基于區(qū)塊鏈的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型研究

陳 潮

（浙江警察學院計算機與信息安全系，杭州 310053）

0 引言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，以視頻監(jiān)控為代表的數(shù)字安防技術(shù)在社會各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，國家、企事業(yè)單位和個人在重要場所普遍安裝各種視頻監(jiān)控設(shè)備，視頻監(jiān)控設(shè)備每時每刻產(chǎn)生海量視頻數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)的安全存儲和可靠共享成為一大難點［1-2］。公安機關(guān)在調(diào)解群眾糾紛和辦理案件過程中，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)是一種極其重要的電子證據(jù)，成為調(diào)解好群眾糾紛和偵破案件的關(guān)鍵證據(jù)之一，而各單位的視頻監(jiān)控設(shè)備存在由于設(shè)備老舊、維護不利和管理不善等原因?qū)е乱曨l數(shù)據(jù)丟失和被篡改等問題，也存在為掩蓋違法犯罪行為而主動刪除視頻數(shù)據(jù)等行為。區(qū)塊鏈具有分布式存儲、去中心化、不可篡改和可溯源等特點，但區(qū)塊鏈存儲數(shù)據(jù)容量有限，無法滿足視頻數(shù)據(jù)的存儲要求，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)也無法承載海量視頻數(shù)據(jù)的傳輸，而云存儲具有存儲容量大和訪問便捷等特點。結(jié)合區(qū)塊鏈和云存儲的優(yōu)點，提出一種云存儲與區(qū)塊鏈相結(jié)合的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型，可有效檢測視頻數(shù)據(jù)的真實性和完整性，在一定程度上防止視頻數(shù)據(jù)的篡改和刪除［3-4］。

1 區(qū)塊鏈

以比特幣為代表的數(shù)字貨幣的興起，引起各領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，興起學習和研究的熱潮，通過對比特幣底層技術(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)其核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是區(qū)塊和鏈，底層核心技術(shù)也被學者們命名為區(qū)塊鏈技術(shù)。區(qū)塊鏈是點對點傳輸、非對稱加密技術(shù)、哈希算法、共識算法、激勵機制和博弈論等眾多技術(shù)和理論的集成創(chuàng)新，區(qū)塊鏈技術(shù)雖未提出新的技術(shù)，但是具有重大的創(chuàng)新意義［5-7］。區(qū)塊鏈由區(qū)塊和鏈構(gòu)成，各區(qū)塊通過哈希指針前后連接成一條完整的區(qū)塊鏈，區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩個部分構(gòu)成，以比特幣為例，其中區(qū)塊頭由前一區(qū)塊哈希值、時間戳、區(qū)塊版本號、隨機數(shù)、難度和梅克爾樹根等字段組成，區(qū)塊體由大量的轉(zhuǎn)賬交易構(gòu)成。區(qū)塊鏈根據(jù)各節(jié)點加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是否需要授權(quán)，分為許可鏈和非許可鏈，非許可鏈允許任何節(jié)點隨時加入和離開區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，典型的代表就是比特幣，是一種完全去中心化的區(qū)塊鏈。許可鏈中任何節(jié)點需要獲得許可才能加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，許可鏈又分為私有鏈和聯(lián)盟鏈，私有鏈適合用于一個企事業(yè)單位內(nèi)部，是一種中心化的區(qū)塊鏈，聯(lián)盟鏈適用于跨部門跨單位之間，是一種部分中心化的區(qū)塊鏈，視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲和管理涉及設(shè)備所在單位、上級主管單位和監(jiān)管部門，因此視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲模型適合采用聯(lián)盟區(qū)塊鏈。

2 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型

監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型中各單位配置監(jiān)控設(shè)備、視頻處理服務(wù)器、區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器和云存儲服務(wù)器，視頻處理服務(wù)器是單位內(nèi)部視頻數(shù)據(jù)存儲的中樞，區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器構(gòu)建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，存儲模型采用云存儲技術(shù)和聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)，云存儲技術(shù)實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的海量存儲和便捷訪問，區(qū)塊鏈技術(shù)確保上鏈數(shù)據(jù)無法篡改，結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢，確保視頻數(shù)據(jù)的真實性和完整性，在一定程度上可以有效防止人為刪除和篡改監(jiān)控設(shè)備視頻數(shù)據(jù)［8-10］。

2.1 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型架構(gòu)

視頻監(jiān)控所在單位、上級主管單位和監(jiān)管單位通過互聯(lián)網(wǎng)連接，構(gòu)成聯(lián)盟區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點，單位節(jié)點負責產(chǎn)生交易數(shù)據(jù)和構(gòu)建區(qū)塊，上級主管單位節(jié)點和監(jiān)管部門節(jié)點負責交易數(shù)據(jù)的驗證和查詢，每個節(jié)點配置區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器，各個區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器采用點對點技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控視頻元數(shù)據(jù)的共享和同步，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型架構(gòu)如圖1所示。

單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控設(shè)備、云存儲服務(wù)器和視頻處理服務(wù)器。監(jiān)控設(shè)備輸出視頻數(shù)據(jù)，云存儲服務(wù)器存儲監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)，視頻處理服務(wù)器對監(jiān)控輸出的視頻數(shù)據(jù)以固定時間為單位分片，并計算分片視頻的哈希值，將分片視頻的哈希值等元數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈，從而實現(xiàn)監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的安全存儲和防篡改。

