適用于數(shù)字版權(quán)保護交易的共識協(xié)議

湯小鵬，薛 濤

(西安工程大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

近年來，隨著新媒體的迅猛發(fā)展，數(shù)字媒體信息呈現(xiàn)爆炸性增長。2020年中國數(shù)字娛樂核心產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟規(guī)模達6 835.2億元，行業(yè)主要收入來源于用戶付費和版權(quán)運營，新技術(shù)不加限制的濫用、內(nèi)容傳播途徑的多樣化、盜版行業(yè)實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的覆蓋，造成盜版規(guī)模逐年上升，以網(wǎng)絡(luò)文學(xué)為例，其遭受侵權(quán)的比例高達42%。

數(shù)字版權(quán)交易規(guī)模隨著行業(yè)的發(fā)展呈指數(shù)級增長，多元化的數(shù)字媒體如圖片、音樂、視頻等使得侵權(quán)方式更多樣化，更為復(fù)雜。2018年9月螞蟻鏈通過與杭州互聯(lián)網(wǎng)法院聯(lián)手打造區(qū)塊鏈技術(shù)協(xié)助判案司法存證平臺，以及國家版權(quán)中心在2019年3月與眾多公司合作提出的DCI聯(lián)盟體，表明數(shù)字版權(quán)交易可以與國家政府進行合作，在法律層面得到認(rèn)可。傳統(tǒng)數(shù)字版權(quán)保護交易系統(tǒng)過于依賴第三方機構(gòu)，效率低、流程繁瑣、成本高的問題變得越來越突出[1]，如何解決這些問題成為了行業(yè)的難點。區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合密碼學(xué)算法、數(shù)字驗證和分布式共識協(xié)議使得區(qū)塊很難被篡改，它的另一個重要的特性就是其自身可以作為分布式存儲數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲[2]，保證了數(shù)據(jù)不會被刪除。因為這些特性，其可以很好地應(yīng)用在數(shù)字版權(quán)保護交易系統(tǒng)中。

國內(nèi)很早就開始研究利用區(qū)塊鏈技術(shù)對數(shù)字版權(quán)進行保護。2014年，徐珉川提出將比特幣中去中心化的特征應(yīng)用到知識產(chǎn)權(quán)保護中[3]。文獻[4]中同樣在比特幣的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)字版權(quán)保護模型。中國版權(quán)中心在2015年開始研究區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)保護方面的研究，2019年與國內(nèi)多家頭部互聯(lián)網(wǎng)公司和機構(gòu)發(fā)布DCI標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟鏈體系[5]。文獻[6]中利用工作量證明共識協(xié)議PoW(Proof of Work)提出了一種基于區(qū)塊鏈的數(shù)字作品DCI管控模型。迅雷公司采用能力權(quán)益授權(quán)共識DPoA(Delegated Proof-of-Ability)+實用拜占庭容錯共識PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance)運用在其聯(lián)盟鏈上從而解決版權(quán)保護問題[7-8]。

目前市面上運用比較成熟的都是采用基于PoW的共識協(xié)議，該協(xié)議雖然運行穩(wěn)定，但是達成共識一致性的速度遲緩，不符合大規(guī)模的數(shù)字版權(quán)保護交易[9]。權(quán)益證明協(xié)議PoS(Proof of Stake)雖然降低了大量的算力競爭，但是創(chuàng)建時間越早，擁有股份越多的節(jié)點在后期會比其他節(jié)點更容易獲取獎勵，使得少部分節(jié)點處于壟斷地位的問題沒有得到解決，這并不利于系統(tǒng)的擴展[10]。商用公司往往采用的都是基于權(quán)益授權(quán)共識協(xié)議DPoS(Delegated Proof of Stake)[11]，能夠顯著提高交易速度，同時也存在獲得記賬權(quán)獎勵時只發(fā)放給代理節(jié)點，普通節(jié)點在投票時消耗一定的資源卻獲取不到獎勵，造成投票參與度下降、中心化程度加劇的問題。

