基于區塊鏈的社交網絡數字版權保護方法

呂 俊，張志勇+，徐艷艷

(1.河南科技大學 信息工程學院，河南 洛陽 471000； 2.河南科技大學 河南省網絡空間安全應用國際聯合實驗室，河南 洛陽 471023)

0 引 言

近年來，區塊鏈因去中心化、可編程性、安全可信等特性而受到關注[1]。如今的區塊鏈不僅僅是比特幣[2]底層的賬本技術，更是集合創新的基礎設施架構。它融合了密碼學、博弈論、計算機網絡、金融學等多門學科，使得其在一定范圍內具有極強的普適性[3,4]。區塊鏈所具有的開放性、匿名性、不可篡改性等特點，在某種程度上彌補了現有數字版權管理領域的一些不足[5]。在多媒體社交網絡[6,7]環境中，用戶之間隨意篡改和傳播受保護的數字內容而引發的版權問題尤為嚴重[8,9]。目前的多數研究局限在版權數據信息輸入輸出時終端的管控上，而真實社交網絡中的版權信息安全問題往往發生在轉發、引用等傳播過程中。

本文以社交網絡為應用場景，針對上述問題進行深入研究，提出以區塊鏈為底層基礎設施的方案。該方案通過建立一種區塊鏈與社交網絡傳播鏈相融合的傳播機制，將數字版權內容從上傳(確權)、發布(用權)、轉發(傳播)的整個版權信息生命周期中的傳播路徑軌跡進行詳細記錄，為版權信息驗證及溯源提供強有力的支撐，支持數字版權保護內容在社交網絡的傳播過程中以正確的形式傳遞，并采用數字水印、數字證書等技術為版權信息的安全提供保障。

1 區塊鏈和社交網絡傳播鏈的“雙鏈融合”安全傳播機制

針對版權信息在社交網絡傳播中安全及擴散的問題，以用戶、動態及社交網絡為切入點，對版權信息動態采用傳播者角色劃分，并以此形成交流群體。本文通過改進現有社交網絡模型中的在線控制機制，采用區塊鏈作為信息存儲及提取的底層基礎，以版權信息在區塊鏈中的傳播過程為向導，從而提出基于用戶動態交互方式的安全信息傳播機制的過程調度算法。

1.1 社交媒體網絡信息傳播實體定義及描述

如表1所示，定義用戶和動態兩類實體。其中，用戶為動態的傳播行為的主體，而動態為傳播內容的載體。為了客觀描述實體在社交網絡中的傳播過程及路徑信息，在表2中定義了傳播機制實體的狀態變量以及對應描述。

表1 社交網絡信息傳播機制中實體定義及描述

表2 社交網絡信息傳播機制中實體的狀態變量 定義及描述

1.2 社交媒體網絡信息傳播流程描述

在版權信息動態的傳播中，參與者和受眾之間通過對動態的評論或回復的方式增加互動性。定義若交互雙方屬于同一角色，則劃分為同一群組，反之亦然。用戶發布動態后，要根據用戶的DList集合中以往發布動態的瀏覽量和評論數計算出該用戶的影響力數值。用戶的影響力由關聯度(Correlation)和權威度(Authority)兩部分組成，計算公式如下

(1)

(2)

其中，U表示用戶群里集合，T為用戶Ui所選擇的傳播類型，Uj是動態的發布者，CTt(Ui,Uj,T)是t時間步時用戶Ui和用戶Uj關于動態的評論通信累計總量，ATt(Ui,Uj,T)是t時間步時用戶Ui和用戶Uj動態被轉發的累計總數。為了防止浮點運算時出現溢出情況的發生，公式中引入Δ變量為干擾參數，通過改變Δ的值，調整關聯度和權威度影響力度，當Δ近似于無窮大時，則每個用戶的傳播概率相同

Influence:PI[Uj]=λPC[Uj]+(1-λ)PA[Uj]

(3)

如式(3)所示，動態發布者Uj的傳播影響力PI是將關聯度PC和權威度PA通過加權的方式得出。在社交網絡中，用戶在不同的階段權威度和關聯度的比例會隨著時間的推移以及規則的變更而改變，通過引入權重因子λ動態調整權威度和關聯度的比例值，使得影響力計算方法具有較高的普適性。影響力不僅是評價用戶的指標，也是動態信息在社交網絡中傳播范圍及速度的影響因素，當傳播過程結束后，影響力會作為參數的一部分寫入區塊鏈中，通過對動態信息以及影響力的持續跟蹤可以更快、更全面地記錄下動態信息中版權內容的傳播軌跡。

