基于區(qū)塊鏈的圖書(shū)侵權(quán)記錄存證平臺(tái)

張逸飛，曹少中，祁德力，王 亮，楊彥紅

1.北京印刷學(xué)院信息工程學(xué)院，北京102600

2.北京印刷學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京102600

侵權(quán)記錄是一種重要的數(shù)據(jù)記錄，區(qū)別于保存一般的文檔信息，其本質(zhì)是體現(xiàn)真實(shí)的侵權(quán)內(nèi)容.當(dāng)作為證據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，它需要擁有重要的參考價(jià)值并具備法律效力.

隨著出版行業(yè)信息化進(jìn)程的推進(jìn)，在司法證明體系變革和互聯(lián)網(wǎng)法院漸增的形勢(shì)下，人們開(kāi)始將數(shù)字化的技術(shù)應(yīng)用于維權(quán)工作，但從每年的“3·15”維權(quán)熱度可以看出，以出版社為首的眾多圖書(shū)作品被侵權(quán)的現(xiàn)象依舊屢屢發(fā)生.在最近流行的有聲朗讀等平臺(tái)上，未經(jīng)授權(quán)的自媒體或機(jī)構(gòu)存在圖書(shū)侵權(quán)的行為，影響了出版社的權(quán)益.目前的存證模式大多是將侵權(quán)證據(jù)通過(guò)電子簽名等防偽、抗抵賴(lài)的技術(shù)手段處理后委托給中心數(shù)據(jù)庫(kù)或者公證處進(jìn)行存管[1]，但很難保證在這種模式下電子證據(jù)的時(shí)效性，并且在存儲(chǔ)、傳輸和取證等過(guò)程中容易遭受攻擊和篡改.出版社在維權(quán)過(guò)程中存在周期長(zhǎng)、成本高、權(quán)證文件易被偽造等一系列問(wèn)題[2].

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下通過(guò)透明的可信規(guī)則構(gòu)建不可偽造、不可篡改且可追溯的塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能將動(dòng)態(tài)過(guò)程按時(shí)間順序記錄和驗(yàn)證，因此在金融、司法認(rèn)證等領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用[3].區(qū)塊鏈作為一種記錄手段應(yīng)用到存證領(lǐng)域，可解決現(xiàn)有存證過(guò)程舉證時(shí)效性低、數(shù)據(jù)易被篡改等問(wèn)題[4].

為了能夠更高效地服務(wù)于圖書(shū)版權(quán)保護(hù)等相關(guān)工作，本文結(jié)合區(qū)塊鏈以及數(shù)字簽名等技術(shù)，提出了一種有效可行的圖書(shū)侵權(quán)記錄存證方案：

1）基于版權(quán)溯源管理系統(tǒng)處理音頻內(nèi)容，將得到的圖書(shū)查重報(bào)告提交到存證平臺(tái)作為侵權(quán)證據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ).

2）在出版社內(nèi)部構(gòu)建私有鏈，將內(nèi)部人員作為參與節(jié)點(diǎn)管理并維護(hù)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低了保障數(shù)據(jù)安全的成本.

3）以哈希函數(shù)和非對(duì)稱(chēng)密鑰等技術(shù)手段加密存儲(chǔ)查重報(bào)告，將查重報(bào)告指紋等摘要信息存儲(chǔ)在區(qū)塊頭中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)侵權(quán)證據(jù)的保護(hù).

4）將工作量證明機(jī)制作為私鏈的共識(shí)算法，借鑒傳統(tǒng)的PoW 共識(shí)方式驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)身份，以確保侵權(quán)數(shù)據(jù)的完整性、真實(shí)性.節(jié)點(diǎn)先對(duì)區(qū)塊有效性達(dá)成一致，再通過(guò)驗(yàn)證機(jī)制對(duì)區(qū)塊內(nèi)的加密數(shù)據(jù)進(jìn)行二次查驗(yàn).

1 相關(guān)工作

1.1 研究現(xiàn)狀

2018年5月，工信部信息中心發(fā)布《2018年中國(guó)區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)》，根據(jù)近幾年區(qū)塊鏈技術(shù)在電子證據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐情況，總結(jié)歸納出“區(qū)塊鏈因其本身具備不可篡改、可追溯特征，極適合與電子存證相結(jié)合”，體現(xiàn)出中國(guó)對(duì)區(qū)塊鏈電子存證的積極認(rèn)可和倡導(dǎo).從以往司法審判中對(duì)電子證據(jù)的采信度來(lái)看，傳統(tǒng)電子證據(jù)往往具有脆弱性、易被篡改、易被破壞等特點(diǎn)[5].在存證過(guò)程中，電子證據(jù)很容易遭攻擊而受損，使可信度大大降低，再加上司法機(jī)關(guān)的相關(guān)科技鑒定能力不足等問(wèn)題，導(dǎo)致電子證據(jù)的司法采信度普遍較低；而區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、去信任化、不易篡改的特點(diǎn)則可以有效解決這一難題，降低證明證據(jù)真實(shí)性的成本.基于區(qū)塊鏈的存證方式與現(xiàn)有存證方式的對(duì)比情況如表1所示.

