基于聯盟鏈的音樂版權保護與交易系統

摘 要： 網絡技術的快速發展促進了文字、圖片、視頻、音樂等數字內容的快速傳播，這使數字內容的侵權變得更加容易。針對目前數據化音樂版權管理存在的確權難、耗時長、維權難等問題，結合區塊鏈的去中心化和不可竄改的特點，使用Hyperledger Fabric平臺設計并實現了一個基于聯盟鏈的數字音樂版權保護與交易系統。采用Shazam算法提取能證明音樂的原創性的音樂特征指紋，將音樂特征指紋存儲在星際文件系統（IPFS）上，IPFS返回的哈希地址存儲在區塊鏈中，在彌補區塊鏈擴容難、存儲空間昂貴的缺點的同時達到音樂作品的原創性證明，并利用音頻水印技術的魯棒性和隱蔽性，為創作者維權提供可信憑證。仿真實驗結果表明，數字音樂版權保護與交易系統中音樂版權登記用時增幅約為0.238 s，每首音樂的特征指紋在IPFS上所占空間約為192 KB，并且區塊鏈系統能夠保持較高的吞吐量，具有良好的性能和較高的安全性。

關鍵詞： 區塊鏈； 音樂版權； Shazam算法； 星際文件系統； 聯盟鏈

中圖分類號： TP311"" 文獻標志碼： A

文章編號： 1001-3695（2022）01-003-0018-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2021.06.0241

Consortium blockchain-based music copyright protection and trading system

Niu Xiaolin， Han Dezhi， Sun Zhijie

（School of Information Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

Abstract： The rapid development of Internet technology has facilitated the rapid dissemination of digital content such as text，images，videos，and music，which makes it easier to infringe on digital content.In view of the difficulties in confirming the copyright，consuming a long time and maintaining the copyright in the current music copyright management，this paper combined the decentralization and anti-tampering characteristics of the blockchain，and used the hyperledger fabric platform to implement a digital music copyright protection and trading system.This paper used Shazam algorithm to extract music feature fingerprints that could prove the originality of music，used inter planetary file system（IPFS） to store music feature fingerprint，and used blockchain to store the hash address returned by IPFS，which made up for the disadvantages of blockchain expansion difficulty and expensive storage space and achieved the originality proof of music.This paper used the robustness and concealment of audio watermarking technology to provide credible credentials for creators to defend their rights.The simulation experimental results show that the time increase of music copyright registration in the digital music copyright protection and trading system is about 0.238 s，and the feature fingerprint of each music occupies about 192 KB of storage space in IPFS，and the blockchain system can maintain a high throughput with good performance and high security.

Key words： blockchain； music copyright； Shazam algorithm； inter planetary file system； consortium blockchain

0 引言

隨著全球信息化和數字化的發展，人們在日常生活中所接觸到的數字信息不斷增多，包括電子圖書、音樂、視頻等在網絡上傳播的趨勢日益明顯。2019年我國數字出版產業整體收入規模達到9 881.43億元，相比2018年增長11.16%［1］，我國數字出版產業實現了高速發展。隨著我國數字產業的快速發展，由于音樂等數字內容易復制、易傳播的特點使得盜版、侵權事件頻繁發生，傳統的版權登記存在成本高、耗時長且法律證明力不夠理想等問題［2］。又由于當前人們的版權意識不強，維權過程難，付出遠多于收益等問題，許多數字作品創作者不愿申請版權保護。因此，降低版權登記成本，簡化維權過程并增強其法律證明力成為亟待解決的問題。

區塊鏈技術由于其去中心化、不可竄改、可追溯等特點［3］，在一定程度上能夠解決目前數字版權保護存在的問題。通過將數字作品的唯一特征寫入區塊鏈，能夠實現不可竄改，達到確權的目的。智能合約的設計能夠自動完成版權交易，可實現公平分配權益。區塊鏈的可追溯的特點簡化了維權過程，確定盜版來源，實現了證據固化。將區塊鏈技術用于數字版權維護，能在一定程度上降低成本，簡化維權過程，并且有一定的公信力，充分保障了數字內容創作者的權益。

在版權保護的研究中，區塊鏈受到了專家和學者的關注，并且，國內外已存在許多基于區塊鏈的數字版權保護研究［4，5］。文獻［6］使用BCOS平臺實現了數字版權保護與交易系統，包含數字內容版權的登記、鑒證、交易、查詢等功能，提出將數字內容的特征值加密后存入區塊鏈，但是未提到針對不同類型的數字作品采用具體哪種數字特征提取技術。文獻［7］提出一種使用聯盟鏈的音視頻版權區塊鏈系統，主要介紹了改進后的實用拜占庭容錯算法，優化了系統的共識速度和數據通信次數，但是在版權保護方面未作詳細介紹。文獻［8］設計了一種文本作品的區塊鏈版權認證模型，并且提供了半成品作品私鑰簽名登記記錄的功能，制定了識別公鑰覆蓋式認證準則，可以使創作者修改已認證版權的作品內容，該文獻重點在于版權登記認證模塊。文獻［9］使用VNT chain區塊鏈平臺實現了數字音樂版權管理系統，涵蓋版權管理的主要環節，并且包含音樂生態模塊，提出了音樂眾籌和推廣的功能。文獻［10］將區塊鏈技術、數字水印技術和感知哈希函數結合，使用DCT算法在數字內容中添加盲水印，設計了一個可追溯的數字內容管理模型。文獻［11］提出了一種使用區塊鏈和分布式存儲系統（IPFS）存儲音頻源及其簽名的方法來驗證音樂內容的版權，解決了區塊鏈存儲受限的問題，該文獻中還介紹了幾種目前存在的音樂識別的軟件。文獻［12］提出一種聯盟鏈模式下的數字版權交易系統模型，實現了版權注冊和版權交易兩個功能，并測試了鏈碼部署的安裝時間。