在傳播機制中，針對用戶傳播動態的過程主要由改變用戶狀態、選擇傳播方式、檢測信息、保護信息安全以及最終更新參數5個步驟。如圖1所示，用戶通過社交網絡瀏覽信息并產生傳播意圖時，判斷用戶當前的狀態是否處于使用社交網絡的狀態(即登陸狀態)。用戶通過選擇傳播方式，針對當前或上傳的版權信息分別檢測。將檢測后信息存入鏈中，并生成新的動態序號為二次傳播提供基礎。當傳播結束后，更新各個參數變量及相關信息。

圖1 社交媒體網絡傳播機制流程

1.3 版權數據信息調度算法

版權數據信息在區塊鏈的傳播過程中，在保證數據安全性及可追蹤性的前提下最大程度滿足社交網絡的傳播策略。如算法1所示，在用戶傳播版權信息的過程中，每個用戶都需按照以下策略執行：

(1)改變用戶狀態。定義當用戶正在使用社交網絡的狀態值為0，并且只有當前狀態為0時才可以傳播信息。

(2)選擇傳播方式。傳播方式分為發布新動態或者轉發原動態。

(3)檢測信息。針對不同的傳播方式采用不同的檢測方式。當用戶發布新動態或轉發動態時，對版權信息進行檢測，并記錄在鏈中作為版權追蹤的依據。

(4)保護信息安全。根據檢測結果對版權信息水印進行更新。

(5)完成信息傳播。傳播完成后更新參數。

用戶是傳播信息的主體，當傳播信息過程完成后，更新區塊鏈中的參數，完整記錄整個傳播過程，使得其在鏈中數據具有連續性以及可追蹤性。以下是對該傳播過程的偽代碼描述，當傳播過程完結或達到指定時間步時將自動停止。

算法1：版權數據信息調度算法

輸入：UserState，Dynamic，區塊n

輸出：區塊n+1

(1)Begin (2) for i = 1 to MaxUserNumber (3) 初始化User (4) end for (5) for i = 1 to MaxDynamicNumber (6) 初始化Dynamic (7) end for (8) for i = 1 to MaxTimeStep (9) for j =1 to MaxUserNumber (10) User Uj根據隨機游走改變UserState值 (11) if(Uj的UserState == 0) (12) if(Uj將要發布新的Dynamic) (13) 檢測版權信息是否在區塊n的DList中Dk (14) if(Dk存在) (15) 生成新的動態信息De,并將De與Dk存入鏈中。 (16) end if (17) end if (18) if(Uj將要轉發舊的Dynamic) (19) 檢測版權信息是否在區塊n的DList中Dk (20) if(Dk存在) (21) 選擇Dk,在原有序列中追加De,并將De與Dk存入鏈中。 (22) end if (23) end if (24) 根據信息內容,生成新水印。 (25) 更新Uj、De、Dk以及水印的相關信息。 (26) 生成區塊n+1。 (27) end if (28) end for (29) end for (30) End

2 以區塊鏈為核心的數字版權保護方案

2.1 方案概述

基于調度過程算法，本文提出了一種以區塊鏈為核心的數字版權保護方案(digital copyright service chain，DCSChain)，該方案支持數字版權保護內容可以在社交網絡的傳播過程中以正確的形式傳遞，版權鏈可以提供高級可信的內容保護和驗證服務。在本方案中，使用區塊鏈接口存儲受數字版權保護的內容及其摘要信息。由于考慮到圖像資源會極大占用鏈空間，使用外部存儲方式對數字內容進行存儲，并通過創建內容對應的哈希值使其與區塊鏈相連。在方案中提出了可信、安全的身份驗證和追蹤方法，因此可以高效安全地從區塊鏈中檢索證書及數字內容，并且可以通過智能合約[10-12]對其進行管控。在社交網絡平臺的基礎上實現了基于區塊鏈的圖像數字內容版權管理，經評估表明，該方案安全、可信、高效，平臺可以永久性保留其上傳內容的版權。一旦發現疑似侵權內容，平臺可以快速鑒定該內容，并跟蹤其傳播過程從而檢查出侵權內容的提供者。

2.2 DCSChain平臺架構設計

在DCSChain方案中，平臺會將接收到的原始內容存儲在具有嚴格訪問限制的區塊鏈網絡中，這些原始內容將用于版權保護的處理和存證。平臺采用區塊鏈技術保護版權信息的安全，為了更加方便、高效地管理版權信息與社交網絡傳播信息的交互，引入了融合層的概念。融合層是版權信息和與傳播信息的數據預處理層，其以Hash值為媒介，將原始數據與版權信息和傳播信息結合在一起，使得信息資源可以便捷地互聯互通，也為上層結構訪問數字信息提供了穩定、可靠的訪問基礎。平臺的資源數據與版權信息由數據層、版權信息鏈和傳播信息鏈分別存儲，網絡層則提供了必要的通信基礎，版權信息和原始數據的融合及預處理在融合層中完成，各個節點按照共識層中提供的策略達成分布式一致性的要求，通過合約層對數據進行二次處理及過濾，由應用層對數據匯總并統一展示，其架構模型如圖2所示。

