條件接收系統中基於產品和用戶分別分組的密鑰分配方法
2023-05-14 16:51:11
專利名稱：條件接收系統中基於產品和用戶分別分組的密鑰分配方法
技術領域：
本發明提供一種基於雙重分組的密鑰分配方法，用於數位電視版權管理中的條件接收系統，便於在系統前端的伺服器上實現密鑰的計算和生產；該結構能夠有效的控制密鑰的計算量和對傳輸帶寬的佔用，而且可以通過對分組大小的調節來實現帶寬佔用和計算複雜度之間的均衡調節，從而提高系統靈活性。
背景技術：
數字版權管理是數位電視系統中的重要一環，目前主要是通過條件接收系統來對收視用戶進行有效的授權和管理。其中，條件接收系統的加密算法和加密結構至關重要。一個算法的安全性高低程度，可以從兩個方面來評價①破解難度很顯然，一個加密算法的破解難度越大，其安全性越高。當然，也可能會因此而使得算法本身在加解密時的計算複雜度和數據存儲空間增加。
②變化頻度即密鑰的變換頻率。假設在相同的攻擊能力和計算速度前提下，破解兩個不同的加密算法A、B所需要花費的最大可能時間分別是ta＝1年、tb＝1月；顯然，算法A的破解難度遠大於算法B，但是如果算法A、B的密鑰變化周期分別是τa＝1年、τb＝1天，(ta/τa＝1、tb/τb＝30)，即對破解難度低的算法採取相對更快的密鑰變化頻率時，則很難說二者到底哪個安全度更高。
因此，條件接收系統一般由多級加密結構組成，不同的加密算法之間，破解難度由低至高遞增，而密鑰變化頻率則由高至低遞減，從而實現安全性和靈活性的協調與搭配。
典型的條件接收系統結構描述如下a)通過控制字(Control Word，CW)對明文傳輸流(TS，Transport Stream)進行加擾，得到密文傳輸流並發送給終端用戶；該算法一般比較簡單、快速，而CW變化周期則比較短，如5～30秒；b)通過密鑰K1對控制字CW進行加密，得到授權控制ECM(Entitle Control Message)信息並發送給終端用戶；該算法的難度居中，K1的變化周期居中，如1天或1周；c)通過密鑰K2對密鑰K1進行加密，得到授權管理EMM(Entitle Manage Message)信息並發送給終端用戶；該算法難度相對較高，K2的變化周期則較長，如1年；而在用戶端，解密順序則正好相反先根據EMM解密出K2，再根據K2解密出K1，然後再根據K1解密出CW，最後則通過CW將密文傳輸流進行解擾，得到可以收看的明文傳輸流。
對於加密算法，主要分為對稱加密和非對稱加密兩類。對稱加密算法是指加密和解密使用的是同一個密鑰，密鑰本身的傳輸安全和保密性就非常重要； 而非對稱加密算法則不同，加密時使用的是一個可以對外公開的密鑰--公鑰，而解密時則必須使用另外一個密鑰--私鑰，不需要直接傳輸密鑰，這樣就避免了密鑰在傳輸時被破解的可能。
比較典型的一種非對稱算法是RSA算法(以三位算法發明人的姓名首字母命名)，對RSA算法的原理描述如下a)隨意選擇兩個大的質數p和q，p≠q，計算N＝pq，並公開N。
b)選擇一個自然數e∈[2，N-1]，且e與Φ(N)互素。這裡，Φ(N)為歐拉函數，Φ(N)＝(p-1)(q-1)。
c)利用同餘公式計算d的值d×e≡1modΦ(N)；例如，8和3在模5的情況下同餘，即8≡3mod5；同理，9≡1mod4；d)將p和q的記錄銷毀；(e，N)作為公鑰，d作為私鑰。
假設甲想給乙送一個消息m，他可以先按照與乙約定好的規則將m轉換為一個小於N的整數n，然後根據乙發布的公鑰(e，N)，用如下公式將n加密為cc≡nemodN於是，甲可以很容易的計算得到c，並將c作為密文發送出去。
乙得到甲發來的密文c之後，就可以根據自己手裡的私鑰d，按如下公式來解碼n≡cdmodN，同樣，乙可以很容易的計算得到n，並根據約定規則從n恢復出原始消息m。通信完畢！此外，可以利用中國剩餘定理、根據多個授權用戶的公鑰來聯合對明文進行加密，加密後的密文可以通過任意一個授權用戶的私鑰進行解密而得到正確的明文，但是非授權用戶的私鑰則無法正確解密。