涉及區(qū)塊鏈證據(jù)被采信的案例尚不多見(jiàn)，目前全國(guó)僅有3 例.比如在2018年6月杭州審理的一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)糾紛案中，針對(duì)被侵害的作品信息首次采用區(qū)塊鏈電子存證.該案件將侵權(quán)的保全文件包進(jìn)行Hash 計(jì)算，并將此Hash 值存在區(qū)塊鏈中.審判時(shí)從區(qū)塊鏈中獲取該Hash 值，再與法庭上文件包Hash 進(jìn)行比對(duì)，以此證明該文件包未被修改[6].

表1 存證方式對(duì)比Table 1 Comparison of deposit methods

區(qū)塊鏈技術(shù)憑借全程留痕、不可篡改的記錄功能，可以提供具有法律效力的電子存證服務(wù)，且其去中心化的運(yùn)行模式也更有助于構(gòu)建多方信任機(jī)制，因此利用區(qū)塊鏈技術(shù)提高數(shù)據(jù)的安全性和效率也就成了當(dāng)下的研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)[7]基于拜占庭容錯(cuò)(Byzantine fault tolerance,BFT)算法和許可區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)建了eHealth 模型，該模型允許信息刪除，可用于存儲(chǔ)醫(yī)療數(shù)據(jù)或僅存儲(chǔ)與安全相關(guān)的數(shù)據(jù).文獻(xiàn)[8]利用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)獲取到的電子數(shù)據(jù)進(jìn)行固定保存，并將數(shù)據(jù)冗余分片，再引入積分制度以保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性.文獻(xiàn)[9]在實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法的基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的高效共識(shí)算法，并基于Merkle Tree 的證據(jù)保全建立了一種基于區(qū)塊鏈的云計(jì)算電子取證模型，可以實(shí)現(xiàn)云計(jì)算環(huán)境下的去中心化電子取證.文獻(xiàn)[10]提出一種私有鏈架構(gòu)，利用審計(jì)中心提供記賬賬本以及離線(xiàn)監(jiān)督的方式實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)共識(shí)機(jī)制，并設(shè)計(jì)了一種堆疊式安全文件系統(tǒng)，為內(nèi)外網(wǎng)隔離的環(huán)境提供了一種有效的私有鏈應(yīng)用模式.

1.2 相關(guān)技術(shù)

2018年中本聰首次提出區(qū)塊鏈概念[11].一般來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)是以數(shù)據(jù)區(qū)塊為單位、按時(shí)間順序鏈接而成的.數(shù)據(jù)區(qū)塊則是由分布式節(jié)點(diǎn)通過(guò)共識(shí)算法產(chǎn)生的，不存在任何中心化的特殊節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)均會(huì)驗(yàn)證并傳播區(qū)塊數(shù)據(jù)，從而保證少量節(jié)點(diǎn)的作惡不會(huì)影響到整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)行.

在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中使用的共識(shí)算法包括實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(practical Byzantine fault tolerance, PBFT)算法、工作量證明(proof of work, PoW)算法、股權(quán)證明(proof of stake, PoS)算法等，其中PBFT 算法將原始拜占庭容錯(cuò)算法的復(fù)雜度由指數(shù)級(jí)降低到多項(xiàng)式級(jí)，提高了拜占庭容錯(cuò)算法在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中的可行性[12]；在采用PoS 共識(shí)的系統(tǒng)中，持有最多數(shù)字貨幣而非最高算力的節(jié)點(diǎn)具有最大概率打包下一個(gè)區(qū)塊[13].對(duì)于PoW 共識(shí)算法，一般認(rèn)定算力最高的節(jié)點(diǎn)可以獲得區(qū)塊的打包權(quán).雖然PoW 共識(shí)在工作過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)算力浪費(fèi)的情況，但是其可靠的節(jié)點(diǎn)認(rèn)證機(jī)制、較強(qiáng)的公平性和匿名性提高了系統(tǒng)的抗攻擊能力，從而保證了系統(tǒng)的安全.只要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，該算法也可適用于本文的私有鏈系統(tǒng).