針對上述問題，該文提出一種適用于數(shù)字版權(quán)保護交易的共識協(xié)議，簡稱T-DPoS(Transaction-Delegated Proof of Stake)。該共識協(xié)議通過各節(jié)點的狀態(tài)和獎勵制度，提高節(jié)點參與投票的積極性，保持交易系統(tǒng)中節(jié)點投票的活躍度，降低錯誤節(jié)點當(dāng)選的概率，并通過各節(jié)點的交易頻次，判斷出節(jié)點參與的積極性，保證積極性高的節(jié)點更容易被選取成為代理節(jié)點，在保證安全的基礎(chǔ)上能夠更好地控制交易速度，同時能夠保證各方的利益使其能夠更好地適用于數(shù)字版權(quán)保護交易系統(tǒng)。

1 相關(guān)工作

1.1 PoW共識協(xié)議

早期的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，都是以PoW共識協(xié)議作為基礎(chǔ)，其中比較經(jīng)典的是以比特幣為首的加密貨幣。在此共識協(xié)議中，為了達成一致性要求，每個節(jié)點必須為新的區(qū)塊找到隨機數(shù)，由當(dāng)前區(qū)塊的隨機數(shù)及先前的散列塊與新塊中的事務(wù)一起通過散列函數(shù)算法[12](如SHA256)得到在一定區(qū)間內(nèi)的結(jié)果，當(dāng)節(jié)點找到這個隨機數(shù)之后，生成一個區(qū)塊，通過廣播到整個分布式網(wǎng)絡(luò)中，只有被確定為鏈中最后一個區(qū)塊的時候才能夠被確認(rèn)[13]。為了保證區(qū)塊出塊速度穩(wěn)定，會隨網(wǎng)絡(luò)變動調(diào)整尋找隨機數(shù)的難度值，也就意味著塊確定的速度并不是很快。如比特幣大概是每10分鐘出一個塊，塊的大小為1 M，每秒能夠處理6.6筆交易。節(jié)點取得對區(qū)塊記賬權(quán)的概率與設(shè)備的計算能力成正比關(guān)系，具體如下：

(1)

其中，Xi代表的是該節(jié)點的計算力，其與設(shè)備的性能有關(guān)。當(dāng)設(shè)備的算力越強，尋到隨機數(shù)的概率也就越大，在尋找隨機數(shù)的同時會因為設(shè)備之間競爭尋找隨機數(shù)而消耗大量的資源[14]。

1.2 PoS共識協(xié)議

PoS共識協(xié)議與PoW的不同之處在于，其不是在同等的條件下爭奪區(qū)塊的記賬權(quán)，而是在創(chuàng)建一個新的區(qū)塊時，節(jié)點獲得區(qū)塊記賬權(quán)的概率與之所持有的代幣和天數(shù)成反比。相對于PoW來說，每個想獲得區(qū)塊記賬權(quán)的用戶都是用自身條件而非設(shè)備解決問題。在有些基于PoS的共識協(xié)議改進協(xié)議上[15]，塊的產(chǎn)生已經(jīng)丟棄了計算力這種方式，而是通過所持有的股份決定。這在一定程度上避免了挖礦所帶來的資源浪費。用戶獲得的區(qū)塊打包權(quán)概率計算公式如下：

(2)

Si代表的是用戶所擁有的期權(quán)，隨著股份的增多用戶獲得的打包權(quán)的概率也會隨之增大。區(qū)塊鏈進一步地發(fā)展壯大，會造成節(jié)點的壟斷，新節(jié)點相比于舊節(jié)點獲得打包權(quán)的概率會小很多，這不符合區(qū)塊鏈公平性發(fā)展的宗旨。在處理交易的速度上，相較于PoW縮短了各個節(jié)點之間達成的共識時間，效率得到了進一步提升。

1.3 DPoS共識協(xié)議

DPoS共識協(xié)議相較于PoS、PoW協(xié)議更加有效、快速、分散。如同現(xiàn)代集團式?jīng)Q策管理層，由持有者選出一些代理節(jié)點，選出的方式也更加民主與公平[16]，這些代理節(jié)點可以調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)、區(qū)塊間距、交易規(guī)模，之后會輪流地生成區(qū)塊，收集一段時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)上未確定的交易。如果一個代理節(jié)點有惡意的行為，或者不正確使用權(quán)力，將會在后續(xù)中被普通節(jié)點投票剔除[17]，再次選舉新的節(jié)點成為代理節(jié)點。通過這種選擇代理節(jié)點的做法，大大減少了參與驗證和記賬的節(jié)點數(shù)量，縮短了達成共識的時間，從而使得效率得以提高。三種協(xié)議的比較詳情見表1。

