統(tǒng)時需要上傳KeyStore 文件以及注冊時填寫的密碼，系統(tǒng)會對用戶的信息進(jìn)行校驗，僅當(dāng)校驗成功才允許用戶進(jìn)入系統(tǒng)使用系統(tǒng)提供的服務(wù)。

用戶在首次登錄到系統(tǒng)后需要完善個人信息，主要是版權(quán)人姓名以及手機(jī)號。版權(quán)人姓名用于在版權(quán)登記時與音樂文件的標(biāo)簽信息進(jìn)行比對，以此來初步判斷該音樂文件是否是當(dāng)前用戶原創(chuàng)的；而用戶的手機(jī)號則是在系統(tǒng)出現(xiàn)某些問題時能夠與用戶取得聯(lián)系，及時地通知用戶。如當(dāng)存儲在IPFS 上的音樂特征指紋數(shù)據(jù)被破壞時，系統(tǒng)需要通過該手機(jī)號聯(lián)系用戶進(jìn)行音樂文件的重傳，以此恢復(fù)音樂特征指紋數(shù)據(jù)；又如當(dāng)用戶在購買版權(quán)后可以下載音樂文件，如果系統(tǒng)在校驗該音樂文件的內(nèi)容Hash 與存儲在區(qū)塊鏈上的值不一致時，則說明系統(tǒng)上的音樂文件已被破環(huán)，這時同樣需要通過該手機(jī)號聯(lián)系用戶進(jìn)行音樂文件的重傳，等等。

圖3 用戶管理模塊流程Fig.3 Flowchart of user management module

3.2.2 版權(quán)登記模塊

版權(quán)登記模塊用于實現(xiàn)用戶對自己原創(chuàng)音樂作品的登記確權(quán)、音樂版權(quán)證書的下載以及原創(chuàng)音樂文件的下載，如圖4所示。當(dāng)音樂版權(quán)信息存入到區(qū)塊鏈后就具備了存證性證明，而本文系統(tǒng)對于音樂作品的原創(chuàng)性證明則采用了三階段校驗：

1）校驗音樂文件的內(nèi)容Hash 是否已在本文系統(tǒng)存在。該階段是為了防止用戶拿已在本文系統(tǒng)登記過的音樂進(jìn)行版權(quán)登記。

2）比對音樂標(biāo)簽信息與上傳用戶的版權(quán)人信息是否一致。音樂標(biāo)簽信息是音樂在制作完成后，音樂創(chuàng)作者嵌入到音樂中的信息，通過比較音樂標(biāo)簽中的音樂創(chuàng)作者信息可以初步確認(rèn)該音樂是否是用戶的。由于音樂標(biāo)簽信息是可以隨意修改的，所以系統(tǒng)只能初步進(jìn)行判斷，不能認(rèn)為音樂標(biāo)簽信息中包含了用戶的姓名，該音樂就是用戶的。

3）利用Shazam 算法提取部分音樂片段的特征指紋數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的特征指紋庫進(jìn)行相似性比對，判斷系統(tǒng)是否已存在較高相似性的音樂文件。該階段是為了防止用戶拿已在本文系統(tǒng)登記過的音樂進(jìn)行非法修改并進(jìn)行版權(quán)登記。

觀察這三個階段的校驗可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)并不能完全證明用戶上傳的音樂就是他/她自己原創(chuàng)的，這也是當(dāng)前區(qū)塊鏈無法解決的一個問題，即無法驗證用戶上鏈前數(shù)據(jù)的真實性。本文系統(tǒng)更多地是為用戶提供一個在某個時間點擁有該音樂作品的證據(jù)，如果有人提出系統(tǒng)中的某件音樂作品是自己被別人非法存證了，那么他/她可以提供更早擁有該件音樂作品的證據(jù)，并對非法存證的系統(tǒng)用戶提出法律訴訟，如果系統(tǒng)用戶真的是拿別人的音樂作品進(jìn)行非法存證，那么他/她在本文系統(tǒng)不可篡改的存證信息將成為被侵權(quán)者依法維權(quán)的有利證據(jù)。

僅當(dāng)三個階段的校驗都通過后，系統(tǒng)才允許用戶對該音樂文件的存證確權(quán)。這時用戶可以選擇添加該音樂作品的協(xié)作者并設(shè)置每個人的音樂股權(quán)占比，該占比將決定后期的音樂作品收益劃分，如果沒有協(xié)作者，那么用戶將獨占該音樂作品的股權(quán)。

