基于區(qū)塊鏈的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型研究

陳 潮

（浙江警察學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息安全系，杭州 310053）

0 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以視頻監(jiān)控為代表的數(shù)字安防技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，國(guó)家、企事業(yè)單位和個(gè)人在重要場(chǎng)所普遍安裝各種視頻監(jiān)控設(shè)備，視頻監(jiān)控設(shè)備每時(shí)每刻產(chǎn)生海量視頻數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和可靠共享成為一大難點(diǎn)［1-2］。公安機(jī)關(guān)在調(diào)解群眾糾紛和辦理案件過(guò)程中，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)是一種極其重要的電子證據(jù)，成為調(diào)解好群眾糾紛和偵破案件的關(guān)鍵證據(jù)之一，而各單位的視頻監(jiān)控設(shè)備存在由于設(shè)備老舊、維護(hù)不利和管理不善等原因?qū)е乱曨l數(shù)據(jù)丟失和被篡改等問(wèn)題，也存在為掩蓋違法犯罪行為而主動(dòng)刪除視頻數(shù)據(jù)等行為。區(qū)塊鏈具有分布式存儲(chǔ)、去中心化、不可篡改和可溯源等特點(diǎn)，但區(qū)塊鏈存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量有限，無(wú)法滿足視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)要求，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)也無(wú)法承載海量視頻數(shù)據(jù)的傳輸，而云存儲(chǔ)具有存儲(chǔ)容量大和訪問(wèn)便捷等特點(diǎn)。結(jié)合區(qū)塊鏈和云存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種云存儲(chǔ)與區(qū)塊鏈相結(jié)合的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，可有效檢測(cè)視頻數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，在一定程度上防止視頻數(shù)據(jù)的篡改和刪除［3-4］。

1 區(qū)塊鏈

以比特幣為代表的數(shù)字貨幣的興起，引起各領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，興起學(xué)習(xí)和研究的熱潮，通過(guò)對(duì)比特幣底層技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)其核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是區(qū)塊和鏈，底層核心技術(shù)也被學(xué)者們命名為區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)屈c(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、非對(duì)稱加密技術(shù)、哈希算法、共識(shí)算法、激勵(lì)機(jī)制和博弈論等眾多技術(shù)和理論的集成創(chuàng)新，區(qū)塊鏈技術(shù)雖未提出新的技術(shù)，但是具有重大的創(chuàng)新意義［5-7］。區(qū)塊鏈由區(qū)塊和鏈構(gòu)成，各區(qū)塊通過(guò)哈希指針前后連接成一條完整的區(qū)塊鏈，區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩個(gè)部分構(gòu)成，以比特幣為例，其中區(qū)塊頭由前一區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、區(qū)塊版本號(hào)、隨機(jī)數(shù)、難度和梅克爾樹(shù)根等字段組成，區(qū)塊體由大量的轉(zhuǎn)賬交易構(gòu)成。區(qū)塊鏈根據(jù)各節(jié)點(diǎn)加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是否需要授權(quán)，分為許可鏈和非許可鏈，非許可鏈允許任何節(jié)點(diǎn)隨時(shí)加入和離開(kāi)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，典型的代表就是比特幣，是一種完全去中心化的區(qū)塊鏈。許可鏈中任何節(jié)點(diǎn)需要獲得許可才能加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，許可鏈又分為私有鏈和聯(lián)盟鏈，私有鏈適合用于一個(gè)企事業(yè)單位內(nèi)部，是一種中心化的區(qū)塊鏈，聯(lián)盟鏈適用于跨部門(mén)跨單位之間，是一種部分中心化的區(qū)塊鏈，視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理涉及設(shè)備所在單位、上級(jí)主管單位和監(jiān)管部門(mén)，因此視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)模型適合采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈。