在實際的數位電視授權系統中，由於用戶數量龐大，加上密鑰的定期更新以及數據的實時處理等等特點，在保證系統安全的前提下，確保合理的數據計算量和傳輸帶寬消耗成為比較關鍵的考慮因素，也是比較突出的設計難點。目前，在已知的授權系統當中，一般採用的是比較單一的分組方案、或者比較單一的加密算法，導致實際的數據計算量比較大，或者對數據的傳輸帶寬的消耗比較大，從而不利於系統的靈活更新和動態變化。
發明內容
本發明提出了一種基於雙重分組的密鑰分配方法，用以克服一般授權管理結構中計算量過於龐大，或者對傳輸帶寬消耗過高等缺點。
本發明所採用的雙重分組結構，主要包括以下兩個方面1、對節目進行分組--每個分組對應於一個產品。為不同的節目選擇不同的密鑰以及相互正交的節目向量，根據產品所包含的節目以及產品密鑰而計算出產品向量。節目分組可以實現對前端數據的分類和簡化，有利於降低數據的計算量和傳輸量，同時也可以降低用戶端的硬體工作負擔。
2、對用戶進行分組。系統為每一個用戶分配唯一的用戶地址(UID)，通過使用掩碼(mask)方式來實現對用戶地址進行分組，並且可以通過調節掩碼的值來改變分組的大小。通過從節目到用戶組的授權對應關係，利用中國剩餘定理，計算每一個節目在每一個用戶組內的授權密鑰--節目組密鑰。
本發明的特徵在於，該方法是在數位電視版權管理中的條件接收系統內前端伺服器上的下述方法實現的步驟(1)，節目分組把所有節目ch1、ch2、…、chm的集合記為P0，即P0＝{ch1、ch2、…、chm}；同時，將所有節目進行分組，每一個節目分組稱為一個產品，允許同一個節目同時歸屬於不同的產品，把不同的產品記為Pj，j＞0，Pj是的P0的子集；步驟(2)，用戶分組把所有用戶u1、u2、…、un的集合記為G0，即G0＝{u1、u2、…、un}；同時，將所有用戶進行分組，把不同的用戶分組分別記為Gk，k＞0，Gk是G0的子集；在條件接收系統已定義的用戶地址範圍內，通過改變掩碼值來改變用戶分組的大小和範圍，以便於對設定範圍、設定數量、用戶進行密鑰分發和管理。
步驟(3)，條件接收系統利用設定的控制字CW加擾明文傳輸流TS；步驟(4)，條件接收系統按以下步驟選擇節目向量Vi和節目密鑰αi，用於加密控制字CW，形成授權控制ECM數據，向終端用戶發送；步驟(4.1)，在m維向量空間a1、a2、…、am內，m≥節目數量，系統為每個節目chi選擇一個向量vi，並使得不同的vi之間相互正交，例如(1，0，0，…，0)、(0，1，0，…，0)、(0，0，1，…，0)、…、(0，0，0，…，1)；同時，系統還為每個節目chi任意選擇一個相應的數字αi，αi即為節目密鑰，並由此形成一個節目向量chi＝αi·vi；
步驟(4.2)，該系統公開vi，並用αi對節目chi的加擾控制字CWi進行加密，得到授權控制ECM數據並發送到終端用戶；步驟(5)，按以下步驟，根據產品Pj的密鑰βj以及產品所包含的節目，計算產品向量Pj；步驟(5.1)，該系統為一個包含有多個節目的產品Pj任意選擇一個密鑰βj，該系統通過密鑰βj對該產品Pj內的每個節目的密鑰αi按下式進行變化αi』＝F(αi，βj)，其中，αi』為節目chi變換後的密鑰，F(αi，βj)是一種設定的加密算法；步驟(5.2)，該系統按下式得到產品Pj的向量Pj=chiPjivi=chiPjF(i,j)vi;]]>步驟(5.3)，該系統把向量Pj的值發送到終端用戶，同時把所選βj的值加密之後得到產品組密鑰，以授權管理EMM數據的形式發送到用戶端；步驟(6)，該系統按以下步驟生成產品組密鑰步驟(6.1)，該系統按RSA算法得到每個用戶um的公鑰em、Nm，以及私鑰dm，並且使得Nm在不同用戶之間互素；步驟(6.2)，該系統按下式對n進行加密，得到密文cc≡nemodN，記為c＝En(e，N)，其中