基于以上分析，目前大部分研究都是數字版權管理，但是并沒有細分作品類型，針對不同的作品類型，應設計不同的算法，并且大多文獻都將精力放在版權登記方面，較少有文獻包含版權交易、作品鑒權等功能。

目前，在以太坊或比特幣等區塊鏈中，網絡中的任何節點都可以生成有效交易，Hyperledger Fabric更加貼近現實，節點必須經過認證才可加入網絡，通過可信任的組織來驗證交易，能夠更好地對實際交互進行建模。因此，本文結合Fabric、IPFS、MySQL和數字水印技術，設計并實現了一個聯盟鏈模式下的數字音樂版權保護與交易系統。

本文提出將區塊鏈、IPFS、MySQL結合，根據數據的不同需求采用不同的存儲引擎，解決了區塊鏈存儲空間昂貴和響應速度低的問題，確保數據的完整性和可靠性。采用Shazam算法提取音樂特征指紋證明音樂的原創性，將提出的特征指紋存儲在IPFS上，IPFS返回的文件哈希值存儲在區塊鏈上，從而實現音樂版權的不可竄改和可追溯，并且利用音頻水印技術的魯棒性和隱蔽性，為創作者維權提供了可信憑證。本文根據現實世界中交易由受信任的組織驗證，使用聯盟鏈來構建版權保護與交易系統，簡化了版權登記流程，解決目前音樂版權登記存在登記難、耗時長、維權難等問題。

1 關鍵技術

1.1 區塊鏈技術

區塊鏈是由多節點參與的分布式數據庫系統，每個節點通過一致性算法擁有相同的賬本信息［13］。區塊鏈本質上是一種鏈式結構，區塊鏈中的所有數據以區塊的形式，按時間順序排列存儲［14］，區塊包含區塊頭和區塊體。區塊頭包含父區塊的哈希值、隨機數、時間戳等，區塊體為交易的集合。

目前已經存在許多區塊鏈平臺，例如超級賬本（Hyper-Ledger）、以太坊（Ethereum）以及FISCO BCOS等。本文使用Hyperledger Fabric開發平臺構建系統，Fabric是開源的區塊鏈開發平臺，它不僅有區塊鏈的去中心化、不可竄改等特點，還提供了更有效率的共識算法、高吞吐量、智能合約等［15］。Fabric是模塊化架構，為應用提供gRPC API接口，使得應用可以通過接口訪問Fabric網絡中的資源，包括交易、賬本、鏈碼等。Fabric的智能合約以鏈碼實現，可以被外部應用程序調用，鏈碼目前支持Java、Go以及Node.js語言［16］。

1.2 星際文件系統

IPFS是一種點對點、內容可尋址的網絡傳輸協議，用于存儲和共享數據。在IPFS網絡中，所有參與者可以互相存儲、請求和傳輸數據。當文件放在IPFS節點中時，每個文件會得到一個基于其內容計算出的唯一哈希值［17］。當被請求訪問文件時，IPFS根據哈希值進行索引獲取文件。IPFS技術通過哈希加密為數據生成不可竄改的IPFS地址，再將地址信息存儲在區塊鏈上，等同于將原始的數據經過簡化成IPFS地址后上鏈，提高了節點的存儲能力，有良好的可擴展性。

1.3 Shazam算法

音頻指紋是通過某種算法從音頻中提取其獨特的數字特征。音頻指紋技術是將待識別的內容與音頻指紋數據庫進行對比匹配，可應用于音樂識別、廣告監播、文件識別等方面。

Shazam算法是Shazam公司提出的音頻指紋提取算法，算法分為音頻指紋提取和匹配。將音頻進行預處理之后，經過短時傅里葉變換可得到頻譜圖［18］，因為頻譜極大值抗噪能力強，又具有近似的線性可加性，所以Shazam算法將頻譜的極大值作為音頻的特征，將復雜的頻譜圖簡化成稀疏的極大值坐標圖，也稱做星狀圖。直接用星狀圖進行音頻之間的對比速度較慢，因此Shazam算法提出一種快速組合哈希的方法進行快速匹配，然后進行特征指紋對比。

