基于以太坊的數字權限保護系統

王云婷，龐曉瓊，陳錦生，陳文俊，2，楊 婷

1.中北大學 大數據學院，太原 030051

2.中國人民銀行 太原中心支行，太原 030001

隨著互聯網技術的快速發展和普及，數字內容消費已經變得越來越流行，越來越多的人通過網絡瀏覽器或基于移動應用的軟件訪問和購買數字內容，然而，數字內容的非法使用會給內容提供商造成損害。因此，有必要使用數字權限管理來確保數字內容從出版到使用整個流通過程中的安全性[1]。

但是，當前的數字權限保護系統注冊成本高，申請過程復雜，而且花費時間長[2-3]。由于這些原因，很多數字作品創作者不愿意申請數字權限保護，使大量碎片化的數字作品難以得到權限保護。另一方面，傳統DRM（digital rights management）的中心化管理還存在一些不足：內容提供者和消費者之間的權限交易依賴于第三方金融平臺，一旦平臺遭到攻擊，無法保證交易的正常執行；許可證的發放需要許可證服務器，這種方式容易遭受單點故障，導致許可證發放服務終止；權限交易信息和許可證信息都是不透明的，對用戶來說是不友好的。

區塊鏈（blockchain）作為比特幣的重要技術，由于其具有去中心化、不可偽造、公開透明等特點，越來越受到關注[4]。以太坊作為全球第二大區塊鏈平臺，通過調用去中心化的以太虛擬機（ethereum virtual machine）處理預先發布的智能合約，實現用戶在區塊鏈平臺上自定義的邏輯[5]。將區塊鏈技術用于數字權限領域可以很好地解決目前數字版權確權授權中存在的問題。

因此，本系統針對數字音樂版權的確權與授權提供一整套解決方案，利用區塊鏈技術去中心化、不可偽造、公開透明等特點，來解決傳統數字音樂權限管理存在的問題，實現了一個基于區塊鏈的從確權到授權的數字音樂權限保護系統。

1 相關工作

迄今為止，全球的許多科研人員針對數字權限保護進行了大量的嘗試，許多大型的跨國企業也推出了自己的數字權限保護系統。例如微軟公司推出的Windows Media Player，可以保證視頻、音頻在不同設備上的安全播放；蘋果公司針對數字音頻權限保護提出的FairPlay系統；IBM公司提出的針對電子媒體和數字權限保護的EMMS保護方案；國內研究團隊也基于資源數字化、數字圖書出版提出了Apabi解決方案；文獻[6]提出基于P2P的DRM系統設計；文獻[7]基于DOI進行了數字版權管理系統的模型研究；文獻[8]提出基于特征圖像的數字版權保護系統。然而，傳統數字音樂權限保護行業存在的保護難、舉證難、交易難的問題，區塊鏈技術具有去中心化、不可偽造、公開透明等特點，可以利用其解決傳統數字權限保護系統中存在的問題。

隨著區塊鏈技術的興起，全球越來越多的中小型公司將目光集中到區塊鏈權限保護行業，比如國內代表企業紙貴、原本和億書等，以及國外的Monegraph、Colu和Binded等。也有很多學者將區塊鏈技術和數字權限結合起來進行研究，以下是近些年部分學者的研究成果。

文獻[9]總結出整個區塊鏈數字權限保護系統都是一個去中心化的網絡，其框架也具備網絡的基本層次結構，根據數字版權的實現功能應將區塊鏈數字版權保護系統框架分為5層架構。文獻[10]實現的基于區塊鏈的數字權限存根和買賣系統中，包含的大功能模塊有：數字作品發表、版權登記、版權交易、作品鑒權、后臺管理。文獻[11]的系統流程具體為將數字內容的版權關鍵標識存儲至區塊鏈網絡中，當有未授權的人員使用版權時，部署于區塊鏈上的智能合約會被激活，通知區塊鏈網絡中的其他節點進行回溯查詢登記的版權信息，并告知版權擁有者其被侵權。文獻[12]得出智能合約只能簡單的通過哈希算法產生的哈希值來判斷版權是否被侵權，這種方式只有當數值完全相同時才能判斷，而不符合實際應用情況。文獻[13]總結出區塊鏈平臺具有時空局限性，智能合約的操作以及版權的對比都必須在相同區塊鏈網絡中進行，并以智能合約的方式供他人獲取和使用。