，n是一個事先按照該系統與各用戶約定好的規則把明文傳輸流轉換成一個小於N的整數，「≡」符號表示「同餘」，上式表示c與ne在模N的情況下同餘，即在被N除時餘數相同；步驟(6.3)，該系統利用某個用戶組Gk內的多個用戶uk1、uk2、…、ukm的公鑰按下式建立同餘組PGKjk=Ej(Ek1,Nk1)modNk1PGKjk=Ej(Ek2,Nk2)modNk2...PGKjk=Ej(Ekm,Nkm)modNkm]]>其中，PGKjk為產品Pj對用戶組Gk的產品組密鑰；步驟(6.4)，該系統利用中國剩餘定理，從步驟(6.3)的同餘組中得出產品Pj對用戶組Gk的產品組密鑰PGKjkPKGjk=[s=1msMkNksEj(eks,Nks)]modMk]]>其中，Mk=s=1mNks,]]>λs要滿足以下條件sEj(eks,Nks)1modNks,]]>s＝1，2，…，k
本發明的主要優點在於，通過對節目和用戶的雙重分組來降低系統計算量和對傳輸帶寬的消耗，從而便於提高系統靈活性和反應速度；並且，還可以通過分組大小可變(由掩碼來控制)的特定，根據不同產品的特點(靈活性要求)來確定不同的分組大小，從而在計算量和傳輸帶寬之間進行取捨和均衡，實現最優化的匹配效果。
圖1節目分組結構；圖2用戶分組結構；圖3用戶的加入與退出；圖4雙重分組的密鑰分配方法示意圖；圖5密鑰分發流程圖；具體實施方式
本發明的實施方式可以分為以下幾部分1、節目分組在實際的節目安排當中，為了簡化計算、方便管理，可以根據節目的各種不同性質(比如少兒節目、成人節目、新聞節目、娛樂節目等等)，以套餐的形式將節目(Channel)進行分組，每一個分組稱為一個產品(Product)。條件接收系統面向終端用戶的最小授權單元是產品而不是節目；同一個節目可以同時歸屬於不同的產品；不同的產品之間可以存在包含關係。
將所有節目ch1、ch2、......chm的集合記為P0，即P0＝{ch1，ch2，...chm}；同時，根據實際的節目分組，將不同的產品記為Pj(j＞0)，Pj是P0的子集；節目分組結構如圖1所示。
2、密鑰和向量生成對節目進行分組而形成產品時，也需要有相應的產品密鑰和向量，這時利用正交向量來構造一種新的算法。
在m維(m≥節目數量)向量空間(a1，a2，...am)內，系統為每個節目chi選擇一個相互正交的向量vi以及一個相應的數值αi，並以此定義一個節目向量chi＝αi·vi公開vi，並取αi的值作為節目密鑰，用來對該節目的加擾控制字CWi(Control Word)進行加密，進而得到ECM數據並發送到終端。
假定某產品Pj中包含有多個節目chi，系統為產品Pj選擇一個密鑰βj，通過βj對每個節目的密鑰進行變換，記為αi＝F(αi，βj)
其中，F(αi，βj)是一種加密算法，可以根據實際情況進行選擇(如3DES、AES或IDEA等加密算法)，並將該算法的逆變換記為F-1(αi，βj)。
於是，可以定義該產品的向量如下Pj=chiPjivi=chiPjF(i,j)vi]]>將Pj的值發送到用戶端，同時將βj的值進行加密得到產品組密鑰，並以EMM的形式發送到用戶端。
在用戶端，如果已經從EMM中解密出產品密鑰βj，則節目密鑰αi可根據βj→αi→αi的順序解出，得到αi＝F-1(αi，βj)＝F-1(Pj·vi，βj)3、用戶尋址與分組該系統為每一個終端用戶分配一個用戶地址UID，並通過尋址以及掩碼控制來實現動態分組管理--類似於電腦的IP位址。這樣，該系統可以通過改變掩碼值來實現對終端用戶的選擇性控制，從而提高密鑰管理的靈活性和傳輸效率。將所有用戶u1、u2......un的集合記為G0，將不同的用戶分組記為Gk(k＞0)，如圖2所示。