圖2 DCSChain平臺架構模型

2.3 DCSChain平臺框架設計

在本文中，數字版權保護方案的目標是為了實現一種安全可信的框架來保護和追蹤擁有版權的數字內容。其功能囊括了從內容提供者對數據的加密傳輸，到服務端解密、安全存儲和網絡分發的整個過程。鑒于社交網絡實時性、交互性及開放性的特點，為了保護數字內容不受侵犯，采用區塊鏈作為版權信息存儲介質，滿足版權信息存儲所需要的安全性、可信性和可追蹤的特性，而社交網絡的傳播路徑則使用傳播鏈作為存儲介質，這樣也最大程度的保證了社交網絡的正常使用。

在社交網絡中當用戶采用常規傳播方式(引用、轉發、分享、收藏)時，平臺不會對數字內容重新劃分存儲空間，僅將傳播路徑記錄在傳播鏈中。當用戶采用非常規方式傳播(將數字資源重新上傳并發布、將數字資源修改后上傳并發布)時，平臺會通過檢測上傳內容的數字指紋、水印、證書等方式對原創作品進行鑒別，若數字內容已存在，則自動轉入轉發流程，并在轉發流程中追加當前用戶的簽名。為避免區塊鏈存儲空間有限，大文件存儲效率低等問題，本方案將版權信息及受版權保護的數字內容分離，使用區塊鏈存儲版權信息，數字內容的存儲則采用文件系統，并通過Hash值使之相互關聯。

本方案框架如圖3所示，該系統是一個完備的數據安全傳輸平臺，該平臺通過應用程序接口(application programming interface，API)和軟件開發工具包(software development kit，SDK)兩個中間件實現各個組成部分之間的相互連通。終端將加密的數字內容上傳，API將解密后的元數據及提取的版權信息通過SDK分別存入文件系統和區塊鏈中。反之，當終端請求數據信息時，API通過SDK調用智能合約，智能合約會自動獲取數據，并將含有數字水印的數據返回。對于本方案而言，主要通過利用區塊鏈技術間接或直接地存儲圖像資源及信息、生成并添加含有版權信息的水印和對受版權保護的數字資源的追蹤，實現了一個支持跨平臺的數字版權保護系統。

圖3 DCSChain平臺框架模型

2.4 DCSChain平臺基礎及數據結構

為了更好適應社交網絡如今的多中心特點，本文采用了Hyperledger Fabric[13,14](一個由IBM公司主導開發的面向企業級客戶的開源項目)作為平臺底層基礎，并擴展和完善了版權保護與傳播記錄的相關內容。在DCSChain方案中，通過調用API來實現將數據版權信息存儲在區塊鏈中的全過程。為了保證平臺中數據流通的規范性與通用性，使用Json格式作為接口和數據存儲格式。

區塊鏈是由數據區塊以時間順序為索引相互鏈接從而構成的一種鏈式數據結構，如圖4所示。區塊鏈由多個數據區塊構成并具有時序性，每個區塊都包含Metadata(元數據)、ChaincodeID(合約地址)、Hash(哈希值)、Timestamp(時間戳)、ParentHash(上個區塊的哈希值)、Nonce(隨機數)、Cert(證書)、Signature(簽名)以及Trans(事務編碼)。并通過其鏈式結構的特性對鏈上事務全過程進行跟蹤，進一步保證數據的可信性。

圖4 區塊鏈數據結構

當通過驗證的事務數據存儲在區塊中后，區塊狀態就會從初始狀態改變為可執行狀態。用戶就可以通過Timestamp、Hash、Tans等關鍵信息對區塊進行查詢。為避免當前區塊鏈過長而導致的查詢效率低下的問題，采用了狀態數據庫(state database，StateDB)的方式予以解決。如圖5所示，當事務狀態變更時，StateDB會存儲相應的狀態及數據信息。StateDB作為區塊鏈文件系統存儲方式的補充，通過狀態同步策略，實現了以緩沖的機制對事務數據進行存儲。