根據(jù)底層構(gòu)架和應(yīng)用范疇，可以將不同區(qū)塊鏈分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈3 類(lèi).公有鏈的參與者可以是任何人，以比特幣為代表.聯(lián)盟鏈指的是一種由多個(gè)實(shí)體構(gòu)成且?guī)в袦?zhǔn)入限制的區(qū)塊鏈，以超級(jí)賬本為代表.私有鏈特指區(qū)塊鏈的創(chuàng)建及維護(hù)權(quán)限由一個(gè)組織擁有，其小規(guī)模的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)可以使非組織成員僅擁有訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限.私有鏈的用戶(hù)規(guī)模小，交易速度快，且彼此之間完全建立了信任，因此無(wú)需復(fù)雜的共識(shí)機(jī)制即可構(gòu)建多方信任[14].在本文的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，節(jié)點(diǎn)均為出版社內(nèi)部成員，彼此之間的信任程度較高，均會(huì)積極遵守共識(shí)算法，維護(hù)私有鏈運(yùn)行.主流的區(qū)塊鏈技術(shù)如表2所示.

表2 主流的區(qū)塊鏈實(shí)例Table 2 Mainstream blockchain instance

平臺(tái)在生成圖書(shū)查重報(bào)告的過(guò)程中使用了網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù)，自動(dòng)提取音頻網(wǎng)站網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容并下載到本地服務(wù)器.爬蟲(chóng)從一個(gè)或多個(gè)初始頁(yè)面的統(tǒng)一資源定位符（uniform resource locator, URL）開(kāi)始運(yùn)行，先將這些URL 全部放入一個(gè)有序的待爬行隊(duì)列；再分析頁(yè)面源文件的URL 以提取新的Web 鏈接；接著以這些Web 鏈接為依據(jù)繼續(xù)尋找新的Web 鏈接.如此不斷循環(huán)，直到抓取并分析完所有頁(yè)面為止[15-16].

2 平臺(tái)架構(gòu)及系統(tǒng)流程

侵權(quán)記錄存證包括數(shù)據(jù)處理、查重報(bào)告入塊、驗(yàn)證等工作.平臺(tái)通過(guò)爬蟲(chóng)模塊、轉(zhuǎn)換模塊和對(duì)比模塊共同協(xié)作，將音頻信息進(jìn)行處理后得到查重報(bào)告.采用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)成存證模塊，這個(gè)存證過(guò)程涉及到數(shù)據(jù)的生成、收集、存儲(chǔ)、傳輸[17].為了使區(qū)塊信息在日后具備法律效力，在整個(gè)存證的過(guò)程中都要保障電子數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性與有效性[18-19].因此，存證模塊采用私有鏈結(jié)構(gòu).在私有鏈區(qū)塊頭內(nèi)儲(chǔ)存查重報(bào)告摘要與數(shù)字簽名等加密信息，通過(guò)類(lèi)PoW 底層共識(shí)使私有鏈節(jié)點(diǎn)就區(qū)塊信息達(dá)成全網(wǎng)一致，于是驗(yàn)證機(jī)制可以根據(jù)數(shù)字簽名對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)驗(yàn)證.

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)采用B/S 體系結(jié)構(gòu)，根據(jù)“高內(nèi)聚低耦合”的設(shè)計(jì)思路分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、邏輯層、區(qū)塊鏈層共4 層[20].

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Diagram for system architecture

應(yīng)用層包含前端UI 和展示層，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行處理并將產(chǎn)生的響應(yīng)返回給瀏覽器，最終結(jié)果呈現(xiàn)在可視化的Web 界面上[21].根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)層的5 個(gè)功能，并由邏輯層給出實(shí)現(xiàn)算法.邏輯層使用多媒體視頻處理方案FFmpeg(fast forward mpeg)下的音視頻轉(zhuǎn)換模塊，將爬蟲(chóng)所獲取的音頻信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，引入編碼器和交互模塊計(jì)算語(yǔ)義相似度等數(shù)值，充分利用爬蟲(chóng)技術(shù)和自然語(yǔ)言處理技術(shù)(natural language processing, NLP)，保障系統(tǒng)的識(shí)別性能.區(qū)塊鏈層即為構(gòu)建存證模塊的主要部分，通過(guò)傳輸控制協(xié)議(transmission control protocol)與邏輯層進(jìn)行交互，提供了加密算法，例如共識(shí)機(jī)制、加密驗(yàn)證算法等.此外，區(qū)塊鏈層還包括數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，如塊鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu).在區(qū)塊鏈層完成對(duì)查重報(bào)告的數(shù)據(jù)處理、傳輸、驗(yàn)證和入塊上鏈等工作.