例如，系統定義用戶地址為32bit(即一個伺服器下面最多可以管理和容納232個用戶)；如果選擇掩碼值為32』hff_ff_ff_00(低8bit為0)，則表示每個小組內含有28＝256個用戶，並以此作為基本分組，來確定密鑰分發時的有效傳輸範圍。可以通過改變掩碼值來改變分組的大小和範圍，實現對特定範圍、特定數量的用戶進行密鑰分發和管理。
4、產品組密鑰生成根據RSA算法，系統為每個用戶ui選擇兩個大的質數pi和qi(pi≠qi)，令Ni＝pi·qi，並選擇一個自然數ei∈[2，Ni-1]，且ei與Φ(Ni)＝(pi-1)(qi-1)互素，根據di×ei≡1modΦ(Ni)計算di，於是，可以得到用戶ui的公鑰(ei，Ni)和私鑰di；並保證不同的Ni之間互素。
假設在某個用戶小組Gk內有uk1、uk2、...ukm共m個用戶定製了產品Pj的收視權，根據RSA加密原理，在公鑰為(e，N)、私鑰為d的情況下，對n進行加密的算法是c≡nemodN，記為c＝En(e，N)；根據上式，系統利用用戶組Gk內的用戶uk1、uk2、…、ukm的公鑰對產品Pj的密鑰βj進行加密，建立如下同餘組
PGKjk=Ej(Ek1,Nk1)modNk1PGKjk=Ej(Ek2,Nk2)modNk2...PGKjk=Ej(Ekm,Nkm)modNkm]]>利用中國剩餘定理，可以解出產品Pj針對用戶組Gk的產品組密鑰PGKjk如下PKGjk=[s=1msMkNksEj(eks,Nks)]modMk]]>其中Mk=s=1mNks,]]>λs是使得下式成立的整數值sEj(eks,Nks)1modNks,]]>s＝1，2，…，k例如當需要讓某個小組內的某個用戶ux加入或退出對某一產品的授權時，將使得該小組對應的同餘組中增加或減少一個同餘式，於是可以根據新的同餘組解出新的產品組密鑰，但此時並不需要更新其他組的產品組密鑰；如圖3所示。
5、動態分組調節由於分組大小通過掩碼(mask)控制，而mask可以靈活控制，於是可以實現分組大小的動態變化；對具有不同的授權周期(密鑰變化周期)和靈活性要求的產品，給予不同的分組方案；最大分組可以是全部用戶作為一個組，此時用戶組密鑰PGK的計算量最大、靈活性最低，但是分組數量最少(只有一個組)、密鑰發送的帶寬佔用最小；最小分組可以是一個用戶作為一個組，此時每一個用戶組密鑰PGK的計算量最小、靈活性最高，但是分組數量最大(等於用戶數量)、密鑰發送的總帶寬佔用最大。
雙重分組算法的整體結構如圖4所示；整個加解密過程的流程框圖如圖5所示，其總體步驟可以描述如下發送端1)利用控制字CWi加擾TS數據並發送；2)系統選擇節目向量和密鑰αi--用於加密控制字CWi，生成ECM數據；3)根據產品Pj所包含的節目以及產品密鑰βj，計算產品向量Pj；4)對某個用戶組，根據該組內的授權用戶，計算該產品Pj在該組Gk的產品組密鑰PGKjk，並以EMM信息的形式發送；接收端1)用戶收到產品組密鑰之後，用自己掌握的私鑰di進行解密，得到產品Pj的密鑰βj；
2)根據βj以及產品向量、節目向量，計算出節目密鑰αi；3)利用節目密鑰，解密出節目控制字CWi；4)利用控制字CWi解擾對應的TS流，收看節目。
6、性能分析為了對不同情況下的系統消耗有比較直觀的分析和對比，假定節目總數為100；節目被分組成25個產品；用戶數量為100萬(220)；節目密鑰長度為1024bit；加密算法RSA；分配給產品組密鑰的傳輸帶寬為2Mbps。由於αi加密之後以ECM形式廣播給所有用戶，而節目向量vi和產品向量Pj也都以廣播形式發送，帶寬佔用可以忽略；主要考慮βj被加密後發送到用戶端的EMM數據量、發送周期以及計算複雜度；對比結果如下
權利要求