圖5 區塊鏈結構

2.5 DCSChain平臺安全融合機制

在DCSChain方案中，主要由根CA和中間CA構成公鑰基礎設施(public key infrastructure，PKI)體系的信任基礎[15,16]。MSP(membership service provider)中所需要的證書都可以通過CA生成。MSP為成員提供一個可以映射到對應組織的身份，它確定了如何將節點分配給特定組織的特定角色。MSP為整個區塊鏈提供身份管理與權限服務，其主要包括成員身份識別、數字簽名和證書頒發、撤銷等內容。通過MSP中的關系映射，可以對實體的數字簽名進行確認，繼而對簽名者的身份權限驗證。

區塊鏈除了對用戶身份認證提供保護以外，也為數據在鏈中從傳輸到存儲再到使用的全過程提供保護。區塊鏈采用Hash算法存儲和驗證數據，區塊之間相互連接，當其中某處數據遭到篡改時，通過相關聯的區塊的對比，快速定位問題區塊，從而找到篡改來源，繼而可以進一步對問題進行排查處理，使數據的完整性得到保護。

在區塊鏈中由于各個節點的角色不同區分為Org、Orderer和Peer，每個Org都擁有至少一個Orderer節點和若干Peer節點，當前Org中的排序和出塊服務都由Orderer節點提供。Peer節點是P2P網絡的必要組成部分，除了充當常規記賬節點(Committer)外，也可以被賦予Endorser、Leader和Anchor等特殊的職能。為了確保各節點數據安全傳輸采用了TLS作為底層基礎。當版權數據進入P2P網絡后，會在各節點間傳輸，通過驗證后則寫入區塊鏈，其數據通信調度過程如下所示：

(1)當版權信息進入到區塊鏈中，版權信息會根據背書策略被指派給隨機Endorser節點，并由該節點進行背書操作，背書完成后對數據信息加密并封裝成事務，并將封裝完成的事務發送到該節點所屬的Orderer節點。

(2)Orderer節點將接收到的事務以時間順序進行排序，同時對接收的事務數據進行統計，當事務數量滿足出塊策略后，將當前所有事務進行打包而后生成新的區塊。若事務數量不足，但據上次出塊的時間間隔達到指定閾值時，也會將當前事務全部進行打包和出塊操作。

(3)Leader節點接收Orderer節點生成的區塊并對其進行驗證，當驗證無誤后寫入本地賬本中并更新狀態數據庫。

(4)檢測當前鏈路中是否存在其它Org。若本鏈路中存在多個Org，當前Org根據Gossip協議，選擇隨機3個鄰近Org的Anchor節點進行數據傳播，再由Anchor在各自的Org中進行廣播，更新本地賬本中的數據。

(5)檢測當前鏈路中是否存在未被傳播的Org，若存在則再次進行傳播，直至當前鏈路中所有的Org都同步該數據為止。

智能合約提升了區塊鏈的可擴展性，使得其應用場景更為豐富。通過引入Docker技術將智能合約的部署和執行過程都放在的進程中完成。進程間隔離技術使智能合約可以獨立運行于安全受保護的進程中，從而隔離其與外部的I/O通信，僅能通過背書節點實現gRPC被動交互，在最大程度上為合約執行提供了安全可信的環境。

在本方案中，區塊鏈采用的是由傳播信息鏈與版權信息鏈組成的雙鏈結構，如圖6所示，節點1和節點2分別是傳播信息鏈和版權信息鏈的主節點，節點3是傳播信息鏈與版權信息鏈的公共節點。當融合層請求數字作品數據時，傳播信息鏈收到請求時，將傳播信息的加密數據傳輸到節點3，并通過節點3轉移到節點2，此時版權鏈也將版權信息傳送到節點2中，最終由節點2打包發送到融合層進行數據融合。

圖6 鏈間數據通信

在常規狀態下，傳播信息與版權信息由各自鏈所存儲，公共節點處于休眠狀態，當激活查詢狀態后，公共節點也隨之激活，版權信息鏈將作為主鏈接收傳播信息鏈打包后通過公共節點提交的數據信息，由主節點把版權信息打包后一起封裝處理，最后將封裝信息傳輸至融合層。由于公共節點在傳播信息鏈僅有中轉傳遞權限，而在版權信息鏈中僅有向主節點提交權限，所以通過公共節點數據仍處于可信的環境中。

3 實驗與分析

3.1 實驗環境及工具

根據DCSChain架構方案開發并部署一個基于區塊鏈的數字版權管理系統(以下簡稱DCSChain系統)。在DCSChain系統中，平臺采用Hyperledger Fabric作為區塊鏈底層框架，CyVOD系統[6]用于提供真實的社交網絡環境，表3中詳細列出了開發環境及對應開發工具。