本文系統主要使用Python編寫，利用IPFS存儲數字音樂，同時采用多種密碼技術確保運行安全性。系統下設區塊鏈、線上Web、密鑰服務器、線下加密解密4個獨立子系統，通過子系統間相互配合運行，支持版權擁有者在智能合約上設置數字內容不同的使用權限及對應的價格，同時，支持權限購買者快速查詢以供消費。通過智能合約完成權限交易和自動發放許可證，利用區塊鏈記錄權限交易信息和許可證信息，避免了傳統數字權限保護系統中集中式內容服務器容易造成的單點故障問題，實現了無需任何集中服務器的許可證發放功能和權限交易功能，保證了權限信息和交易信息的透明與可信。

2 預備知識

2.1 區塊鏈

區塊鏈從2008年誕生起一共經歷了3個階段。第一階段，即區塊鏈1.0階段，以比特幣等一大批數字加密貨幣為代表，做到了數字貨幣交易的去中心化；第二階段，即區塊鏈2.0階段，以以太坊等可編程區塊鏈平臺為代表，將智能合約同區塊鏈技術相融合，使得用戶可以很容易的在區塊鏈平臺上開發去中心化的應用；第三階段還未到來，目前設想是將區塊鏈技術作為解決信任問題的底層技術，應用于各行各業。

區塊鏈技術的核心架構，由下至上分別為基礎層、核心層和應用交互層，每個層之間又細分為幾個小層。基礎層主要包括區塊鏈中使用的密碼學技術和有關的數據結構；核心層主要是區塊鏈技術的具體實現，比如區塊鏈網絡的各個節點進行共識的共識算法，區塊鏈數據在各個節點傳播的機制；應用交互層主要擴展了智能合約以及側鏈等其他應用，在應用交互層中可以很方便的調用區塊鏈去開發去中心化的應用[14]。

2.2 智能合約

智能合約（smart contract）是一套使用數字方式簽訂的合同，允許在沒有第三方監督的情況下，進行可信賴交易，產生的交易不可篡改且可追溯。這個概念的提出最早可追溯至1995年，其目的是為了降低簽訂合約相關的交易成本。而以太坊在其區塊鏈上實現了近乎完美的智能合約框架，用戶可以很方便的編寫出自定義合約。智能合約的條款是由代碼確定的。由于代碼邏輯的明確性，比起自然語言，更加不容易產生歧義。其存儲和部署在區塊鏈網絡中，而網絡中的節點相互獨立，都擁有同一份副本，因此合約內容幾乎不可能被篡改。同時區塊鏈中也保存了合約的執行記錄，可以作為永久的交易憑證。合約的創建和執行都依賴于區塊鏈協議，所以合約執行的強制力可以保證。

2.3 IPFS

星際文件系統（interplanetary file system，IPFS）是一個對等的分布式文件系統。此星際文件系統提供了一個具有內容尋址超鏈接的高吞吐量的內容尋址塊存儲模型，結合了分布式哈希表（DHT）、激勵塊交換和自認證命名空間等技術。同時，它沒有中央服務器，不會產生單點故障，數據分布和存儲在世界各地。它的使用方式是我們將文件上傳到IPFS系統時，將獲得一個唯一的文件加密哈希字符串，通過該字符串可以檢索到上傳的文件。由于區塊鏈不適合儲存大文件，將加密文件儲存在IPFS中。