1.條件接收系統中基於產品和用戶分別分組的密鑰分配方法其特徵在於，該方法是在數位電視版權管理中的條件接收系統內前端伺服器上的下述方法實現的步驟(1)，節目分組把所有節目ch1、ch2、…、chm的集合記為P0，即P0＝{ch1、ch2、…、chm}；同時，將所有節目進行分組，每一個節目分組稱為一個產品，允許同一個節目同時歸屬於不同的產品，把不同的產品記為Pj，j＞0，Pj是的P0的子集；步驟(2)，用戶分組把所有用戶u1、u2、…、un的集合記為G0，即G0＝{u1、u2、…、un}；同時，將所有用戶進行分組，把不同的用戶分組分別記為Gk，k＞0，在條件接收系統已定義的用戶地址範圍內，通過改變掩碼值來改變用戶分組的大小和範圍，以便於對設定範圍、設定數量、用戶進行密鑰分發和管理；步驟(3)，條件接收系統利用設定的控制字CW加擾明文傳輸流TS；步驟(4)，條件接收系統按以下步驟選擇節目向量Vi和節目密鑰αi，用於加密控制字CW，形成授權控制ECM數據，向終端用戶發送；步驟(4.1)，在m維向量空間a1、a2、…、am內，m≥節目數量，系統為每個節目chi選擇一個向量vi，使得不同的vi之間相互正交，例如(1，0，0，0，…)、(0，1，0，0，…)、(0，0，1，0，…)、(0，0，0，1，…)、…；同時，系統還為每個節目chi任意選擇一個相應的數字αi，αi即為節目密鑰，形成一個節目向量chi＝αi·vi；步驟(4.2)，該系統公開vi，並用αi對節目chi的加擾控制字CW進行加密，得到授權控制ECM數據並發送到終端用戶；步驟(5)，按以下步驟，根據產品Pj的密鑰βj以及產品所包含的節目，計算產品向量Pj；步驟(5.1)，該系統為一個包含有多個節目的產品Pj任意選擇一個密鑰βj，該系統通過密鑰βj對該產品Pj內的每個節目的密鑰αi按下式進行變化αi』＝F(αi，βj)，其中，αi』為節目chi變換後的密鑰，F(αi，βj)是一種設定的加密算法；步驟(5.2)，該系統按下式得到產品Pj的向量Pj=chiPjivi=chiPjF(i,j)vi;]]>步驟(5.3)，該系統把向量Pj的值發送到終端用戶，同時把所選βi的值加密之後以授權管理EMM數據的形式發送到用戶端；步驟(6)，該系統按以下步驟生成產品組密鑰步驟(6.1)，該系統按RSA算法得到每個用戶um的公鑰em、Nm，以及私鑰dm，並且使得Nm在不同用戶之間互素；步驟(6.2)，該系統按下式對n進行加密，得到密文cc≡nemodN，記為c＝En(e，N)，其中，n是一個事先按照該系統與各用戶約定好的規則把明文傳輸流轉換成一個小於N的整數，「≡」符號表示「同餘」，上式表示c與ne在模N的情況下同餘，即在被N除時餘數相同；步驟(6.3)，該系統利用某個用戶組Gk內的多個用戶uk1、uk2、…、ukm的公鑰按下式建立同餘組PGKjk=Ej(Ek1,Nk1)modNk1PGKjk=Ej(Ek2,Nk2)modNk2PGKjk=Ej(Ekm,Nkm)modNkm]]>其中，PGKjk為產品Pj對用戶組Gk的產品組密鑰；步驟(6.4)，該系統利用中國剩餘定理，從步驟(6.3)的同餘組中得出產品Pj對用戶組Gk的產品組密鑰POKjkPGKjk=[s=1msMkNkEj(eks,Nks)]modMk]]>其中，Mk=s=1mNks]]>，λs要滿足以下條件sEj(eks,Nks)1modNks,s=1,2,,k]]>
全文摘要
本發明涉及基於節目與用戶分別分組的密鑰分配方法，用以降低計算量和對傳輸帶寬的消耗，提高系統靈活性，其特徵在於，首先，在系統前端對節目進行分組而成為產品，並利用正交方法來生成節目和產品的向量與密鑰；其次，該系統對用戶進行地址分配和分組，並通過掩碼(mask)來控制分組大小，並利用RSA算法和中國剩餘定理來生成產品組密鑰；同時，利用分組大小可變(由掩碼來控制)的特定，根據不同產品的特點(靈活性要求不同)來確定不同的分組大小，從而在計算量和傳輸帶寬之間進行取捨和均衡，實現最優化的匹配效果。
文檔編號H04L12/56GK101026451SQ20071006349
公開日2007年8月29日 申請日期2007年2月2日 優先權日2007年2月2日
發明者王興軍, 秦軍波 申請人:清華大學, 北京數字太和科技有限責任公司