2.2 系統(tǒng)流程

功能流程圖如2 所示，系統(tǒng)首先通過(guò)爬蟲(chóng)技術(shù)從各大互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采集音頻信息，然后利用語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)(automatic speech recognition, ASR)和NLP 自然語(yǔ)言處理技術(shù)對(duì)音頻信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，得到待查文本.在對(duì)比模塊中，將待查文本與出版社圖書(shū)文本庫(kù)中的電子文檔進(jìn)行比較.對(duì)比結(jié)果包括總體重復(fù)率、重復(fù)來(lái)源和重復(fù)語(yǔ)句等信息，這些重要信息匯總成為查重報(bào)告.當(dāng)重復(fù)率超過(guò)閾值上限時(shí)，通過(guò)接口調(diào)用存證模塊對(duì)查重報(bào)告進(jìn)行預(yù)處理、提交信息入塊等操作，最終可通過(guò)瀏覽器查看主鏈區(qū)塊的公示信息.

圖2 系統(tǒng)功能流程圖Figure 2 System function process

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在對(duì)比環(huán)節(jié)中，圖書(shū)樣本均來(lái)自于出版社內(nèi)部自有、自建的文本庫(kù).基于隱私安全與交易速度的考慮，本文采用私有鏈體系設(shè)計(jì)區(qū)塊結(jié)構(gòu)、共識(shí)機(jī)制、驗(yàn)證機(jī)制，保證經(jīng)平臺(tái)處理的證據(jù)數(shù)據(jù)的可信度和可靠性.

平臺(tái)從提交接口接收到重復(fù)率超過(guò)閾值的查重報(bào)告，經(jīng)密碼學(xué)技術(shù)處理后以加密形式保存，嵌入?yún)^(qū)塊體內(nèi)以構(gòu)建特殊的存證區(qū)塊結(jié)構(gòu).為了使私有鏈節(jié)點(diǎn)就區(qū)塊信息達(dá)成全網(wǎng)一致，并保證區(qū)塊的有效性，其底層共識(shí)借鑒了傳統(tǒng)的PoW 共識(shí)，設(shè)計(jì)了更加便捷實(shí)用的共識(shí)算法，達(dá)成共識(shí)后就可以驗(yàn)證區(qū)塊頭的加密信息，進(jìn)一步保障塊內(nèi)數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性.區(qū)塊一經(jīng)發(fā)布便不可撤銷(xiāo)，因此最終進(jìn)入主鏈的數(shù)據(jù)能夠安全地保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中.私有鏈內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都將從創(chuàng)世區(qū)塊開(kāi)始的主鏈副本存儲(chǔ)在本地，一旦新的區(qū)塊發(fā)現(xiàn)副本就將其添加到主鏈進(jìn)行更新.

3.1 私有鏈結(jié)構(gòu)

平臺(tái)私有鏈實(shí)行主鏈最長(zhǎng)原則[22].區(qū)塊結(jié)構(gòu)分為兩部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體.區(qū)塊頭內(nèi)包括父區(qū)塊哈希值previous Hash、交易列表transaction、時(shí)間戳timestamp 以及工作量證明proof 等字段，詳細(xì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3.區(qū)塊體則是記錄查重報(bào)告的數(shù)據(jù)區(qū).

表3 私有鏈區(qū)塊頭結(jié)構(gòu)表Table 3 Private chain block header structure table

與普通鏈表相比，私有鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于哈希指針構(gòu)建的一個(gè)有序的、單向鏈接的“哈希鏈表”.這個(gè)鏈表鏈接一系列的區(qū)塊，以便保存它們的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).哈希指針是一種存儲(chǔ)信息哈希值、并指向存儲(chǔ)地點(diǎn)的指針，可以定位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，其哈希值也可以作為檢驗(yàn)區(qū)塊信息是否被修改過(guò)的依據(jù)，進(jìn)而保障私有鏈內(nèi)數(shù)據(jù)的不可變.在本文設(shè)計(jì)的私有鏈結(jié)構(gòu)中，哈希指針即為previous Hash 字段，也稱(chēng)父區(qū)塊哈希值.由創(chuàng)世區(qū)塊開(kāi)始，之后的每個(gè)區(qū)塊都通過(guò)該字段鏈接到前一區(qū)塊.每個(gè)新區(qū)塊都包含父區(qū)塊哈希值，這個(gè)哈希值可以與時(shí)間戳等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一起，形成區(qū)塊頭結(jié)構(gòu).當(dāng)出版社內(nèi)部節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)已經(jīng)打包完成的新區(qū)塊后，都會(huì)檢驗(yàn)新區(qū)塊頭中存儲(chǔ)的父區(qū)塊哈希值，并與現(xiàn)有主鏈中最后一個(gè)區(qū)塊的哈希值進(jìn)行對(duì)比，一致則說(shuō)明區(qū)塊是有效的.如果攻擊者破壞了前面的某個(gè)區(qū)塊，那么后面所有區(qū)塊的哈希值都會(huì)變得不正確.整個(gè)私有鏈結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 私有鏈結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Private chain structure

