区块链环境下基于秘密共享的数字权限管理方案

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021010024

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2021, Vol. 41 ›› Issue (11): 3257-3265.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021010024

区块链环境下基于秘密共享的数字权限管理方案

庞晓琼¹(), 杨婷¹, 陈文俊¹^,², 王云婷¹, 刘天野³

^1.中北大学大数据学院，太原 030051
^2.中国人民银行太原中心支行，太原 030001
^3.中北大学朔州校区电气与计算机工程管理部，山西朔州 036000

收稿日期:2021-01-06 修回日期:2021-03-15 接受日期:2021-04-28 发布日期:2021-05-12 出版日期:2021-11-10
通讯作者: 庞晓琼
作者简介:庞晓琼（1982—），女，山西太原人，副教授，博士，CCF会员，主要研究方向：信息安全、密码学、复杂系统的故障预测与健康管理
杨婷（1995—），女，山西运城人，硕士研究生，主要研究方向：区块链
陈文俊（1980—），男，江西南昌人，高级工程师，博士研究生，主要研究方向：金融大数据、信息安全
王云婷（1996—），女，山西运城人，硕士研究生，主要研究方向：区块链
刘天野（1976—），男，吉林辽源人，副教授，博士，主要研究方向：区块链。
基金资助:
山西省自然科学基金资助项目(201901D111164)

Digital rights management scheme based on secret sharing in blockchain environment

Xiaoqiong PANG¹(), Ting YANG¹, Wenjun CHEN¹^,², Yunting WANG¹, Tianye LIU³

^1.School of Data Science and Technology，North University of China，Taiyuan Shanxi 030051，China
^2.Taiyuan Central Sub-branch，The People’s Bank of China，Taiyuan Shanxi 030001，China
^3.Electrical and Computer Engineering Management Department，North University of China，Shuozhou，Shuozhou Shanxi 036000，China

Received:2021-01-06 Revised:2021-03-15 Accepted:2021-04-28 Online:2021-05-12 Published:2021-11-10
Contact: Xiaoqiong PANG
About author:PANG Xiaoqiong，born in 1982，Ph. D.，associate professor. Her research interests include information security， cryptography， prognostics and health management of complex systems
YANG Ting，born in 1995，M. S. candidate. Her research interests include blockchain
CHEN Wenjun，born in 1980，Ph. D. candidate，senior engineer. His research interests include financial big data，information security
WANG Yunting，born in 1996，M. S. candidate. Her research interests include blockchain
LIU Tianye， born in 1976， Ph. D.， associate professor. His research interests include blockchain.
Supported by:
the Natural Science Foundation of Shanxi Province(201901D111164)

摘要/Abstract

摘要：

针对数字权限保护中对内容加密密钥的安全保存和有效分发的需求，提出了一个区块链环境下基于秘密共享的数字权限保护方案。该方案主要包括系统初始化、内容加密、许可授权和内容解密4个协议。在该方案中，利用Pedersen可验证秘密共享方案和属性基加密（ABE）算法来实现内容加密密钥的保护和分发，将内容提供商从管理内容加密密钥的任务中解放出来，从而确保了密钥管理的安全性和灵活性。此外，基于区块链的数字权限保护方案具有信息公开透明、不可篡改等特点。安全性分析表明，该方案在区块链环境下是安全可行的；仿真实验结果表明，该方案能够以较低的开销实现数字内容的权限保护。

关键词: 数字权限管理, 区块链, 秘密共享方案, 智能合约, 属性基加密

Abstract:

In order to meet the requirements of safe storage and effective distribution of content encryption key in digital rights protection， a new digital rights protection scheme based on secret sharing in blockchain environment was proposed， including 4 protocols： system initialization， content encryption， license authorization and content decryption. The Pedersen’s verifiable secret sharing scheme and Attribute-Based Encryption （ABE） algorithm were used to protect and distribute the content encryption key. The content providers were freed from the task of managing content encryption keys， which ensured the security and flexibility of key management. In addition， the digital rights protection scheme based on blockchain has the characteristics of information openness and transparency， and is tamper-resistant. Security analysis show that the proposed scheme is safe and feasible in the blockchain environment； simulation results show that the proposed scheme can achieve the rights protection of digital content with low cost.