3 數字權限保護系統設計與實現

3.1 系統結構

本系統是基于以太坊的數字權限保護系統，核心是調用預先發布在以太坊區塊鏈網絡中的智能合約。因智能合約調用十分抽象，遵循以人為本的設計思路，編寫了一套Web端的交互程序，交互程序負責與智能合約進行交互，并提供人性化的圖形界面供用戶使用。通過交互程序，版權擁有者可以很方便的進行版權確權工作，權限購買者可以很方便地進行權限購買。除此之外，交互程序還提供諸如版權上鏈信息查詢、版權授權信息查詢、版權權限升級、退款等便捷功能，交互程序在運行過程中需協同區塊鏈、密鑰服務器、線下加密解密程序一起工作。

基于以太坊的數字權限保護系統主要包括四個子系統，分別為區塊鏈子系統、Web端子系統、密鑰服務器子系統、線下加密解密子系統，它的系統結構模型如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的數字權限保護系統的系統結構模型Fig.1 System structure model of digital rights protection system based on blockchain

（1）版權擁有者向線下加密解密子系統提交版權文件。

（2）線下加密解密子系統返回加密版權文件和加密密鑰給版權擁有者。

（3）版權擁有者提交版權信息、加密版權、加密密鑰給Web子系統。

（4）Web子系統將加密版權傳送至IPFS平臺，得到IPFS哈希值。

（5）Web子系統發送版權審核費用未簽名交易數據給版權擁有者。

（6）版權擁有者使用以太坊賬戶私鑰簽名版權審核費用交易數據并發送交易給區塊鏈。

（7）交易成功后，智能合約將審核費用交易信息寫入區塊鏈。

（8）Web子系統發送版權信息和加密密鑰至密鑰服務器子系統。

（9）密鑰服務器子系統采用shamir秘密分享方案和橢圓ECC加密加密密鑰。

（10）版權鑒定符合相關標準，密鑰服務器子系統將版權信息上鏈。

（11）版權鑒定不符合相關標準，主密鑰服務器子系統通知Web子系統將結果存至后臺數據庫。

（12）區塊鏈返回版權唯一標識信息給Web子系統。

（13）權限購買者將權限購買信息會發送至Web子系統。

（14）Web子系統發送權限費用未簽名交易數據給權限購買者。

（15）權限購買者使用以太坊賬戶私鑰SK簽名權限費用數據并發送交易給區塊鏈。

（16）付款成功后，智能合約將購買信息寫入區塊鏈并生成購買唯一標識。

（17）區塊鏈返回購買版權信息和購買唯一標識給Web子系統。

（18）Web子系統將購買唯一標識和購買版權信息發送給密鑰服務器子系統。

（19）密鑰服務器子系統解密先前的加密子密鑰并使用權限購買者公鑰將版權的子密鑰進行橢圓ECC加密，再將其打包成加密子密鑰。

（20）密鑰服務器子系統將加密子密鑰上傳至IPFS平臺，得到密鑰IPFS哈希碼。

（21）IPFS返回密鑰IPFS哈希碼給密鑰服務器子系統。

（22）密鑰服務器子系統將得到的密鑰IPFS哈希碼、購買唯一標識和加密子密鑰打包成許可證，上傳至區塊鏈平臺。

（23）區塊鏈返回許可證給Web子系統。

（24）權限購買者向Web子系統請求下載加密子密鑰和版權加密文件。

（25）Web子系統返回加密子密鑰和版權加密文件給權限購買者。

（26）權限購買者向線下加密解密子系統提交加密子密鑰和版權加密文件。

（27）線下加密解密系統進行版權的解密，返回解密版權給權限購買者。

本系統最核心的兩個功能為版權的確權和授權，確權即版權信息上鏈，授權即權限鏈上購買。下面將詳細說明版權確權、授權過程中各子系統所進行的工作。文中用到的符號定義如表1所示。

表1 相關符號定義Table 1 Definition of related symbols

3.2 版權確權

版權確權時序圖如圖2所示，該時序圖重點關注版權確權時各個系統執行的順序，默認版權擁有者已注冊Web子系統用戶賬戶和以太坊賬戶，且已經在線下加密解密端子系統和Web端子系統進行登錄。版權確權時序圖說明如下：

