信息中心網(wǎng)絡(luò)中授權(quán)視頻訪問控制

周自飛，譚小彬，牛玉坤，鄒長(zhǎng)春

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院地理空間信息處理技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230027；2.美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系 美國(guó)佛羅里達(dá)州奧蘭多 32816）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和各種視頻服務(wù)的興起以及智能終端的迅速發(fā)展，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻的訪問需求日益增長(zhǎng)。根據(jù)思科公司的分析報(bào)告[1]，2012年全球消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)視頻流量占消費(fèi)者互聯(lián)網(wǎng)流量的57%，而到2017年這一比例將達(dá)到69%。思科公司預(yù)計(jì)，到2017年每秒鐘將有近百萬分鐘的視頻內(nèi)容通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，直播視頻流量將增加3倍；另外，到2014年，視頻內(nèi)容將占全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的66%[2]。在網(wǎng)絡(luò)視頻業(yè)務(wù)中，需要面對(duì)大并發(fā)量的用戶以及他們多樣化的需求，這就需要高效的視頻內(nèi)容分發(fā)和傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)存在一些根深蒂固的問題，以IP地址為核心、以傳輸為目的、按照端到端原理設(shè)計(jì)，使得它難以應(yīng)付大規(guī)模的數(shù)據(jù)流量和針對(duì)多用戶的視頻內(nèi)容分發(fā)。

TCP/IP架構(gòu)的局限性促進(jìn)了其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，相繼產(chǎn)生了一些數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)，如P2P（peer to peer，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)）[3]、CDN（content delivery network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）[4]、Web cache （網(wǎng)頁(yè)緩存）[5]、Pub/Sub（publication/subscription，發(fā)布/訂閱）[6]等。這些數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)有助于互聯(lián)網(wǎng)中內(nèi)容的訪問，能夠提高數(shù)據(jù)傳輸效率，然而它們通常在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層進(jìn)行操作，不能利用底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳性能，使得網(wǎng)絡(luò)中資源的利用率不高，造成了網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

為了解決目前互聯(lián)網(wǎng)在可擴(kuò)展性、移動(dòng)性、安全性以及效率等方面存在的問題，一種解決方案就是采用新型的通信模式。ICN（information-centric networking，信息中心網(wǎng)絡(luò)）就是在這一背景下產(chǎn)生的，ICN對(duì)內(nèi)容及其物理位置進(jìn)行解耦，因?yàn)槿藗兏雨P(guān)心的是內(nèi)容本身，而不再關(guān)心內(nèi)容在哪里。ICN的網(wǎng)絡(luò)通信模式由傳統(tǒng)的 “推”改為“拉”，安全機(jī)制直接構(gòu)建在信息上而不是主機(jī)上。另外，它還支持主機(jī)移動(dòng)[7]。

ICN的另一個(gè)重大改變是增加了內(nèi)網(wǎng)緩存功能，網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以緩存數(shù)據(jù)，這一重要特征可以提供快速而且有效的內(nèi)容獲取，解決海量信息高效傳輸?shù)膯栴}，目前關(guān)于ICN路由器緩存已有廣泛的研究[8～10]。ICN將會(huì)給網(wǎng)絡(luò)視頻行業(yè)帶來巨大的好處，但也帶來了新的安全和隱私問題，例如在授權(quán)視頻訪問控制方面的版權(quán)保護(hù)問題，將變得更加復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)中具有版權(quán)的視頻只有在用戶被授權(quán)后才能觀看，如何保護(hù)這些授權(quán)視頻的版權(quán)，對(duì)于內(nèi)容出版商使用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行可靠的視頻內(nèi)容分發(fā)來說是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。