表3 開發環境及工具

為保證DCSChain系統的完整性，在Ubuntu環境下部署了3個節點作為DCSChain系統中區塊鏈部分的基礎支持，并在Windows環境下部署CyVOD系統提供接口保障。

3.2 實驗結果分析

DCSChain系統中圖像內容包含區塊鏈平臺和數字版權管理兩部分信息。數據跟蹤結果表明，DCSChain系統在數據交互及傳播過程中，通過接口與智能合約完整記錄下整個過程，并使用水印技術為圖像提供版權保護，數據流程如圖7所示，圖8則是鏈中作品信息存儲實例。

圖7 DCSChain數據運轉流程

圖8 鏈中數字作品版權信息

3.2.1 可信性分析

在DCSChain方案中，使用了水印技術保護數字內容的可信[17,18]，在載體圖像中添加水印，以此鑒別圖像的完整性和真偽，為原創作者提供版權保護。如圖9所示，在這個實驗中使用了尺寸為512*512像素的Lena圖像作為載體，并根據用戶信息自動生成200*200像素的圖像作為水印。

圖9 數字水印生成及檢測結果

在本方案中，利用脆弱水印技術的強敏感特性與不可感知性，為平臺中數字作品的完整和可信性提供必要的技術支撐，使得平臺中的數字作品都是可驗證的。通過5次存取原創作品的實驗，我們分別測量出添加水印時間，檢驗水時間以及信噪比值，結果記錄見表4。圖10是由表4數據生成的，橫坐標表示測量次序編號，左縱軸表示運行時間(ms)，右縱軸標識生成圖像的信噪比(dB)檢測結果。由圖可知，信噪比折線在穩定在60 dB，高于肉眼可識別的40 dB，具有良好的不可感知性，而水印添加與檢測相差也在2 ms以內，在整個使用過程中并不影響用戶體驗。

表4 數字水印處理時間及信噪比

圖10 數字水印處理時間及信噪比

3.2.2 安全性分析

在DCSChain方案中，平臺的安全分為數據安全和通信安全兩部分。數據的安全是指數據存儲的安全性，平臺通過配置數據資源的加密規則，通過將入鏈存儲的數據加密，從而保證數據存儲的安全，資源配置如圖11所示。平臺通過水印技術保證了數據的完整可信，并采用加密技術為存儲的數據提供存儲的安全保障，使得數據在平臺中安全、可信、可驗證。

圖11 資源配置信息

在本方案中，數字證書是平臺信息安全傳輸的重要保障。敏感數據(元數據、版權信息、傳播信息)在社交網絡與區塊鏈通信時，為防止信息泄露、更改或破壞，平臺采用了數字證書的身份認證技術。平臺通過驗證用戶的數字證書可以拒絕非授權用戶的訪問或授權用戶訪問非授權數據。用戶向CA發送注冊申請，當CA收到申請后將根據用戶角色生成代表當前用戶的密鑰對(圖12、圖13)，之后將私鑰返回用戶，并根據安全策略進行驗證后，提供證書(圖14)和CA簽名(圖15)。

圖12 CA機構生成的私鑰

圖13 CA機構生成的公鑰

圖14 包含公鑰的證書

圖15 簽署CA的簽名

為了更好檢測數字證書的生成效率，通過進行10證書申請簽發，記錄每次的運行時間(見表5)，通過折線圖(圖16)我們可以看出證書簽發時間較短，在用戶可以接受的范圍內。

表5 證書簽發運行時間

圖16 簽發證書運行時間

3.3 實驗結論及展望

上述的實驗結果與分析表明，本文提出的數字版權管理方案具有一定的可行性和參考價值。但該方案僅考慮在可信區塊鏈的環境下實施，即各個組織在線下達成一致后才能加入區塊鏈系統中，如何改進方案使其允許符合特定安全策略的第三方組織自主加入到區塊鏈系統中，從而提升該方案的普適性和通用性，是未來需要解決問題。

4 結束語

本文提出一種區塊鏈和社交媒體網絡傳播鏈“雙鏈融合”的安全傳播機制，利用區塊鏈技術構建信任機制，搭建基于社交網絡的數字版權管理系統，在社交網絡的傳播過程中支持數字版權保護內容以正確的形式傳遞，并提供高級可信的內容保護和驗證服務。在擬議的DCSChain方案中，針對圖像資源存儲消耗鏈資源的問題，采用外部存儲方式予以解決。在DCSChain系統中，實現了脆弱水印生成與快速檢測方法，并實現了版權信息提取與存儲整個流程。評估表明，DCSChain方案提出了安全、可信、高效且可追蹤的數字版權管理服務。