圖2 版權確權時序圖Fig.2 Copyright confirmation sequence diagram

版權擁有者在線下加密解密子系統使用AES 128位CBC模式加密待發布版權文件RS后，得到加密版權文件ERS和加密密鑰EK，其中加密密鑰是由秘密分割的五個加密子密鑰構成。

版權擁有者登陸線上網站進入版權發布頁面，填寫版權信息RI，并上傳加密版權ERS和加密密鑰EK，點擊發布按鈕，版權信息RI、加密版權ERS、加密密鑰EK會發送至Web子系統后端，Web子系統后端將加密版權傳送至IPFS平臺后得到IPFS哈希值，并和Web子系統數據庫中IPFS哈希值對比，若出現相同值，返回錯誤信息。否則，Web子系統將版權信息存至其數據庫備份，并發送版權審核費用未簽名交易數據RAF給本地MetaMask錢包。

版權擁有者使用本地MetaMask錢包中的以太坊賬戶私鑰SK簽名版權審核費用交易數據，并發送交易給區塊鏈，即使用以太坊賬戶支付版權審核費用。交易成功后，版權擁有者等待系統響應，智能合約會將審核費用交易信息寫入區塊鏈。

Web子系統后臺會監視到版權擁有者付款，并將其數據庫中暫存版權信息和加密密鑰發至密鑰服務器子系統。

密鑰服務器子系統下分主密鑰服務器MK和五個獨立的子密鑰服務器OK n。主密鑰服務器將接收到的加密密鑰采用shamir秘密分享方案分割成五份子密鑰EK n分別發送給5個子密鑰服務器存儲，再分別使用五個不同的子密鑰服務器的公鑰POK n進行橢圓ECC加密，得到五個加密子密鑰EK n，發送完后通知信賴第三方音樂鑒定機構進行版權鑒定，同時將版權信息存至主密鑰服務器后臺數據庫。鑒定完成后信賴第三方鑒定機構通知主密鑰服務器鑒定結果，若符合相關標準，主密鑰服務器將暫存其數據庫中的版權信息上鏈；若不符合相關標準，主密鑰服務器會通知Web子系統，Web子系統會將結果存至后臺數據庫。

Web子系統后臺監視到版權信息上鏈后，將版權上鏈唯一標識信息ID存至Web子系統后臺數據庫，權限購買者便可在Web前端瀏覽、購買權限，至此版權確權工作完成。

3.3 版權授權

版權授權時序圖如圖3所示，該時序圖重點關注版權授權時各個系統執行的順序，默認權限購買者已注冊Web子系統用戶賬戶和以太坊賬戶，且已經在線下加密解密端子系統和Web端子系統進行登錄。

圖3 版權授權時序圖Fig.3 Copyright authorization sequence diagram

版權授權時序圖說明如下：

權限購買者在成功登陸線上網站后挑選權限，點擊購買后，若購買版權的權限2[15]至權限6，則需填寫授權項目名稱，若是購買權限1則直接購買，填寫完畢后，權限購買信息RPI會發送至Web子系統。Web子系統將權限購買者購買的信息打包并存至后端數據庫備份之后，發送權限費用未簽名交易數據RF給本地MetaMask錢包。

權限購買者使用本地MetaMask錢包中的以太坊賬戶私鑰SK簽名權限費用數據，并發送交易給區塊鏈，即使用以太坊賬戶支付權限費用。付款成功后，權限購買者等待系統響應，智能合約會將權限購買者購買信息寫入區塊鏈，并生成購買唯一標識ID。

Web子系統后臺會監視到權限購買者購買，并將購買信息存置其后臺數據庫。

權限購買者在Web子系統前端個人中心頁面“我的版權”中找到購買的權限，點擊確認購買選項后，Web子系統將唯一標識ID和購買信息RPI發送給密鑰服務器子系統。

密鑰服務器子系統下分主密鑰服務器MK和五個獨立的子密鑰服務器OK n。主密鑰服務器收到信息后將權限購買者的公鑰PK傳送給3個子密鑰服務器，子密鑰服務器利用其私鑰SOK n解密先前的加密子密鑰EK n，并在本地使用權限購買者公鑰將版權的子密鑰進行橢圓ECC加密，并發送的給主密鑰服務器，主密鑰服務器將3個新的加密子密鑰打包后的加密子密鑰ESK上傳至IPFS平臺，得到密鑰IPFS哈希碼hESK后連同權限購買者購買唯一標識ID打包成許可證LIC，上傳至區塊鏈平臺。