存證區(qū)塊的創(chuàng)新性在于transaction 字段，該字段包括經(jīng)加密處理后的查重報(bào)告摘要信息、節(jié)點(diǎn)簽名結(jié)果和公鑰信息等重要數(shù)據(jù).查重報(bào)告由系統(tǒng)對(duì)音頻識(shí)別結(jié)果進(jìn)行查重產(chǎn)生，包含了該結(jié)果的總體重率、重復(fù)來(lái)源、被檢測(cè)出的與版權(quán)庫(kù)中文章重復(fù)的句子.數(shù)據(jù)信息并不繁雜，因此本文創(chuàng)建的區(qū)塊體內(nèi)直接包含查重報(bào)告信息，如圖3的區(qū)塊體結(jié)構(gòu)部分所示.在后續(xù)的驗(yàn)證機(jī)制中，通過(guò)區(qū)塊頭內(nèi)transaction 字段與區(qū)塊體內(nèi)的查重報(bào)告信息進(jìn)行節(jié)點(diǎn)身份和摘要完整性驗(yàn)證，防止查重報(bào)告數(shù)據(jù)被篡改.

時(shí)間戳timestamp 采用了UNIX 的方式記錄該區(qū)塊的產(chǎn)生時(shí)間，該字段是加在區(qū)塊上的時(shí)間序列.有了時(shí)間戳的存在，區(qū)塊上的交易信息便無(wú)法更改，能夠證實(shí)侵權(quán)記錄信息必然真實(shí)存在于某時(shí)間.本文將時(shí)間戳寫(xiě)入?yún)^(qū)塊頭內(nèi)，在計(jì)算哈希值的過(guò)程中會(huì)把父區(qū)塊的時(shí)間戳納入，從而形成對(duì)前一時(shí)間戳的增強(qiáng).一旦區(qū)塊加入主鏈，即被全網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)所記錄，這有助于平臺(tái)形成不可篡改、不可偽造的誠(chéng)實(shí)可信系統(tǒng).

3.2 類(lèi)PoW 共識(shí)

私有鏈存證平臺(tái)依賴(lài)于出版社內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)完成區(qū)塊的打包與驗(yàn)證.共識(shí)機(jī)制作為區(qū)塊鏈技術(shù)的核心要素，是為節(jié)點(diǎn)間達(dá)成一致所采用的方法[23]，其中Proof of X 類(lèi)共識(shí)又可稱(chēng)為證明類(lèi)共識(shí)，此類(lèi)共識(shí)需要節(jié)點(diǎn)在每一輪共識(shí)過(guò)程中證明自己具有某種特定的能力[24-25].例如，PoW 共識(shí)的核心思想是通過(guò)算力競(jìng)爭(zhēng)來(lái)解決一個(gè)求解復(fù)雜卻容易驗(yàn)證的SHA256 數(shù)學(xué)難題，最快解決該難題的節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得打包區(qū)塊的權(quán)力[26].

計(jì)算難度通常與目標(biāo)字符串需要滿(mǎn)足的特定字符的數(shù)量成正比.本文采用的共識(shí)不同于傳統(tǒng)PoW 共識(shí)，傳統(tǒng)的PoW 共識(shí)算法對(duì)于存證系統(tǒng)而言，計(jì)算資源耗費(fèi)大，出版社難以支付這一開(kāi)銷(xiāo)，因此需要尋找更為實(shí)用的共識(shí)機(jī)制，讓所有節(jié)點(diǎn)迅速達(dá)成共識(shí)而不至于過(guò)度消費(fèi)算力資源.類(lèi)PoW 共識(shí)正是基于此而設(shè)計(jì)的，其算法規(guī)則是：尋找一個(gè)隨機(jī)數(shù)p，使得它與前一個(gè)區(qū)塊頭內(nèi)的proof 字段拼接成的字符串的Hash 值以0000 開(kāi)頭.共識(shí)達(dá)成步驟如下：

步驟1節(jié)點(diǎn)對(duì)廣播的查重報(bào)告進(jìn)行基本合法性驗(yàn)證，主要驗(yàn)證數(shù)據(jù)的內(nèi)容格式是否正確以及有無(wú)空缺項(xiàng).