2 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型

監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型中各單位配置監(jiān)控設(shè)備、視頻處理服務(wù)器、區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器和云存儲(chǔ)服務(wù)器，視頻處理服務(wù)器是單位內(nèi)部視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的中樞，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)模型采用云存儲(chǔ)技術(shù)和聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)，云存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)和便捷訪問(wèn)，區(qū)塊鏈技術(shù)確保上鏈數(shù)據(jù)無(wú)法篡改，結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，確保視頻數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性，在一定程度上可以有效防止人為刪除和篡改監(jiān)控設(shè)備視頻數(shù)據(jù)［8-10］。

2.1 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型架構(gòu)

視頻監(jiān)控所在單位、上級(jí)主管單位和監(jiān)管單位通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接，構(gòu)成聯(lián)盟區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)，單位節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)產(chǎn)生交易數(shù)據(jù)和構(gòu)建區(qū)塊，上級(jí)主管單位節(jié)點(diǎn)和監(jiān)管部門(mén)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)交易數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和查詢，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，各個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻元數(shù)據(jù)的共享和同步，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型架構(gòu)如圖1所示。

單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控設(shè)備、云存儲(chǔ)服務(wù)器和視頻處理服務(wù)器。監(jiān)控設(shè)備輸出視頻數(shù)據(jù)，云存儲(chǔ)服務(wù)器存儲(chǔ)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，視頻處理服務(wù)器對(duì)監(jiān)控輸出的視頻數(shù)據(jù)以固定時(shí)間為單位分片，并計(jì)算分片視頻的哈希值，將分片視頻的哈希值等元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和防篡改。

2.2 監(jiān)控視頻區(qū)塊鏈

各單位因安防的需要，配置大量的監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備輸出的視頻數(shù)據(jù)容量巨大，單個(gè)區(qū)塊鏈難以承載存儲(chǔ)全部監(jiān)控設(shè)備輸出視頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，也會(huì)導(dǎo)致視頻數(shù)據(jù)的查詢效率低下等問(wèn)題，因此監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型采用多條區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，每個(gè)監(jiān)控設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)塊鏈，每個(gè)區(qū)塊鏈由首區(qū)塊和視頻區(qū)塊構(gòu)成，所有監(jiān)控設(shè)備的區(qū)塊鏈?zhǔn)讌^(qū)塊都鏈接匯聚到創(chuàng)世區(qū)塊，創(chuàng)世區(qū)塊由上級(jí)主管單位和監(jiān)管單位協(xié)作生成，整體區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)一單位安裝新的監(jiān)控設(shè)備時(shí)，由監(jiān)控設(shè)備所在單位的視頻處理服務(wù)器創(chuàng)建監(jiān)控設(shè)備首區(qū)塊，監(jiān)控設(shè)備視頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)作為交易，構(gòu)建視頻區(qū)塊［11-12］。

2.3 區(qū)塊鏈區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控設(shè)備對(duì)應(yīng)的區(qū)塊鏈由監(jiān)控設(shè)備首區(qū)塊和視頻區(qū)塊構(gòu)成，視頻處理服務(wù)器生成監(jiān)控設(shè)備首區(qū)塊，視頻區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，區(qū)塊頭包含前一區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、區(qū)塊版本號(hào)、監(jiān)控設(shè)備編號(hào)、區(qū)塊哈希值、視頻總數(shù)和梅克爾樹(shù)根等字段，區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。區(qū)塊體由監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)構(gòu)成，元數(shù)據(jù)包含監(jiān)控設(shè)備所在單位編號(hào)、監(jiān)控設(shè)備編號(hào)、視頻數(shù)據(jù)編號(hào)、視頻證據(jù)數(shù)字簽名、視頻數(shù)據(jù)哈希值和視頻數(shù)據(jù)時(shí)間等，元數(shù)據(jù)的字段構(gòu)成見(jiàn)表1。視頻處理服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)以1分鐘為單位進(jìn)行分片，每個(gè)監(jiān)控設(shè)備每天產(chǎn)生1440 個(gè)分片視頻，1440 個(gè)分片視頻的哈希值等元數(shù)據(jù)作來(lái)交易構(gòu)建梅克爾樹(shù)，即1440 個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)，以2片葉子節(jié)點(diǎn)為一組計(jì)算哈希，然后每2片相鄰的葉子節(jié)點(diǎn)聯(lián)合起來(lái)做一次哈希計(jì)算成為上層葉子節(jié)點(diǎn)的哈希值，持續(xù)向上層計(jì)算就產(chǎn)生了一個(gè)最頂層的節(jié)點(diǎn)的哈希值，即為梅克爾樹(shù)根，該值存儲(chǔ)在視頻區(qū)塊頭中，當(dāng)任何一個(gè)元數(shù)據(jù)發(fā)生變化，將導(dǎo)致梅克爾樹(shù)根的變化，從而改變視頻區(qū)塊哈希值，無(wú)法維持各區(qū)塊之間的鏈接，因此該區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上確保區(qū)塊鏈上鏈數(shù)據(jù)無(wú)法篡改。