Web端子系統監視到許可證上鏈后，將許可證信息存至Web端后臺數據庫。權限購買者在Web子系統前端點擊下載密鑰和版權加密文件，并將下載后的文件使用以太坊賬戶登錄線下加密解密系統使用shamir門限秘密共享方案恢復完整加密密鑰進行版權的解密，至此版權授權工作完成。

4 系統實現與測試

基于以太坊的數字權限保護系統主要包括四個子系統，分別為區塊鏈子系統、Web端子系統、密鑰服務器子系統、線下加密解密子系統，4個子系統均獨立運行并相互配合。在處理用戶請求時，4個子系統之間需要進行通訊，其中Web子系統和密鑰服務器通過HTTP協議與區塊鏈進行交互，Web子系統通過TCP自定義應用層協議與密鑰服務器進行交互。Web子系統監聽端口，線下加密解密子系統將加密后的文件通過HTTP協議連接上傳至Web子系統，所有通信都配備了相關安全協議。系統結構設計圖如圖4所示。

圖4 系統結構設計圖Fig.4 System structure design diagram

系統測試部分主要進行了版權確權功能測試和版權授權功能測試，前一部分測試主要分為版權確權、權限售賣查詢測試，主要包含功能為線下版權加密、版權信息上鏈、版權上鏈信息查詢、權限售賣查詢。后一部分測試主要分為權限購買、版權解密測試，主要包含功能為權限購買信息上鏈、購買權限退款、購買權限升級、購買版權線下解密。

版權擁有者加密待發布版權，填寫版權信息，管理員審核上鏈，返回版權唯一標識ID，個人中心中可向版權擁有者郵箱返回權限售賣信息詳情。

用戶選擇權限，付款成功后，在個人中心-我的版權中找到購買權限，點擊確認購買選項后，下載密鑰和版權加密文件，可解密版權文件。購買兩小時內，若未確認購買，可進行退款，若超過兩小時，默認確認購買。在權限到期前，可以升級版權權限，升級后原權限作廢，升級只需支付新權限與原權限之間差價。

4.1 性能分析

在這部分中，將通過實驗測試分析系統的性能和實用性。PC機硬件配置為AMD Ryzen7 4800H處理器，16 GB內存，操作系統為Ubuntu 18.04LTS 64位，編譯器為Remix，程序設計語言是Solidity 0.5.1+。

以太坊區塊鏈在以太坊虛擬機（EVM）中運行交易觸發代碼，以太坊中的消耗，發送、存儲和執行計算等都以gas為單位表示，EVM中的每一步操作都有一個固定的消耗值，被稱為消耗的gas，gas price是單位gas的價格（用以太幣計算），實際交易成本的計算方式為二者的乘積，我們是在北京時間2020年7月1日進行的實驗，以太坊開盤價為1 ether=226.13 USD，gas price=2 Gwei，1 Gwei=109wei=10-9ether。