表1 三種共識協(xié)議對比

2 設(shè)計思路

2.1 T-DPoS共識協(xié)議設(shè)計思想

T-DPoS共識協(xié)議在DPoS協(xié)議的基礎(chǔ)上加入節(jié)點狀態(tài)的判別來降低錯誤節(jié)點當(dāng)選的概率和節(jié)點獎勵機制以解決DPoS投票積極性不高的問題，同時加入交易頻次，優(yōu)化代理節(jié)點的選取使之更加貼合數(shù)字版權(quán)保護交易系統(tǒng)。設(shè)計選取出的代理節(jié)點有以下幾個特質(zhì)：(1)網(wǎng)絡(luò)保持同步狀態(tài)，誠實節(jié)點之間保持利益的相關(guān)性，節(jié)點之間會進行投票，平衡各方的利益。(2)利益相關(guān)節(jié)點保持長時間的在線，如果長時間離線會影響信用值。(3)設(shè)計一個兜底節(jié)點，可以保證系統(tǒng)安全運行。(4)代理節(jié)點需要在交易系統(tǒng)平臺上上交一定的費用，用來防止這些代理點惡意或消極的進行版權(quán)檢測，當(dāng)交易處理完成后, 根據(jù)獎勵分配原則獲得部分獎勵。

其具體設(shè)計機制是在數(shù)字版權(quán)保護交易系統(tǒng)中，根據(jù)T-DPoS共識協(xié)議選擇代理節(jié)點，共識程度越高，被選為代理節(jié)點的可能性越高。共識程度由該節(jié)點的交易頻次、信用變化值和節(jié)點之間的投票值來決定。交易頻次是指一段時間內(nèi)(兩次投票時間)系統(tǒng)統(tǒng)計該節(jié)點進行了多少次版權(quán)交易。信用變化值指的是該節(jié)點能夠認(rèn)真完成交易任務(wù)，即該節(jié)點積極參與代理節(jié)點的競爭并被選擇為代理節(jié)點，獲得的信用獎勵，反之，節(jié)點如果長時間內(nèi)未被選為代理節(jié)點，會導(dǎo)致信用消耗，被認(rèn)為是消極應(yīng)對或有惡意行為。投票值是由節(jié)點之間互相投票，節(jié)點獲得的票數(shù)決定的。具體算法如下所示：

G=αF+0.6ΔCcredit+βV

(3)

(4)

其中，F(xiàn)代表交易的頻次，ΔCcredit代表信用變化值，衡量節(jié)點參與交易系統(tǒng)的積極性，V代表各個節(jié)點的投票值，投票值與各節(jié)點持有的股份成正比。該文限制節(jié)點投票的數(shù)量為10，使用公式4降低投票的權(quán)重，使得投票的比重在共識中處于合理的范圍。其中α+β=1，為了鼓勵節(jié)點能夠參與系統(tǒng)交易，實驗中取α=0.6，β=0.4。信用變化值計算公式為：

ΔCcredit=ΔC+-ΔC-

(5)

其中，ΔC-表示節(jié)點的信用損耗，ΔC+表示節(jié)點可獲得的信用增益, 具體表達式如下：

(6)

ΔC+=M

(7)

其中，t代表兩次投票的間隔時間，T代表交易的周期，兩次投票的間隔時間越長，信用值損耗越大。文中交易時間取值為3個區(qū)塊產(chǎn)生的時間，節(jié)點兩次投票時間的間隔過長，系統(tǒng)自動判定為消極應(yīng)對交易服務(wù)。在信用獎勵的公式(7)中，M代表節(jié)點積極參與系統(tǒng)交易且產(chǎn)生了有效區(qū)塊，選出合適的代理節(jié)點獲得的信用獎勵，文中取常量值為1，鼓勵節(jié)點積極投票。

2.2 T-DPoS共識協(xié)議工作流程

用戶上傳作品，通過版權(quán)中心標(biāo)準(zhǔn)判斷是否符合原創(chuàng)作品。共識協(xié)議首先根據(jù)節(jié)點狀態(tài)進行投票，用獎勵分配來降低系統(tǒng)中錯誤狀態(tài)節(jié)點當(dāng)選的概率,根據(jù)節(jié)點的交易頻次、交易的信用變化值選舉出代理節(jié)點。節(jié)點之間通過分布式網(wǎng)絡(luò)進行交易的確認(rèn)，完成交易并獲得獎勵。其流程如圖1所示。