設(shè)置好音樂作品協(xié)作者之后，系統(tǒng)會利用Shazam 算法提取音樂文件全部的特征指紋數(shù)據(jù)并存入IPFS 中，之后構(gòu)造音樂版權(quán)信息存入VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺，最后將音樂文件保存到本地并通過MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，方便版權(quán)交易模塊中用戶的試聽以及音樂生態(tài)模塊中音樂的推廣等。除了版權(quán)登記外，用戶還可在該模塊中下載登記證書以及音樂文件。

圖4 版權(quán)登記模塊流程Fig.4 Flowchart of copyright registration module

3.2.3 版權(quán)交易模塊

版權(quán)交易模塊通過智能合約實現(xiàn)用戶之間的版權(quán)交易，如圖5 所示。版權(quán)的交易可分為版權(quán)轉(zhuǎn)讓與使用許可兩種，前者是音樂創(chuàng)作者將自己的音樂一次性無期限地轉(zhuǎn)讓給購買者，后者則是在一定的時間內(nèi)允許版權(quán)購買者使用自己的音樂實現(xiàn)盈利。對于使用許可有以下三種基本形式：

1）獨占許可。在獨占許可中，版權(quán)所有人在許可的時間內(nèi)不得再使用該版權(quán)，更不能再次將版權(quán)授予第三方。

2）排他許可。在排他許可中，版權(quán)所有人仍保留繼續(xù)使用該版權(quán)的權(quán)利，但不能將該版權(quán)授予第三方使用。

3）普通許可。在普通許可中，版權(quán)所有人仍保留繼續(xù)使用該版權(quán)的權(quán)利，也可以將該版權(quán)授予任何第三方使用。

為了較好地進(jìn)行版權(quán)交易處理，本文系統(tǒng)按照版權(quán)的轉(zhuǎn)讓與獨占許可方式進(jìn)行版權(quán)交易的設(shè)計。版權(quán)交易模塊可分為版權(quán)的出售與購買兩個部分。在版權(quán)出售中，用戶需要先選擇要出售的音樂版權(quán)以及出售的方式，包括版權(quán)轉(zhuǎn)讓與使用許可兩種，當(dāng)用戶選擇使用許可后還需設(shè)置出售的許可使用時間。用戶在設(shè)置好版權(quán)出售的金額后即可確定版權(quán)出售。系統(tǒng)會調(diào)用版權(quán)交易合約將版權(quán)出售信息存儲至VNT Chain區(qū)塊鏈平臺上并在版權(quán)商城中展示。在版權(quán)購買中，用戶可以先瀏覽版權(quán)商城中出售的版權(quán)并進(jìn)行音樂試聽，之后即可選擇想要的版權(quán)進(jìn)行購買，系統(tǒng)會檢測用戶的余額是否足夠，僅當(dāng)余額足夠才會執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作并將購買信息存入該版權(quán)音樂的版權(quán)交易合約中。在轉(zhuǎn)賬之前，系統(tǒng)會檢測該音樂版權(quán)是否經(jīng)過眾籌，如果是則按照股權(quán)的分配比例進(jìn)行轉(zhuǎn)賬；否則將檢測該音樂版權(quán)是否擁有協(xié)作者，如果是則按照協(xié)作的股權(quán)占比進(jìn)行轉(zhuǎn)賬，否則將全部的購買金額轉(zhuǎn)給版權(quán)所有者。購買后用戶即可下載該音樂文件進(jìn)行聆聽欣賞或者使用該音樂去盈利，如將該音樂作為視頻的背景音樂進(jìn)行視頻創(chuàng)作等。當(dāng)用戶以獨占許可方式購買的版權(quán)到期后，系統(tǒng)將對用戶購買的版權(quán)進(jìn)行回收。