在傳統(tǒng)的P2P網(wǎng)絡(luò)和CDN中，數(shù)字水印是一種最常見的保護(hù)視頻版權(quán)的技術(shù)，目前在這方面進(jìn)行了許多研究工作[11～13]。然而，內(nèi)網(wǎng)緩存機(jī)制使得授權(quán)視頻訪問控制中的版權(quán)保護(hù)在ICN中變得更加復(fù)雜。當(dāng)授權(quán)視頻被緩存在路由器中后，將不再受到視頻發(fā)布者的控制，任何人都能夠在不需要視頻發(fā)布者允許的情況下從路由器的緩存中獲取授權(quán)視頻并觀看。由于視頻發(fā)布者失去對(duì)授權(quán)視頻的控制，P2P網(wǎng)絡(luò)和CDN中的方法只能夠用來驗(yàn)證視頻屬于該視頻發(fā)布者，而不能用來保護(hù)視頻的版權(quán)。另外，目前ICN中的加密方案也不能夠很好地保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)，因?yàn)楫?dāng)某個(gè)用戶泄露解密密鑰后，無法判斷是誰泄露了密鑰，仍然存在所謂的版權(quán)保護(hù)問題。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)視頻版權(quán)保護(hù)的訪問控制系統(tǒng)，使得在ICN中，雖然任何人都能夠從路由器中獲取授權(quán)視頻，但只有已授權(quán)用戶才能夠觀看視頻。

ICN在路由器中緩存數(shù)據(jù)，大大提高了視頻分發(fā)效率，特別適合視頻內(nèi)容的傳輸，但存在訪問控制問題，針對(duì)該問題，本文提出一種ICN中基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案，用來保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)，從而實(shí)現(xiàn)高效安全的視頻訪問控制?；驹硎牵横槍?duì)一個(gè)授權(quán)視頻（用V表示），將它分割成兩個(gè)部分，分別是 PCB（public content block，公開內(nèi)容塊）和 CKB（content key block，內(nèi)容密鑰塊），PCB內(nèi)容大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CKB內(nèi)容大小。PCB可以被緩存在路由器中，任何人都能夠從路由器中獲取它，這樣可以提高傳輸效率。但如果沒有獲得CKB，任何人都不能夠恢復(fù)出V，只有被授權(quán)的用戶才能夠從視頻發(fā)布者那里獲取CKB。用唯一且不同的CKB對(duì)應(yīng)不同的已授權(quán)用戶，而且這些不同的CKB都能和PCB結(jié)合在一起恢復(fù)出原始的授權(quán)視頻內(nèi)容。針對(duì)第i個(gè)已授權(quán)用戶，CKB用Ci表示，在Ci中，加入唯一標(biāo)志該用戶的數(shù)字水印，利用非對(duì)稱加密的方式將Ci發(fā)送給該用戶，從而實(shí)現(xiàn)授權(quán)視頻版權(quán)保護(hù)的訪問控制。該方案不僅能實(shí)現(xiàn)高效的視頻分發(fā)，而且能夠保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，針對(duì)一個(gè)大小為2 GB（2 048 MB）的視頻，視頻發(fā)布者首先利用基于分割和數(shù)字水印的方案將其分割成 PCB（如 2 000 MB）和 CKB（48 MB），并且保證分割后當(dāng)用戶只獲取PCB時(shí)仍然無法觀看電影。PCB可以被緩存在路由器中，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)和用戶的分布情況，大部分用戶從路由器中獲取特定內(nèi)容的時(shí)間小于從視頻發(fā)布者那里獲取該內(nèi)容的時(shí)間，這樣該授權(quán)電影有大約97.66%的內(nèi)容可以被用戶以更快的速率訪問。另外，由于已授權(quán)用戶離可以獲取授權(quán)電影的路由器的距離比離授權(quán)電影發(fā)布者的距離更短，內(nèi)容傳輸失敗的幾率更低，而且重連更快，從而大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。然后，針對(duì)不同的已授權(quán)用戶，視頻發(fā)布者在CKB中加入不同的數(shù)字水印，這些數(shù)字水印對(duì)用戶是不可見和不可更改的，當(dāng)已授權(quán)用戶請(qǐng)求該電影的CKB時(shí)，視頻發(fā)布者利用RSA加密的方法將其傳給該用戶。只有已授權(quán)用戶才能夠解密CKB，當(dāng)已授權(quán)用戶泄露該解密后的CKB時(shí)，通過分析其中加入的水印就可以知道是誰泄露了該視頻內(nèi)容。

另外，不考慮在所有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中都存在的一種侵犯版權(quán)的行為：當(dāng)一個(gè)授權(quán)用戶獲得授權(quán)視頻后便可觀看該視頻，可以通過某種方法（如錄制）將該視頻保存下來，然后傳給其他用戶，這樣授權(quán)視頻的版權(quán)就受到了侵害。這種行為完全由用戶決定，針對(duì)這種行為的版權(quán)保護(hù)方案是技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)的。本文主要內(nèi)容集中在信息中心網(wǎng)絡(luò)中的版權(quán)保護(hù)的訪問控制上。