在本文系統中，智能合約被部署在Ropsten測試網絡中，部署合約賬戶地址為0x3D25C06465351fD529 164e9Ff5355A67333Ba34e用戶賬戶地址：0xAb2c4077 a1b5C73a92B03a0cee04bC2D0Cc38e0a智能合約地址為0x2eeb9a733691760320adc675149825d4e1fa9689利用智能合約分析了以下操作的花費，版權擁有者設置每個版權權限交易手續費，成為版權發布者的押金及審核花費為＄1.089 042，版權擁有者設置每個版權權限對應價格即addProductToStorageByAdmin花費為＄0.163 492，版權擁有者將加密版權上鏈需要支付版權審核花費即addProductToStorageByUser花費為＄0.019 899，版權擁有者將版權狀態重新寫入即modifyProduct花費為＄0.019 447，超級管理員（合約發布者）授權其他賬戶為管理員即modifyKeyManager花費為＄0.019 447，權限購買者獲取許可證即purchase花費為＄0.087 060，權限購買者進行權限升級即update花費為＄0.113 291，管理員上傳版權許可證即uploadLicense花費為＄0.156 030，權限購買者交易退款即refundMoney花費為＄0.031 658，版權擁有者狀態轉換即refundMoney花費為＄0.018 769。可在測試鏈官方網站https//ropsten.etherscan.io/使用上述地址查詢測試數據。如表2所示評估表明本系統所消耗的成本是可接受的。

表2 智能合約花費測試Table 2 Smart contract cost test

4.2 安全性分析

本系統結合了分布式存儲系統IPFS、以太坊、智能合約和各種對稱以及非對稱加密算法，比傳統DRM系統具有更多的優勢。首先，本系統采用IPFS來存儲加密的數字內容，保證數字音樂的永久性儲存，能夠有效解決由于內容服務器停止運行造成的單點故障問題。此外，我們將加密的內容密鑰存儲在智能合約中，使用智能合約發布和交易數字權限，從而去除許可證服務器，避免因意外而影響正常工作。且智能合約自動分配所有利益，去除第三方金融平臺，保障了所有參與方的利益，保證了交易的公平與可信。其次，本系統中版權擁有者通過智能合約直接交易數字權限和發放許可證，令數字權限的售賣情況儲存在區塊鏈上，使得售賣信息變得公開透明和真實可信。在一定程度上保證了用戶隱私，也對用戶更加友好，使得版權擁有者可以擁有更大的自主權和獲得更多利益回報。最后，版權擁有者使用AES算法對數字內容進行加密，并將其存儲在IPFS存儲節點中，存儲節點不能獲得數字內容的任何明文信息。數字內容的加密密鑰采用Shamir秘密共享算法和ECC橢圓曲線加密算法進行加密及密鑰交換，并存儲在智能合約中。只有已成功獲得相應許可證的用戶才能解密加密的內容密鑰并根據許可證中包含的權限使用數字內容。

也分析了兩種典型攻擊類型（DoS攻擊和竊聽攻擊）下系統的安全性：（1）本文所述方案采用區塊鏈技術，沒有真正意義的中心服務器，當一個節點受到惡意DoS攻擊時，此節點發生故障，但系統中的其他節點仍能正常工作。由此延伸，當多個節點受到攻擊且發生故障時，系統中的其他節點仍能正常工作，整個系統可以維持正常功能，避免了單點故障，抵御了DoS攻擊。（2）對版權文件、加密密鑰和加密子密鑰進行加密處理，沒有相應的加密密鑰、加密子密鑰和購買者公鑰無法解密。因此，在提出的系統中，能防止竊聽攻擊。

理論證明，系統可以抵御這兩種攻擊，系統是安全的。

5 總結與展望

本系統針對數字音樂版權的確權與授權提供一整套解決方案，利用區塊鏈技術去中心化、不可偽造、公開透明等特點，解決傳統數字音樂權限保護行業存在的保護難、舉證難、交易難的問題。實現了一個基于區塊鏈的從版權確權到授權的數字音樂權限保護系統。

當然本系統也存在缺陷，如為了隱私問題，搭建的以太坊區塊鏈網絡為聯盟鏈，只有授權的節點才能加入區塊鏈網絡，并不是完全的去中心化；又如雖然在智能合約上進行了限制，使得用戶無法直接獲取區塊鏈上的隱私信息，但是仍存在信息泄露的風險。若要想實現完全的去中心化應用的開發，用戶隱私問題必須重視，這需要對區塊鏈的底層實現進行相應的二次開發，而不是只停留在頂層，即應用層已經實現的技術。這還需要今后繼續學習，在區塊鏈底層實現上繼續前進。