圖1 T-DPoS共識協(xié)議流程

2.3 節(jié)點狀態(tài)變更流程與收益分配

節(jié)點狀態(tài)的變更是T-DPoS共識協(xié)議中重要的一環(huán)，將其與收益分配結(jié)合可以提高節(jié)點參與投票的積極性，它與代理節(jié)點產(chǎn)生區(qū)塊的數(shù)量及有效性有關(guān)。節(jié)點分為三種狀態(tài)，即普通狀態(tài)、良好狀態(tài)和錯誤狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

圖2 節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換

節(jié)點的初始狀態(tài)是普通狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點成為代理節(jié)點之后能夠產(chǎn)生被其他節(jié)點認(rèn)可的區(qū)塊且數(shù)值超過一定的數(shù)量值(文中取值為3)，狀態(tài)升級為良好狀態(tài)，代理節(jié)點產(chǎn)生無效區(qū)塊或者有惡意行為時，節(jié)點會被定義為錯誤狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點之間投票時，由于節(jié)點有網(wǎng)絡(luò)保持同步狀態(tài)的性質(zhì)，能夠知道彼此的狀態(tài)，投票的時候可以依此來進行判斷，降低惡意節(jié)點當(dāng)選的概率。當(dāng)節(jié)點被判定為錯誤狀態(tài)之后，需要經(jīng)過一段時間才可以恢復(fù)到正常狀態(tài)。

在收益分配中，當(dāng)節(jié)點當(dāng)選為代理節(jié)點時，節(jié)點會按照股權(quán)的多少進行收益的分配，文中采用節(jié)點的投票值來模擬股權(quán)。收益主要由記賬權(quán)收益獲得，記賬權(quán)收益為申請版權(quán)保護方在區(qū)塊產(chǎn)生時間內(nèi)繳納的費用與這段時間內(nèi)產(chǎn)生區(qū)塊的比值，其中代理節(jié)點將獲得塊中交易的10%作為獎勵，其余收益按照各個節(jié)點前期投票的比例進行利益的分配。收益分配是為了鼓勵節(jié)點成為代理節(jié)點，同時鼓勵節(jié)點投票使得系統(tǒng)的活躍度上升，提高節(jié)點參與交易的積極性。

3 實驗分析

3.1 實驗環(huán)境

該文基于DPoS共識機制實現(xiàn)代理節(jié)點的選取，建立8個分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，選取3個代理節(jié)點，每個節(jié)點擁有10票的投票權(quán)。實驗環(huán)境操作系統(tǒng)為Centos7(64位)，處理器為CPU-Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2620(主頻是2.00 GHz、6 GB)，編程語言使用Go語言，Geth版本為1.10.4-unstable。

3.2 實驗結(jié)果與分析

為了驗證該方法的有效性，進行了4次實驗驗證不同屬性對選取代理節(jié)點的影響。實驗一與實驗二基于交易頻次和信用變化值進行對比論證，實驗三與實驗四基于節(jié)點狀態(tài)進行對比論證，每輪實驗基于1 000次的程序運行。

表2為實驗一與實驗二各個節(jié)點的屬性值，實驗一只考慮節(jié)點的交易頻次，通過比較各個節(jié)點當(dāng)選為代理節(jié)點次數(shù)，得出交易頻次屬性對節(jié)點成為代理節(jié)點所帶來的影響。各個節(jié)點的屬性值見表2，其中信用增益為第二次實驗對應(yīng)節(jié)點的屬性變化。

表2 實驗一與實驗二節(jié)點屬性

可以看出：節(jié)點1、2、3交易頻次較少，4、5節(jié)點適當(dāng)增加，7、8節(jié)點交易頻次較多，代表積極性較高的節(jié)點。實驗二中因為節(jié)點1、3、5積極參與交易系統(tǒng)的投票，信用增益分別增加1，各個節(jié)點的屬性值見表3。