首先對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)和CDN以及ICN中的授權(quán)視頻訪問控制進(jìn)行調(diào)研，然后提出基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案，最后對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)。

2 現(xiàn)有授權(quán)視頻訪問控制方法

2.1 P2P和CDN中授權(quán)視頻的訪問控制

授權(quán)視頻的訪問控制問題主要是指保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)，防止非法用戶在沒有授權(quán)的情況下觀看視頻內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)視頻行業(yè)的迅速發(fā)展給授權(quán)視頻的版權(quán)保護(hù)帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。關(guān)于這個(gè)問題，研究人員進(jìn)行了大量研究。參考文獻(xiàn)[14]基于對(duì)不同P2P文件分發(fā)技術(shù)主要類型的討論和中國(guó)P2P版權(quán)保護(hù)問題，從直接侵權(quán)、輔助侵權(quán)和技術(shù)中立3個(gè)方面分析了目前中國(guó)版權(quán)保護(hù)的狀態(tài)，然后預(yù)測(cè)了中國(guó)未來P2P文件分發(fā)技術(shù)的前景。提出關(guān)于P2P分發(fā)技術(shù)的文件版權(quán)保護(hù)應(yīng)該得到重視，并提到議事日程上，進(jìn)而提高信息共享的水平。下面介紹一些P2P網(wǎng)絡(luò)和CDN中關(guān)于版權(quán)保護(hù)的具體技術(shù)。

DRM（digital rights management，數(shù)字版權(quán)管理）技術(shù)是一種保護(hù)多媒體內(nèi)容使用權(quán)的技術(shù)。針對(duì)數(shù)字媒體，DRM技術(shù)能夠用來保護(hù)授權(quán)視頻免遭未經(jīng)授權(quán)的播放或者非法復(fù)制，從而達(dá)到保護(hù)數(shù)字媒體版權(quán)的目的，已經(jīng)有一些DRM系統(tǒng)用來保護(hù)分布式數(shù)字多媒體內(nèi)容的版權(quán)[15,16]。數(shù)字水印技術(shù)是一種將一些標(biāo)識(shí)信息直接嵌入數(shù)字載體中的信息隱藏技術(shù)，而且數(shù)字水印的嵌入不影響原始載體的使用價(jià)值，有些數(shù)字水印甚至不容易被人察覺。通過在數(shù)字媒體中隱藏這些數(shù)字水印，能夠判斷數(shù)字媒體是否被篡改，還能夠確認(rèn)出內(nèi)容創(chuàng)建者和購(gòu)買者，也可以用來傳送隱秘信息。

[17]提出了一種在互聯(lián)網(wǎng)中針對(duì)大規(guī)模內(nèi)容交付的集成的數(shù)字版權(quán)保護(hù)方案，該框架集成了匿名對(duì)等身份驗(yàn)證、內(nèi)容中毒、同行串通檢測(cè)和聲譽(yù)聚集4個(gè)部分，并且對(duì)4個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)討論。在P2P網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行研究，使用DRM和數(shù)字水印技術(shù)對(duì)P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行版權(quán)保護(hù)，關(guān)于視頻的版權(quán)保護(hù)也進(jìn)行了相關(guān)分析。文中的增強(qiáng)信任機(jī)制、流言傳播協(xié)議和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有廣泛的影響，這些將擴(kuò)大P2P網(wǎng)絡(luò)中的合法應(yīng)用規(guī)模。

參考文獻(xiàn)[12]提出了一種新穎的針對(duì)基于多分辨率小波分解的視頻數(shù)字水印方法，用來對(duì)視頻的版權(quán)進(jìn)行保護(hù)。所用的數(shù)字水印是一個(gè)二值圖像，通過量化被嵌入第二小波分解級(jí)的LH、HL和HH頻帶的小波系數(shù)中，并且使用一個(gè)密鑰將水印的每一位分散至多個(gè)系數(shù)中。使用9種不同的攻擊方法對(duì)不同的視頻進(jìn)行攻擊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案和算法對(duì)攻擊具有頑健性，而且嵌入的數(shù)字水印是不可見的。本文方案中需要的也是用戶不可見和不可篡改的數(shù)字水印。