圖5 版權(quán)交易模塊流程Fig.5 Flowchart of copyright trading module

3.2.4 侵權(quán)監(jiān)測模塊

侵權(quán)監(jiān)測模塊用于幫助用戶發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的盜版侵權(quán)音樂，如圖6 所示。該模塊有自動監(jiān)測與手動監(jiān)測兩個部分。自動監(jiān)測針對比較大型的系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置的音樂網(wǎng)站，用戶在選擇開啟侵權(quán)監(jiān)測功能并設(shè)置監(jiān)測周期后，系統(tǒng)會每隔一段時間爬取這些默認(rèn)網(wǎng)站上有關(guān)用戶已進(jìn)行版權(quán)登記的音樂，之后對爬取的每一首音樂進(jìn)行相似性比對。手動監(jiān)測則是針對一些小型的網(wǎng)站，用戶可以從這些網(wǎng)站上下載相關(guān)音樂，并在系統(tǒng)中上傳進(jìn)行相似性比對。如果進(jìn)行相似性比對的音樂與自己版權(quán)登記的音樂存在較高相似性，系統(tǒng)會給出疑似侵權(quán)的提示。后續(xù)本文系統(tǒng)還將引進(jìn)律師角色幫助用戶進(jìn)一步確認(rèn)版權(quán)音樂是否被侵權(quán)。如果該音樂文件是侵權(quán)的，則用戶可通過截圖、錄屏等方式保存比對結(jié)果以及網(wǎng)站的頁面信息，之后將這些信息在本文系統(tǒng)進(jìn)行證據(jù)固化，方便后續(xù)的司法維權(quán)。

圖6 侵權(quán)監(jiān)測模塊流程Fig.6 Flowchart of infringement monitoring module

3.2.5 證據(jù)固化模塊

證據(jù)固化模塊與侵權(quán)監(jiān)測模塊可以結(jié)合起來使用，它們負(fù)責(zé)將用戶的維權(quán)證據(jù)上鏈存儲，方便后續(xù)的司法維權(quán)，如圖7所示。

圖7 證據(jù)固化模塊流程Fig.7 Flowchart of evidence solidification module

首先用戶需要選擇被侵權(quán)的版權(quán)音樂，之后可對此次侵權(quán)事件進(jìn)行文字描述，最后需要上傳維權(quán)證據(jù)文件，如網(wǎng)站未經(jīng)授權(quán)提供音樂下載的截圖、系統(tǒng)侵權(quán)監(jiān)測的相似性比對結(jié)果等。當(dāng)用戶操作完成后，系統(tǒng)會將維權(quán)證據(jù)文件存儲到IPFS 上，并將構(gòu)造好的維權(quán)證據(jù)信息存儲到VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺。當(dāng)用戶在后續(xù)司法維權(quán)時，可以提取存儲在區(qū)塊鏈上的維權(quán)證據(jù)數(shù)據(jù)作為強(qiáng)有力的維權(quán)依據(jù)，維護(hù)自己的合法權(quán)益。后續(xù)系統(tǒng)將會引入公證機(jī)構(gòu)以及律師角色，公證機(jī)構(gòu)用于對用戶的維權(quán)證據(jù)進(jìn)行公證，而律師則可以幫助用戶進(jìn)行維權(quán)訴訟。

3.2.6 音樂生態(tài)模塊

音樂生態(tài)模塊本質(zhì)上也是一種交易，是一種以音樂創(chuàng)作者為主導(dǎo)的交易，是為了繁榮整個音樂生態(tài)、幫助音樂作品更好的流通而存在，如圖8 所示。音樂生態(tài)模塊可分為三個部分，即音樂推廣、音樂眾籌以及音樂生態(tài)市場。在音樂推廣中，用戶可以選擇要進(jìn)行推廣的音樂，在描述好推廣任務(wù)以及設(shè)置好任務(wù)完成金額后，即可發(fā)布音樂推廣需求，系統(tǒng)會將音樂推廣信息存儲至VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺并在音樂生態(tài)市場中展示。在音樂眾籌中，用戶需要先對待創(chuàng)作的音樂作品進(jìn)行描述，在設(shè)置好眾籌金額以及相應(yīng)的音樂股權(quán)比例后，即可發(fā)布音樂眾籌需求，系統(tǒng)會將眾籌信息存儲至VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺并在音樂生態(tài)市場中展示。而普通用戶則可在音樂生態(tài)市場中瀏覽需求，既可以選擇接受推廣任務(wù)賺取費用，也可以接受眾籌需求為音樂創(chuàng)作者的前期創(chuàng)作提供資金支持，當(dāng)該版權(quán)進(jìn)行交易獲取收益時，將會按照股權(quán)分配比例進(jìn)行金額的劃分。通過音樂的推廣與眾籌，既能幫助音樂推廣，讓更多的人知道，又能為音樂創(chuàng)作者籌集前期創(chuàng)作的資金，這不僅能為平臺的用戶獲取收益，更能促進(jìn)音樂創(chuàng)作者創(chuàng)作的積極性，從而帶來整個音樂行業(yè)的繁榮發(fā)展。而為了保障音樂推廣與眾籌的安全性，所有的交易信息將被記錄至VNT Chain 區(qū)塊鏈平臺上，用戶可以進(jìn)行溯源查看，當(dāng)發(fā)生某些糾紛時，可以提取區(qū)塊鏈上的信息作為證據(jù)。