步驟2節(jié)點(diǎn)消耗自身算力，嘗試對(duì)不同的p進(jìn)行指定哈希計(jì)算.不斷重復(fù)該過(guò)程直至找到合理的p，并將其作為proof 字段記錄到區(qū)塊頭的相應(yīng)位置.

步驟3找到合理數(shù)后生成區(qū)塊信息.節(jié)點(diǎn)先在區(qū)塊頭中加蓋時(shí)間戳等信息，然后在區(qū)塊體中記錄查重報(bào)告的數(shù)據(jù)信息.

步驟4對(duì)外廣播新區(qū)塊的產(chǎn)生，由其余所有節(jié)點(diǎn)遍歷每個(gè)區(qū)塊頭，主要檢查previous Hash 字段與proof 字段以確認(rèn)區(qū)塊的有效性，通過(guò)確認(rèn)的區(qū)塊可以進(jìn)入驗(yàn)證環(huán)節(jié).

在步驟1～4 中，步驟2 是證明工作量的主要過(guò)程.相比于公有鏈算法，本文私有鏈中使用的類(lèi)PoW 共識(shí)算法減弱了記賬（挖礦）的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度.節(jié)點(diǎn)通過(guò)窮舉法進(jìn)行運(yùn)算，若找到了符合規(guī)則的隨機(jī)數(shù)，則表明通過(guò)了工作量的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).

3.3 驗(yàn)證機(jī)制設(shè)計(jì)

在私有鏈運(yùn)行過(guò)程中，使用適當(dāng)?shù)墓Ｋ惴ê头菍?duì)稱(chēng)加密算法等密碼學(xué)技術(shù)可以增強(qiáng)區(qū)塊的機(jī)密性、完整性與有效性.機(jī)密性是指數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不能被非授權(quán)者看到；完整性是指數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不會(huì)被篡改；有效性則是指私有鏈節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不能被否認(rèn)[27].驗(yàn)證機(jī)制提供數(shù)據(jù)加解密、密鑰的生成、身份認(rèn)證、計(jì)算賬號(hào)地址、數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)等功能.

哈希函數(shù)是一種將任意長(zhǎng)度的輸入變換為固定長(zhǎng)度的輸出且不可逆的單向密碼體制，具有單向性、抗第2 原像攻擊、抗強(qiáng)碰撞攻擊等性質(zhì).數(shù)字摘要即明文經(jīng)哈希函數(shù)處理后得到的固定長(zhǎng)度輸出串，同樣的明文經(jīng)同樣的哈希函數(shù)處理后得到的摘要都是相同的，否則其摘要必定不一致.本文采用SHA256 哈希算法，將區(qū)塊體中的查重報(bào)告內(nèi)容作為輸入，計(jì)算得出256 比特的摘要結(jié)果msg，并將摘要結(jié)果存在區(qū)塊頭transaction 字段中.

非對(duì)稱(chēng)加密函數(shù)的特點(diǎn)是加密和解密的密鑰不同，如私鑰簽名只能有公鑰才可以解密.數(shù)字簽名是附加于被簽名數(shù)據(jù)的一個(gè)大整數(shù)，用以確定被簽名數(shù)據(jù)的完整性與簽署者的身份[28-29].平臺(tái)私有鏈面向出版社內(nèi)部，每臺(tái)電腦的IP地址對(duì)應(yīng)確定的工作人員，于是本文通過(guò)Curve25519 橢圓加密算法對(duì)節(jié)點(diǎn)IP地址進(jìn)行處理，獲得密鑰對(duì)并分發(fā).在平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的私鑰不慎丟失或出現(xiàn)安全性問(wèn)題時(shí)，可向系統(tǒng)請(qǐng)求重新?lián)Q取自己的密鑰.本文數(shù)字簽名的生成和驗(yàn)證方法如下：

步驟1將節(jié)點(diǎn)IP 地址作為函數(shù)(sk, pk)=generateKeys(IP address)的輸入，生成一對(duì)公鑰pk 和私鑰sk 的輸出.

步驟2在簽名過(guò)程中，sig=sign(sk, msg)，把查重報(bào)告摘要和私鑰作為輸入，則消息的輸出是簽名結(jié)果.