參考文獻(xiàn) [18]提出了一個(gè)PCP（P2P based content protection）系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)基于一個(gè)可信模型，專注于解決P2P網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容安全、權(quán)限管理和訪問控制問題。系統(tǒng)采用加密、數(shù)字水印和包裝技術(shù)來保護(hù)內(nèi)容的機(jī)密性和完整性，并且支持權(quán)限認(rèn)證和盜版跟蹤。針對(duì)訪問控制，認(rèn)證被分為證書、身份和信用3個(gè)方面。PCP主要用來為P2P網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容交付提供一種知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)解決方案。

在P2P網(wǎng)絡(luò)和CDN中，DRM和數(shù)字水印是兩種主要用來保護(hù)授權(quán)視頻版權(quán)的技術(shù)，關(guān)于這方面的研究還有很多。但由于ICN的新特征（主要是內(nèi)網(wǎng)緩存機(jī)制和“拉”的傳輸模式），上述技術(shù)不能直接用于ICN中來保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)。由于內(nèi)網(wǎng)緩存機(jī)制，當(dāng)一個(gè)已授權(quán)的用戶請(qǐng)求一個(gè)授權(quán)視頻并獲取視頻后，該授權(quán)視頻將會(huì)緩存在路由器中，這時(shí)，路由器上緩存的視頻已經(jīng)不受授權(quán)視頻發(fā)布者控制，其他任何人都能夠從路由器中獲取該視頻并觀看。這樣即使在授權(quán)視頻中加入數(shù)字水印，也難以判斷授權(quán)視頻的版權(quán)是否遭到破壞，因?yàn)橐曨l發(fā)布者失去了對(duì)視頻的控制，任何人都可以像合法用戶一樣從路由器中獲取想要觀看的內(nèi)容并觀看，數(shù)字水印起到的作用僅僅是確認(rèn)授權(quán)視頻的擁有者而已。當(dāng)采用DRM方法使用加密技術(shù)時(shí)，用戶將密鑰公布以后，任何人都能獲取并解密該授權(quán)視頻，而且視頻發(fā)布者無法判斷是誰公布了該密鑰。采用DRM和數(shù)字水印技術(shù)兩者結(jié)合的方法，也會(huì)因?yàn)樯厦嫠龅娜秉c(diǎn)而不能很好地保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)。因此針對(duì)ICN中授權(quán)視頻的版權(quán)保護(hù)，需要研究并設(shè)計(jì)新的訪問控制方案。

2.2 ICN中現(xiàn)有的授權(quán)視頻訪問控制方法

通過上面的分析，知道P2P網(wǎng)絡(luò)和CDN中保護(hù)授權(quán)視頻版權(quán)的訪問控制方案不能直接用于ICN中。經(jīng)過調(diào)研，目前關(guān)于ICN訪問控制的研究還很少，尤其是在保護(hù)授權(quán)視頻版權(quán)方面，更是少之又少，采用加密技術(shù)是ICN中保護(hù)內(nèi)容版權(quán)的主要方法。

參考文獻(xiàn)[19]使用 UCONABC（usage controlauthorizations，obligations，conditions，控制核心模型）這種通用和概念上的訪問控制方案，提供一個(gè)最佳的和安全的以數(shù)據(jù)為中心的訪問控制模型。以NDN（named data networking，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為例進(jìn)行討論，在此方案中，數(shù)據(jù)通過加密進(jìn)行保護(hù)，它的訪問過程由一個(gè)集中的訪問控制列表來管理。但目前這種方案只能在NDN中實(shí)現(xiàn)；另外，用這種方案保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)時(shí)，若密鑰被泄露，任何其他人都能夠觀看視頻，而且無法查出是誰泄露了密鑰；再者，這種方案是圍繞著命名空間原則[20]組織的，而ICN命名有3種方式，分別是基于屬性的命名、扁平命名和垂直命名，故這種方案不適合ICN所有框架。