Key words: Digital Rights Management (DRM), blockchain, secret sharing scheme, smart contract, Attribute-Based Encryption (ABE)

中图分类号:

TP309

庞晓琼, 杨婷, 陈文俊, 王云婷, 刘天野. 区块链环境下基于秘密共享的数字权限管理方案[J]. 计算机应用, 2021, 41(11): 3257-3265.

Xiaoqiong PANG, Ting YANG, Wenjun CHEN, Yunting WANG, Tianye LIU. Digital rights management scheme based on secret sharing in blockchain environment[J]. Journal of Computer Applications, 2021, 41(11): 3257-3265.

图/表 4

图1 基于区块链的DRM方案框架

Fig. 1 Framework of DRM scheme based on blockchain

表1 相关符号定义

Tab. 1 Definition of related symbols

符号	含义	符号	含义
$P K, M K$	系统公钥，系统私钥	$I$	各子密钥服务器
$A S$	用户属性	$A D I$	各子密钥服务器的地址
$P K U, S K U$	消费者公钥，消费者私钥	$A D A$	密钥服务器 $A$ 的地址
$k e y$	内容加密密钥	$T X i$	各子密钥
$A K$	密钥服务器 $A$ 存储的子密钥	$P K i$	各子密钥服务器的公钥
$C K$	各密钥服务器存储的密钥和	$P K A$	密钥服务器 $A$ 的公钥
$P C D, E C D$	明文，密文	$A P$	访问策略
$C P$	内容提供商	$R E X$	内容使用规则
$U$	消费者	$S$	智能合约
$C I D$	IPFS返回的内容哈希值即内容标识	$L I D$	许可证标识
$L A Q$	许可授权请求	$L I C$	用户许可证
$s e r v e r s I d j$	密钥服务器 $j$ 的标识	$P I C$	内容的部分简介

表1 相关符号定义

Tab. 1 Definition of related symbols

符号	含义	符号	含义
$P K, M K$	系统公钥，系统私钥	$I$	各子密钥服务器
$A S$	用户属性	$A D I$	各子密钥服务器的地址
$P K U, S K U$	消费者公钥，消费者私钥	$A D A$	密钥服务器 $A$ 的地址
$k e y$	内容加密密钥	$T X i$	各子密钥
$A K$	密钥服务器 $A$ 存储的子密钥	$P K i$	各子密钥服务器的公钥
$C K$	各密钥服务器存储的密钥和	$P K A$	密钥服务器 $A$ 的公钥
$P C D, E C D$	明文，密文	$A P$	访问策略
$C P$	内容提供商	$R E X$	内容使用规则
$U$	消费者	$S$	智能合约
$C I D$	IPFS返回的内容哈希值即内容标识	$L I D$	许可证标识
$L A Q$	许可授权请求	$L I C$	用户许可证
$s e r v e r s I d j$	密钥服务器 $j$ 的标识	$P I C$	内容的部分简介

表2 智能合约花费测试

Tab. 2 Smart contract cost test

功能	消耗的Gas	实际成本/ether	美元
Copyright OwnerContract create	2 427 538	0.002 427 538	1.058 406 568
SetOwnerAddress	42 173	0.000 042 173	0.018 387 428
Ownersetkey	247 752	0.000 247 752	0.108 019 872
Ownersetsever	238 957	0.000 238 957	0.104 185 252
Serversetkey1	44 460	0.000 044 460	0.019 384 560
Serversetkey2	44 570	0.000 044 570	0.019 432 520
Serversetkey3	44 306	0.000 044 306	0.019 317 416
ServersetkeyA	44 284	0.000 044 284	0.019 307 824
Consumer Contract create	1 188 604	0.001 188 604	0.518 231 344
Setbeserver	129 625	0.000 129 625	0.056 516 500
Getlicense	130 494	0.000 130 494	0.056 895 384

表3 不同数字内容保护方案功能对比

Tab. 3 Function comparison of different digital content protection schemes

方案	是否基于区块链	是否支持内容加密密钥托管	内容加密密钥的保护方式	是否支持访问控制	是否考虑交易公平性
文献［13］方案	否	是	属性基加密	支持	否
文献［14］方案	否	是	属性基加密、同态加密	支持	否
文献［11］方案	是	—	—	支持	是
文献［12］方案	是	—	—	不支持	否
文献［7］方案	是	—	—	不支持	否
文献［8］方案	是	否	公钥加密	不支持	否
本文方案	是	是	公钥加密、属性基加密	支持	是

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