實驗程序運行1 000次，實驗一與實驗二中各節(jié)點當(dāng)選為代理節(jié)點的次數(shù)對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 實驗一與實驗二節(jié)點當(dāng)選次數(shù)對比

第1次實驗由系統(tǒng)隨機投票，投票相對均勻，不考慮信用增益與損耗，節(jié)點被選為代理節(jié)點主要是由交易的頻次決定。由圖3可以看出，節(jié)點7、8獲得代理節(jié)點次數(shù)較多，這是因為在系統(tǒng)中交易的頻次高，表明交易頻繁節(jié)點參與積極性高，當(dāng)選代理節(jié)點的概率越大。交易頻次接近的，當(dāng)選為代理節(jié)點次數(shù)也接近。實驗二相較于實驗一，1、3、5節(jié)點有較為明顯的變化，提高節(jié)點的增益值，可以提高節(jié)點被選中的概率。相較于沒有信用增值的節(jié)點，較實驗一中被選為代理節(jié)點次數(shù)降低。

當(dāng)其中一個當(dāng)選節(jié)點有惡意行為或產(chǎn)生無效區(qū)塊，將被系統(tǒng)判別為錯誤節(jié)點。在實驗三中，考慮投票值對節(jié)點當(dāng)選為代理節(jié)點的影響，未加入節(jié)點狀態(tài)因素的影響。由系統(tǒng)產(chǎn)生第一輪投票，各節(jié)點屬性見表3。

表3 實驗三節(jié)點屬性

實驗四中共識協(xié)議根據(jù)加入節(jié)點狀態(tài)因素，交易系統(tǒng)進行了節(jié)點的第二輪投票，投票值發(fā)生了變化，這是因為網(wǎng)絡(luò)呈彼此可見狀態(tài)，以及系統(tǒng)獎勵機制的作用，各節(jié)點屬性見表4。

表4 實驗四節(jié)點屬性

程序同樣運行1 000次，實驗三與實驗四中各參選節(jié)點競選成為代理節(jié)點的次數(shù)對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 實驗三與實驗四節(jié)點當(dāng)選次數(shù)對比

圖4為兩輪投票的實驗數(shù)據(jù)對比，在第一輪投票中沒有考慮節(jié)點狀態(tài)的因素，投票分布較為均勻，實驗中各節(jié)點被選為代理節(jié)點的概率接近，因為節(jié)點3消極應(yīng)對交易系統(tǒng)，沒有達到考核量的標(biāo)準(zhǔn)所以節(jié)點被系統(tǒng)標(biāo)注為錯誤節(jié)點，相對于其他普通節(jié)點，錯誤節(jié)點當(dāng)選的概率較低。二輪投票中，考慮到節(jié)點狀態(tài)以及獎勵機制的作用，節(jié)點投票會更傾向于普通節(jié)點，相應(yīng)的錯誤節(jié)點獲取的票數(shù)降低。相較于實驗三，錯誤節(jié)點當(dāng)選為代理節(jié)點的次數(shù)進一步降低，當(dāng)選概率不足1%。

達成共識耗費的時間決定了交易花費的時間, 圖5為25次共識程序的運行時間變化。

圖5 共識時間統(tǒng)計

由圖5可以看出，在相同的網(wǎng)絡(luò)條件下，交易時間在1 000 ms上下波動，相較于PoW和PoS共識協(xié)議的交易時間提升到秒級，可以提高交易的效率，能夠更好地應(yīng)用到交易系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

在DPoS共識協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字版權(quán)保護交易系統(tǒng)的需求，考慮節(jié)點參與積極度，提出一種適用于數(shù)字版權(quán)保護交易的T-DPoS共識機制。利用分布式網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)造8個節(jié)點模擬選舉3個代理節(jié)點。實驗表明，積極參與交易的節(jié)點更容易成為代理節(jié)點，同時，增加信用增益、降低信用損耗也能夠提升成為代理節(jié)點的概率。選舉節(jié)點的時間相較于其他的共識協(xié)議算法有明顯的縮短，更符合交易系統(tǒng)的需求。后續(xù)會考慮獎勵分配對代理節(jié)點產(chǎn)生帶來的影響，以及錯誤節(jié)點如何被剔除不參與代理節(jié)點的選取，并將其應(yīng)用于數(shù)字版權(quán)保護的交易系統(tǒng)中。