參考文獻(xiàn)[21]使用加密的訪問控制方法來保護(hù)內(nèi)容。對(duì)內(nèi)容用密鑰K進(jìn)行加密，加密后的內(nèi)容可以被緩存在路由器中，任何人都能夠從路由器中獲取加密后的內(nèi)容。然而只有已授權(quán)的用戶才能得到對(duì)稱加密的解密密鑰K，或者非對(duì)稱加密的解密密鑰K′，這樣已授權(quán)用戶就可以通過解密得到可觀看的視頻。但該方案一個(gè)最大的缺點(diǎn)就是針對(duì)一個(gè)授權(quán)視頻，所有已授權(quán)用戶都使用同一個(gè)解密密鑰，如果一個(gè)已授權(quán)用戶故意泄露該解密密鑰，或者不經(jīng)意間泄露了該密鑰，那么所有用戶都可以從網(wǎng)絡(luò)中獲取該密鑰，然后觀看視頻。

為了利用ICN內(nèi)網(wǎng)緩存這個(gè)能夠給授權(quán)視頻分發(fā)帶來很大益處的特征，提出一種基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案來保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)，從而為授權(quán)視頻提供一個(gè)安全高效的訪問控制方案。

3 基于分割的方案

研究的場(chǎng)景如圖1所示。在ICN中，授權(quán)視頻發(fā)布者（authorized video producer，AVP）發(fā)布授權(quán)視頻（V），其中用戶1和用戶2是已授權(quán)用戶，用戶3是未授權(quán)用戶。在本文的方案中，視頻發(fā)布者將V分割成兩個(gè)部分，分別是PCB和CKB，如圖2所示。其中PCB一般比較大，可被緩存在路由器中用來提高視頻分發(fā)效率，而CKB需要進(jìn)行訪問控制，相當(dāng)于一個(gè)廣義的密鑰，將PCB和CKB結(jié)合在一起能夠恢復(fù)出原始視頻。任何用戶必須同時(shí)獲取PCB和CKB后才能觀看視頻，即使用戶獲取了PCB，若沒有獲取CKB，仍然不能夠觀看視頻。采用不同的方法分別傳輸PCB和CKB，PCB可以公開傳輸，并可以被緩存在它被傳輸時(shí)所經(jīng)過的所有路由器中，任何用戶都可以在不經(jīng)過AVP同意的情況下從路由器中獲取PCB。

圖1 基于分割和數(shù)字水印方案的場(chǎng)景

圖2 將授權(quán)視頻V分割成兩個(gè)部分

用戶1請(qǐng)求PCB時(shí)，既可以從AVP獲取，也可以從路由器中獲取。然而，只有已授權(quán)用戶才能從AVP獲取CKB，而且CKB的傳輸是秘密進(jìn)行的。例如，當(dāng)用戶1請(qǐng)求CKB時(shí)，AVP利用用戶1的公鑰對(duì)CKB進(jìn)行加密，然后將加密后的CKB發(fā)送給用戶1。當(dāng)用戶1收到該內(nèi)容后，利用自己的私鑰對(duì)其進(jìn)行解密便可得到CKB。這樣當(dāng)用戶1獲得PCB和CKB后就可以觀看授權(quán)視頻。由于授權(quán)視頻大部分內(nèi)容都被緩存在路由器中，該方案能夠極大地提高互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?，尤其在擁有海量?shù)據(jù)的未來網(wǎng)絡(luò)中，能夠給授權(quán)視頻傳輸帶來很大的好處。

為了保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)，使不同的已授權(quán)用戶擁有不同的CKB，每個(gè)用戶的CKB都能夠唯一標(biāo)識(shí)該用戶，針對(duì)第i個(gè)已授權(quán)用戶，CKB用Ci表示。任何用戶必須同時(shí)獲得PCB和CKB后才能觀看視頻，而只有已授權(quán)用戶才能夠獲取CKB，當(dāng)某個(gè)已授權(quán)用戶泄露CKB后會(huì)使得授權(quán)視頻的版權(quán)遭到破壞，利用本文的方案，通過分析CKB，便可以知道是誰泄露了CKB。在參考文獻(xiàn)[21]中，無法判斷是誰故意泄露該解密密鑰，或者不經(jīng)意間泄露該密鑰，這樣仍然存在版權(quán)保護(hù)問題，基于分割的方案能夠很好地解決參考文獻(xiàn)[21]中存在的問題。將V分割一次后，如何使得到的CKB對(duì)應(yīng)不同的用戶？采用在CKB中加入不同數(shù)字水印的方法來解決這個(gè)問題，下面將討論基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案。