2.2 監(jiān)控視頻區(qū)塊鏈

各單位因安防的需要，配置大量的監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控設(shè)備輸出的視頻數(shù)據(jù)容量巨大，單個區(qū)塊鏈難以承載存儲全部監(jiān)控設(shè)備輸出視頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，也會導(dǎo)致視頻數(shù)據(jù)的查詢效率低下等問題，因此監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型采用多條區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，每個監(jiān)控設(shè)備對應(yīng)一個區(qū)塊鏈，每個區(qū)塊鏈由首區(qū)塊和視頻區(qū)塊構(gòu)成，所有監(jiān)控設(shè)備的區(qū)塊鏈首區(qū)塊都鏈接匯聚到創(chuàng)世區(qū)塊，創(chuàng)世區(qū)塊由上級主管單位和監(jiān)管單位協(xié)作生成，整體區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，當一單位安裝新的監(jiān)控設(shè)備時，由監(jiān)控設(shè)備所在單位的視頻處理服務(wù)器創(chuàng)建監(jiān)控設(shè)備首區(qū)塊，監(jiān)控設(shè)備視頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)作為交易，構(gòu)建視頻區(qū)塊［11-12］。

2.3 區(qū)塊鏈區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控設(shè)備對應(yīng)的區(qū)塊鏈由監(jiān)控設(shè)備首區(qū)塊和視頻區(qū)塊構(gòu)成，視頻處理服務(wù)器生成監(jiān)控設(shè)備首區(qū)塊，視頻區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成，區(qū)塊頭包含前一區(qū)塊哈希值、時間戳、區(qū)塊版本號、監(jiān)控設(shè)備編號、區(qū)塊哈希值、視頻總數(shù)和梅克爾樹根等字段，區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。區(qū)塊體由監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)構(gòu)成，元數(shù)據(jù)包含監(jiān)控設(shè)備所在單位編號、監(jiān)控設(shè)備編號、視頻數(shù)據(jù)編號、視頻證據(jù)數(shù)字簽名、視頻數(shù)據(jù)哈希值和視頻數(shù)據(jù)時間等，元數(shù)據(jù)的字段構(gòu)成見表1。視頻處理服務(wù)器負責對監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)以1分鐘為單位進行分片，每個監(jiān)控設(shè)備每天產(chǎn)生1440 個分片視頻，1440 個分片視頻的哈希值等元數(shù)據(jù)作來交易構(gòu)建梅克爾樹，即1440 個葉子節(jié)點，以2片葉子節(jié)點為一組計算哈希，然后每2片相鄰的葉子節(jié)點聯(lián)合起來做一次哈希計算成為上層葉子節(jié)點的哈希值，持續(xù)向上層計算就產(chǎn)生了一個最頂層的節(jié)點的哈希值，即為梅克爾樹根，該值存儲在視頻區(qū)塊頭中，當任何一個元數(shù)據(jù)發(fā)生變化，將導(dǎo)致梅克爾樹根的變化，從而改變視頻區(qū)塊哈希值，無法維持各區(qū)塊之間的鏈接，因此該區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計上確保區(qū)塊鏈上鏈數(shù)據(jù)無法篡改。

表1 視頻區(qū)塊體交易（元數(shù)據(jù)）字段

圖3 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.4 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲

監(jiān)控視頻的產(chǎn)生、處理、傳輸和存儲過程涉及監(jiān)控設(shè)備、視頻處理服務(wù)器、云存儲服務(wù)器和區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的存儲過程如圖4所示。

圖4 監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲流程

下面以單位A 的監(jiān)控設(shè)備為例說明，具體步驟如下：

（1）監(jiān)控設(shè)備經(jīng)所在單位授權(quán)后，安裝部署在單位內(nèi)部，并連接單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

（2）監(jiān)控設(shè)備通過單位內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)向視頻處理服務(wù)器傳輸產(chǎn)生的視頻。

（3）視頻處理服務(wù)器對監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)以固定時間為單位進行分片，將分片視頻傳輸給云存儲服務(wù)器。

（4）云存儲服務(wù)器接收分片視頻，存儲后返回結(jié)果。

（5）視頻處理服務(wù)器計算出分片視頻的哈希值，將監(jiān)控設(shè)備所在單位編號、監(jiān)控設(shè)備編號、視頻數(shù)據(jù)編號、視頻證據(jù)數(shù)字簽名、視頻數(shù)據(jù)哈希值和視頻數(shù)據(jù)時間等元數(shù)據(jù)傳輸給單位區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器。

（6）區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器以元數(shù)據(jù)構(gòu)建交易，并通過點對點網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈各節(jié)點服務(wù)器。

（7）區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器運行共識算法，確定構(gòu)建新區(qū)塊的區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器，該節(jié)點服務(wù)器采集交易數(shù)據(jù)構(gòu)建新的區(qū)塊，并將新區(qū)塊通過點對點網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈各節(jié)點服務(wù)器。

（8）區(qū)塊鏈各節(jié)點服務(wù)器對接收到的新區(qū)塊進行驗證，驗證通過則確認為最新的區(qū)塊。

（9）區(qū)塊鏈節(jié)點服務(wù)器向視頻處理服務(wù)器反饋元數(shù)據(jù)上鏈的結(jié)果。

3 結(jié)語

監(jiān)控設(shè)備廣泛應(yīng)用在安防領(lǐng)域，產(chǎn)生海量的視頻數(shù)據(jù)，由于管理不善、維護不力和人為刪除等原因往往導(dǎo)致監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的丟失或篡改。在研究云存儲和區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)塊鏈去中心化、難篡改和可溯源等特性，提出一種基于區(qū)塊鏈的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲模型，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)存儲在單位內(nèi)部的云存儲服務(wù)器，監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的哈希值等元數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈，區(qū)塊鏈中的哈希值用于驗證視頻數(shù)據(jù)的真實性，充分發(fā)揮云存儲和區(qū)塊鏈的優(yōu)勢，在一定程度上解決監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的丟失和篡改問題，對于提高監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的安全性和可靠性有一定的應(yīng)用價值。