步驟3節(jié)點(diǎn)將上述“簽名結(jié)果”、“公鑰”和“摘要結(jié)果”等重要數(shù)據(jù)加入?yún)^(qū)塊頭的transaction 字段，并由節(jié)點(diǎn)通過(guò)類(lèi)PoW 共識(shí)競(jìng)爭(zhēng)打包區(qū)塊.

步驟4驗(yàn)證過(guò)程為Valid=verify(pk, msg, sig)，是將區(qū)塊中的摘要信息、簽名消息、公鑰作為輸入，驗(yàn)證打包節(jié)點(diǎn)身份.若返回true，則簽名屬實(shí)；若返回false，則驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)可以拒絕驗(yàn)證失敗的區(qū)塊上鏈.

步驟5認(rèn)證屬實(shí)后，接收節(jié)點(diǎn)使用與摘要提取環(huán)節(jié)相同的摘要算法對(duì)區(qū)塊體內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行摘要計(jì)算，并與transaction 字段內(nèi)的摘要結(jié)果進(jìn)行比較.若結(jié)果一致，則說(shuō)明數(shù)據(jù)是完整的，區(qū)塊最終進(jìn)入主鏈；若數(shù)據(jù)不一致，則說(shuō)明查重報(bào)告真實(shí)性和完整性有待考證，節(jié)點(diǎn)可拒絕該區(qū)塊加入主鏈.

4 測(cè) 試

測(cè)試使用3 臺(tái)Intel Xeon E3-1225 3.2 GHz 的CPU、6 GB 內(nèi)存、運(yùn)行64 位Windows7 的操作系統(tǒng).存證過(guò)程可總體分為數(shù)據(jù)預(yù)處理、提交信息入塊和存證結(jié)果公示三部分.待存的查重報(bào)告如圖4所示，在數(shù)據(jù)預(yù)處理部分，節(jié)點(diǎn)將私有鏈外的查重報(bào)告等內(nèi)容經(jīng)過(guò)加密運(yùn)算后生成提交信息，內(nèi)容包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址sender、查重報(bào)告摘要信息msg、數(shù)字簽名signature 等信息，如表4所示.

表4 提交信息表Table 4 Submit information table

圖4 查重報(bào)告Figure 4 Report of rechecking

在信息入塊部分，平臺(tái)通過(guò)可信的計(jì)算機(jī)環(huán)境和區(qū)塊鏈運(yùn)行機(jī)制聯(lián)合打造出一個(gè)安全可靠的存證過(guò)程，區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)包括區(qū)塊頭內(nèi)的時(shí)間戳、父區(qū)塊哈希值、交易等字段，內(nèi)容如下.

3 個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)按照共識(shí)規(guī)則，憑借算力競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)查重報(bào)告區(qū)塊的打包權(quán)，通過(guò)驗(yàn)證最終加入主鏈，并將有價(jià)值的區(qū)塊信息參數(shù)返回給接口，使其在界面中顯示.如圖5所示，其中“章節(jié)id”為查重報(bào)告的序號(hào).“索引”表示存證結(jié)果所在的區(qū)塊號(hào)，“父區(qū)塊哈希值”表示區(qū)塊頭中的previous hash 字段，“時(shí)間戳”字段為存證結(jié)果提供了“存在性證明”，“內(nèi)容”即為對(duì)比查重報(bào)告，“IP”地址即為打包該區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)地址.用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器查詢(xún)存證區(qū)塊信息并支持導(dǎo)出操作.

圖5 存證公示Figure 5 Deposit certificate

5 安全性分析

在以類(lèi)PoW 為共識(shí)協(xié)議的存證平臺(tái)中，各節(jié)點(diǎn)都屬于出版社內(nèi)部，彼此信任且默認(rèn)遵守協(xié)議，因此只在最長(zhǎng)鏈后添加新區(qū)塊.假設(shè)存證平臺(tái)目前主鏈的區(qū)塊高度為h，距離當(dāng)前區(qū)塊的高度差為(h ?k)的攻擊者企圖制造分叉鏈代替主鏈進(jìn)行雙花攻擊，則其不但需要重新計(jì)算并生成從第k個(gè)區(qū)塊到當(dāng)前區(qū)塊高度的所有區(qū)塊，還要通過(guò)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證，此時(shí)攻擊節(jié)點(diǎn)成功填補(bǔ)某一既定差距的可能性可近似為賭徒破產(chǎn)問(wèn)題[30-31].