4 基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案

在基于分割的方案中，需要產(chǎn)生不同的CKB來唯一標(biāo)識(shí)已授權(quán)用戶，這也是本文方案能夠提供高效安全的訪問控制的關(guān)鍵之處。在本文中，采用數(shù)字水印來解決這個(gè)問題，針對(duì)不同的用戶，在CKB中加入唯一標(biāo)識(shí)該用戶的數(shù)字水印，加入的數(shù)字水印是用戶不可見和不可篡改的。

如圖3所示，將V分割后得到CKB，利用數(shù)字水印嵌入算法在CKB中加入第i個(gè)用戶的數(shù)字水印，得到Ci，假設(shè)i的最大值為N1，即CKB能夠?qū)?yīng)N1個(gè)用戶。每個(gè)用戶的數(shù)字水印各不相同，這樣所產(chǎn)生的CKB也各不相同。

圖3 利用數(shù)字水印產(chǎn)生不同的CKB

一個(gè)視頻V被分割一次后，得到一個(gè)PCB和一個(gè)CKB，在該CKB中加入不同的數(shù)字水印后，能夠?qū)?yīng)不同的授權(quán)用戶，但在CKB中能夠加入的不同數(shù)字水印的數(shù)量是有限的，即一次分割后得到的CKB對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)量是有限的。一些授權(quán)視頻對(duì)應(yīng)的用戶可能很多，超過了單次分割CKB所能夠?qū)?yīng)的用戶數(shù)量，這時(shí)可重復(fù)采用基于分割和數(shù)字水印的方案，得到不同的CKB，從而對(duì)應(yīng)更多的用戶。例如，針對(duì)一個(gè)2 GB的電影，假設(shè)擁有的已授權(quán)用戶數(shù)量為N1+N2,可以分割成2 000 MB的PCB和48 MB的CKB，假設(shè)48 MB的CKB能夠?qū)?yīng)N1個(gè)用戶，再次將電影分割成2 010 MB的PCB和38 MB的CKB，假設(shè)38 MB的CKB能夠?qū)?yīng)N2個(gè)用戶，這樣就能夠?qū)?yīng)N1+N2個(gè)用戶。當(dāng)然，也可以分割成其他情況。

數(shù)字水印的幾個(gè)重要特點(diǎn)是：安全性、隱蔽性和頑健性。數(shù)字水印應(yīng)該是安全的，難以被篡改和偽造的；加入的數(shù)字水印應(yīng)該不影響原數(shù)據(jù)內(nèi)容的正常使用，是不可知覺的；數(shù)字水印是具有頑健性的，當(dāng)經(jīng)過有意或無意的信號(hào)處理后，仍然能夠保持部分完整性，并能夠被準(zhǔn)確鑒別。本文方案中加入的數(shù)字水印也應(yīng)該是安全的，并具有隱蔽性和頑健性。

在本文中，不討論在CKB中加入數(shù)字水印的具體算法，可以采用目前存在的一些數(shù)字水印加入算法，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，這也是未來工作的主要內(nèi)容，例如可以借鑒參考文獻(xiàn)[12]中基于小波變換的數(shù)字水印方法。不過所采用的數(shù)字水印算法要能使得加入不同數(shù)字水印后的CKB能夠唯一標(biāo)識(shí)每一位用戶，并且具有安全性、隱蔽性和頑健性；所加入的數(shù)字水印是用戶不可見的，不影響用戶觀看視頻時(shí)的用戶體驗(yàn)。每個(gè)已授權(quán)用戶的數(shù)字水印都是難以篡改和偽造的，這樣，一個(gè)已授權(quán)用戶將自己的數(shù)字水印篡改成其他用戶的數(shù)字水印是行不通的，這使得已授權(quán)用戶無法偽造成其他用戶發(fā)布CKB。由于具有頑健性，任何已授權(quán)用戶想要破壞自己的數(shù)字水印然后發(fā)布CKB是困難的，而且當(dāng)CKB遭到嚴(yán)重破壞后，無法和PCB結(jié)合在一起恢復(fù)出視頻V。當(dāng)已授權(quán)用戶發(fā)布自己的CKB后，通過分析CKB中的數(shù)字水印，就能夠判斷是誰泄露了CKB。加入數(shù)字水印后的基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方法如圖4所示。在第5節(jié)，將從安全性和網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化兩個(gè)方面對(duì)本文的方案進(jìn)行具體的分析。