1.4 數字音頻水印

數字水印技術是基于內容的信息隱藏技術，將信息直接嵌入數字內容中，嵌入水印后的作品一般仍可正常使用，并且不會被人感知［19］，具備一定的魯棒性。通過水印提取算法，能夠將水印完整去除，不會對原作品產生較大影響。

音頻水印技術是通過修改音頻信號，然后在原始信號中嵌入隱藏信息的技術。音頻水印技術對原始音頻數據進行輕微修改，通常情況下，人的耳朵是無法察覺到已添加水印的音頻與原始音頻的不同。根據對音頻數據的不同處理，音頻水印技術分為時域水印和變換域水印［20］。時域水印直接將水印信息嵌入在信號空間上，其空間負載能力強，但是魯棒性較差；變換域水印是對音頻信號在DWT、DCT和FFT等域中進行水印的嵌入和提取，具有較強的魯棒性［21］。

在將數字水印應用于版權保護應用領域中時，由于盜版者可能會對原始作品進行攻擊，所以對水印算法要求有較高的魯棒性。因此，本文使用基于DWT變換域的水印算法將水印嵌入原始音頻中。

2 系統架構與功能

2.1 系統架構

基于聯盟鏈的音樂版權保護與交易系統架構如圖1所示。

用戶在客戶端注冊，注冊的賬戶由證書公鑰生成，每個用戶通過PKI證書體系獲得唯一的數字證書作為身份標志［22］。

服務端包括合約層、網絡層和存儲層。合約層包括身份校驗、音樂作品查重、記錄音樂的版權信息以及交易信息。網絡層將智能合約的執行與共識機制分離以提高效率［22］。交易流程涉及背書節點、排序節點、記賬節點。背書節點對交易進行校驗、模擬執行和背書；排序節點將交易排序，確定交易的順序。記賬節點對排序后的交易進行校驗，將合法的交易寫入賬本，其流程如圖2所示。由于區塊鏈不適合存儲較大的文件，所以本文將鏈上和鏈下結合，把版權信息和交易信息存儲在區塊鏈，音樂存儲在本地數據庫，音樂特征指紋存儲在IPFS。

3.4 區塊鏈性能測試

為了驗證系統的性能，本文將每秒處理的交易量作為系統吞吐量（TPS）的評判標準。計算不同并發請求下相關的智能合約的吞吐量，將并發數分別設置為10、50、100、200、300、400、500、600、700、800、900和1 000，依次進行10次實驗取平均值。結果如圖9所示。

a）寫操作的吞吐量低于讀操作，即寫操作要比讀操作耗費更多時間。寫操作根據索引值找到數據的位置，當新數據被寫入當前位置時，舊數據需要生成一個歷史版本以實現數據的可追溯性，而讀操作只需要根據索引值搜索數據的位置，并返回數據，因此，寫操作要花費更多的時間。

b）系統的吞吐量隨著并發請求數量的增加而增加，當并發請求數量達到一定的值，由于區塊鏈網絡連接池中的連接數已達到上限，所以該系統的吞吐量趨于穩定，但它不影響每個節點的交易，每個交易都是以隊列的形式完成。

c）版權登記的智能合約的吞吐量保持在65左右，版權信息查詢的智能合約的吞吐量保持在70左右。

最后，本文將本系統與其他系統進行對比，如表4所示。文獻［7］使用聯盟鏈實現了一個音視頻版權保護系統，但是該系統功能較少僅包含版權登記功能；文獻［8］使用私有鏈設計了一個包含版權登記和作品鑒權的文本作品版權認證模型，該模型僅針對文本作品的版權保護，并且私有鏈的參與節點具有嚴格限制且數量少，是一個弱中心化的系統；文獻［9］使用公有鏈實現了包含版權登記和版權交易的數字音樂版權管理系統，所有節點共享，完全開放，但是隨意出入的節點很難達成共識；文獻［12］設計了一種聯盟鏈模式下的數字版權交易系統模型，實現了版權登記和版權交易兩個功能，但是并未細分作品類型，未提出針對不同的作品類型使用具體的算法。本文使用聯盟鏈構建了包含版權登記、版權交易和作品鑒權的音樂版權保護與交易系統，所提的系統功能全面，存儲安全，并且聯盟鏈模擬現實世界中交易由受信任的組織驗證，相較于公有鏈處理速度更快。

4 結束語

如今，越來越多的人喜歡聽音樂來舒緩自己的心情或是創作音樂產生共鳴，但是越來越多的盜版音樂的傳播使得音樂行業的發展受到阻礙，區塊鏈的出現能夠解決目前版權保護存在的問題。本文分析了目前數字音樂版權保護存在的問題，介紹了區塊鏈及其他相關技術，提出一種聯盟鏈模式下的數字音樂版權保護與交易系統，結合區塊鏈、IPFS和MySQL實現數據的安全存儲，本系統具備的功能可滿足音樂版權保護與交易的主要環節，能夠保護創作者的版權，有效提高版權登記效率。實驗表明，本系統的性能良好，能夠滿足用戶的實際需求。當然，系統目前還不夠完善，后續會對Shazam算法進行改進，擴展功能模塊。

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