下面分析攻擊者攻擊成功的概率，假定攻擊節(jié)點(diǎn)擁有無(wú)限的機(jī)會(huì)去填補(bǔ)與誠(chéng)實(shí)鏈條的差距，那么攻擊鏈條追趕上誠(chéng)實(shí)鏈條的概率公式為

式中，p為誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)制造出下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率，q為攻擊節(jié)點(diǎn)制造出下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率，qz為攻擊者消除z個(gè)區(qū)塊的落后差距.

對(duì)于p>q的情況，攻擊成功的概率會(huì)隨著區(qū)塊數(shù)目的增長(zhǎng)而呈指數(shù)下降，這意味著若攻擊者不能幸運(yùn)且快速地獲得成功，則他獲得成功的機(jī)會(huì)將隨著時(shí)間的流逝變得越來(lái)越渺茫.

現(xiàn)在考慮的是：誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)收到新的交易時(shí)需要等待多長(zhǎng)時(shí)間才能完全確認(rèn)區(qū)塊內(nèi)數(shù)據(jù)是不可篡改的.在攻擊發(fā)生時(shí)，誠(chéng)實(shí)區(qū)塊無(wú)法確定攻擊者已經(jīng)進(jìn)展的區(qū)塊數(shù)量.假定攻擊者以區(qū)塊a為起點(diǎn)開(kāi)始在并行的鏈上秘密工作，而誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)耗費(fèi)平均預(yù)期時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)區(qū)塊，則攻擊者的潛在進(jìn)展符合泊松分布[32-33]，誠(chéng)實(shí)節(jié)點(diǎn)挖出z個(gè)塊的時(shí)間內(nèi)的期望值為

在這種情況下，攻擊結(jié)果分以下兩種：當(dāng)k≤z時(shí)，不足以發(fā)動(dòng)攻擊，攻擊者會(huì)繼續(xù)偷偷挖礦不斷縮小差距；當(dāng)k >z時(shí)，攻擊成功.以上兩種概率的和就表示攻擊者最終能追趕上的概率.總結(jié)得到概率為

式中，k為攻擊鏈條長(zhǎng)度，z為誠(chéng)實(shí)鏈條長(zhǎng)度，(z ?k)表示攻擊鏈和誠(chéng)實(shí)鏈的差距.

由式（3）可得：概率隨z值的增加呈指數(shù)化下降.當(dāng)攻擊者擁有10%的攻擊力度且區(qū)塊高度差為5 時(shí)，攻擊成功的概率小于0.1%，其中10%的攻擊算力寫(xiě)入的時(shí)間小于100 GHash/s.因此，當(dāng)一個(gè)區(qū)塊后面連接6 個(gè)區(qū)塊時(shí)，該區(qū)塊就是足夠穩(wěn)定的.

此外，在侵權(quán)記錄存證的應(yīng)用場(chǎng)景中，篡改信息的操作一般發(fā)生在與利益相關(guān)的環(huán)節(jié)，往往距離查重報(bào)告錄入日期較為久遠(yuǎn).本私有鏈?zhǔn)褂昧斯ぷ髁孔C明，當(dāng)主鏈變得越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)，區(qū)塊高度會(huì)有較大的數(shù)量級(jí)差別，推翻或者妄圖替換則需要很大的攻擊性算力，因而完成這種規(guī)模的區(qū)塊替換操作幾乎是不可能的.因?yàn)楣舾怕逝c很多因素有關(guān)，比如出版社內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源的改變、區(qū)塊的大小、節(jié)點(diǎn)間交易信息的同步等，所以私鏈?zhǔn)褂昧祟?lèi)PoW共識(shí)，保證了安全性.

6 結(jié) 語(yǔ)

本文從圖書(shū)侵權(quán)舉證的困境出發(fā)，結(jié)合私有鏈結(jié)構(gòu)、共識(shí)算法和混合加密等技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于私有鏈的圖書(shū)侵權(quán)記錄存證平臺(tái)，提供針對(duì)圖書(shū)侵權(quán)行為存證的安全可信的存儲(chǔ).結(jié)合現(xiàn)行圖書(shū)內(nèi)容傳播的特點(diǎn)，使平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)區(qū)塊傳播、驗(yàn)證效率和安全之間進(jìn)行了權(quán)衡，設(shè)計(jì)適用的工作量證明算法保證私有鏈建立的時(shí)效性、數(shù)據(jù)的可用性，采用驗(yàn)證機(jī)制來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性.通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證表明，存證平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案易于使用，并以較低的經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)對(duì)侵權(quán)證據(jù)的及時(shí)記錄，有利于在沒(méi)有中央存管機(jī)構(gòu)以及多方不可信的情況下順利開(kāi)展維權(quán)工作.