AVP保存所有用戶的數(shù)字水印，當(dāng)?shù)趇個(gè)用戶泄露自己的Ci后，AVP通過將Ci中的數(shù)字水印與AVP保存的所有數(shù)字水印相比較，便可以知道是哪個(gè)用戶泄露了Ci，其簡(jiǎn)單的工作原理如圖5所示。

圖4 基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案

圖5 數(shù)字水印簡(jiǎn)單的工作原理

5 方案分析

5.1 安全性

結(jié)合圖4，首先，AVP生產(chǎn)一個(gè)授權(quán)視頻V，將V分割成PCB和CKB，由于PCB可被緩存在路由器中，所采用的分割方法要使得用戶必須同時(shí)獲得PCB和CKB后才能觀看視頻V。AVP在CKB中加入數(shù)字水印，使得它們能夠唯一標(biāo)識(shí)每一個(gè)已授權(quán)用戶。AVP利用自己的私鑰PRb和隱私敏感信息m通過數(shù)字水印產(chǎn)生算法產(chǎn)生數(shù)字水印，然后利用數(shù)字水印嵌入算法將水印嵌入CKB中。

當(dāng)已授權(quán)用戶請(qǐng)求CKB時(shí)，AVP用已授權(quán)用戶的公鑰PUa加密嵌入水印后的CKB，得到ECKB，有：

接著AVP通過ICN將ECKB發(fā)送給請(qǐng)求的已授權(quán)用戶。使用專用播放器來播放視頻，先用已授權(quán)用戶的私鑰PRa對(duì)ECKB進(jìn)行解密得到CKB，有：

因?yàn)橐咽跈?quán)用戶的私鑰對(duì)用戶來講是十分重要的，一旦私鑰泄露，該用戶的隱私就受到侵犯，所以只有已授權(quán)用戶才能得到解密后的CKB。專用播放器通過敏感信息分析CKB中的數(shù)字水印是否被篡改，然后結(jié)合PCB和CKB播放視頻。利用RSA加密傳輸CKB使得基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案更加安全可靠。

方案中加入的數(shù)字水印具有安全性、隱蔽性和頑健性。所加入的數(shù)字水印是用戶不可見的，不影響用戶體驗(yàn)。每個(gè)已授權(quán)用戶的數(shù)字水印都是難以篡改和偽造的，這使得已授權(quán)用戶無法偽造成其他用戶發(fā)布CKB。頑健性使得任何已授權(quán)用戶想要破壞自己的數(shù)字水印然后發(fā)布CKB是困難的，而且當(dāng)CKB遭到嚴(yán)重破壞后，將無法和PCB結(jié)合在一起恢復(fù)出視頻V。當(dāng)已授權(quán)用戶發(fā)布自己的CKB后，視頻發(fā)布者通過將被發(fā)布的CKB中的數(shù)字水印與視頻發(fā)布者保存的所有用戶的數(shù)字水印進(jìn)行對(duì)比分析，就能夠判斷是誰泄露了CKB。

由此可知，本文方案能夠很好地解決參考文獻(xiàn)[21]中存在的問題，提供了一個(gè)安全的授權(quán)視頻訪問控制方案，能夠很好地保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)。

5.2 網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化

信息中心網(wǎng)絡(luò)利用內(nèi)網(wǎng)緩存能夠極大地提高視頻的分發(fā)效率，這對(duì)擁有海量視頻數(shù)據(jù)流量的未來網(wǎng)絡(luò)來說是極其重要的。在本文方案里，從授權(quán)視頻中分割出來的PCB可以被緩存在路由器中，任何用戶都能夠從距離自己更近的路由器中獲取該內(nèi)容，減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用和用戶獲取授權(quán)視頻的時(shí)間。另外，當(dāng)傳輸失敗時(shí)，不必像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中那樣需要重新從源處獲取，而只要從傳輸失敗附近緩存了該內(nèi)容的路由器中獲取，使得內(nèi)容重新獲取變得更加高效，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了極大的優(yōu)化。下面在內(nèi)容獲取時(shí)間方面進(jìn)行具體分析。

假設(shè)Tr是用戶從鄰接路由器中獲取特定內(nèi)容的時(shí)間，Tm(d)是用戶從中間路由器中獲取特定內(nèi)容的時(shí)間，參數(shù)d是中間路由器離用戶的距離，Ts是用戶從AVP獲取特定內(nèi)容的時(shí)間。在本文中，假設(shè)所有用戶都離AVP比較遠(yuǎn)，能夠從路由器中更快地獲取內(nèi)容，有Ts>Tm(d)>Tr，針對(duì)授權(quán)視頻有Ts>>Tr。