圖8 音樂生態(tài)模塊流程Fig.8 Flowchart of music ecology module

4 性能測試與分析

為了驗證系統(tǒng)的性能，本文系統(tǒng)采用的測試環(huán)境是配置為CPU Intel Core i5-7300HQ 2.50 GHz 和內(nèi)存16 GB 的Windows 10 操作系統(tǒng)，安裝了VMware 虛擬機(jī)搭載Ubuntu16.04系統(tǒng)。系統(tǒng)一共有六大功能模塊，其中的版權(quán)登記模塊是最核心且最基本的功能，該模塊是最耗時的，也是最耗存儲空間的，因為涉及到了Shazam 算法處理音樂文件以及對音樂特征指紋數(shù)據(jù)的存儲。接下來將對系統(tǒng)的版權(quán)登記模塊進(jìn)行測試。

本文系統(tǒng)基于VNT Chain 測試網(wǎng)進(jìn)行搭建，根據(jù)Shazam算法原論文［20］描述的性能測試，10 s 的音頻片段已可取得很高的置信度，所以本文系統(tǒng)在進(jìn)行相似性比對時，將會截取待比對音樂文件10 s 片段的特征指紋數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)構(gòu)建的特征指紋庫則需要提取完整音樂的特征指紋數(shù)據(jù)。

本文系統(tǒng)對從網(wǎng)上隨機(jī)下載的50 首不同的音樂依次進(jìn)行版權(quán)登記，這50 首音樂中成功進(jìn)行版權(quán)登記的有45 首，成功率為90%，版權(quán)登記失敗的5首音樂的文件編號分別是10、22、23、25、27。這5 首音樂都是在通過音樂文件相似性比對后才失敗的，所以準(zhǔn)確率是100%。版權(quán)登記失敗的原因都是在提取整個音樂文件的特征指紋階段無法分配足夠的內(nèi)存導(dǎo)致的系統(tǒng)錯誤。分析這5 首音樂可知道，音樂時長均在5 min左右，提取全部的音樂特征指紋會很大，這樣就會觸發(fā)系統(tǒng)的過量處理模式，禁止為變量創(chuàng)建該大小的內(nèi)存空間。后續(xù)可通過修改系統(tǒng)配置擴(kuò)充虛擬內(nèi)存、將特征指紋數(shù)據(jù)分批次存儲等方式解決該內(nèi)存問題。

此次測試一共成功將45 首音樂在本文系統(tǒng)進(jìn)行版權(quán)登記，每首音樂所花費的登記時間如圖9所示。

在圖9中，版權(quán)登記花費總時長的斜率約為1.95，也就是說系統(tǒng)每登記確權(quán)一首音樂，后續(xù)音樂的版權(quán)登記時間大約會增加1.95 s 的時間。系統(tǒng)提取音樂文件10 s 時長的特征指紋所花費時間的斜率是0.002 9，這主要是系統(tǒng)性能波動的原因，系統(tǒng)提取10 s 時長的特征指紋大約花費1 s 的時間。系統(tǒng)提取音樂文件全部的特征指紋所花費時間的斜率約為-0.025 3，這同樣是系統(tǒng)性能波動所導(dǎo)致的，即每首音樂提取全部特征指紋大約需要花費22 s的時間。系統(tǒng)進(jìn)行相似性比對所花費時間的斜率約為1.95，與版權(quán)登記總時長的斜率幾乎一樣，也就是說相似性比對所需花費時間的增加是導(dǎo)致整個版權(quán)登記時間增加的原因。最后，每首音樂大約需要花費7 s 的時間進(jìn)行其他輔助處理，除了系統(tǒng)性能波動的原因，有些音樂文件需要更多的處理時間是因為系統(tǒng)在提取音樂特征指紋之前，會檢查音樂文件的采樣率是否是44.1 kHz 以及MP3 格式，如果不是，則會利用FFmpeg 工具對音樂文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化再提取特征指紋。