表1 視頻區(qū)塊體交易（元數(shù)據(jù)）字段

圖3 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.4 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

監(jiān)控視頻的產(chǎn)生、處理、傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程涉及監(jiān)控設(shè)備、視頻處理服務(wù)器、云存儲(chǔ)服務(wù)器和區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過(guò)程如圖4所示。

圖4 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程

下面以單位A 的監(jiān)控設(shè)備為例說(shuō)明，具體步驟如下：

（1）監(jiān)控設(shè)備經(jīng)所在單位授權(quán)后，安裝部署在單位內(nèi)部，并連接單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

（2）監(jiān)控設(shè)備通過(guò)單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向視頻處理服務(wù)器傳輸產(chǎn)生的視頻。

（3）視頻處理服務(wù)器對(duì)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)以固定時(shí)間為單位進(jìn)行分片，將分片視頻傳輸給云存儲(chǔ)服務(wù)器。

（4）云存儲(chǔ)服務(wù)器接收分片視頻，存儲(chǔ)后返回結(jié)果。

（5）視頻處理服務(wù)器計(jì)算出分片視頻的哈希值，將監(jiān)控設(shè)備所在單位編號(hào)、監(jiān)控設(shè)備編號(hào)、視頻數(shù)據(jù)編號(hào)、視頻證據(jù)數(shù)字簽名、視頻數(shù)據(jù)哈希值和視頻數(shù)據(jù)時(shí)間等元數(shù)據(jù)傳輸給單位區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器。

（6）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器以元數(shù)據(jù)構(gòu)建交易，并通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈各節(jié)點(diǎn)服務(wù)器。

（7）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器運(yùn)行共識(shí)算法，確定構(gòu)建新區(qū)塊的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，該節(jié)點(diǎn)服務(wù)器采集交易數(shù)據(jù)構(gòu)建新的區(qū)塊，并將新區(qū)塊通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈各節(jié)點(diǎn)服務(wù)器。

（8）區(qū)塊鏈各節(jié)點(diǎn)服務(wù)器對(duì)接收到的新區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)則確認(rèn)為最新的區(qū)塊。

（9）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)服務(wù)器向視頻處理服務(wù)器反饋元數(shù)據(jù)上鏈的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

監(jiān)控設(shè)備廣泛應(yīng)用在安防領(lǐng)域，產(chǎn)生海量的視頻數(shù)據(jù)，由于管理不善、維護(hù)不力和人為刪除等原因往往導(dǎo)致監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的丟失或篡改。在研究云存儲(chǔ)和區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)塊鏈去中心化、難篡改和可溯源等特性，提出一種基于區(qū)塊鏈的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單位內(nèi)部的云存儲(chǔ)服務(wù)器，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的哈希值等元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈中的哈希值用于驗(yàn)證視頻數(shù)據(jù)的真實(shí)性，充分發(fā)揮云存儲(chǔ)和區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)，在一定程度上解決監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的丟失和篡改問(wèn)題，對(duì)于提高監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的安全性和可靠性有一定的應(yīng)用價(jià)值。