設(shè)有N個(gè)已授權(quán)用戶請(qǐng)求視頻V，其中有M(0≤M≤N)個(gè)用戶可以從鄰接路由器中獲取PCB，其他用戶可以從中間路由器中獲取PCB，所有用戶都從AVP中獲取CKB。視頻V的大小為SV，PCB的大小為SPCB，CKB的大小為SCKB，則有：

T是所有已授權(quán)用戶都獲得視頻V所花費(fèi)的時(shí)間，則T為：

其中，Tsi（SCKB）表示第 i個(gè)用戶從 AVP處獲得 CKB所需要的時(shí)間，Tr（SPCB）表示用戶從鄰接路由器中獲取PCB所需要的時(shí)間，Tm（d,i）（SPCB）表示第 i個(gè)用戶從中間路由器中獲取PCB所需要的時(shí)間，該時(shí)間還與參數(shù)d有關(guān)。

當(dāng)所有已授權(quán)用戶都從AVP那里獲取視頻V時(shí)，所用時(shí)間為 T0，則：

其中，Tsi（SV）表示第i個(gè)用戶從AVP獲取視頻 V所需要的時(shí)間。

利用本文方案對(duì)授權(quán)視頻V進(jìn)行傳輸，所節(jié)省的時(shí)間為 ΔT，則：

化簡(jiǎn)得：

利用內(nèi)網(wǎng)緩存，用戶能夠從路由器中而不是從AVP處獲取內(nèi)容，則ΔT≥0，針對(duì)授權(quán)視頻，有T>>T0，這樣能夠極大地減少內(nèi)容獲取的時(shí)間。例如，將2 GB的電影分割成2 000 MB和48 MB時(shí)，有97.66%的內(nèi)容能夠被快速有效地訪問。另外，互聯(lián)網(wǎng)中一些授權(quán)視頻對(duì)應(yīng)的用戶可能很多，可以重復(fù)采用基于分割和數(shù)字水印的方案，得到不同的CKB，從而能夠?qū)?yīng)更多的用戶。

通過以上分析知，和其他方案相比，基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案能夠提供快速而且有效的視頻內(nèi)容分發(fā)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源具有極大的優(yōu)化功能，而且還能夠很好地解決ICN授權(quán)視頻的版權(quán)保護(hù)問題，是一個(gè)快速高效而又安全的授權(quán)視頻訪問控制方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

保護(hù)授權(quán)視頻版權(quán)是一個(gè)非常重要的挑戰(zhàn)，這關(guān)系到視頻行業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)的TCP/IP架構(gòu)中已經(jīng)有許多這方面的工作，但在ICN中這方面的研究還不多。信息中心網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)網(wǎng)緩存這個(gè)重要特征能夠給視頻分發(fā)帶來很大的好處，用戶能夠從離自己更近的路由器中獲取視頻，極大地提高了視頻傳輸效率。但內(nèi)網(wǎng)緩存也帶來了新的訪問控制問題，當(dāng)授權(quán)視頻被緩存在路由器中后，視頻發(fā)布者便失去了對(duì)它的控制，未授權(quán)用戶可以從路由器中獲取視頻并觀看。

針對(duì)這個(gè)問題，提出了一個(gè)基于分割和數(shù)字水印的訪問控制方案，將一個(gè)授權(quán)視頻分割成PCB和CKB，PCB可緩存在路由器中來提高傳輸效率，通過在CKB中加入數(shù)字水印來唯一標(biāo)識(shí)每一個(gè)已授權(quán)用戶，只有已授權(quán)用戶才能從視頻發(fā)布者那里獲取CKB，只有同時(shí)獲得CKB和PCB后才能觀看視頻。通過分析，本文方案不僅能夠提高授權(quán)視頻的傳輸效率，而且能夠很好地保護(hù)授權(quán)視頻的版權(quán)，提供了一種有效的訪問控制技術(shù)。

針對(duì)采用什么樣的技術(shù)將一個(gè)授權(quán)視頻分割成兩個(gè)部分以及怎樣在CKB中加入數(shù)字水印，將是未來工作中研究的重點(diǎn)。

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