相似性比對所花費時間的增加導(dǎo)致了整個版權(quán)登記時間的增加，而導(dǎo)致相似性比對花費時間增加的因素如圖10所示。

圖9 版權(quán)登記時間花費情況Fig.9 Time spent on copyright registration

圖10 版權(quán)登記時間增加的因素Fig.10 Factors of copyright registration time increase

觀察圖10 可知，圖中四條線的斜率相加約為1.95，即是圖9 中相似性比對所花費時間這條線的斜率。從版權(quán)登記合約中獲取特征指紋在IPFS 上的地址與排序特征指紋的Hash值（一個音樂文件對應(yīng)一個特征指紋，一個特征指紋包含幾萬的Hash 值）所帶來的時間增加相對來說是比較少的，而匹配特征指紋的Hash值系統(tǒng)目前采用的是多進(jìn)程+二分查找的方式進(jìn)行匹配，而二分查找的時間復(fù)雜度是對數(shù)級別的，當(dāng)數(shù)據(jù)量越來越大時，其時間增加步伐會越來越小。所以這四個因素中，最主要的因素其實是從IPFS 上獲取全部的特征指紋數(shù)據(jù)，每成功版權(quán)登記一首音樂，就會多一個特征指紋在IPFS上存儲的Hash 地址，而獲取該Hash 地址的數(shù)據(jù)大約需要1.1 s 的時間。后續(xù)將對數(shù)據(jù)的存儲以及傳輸進(jìn)行優(yōu)化以此緩解登記時間的上漲趨勢，從而增加系統(tǒng)的實用性。

在這成功版權(quán)登記的45 首音樂中，每首音樂提取的特征指紋數(shù)據(jù)在IPFS上消耗的存儲空間如圖11所示，每個特征指紋包含的Hash值個數(shù)如圖12所示。

在這45 首音樂中，每首音樂平均消耗的IPFS 空間大約8 MB。雖然8 MB 是原音樂文件2～3 倍的大小，但這正是Shazam 算法以空間換時間的思想體現(xiàn)，通過增加存儲空間來提高特征指紋相似性比對的速度，這是值得的。

圖11 特征指紋在IPFS上消耗的存儲空間大小Fig.11 Storage space size costed by each feature fingerprint on IPFS

圖12 特征指紋中的Hash值數(shù)量Fig.12 Number of Hash value in each feature fingerprint

最后將本文系統(tǒng)與前人提出的系統(tǒng)進(jìn)行比對后可得到表1，可以看出本文系統(tǒng)的功能更加全面，能夠提供全流程的版權(quán)服務(wù)，幫助用戶更高效地管理音樂作品的版權(quán)。

表1 系統(tǒng)功能模塊對比Tab.1 Comparison of system function modules

5 結(jié)語

隨著人們生活水平的提高，越來越多的人喜歡聆聽音樂或是創(chuàng)作自己的音樂。然而，現(xiàn)有音樂版權(quán)行業(yè)存在的諸多問題將極大阻礙音樂行業(yè)的發(fā)展。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為音樂版權(quán)管理提供了良好的解決途徑。本文主要針對現(xiàn)有音樂版權(quán)行業(yè)的問題，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建了一個數(shù)字音樂版權(quán)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備六大功能模塊，可滿足音樂版權(quán)管理的大部分需求，同時音樂生態(tài)模塊的引入不僅能夠激勵用戶去分享音樂作品，更能幫助音樂創(chuàng)作者募集前期創(chuàng)作的資金，有助于創(chuàng)作者的持續(xù)創(chuàng)作以及整個音樂行業(yè)的繁榮。當(dāng)然系統(tǒng)還有一些不完善的地方，比如版權(quán)登記所花費時間的增加，侵權(quán)監(jiān)測中待引入人工智能技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化等。后續(xù)將會對本文系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。