Digital rights management scheme based on secret sharing in blockchain environment

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2021010024

Journal of Computer Applications ›› 2021, Vol. 41 ›› Issue (11): 3257-3265.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2021010024

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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)

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

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)

Abstract

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)

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

CLC Number:

TP309

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.

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》唯一官方网站, 2021, 41(11): 3257-3265.

Figures/Tables 4

Fig. 1 Framework of DRM scheme based on blockchain

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

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

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

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

References 17

1	俞银燕，汤帜.数字版权保护技术研究综述［J］.计算机学报， 2005，28（12）：1957-1968. 10.3321/j.issn:0254-4164.2005.12.002
	YU Y Y， TANG Z. A survey of the research on digital rights management ［J］. Chinese Journal of Computers， 2005， 28（12）： 1957-1968. 10.3321/j.issn:0254-4164.2005.12.002
2	马兆丰，范科峰，陈铭，等.支持时空约束的可信数字版权管理安全许可协议［J］.通信学报，2008，29（10）：153-164. 10.3321/j.issn:1000-436X.2008.10.023
	MA Z F， FAN K F， CHEN M， et al. Trusted digital rights management protocol supporting for time and space constraint ［J］. Journal on Communications， 2008， 29（10）： 153-164. 10.3321/j.issn:1000-436X.2008.10.023
3	ZHANG Z Y， PEI Q Q， MA J F， et al. Establishing multi-party trust architecture for DRM by using game-theoretic analysis of security policies ［J］. Chinese Journal of Electronics， 2009， 18（3）： 519-524. 10.1109/ccnc.2009.4784938
4	QIU Q， TANG Z， LI F H， et al. A personal DRM scheme based on social trust ［J］. Chinese Journal of Electronics， 2012， 21（4）： 719-724.
5	袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望［J］.自动化学报，2016，42（4）：481-494. 10.16383/j.aas.2016.c160158
	YUAN Y， WANG F Y. Blockchain： the state of the art and future trends ［J］. Acta Automatica Sinica， 2016， 42（4）： 481-494. 10.16383/j.aas.2016.c160158
6	XU R Z， ZHANG L， ZHAO H W， et al. Design of network media’s digital rights management scheme based on blockchain technology ［C］// Proceedings of the 2017 IEEE 13th International Symposium on Autonomous Decentralized Systems. Piscataway： IEEE， 2017：128-133. 10.1109/isads.2017.21
7	李莉，周斯琴，刘芹，等.基于区块链的数字版权交易系统［J］.网络与信息安全学报，2018，4（7）：22-29
	LI L， ZHOU S Q， LIU Q， et al. Blockchain-based digital copyright trading system ［J］. Chinese Journal of Network and Information Security， 2018， 4（7）：22-29.
8	FUJIMURA S， WATANABE H， NAKADAIRA A， et al. BRIGHT： a concept for a decentralized rights management system based on blockchain ［C］// Proceedings of the 2015 IEEE 5th International Conference on Consumer Electronics-Berlin. Piscataway： IEEE， 2015： 345-346. 10.1109/icce-berlin.2015.7391275
9	ZHANG Z H， ZHAO L. A design of digital rights management mechanism based on blockchain technology ［C］// Proceedings of the 2018 International Conference on Blockchain， LNCS10974. Cham： Springer， 2018： 32-46.
10	MA Z F， HUANG W H， GAO H M. Secure DRM scheme based on blockchain with high credibility ［J］. Chinese Journal of Electronics， 2018， 27（5）： 1025-1036. 10.1049/cje.2018.07.003
11	NAZ M， Al-ZAHRANI F A， KHALID R， et al. A secure data sharing platform using blockchain and interplanetary file system［J］. Sustainability， 2019， 11（24）： Article No.7054. 10.3390/su11247054
12	KRIPA M， MAHESH A N， RAMAGURU R， et al. Blockchain framework for social media DRM based on secret sharing ［C］// Proceedings of the 2020 Information and Communication Technology for Intelligent Systems， SIST195. Singapore： Springer， 2020： 451-458.
13	张维玮，冯桂，刘建毅，等.云计算环境下支持属性撤销的外包解密DRM方案［J］.计算机研究与发展，2015，52（12）：2659-2668. 10.7544/issn1000-1239.2015.20150749
	ZHANG W W， FENG G， LIU J Y， et al. A DRM scheme supporting attribute revocation and outsourced decryption in the cloud computing ［J］. Journal of Computer Research and Development， 2015， 52（12）： 2659-2668. 10.7544/issn1000-1239.2015.20150749
14	黄勤龙，马兆丰，傅镜艺，等.云计算环境中支持隐私保护的数字版权保护方案［J］.通信学报，2014，35（2）：95-103. 10.3969/j.issn.1000-436x.2014.02.013
	HUANG Q L， MA Z F， FU J Y， et al. Privacy-preserving digital rights management scheme in cloud computing ［J］. Journal on Communications， 2014， 35（2）： 95-103. 10.3969/j.issn.1000-436x.2014.02.013
15	蒋鹏.云计算下具有隐私保护的数字版权保护方案［D］.武汉：华中师范大学，2015：18-27. 10.1007/s11859-015-1097-6
	JIANG P. Digital copyright protection scheme with support privacy preserving in cloud computing ［D］. Wuhan： Central China Normal University， 2015： 18-27. 10.1007/s11859-015-1097-6
16	PEDERSEN T P. Distributed provers with applications to undeniable signatures ［C］// Proceedings of the 1991 Workshop on the Theory and Application of Cryptographic Techniques， LNCS547. Berlin： Springer， 1991： 221-242. 10.1007/3-540-46416-6_20
17	SAHAI A， WATERS B. Fuzzy identity-based encryption ［C］// Proceedings of the 2005 International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques， LNCS3494. Berlin： Springer， 2005： 457-473.

[1]	Tingwei CHEN, Jiacheng ZHANG, Junlu WANG. Random validation blockchain construction for federated learning [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(9): 2770-2776.
[2]	Xiaoling SUN, Danhui WANG, Shanshan LI. Dynamic ciphertext sorting and retrieval scheme based on blockchain [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(8): 2500-2505.
[3]	He HUANG, Yu JIN. Cloud data auditing scheme based on voting and Ethereum smart contracts [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(7): 2093-2101.
[4]	Baoyan SONG, Junxiang DING, Junlu WANG, Haolin ZHANG. Consortium blockchain modification method based on chameleon hash and verifiable secret sharing [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(7): 2087-2092.
[5]	Jiao LI, Xiushan ZHANG, Yuanhang NING. Blockchain sharding method for reducing cross-shard transaction proportion [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(6): 1889-1896.
[6]	Lipeng ZHAO, Bing GUO. Blockchain consensus improvement algorithm based on BDLS [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(4): 1139-1147.
[7]	Meihong CHEN, Lingyun YUAN, Tong XIA. Data classified and graded access control model based on master-slave multi-chain [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(4): 1148-1157.
[8]	Gaimei GAO, Jin ZHANG, Chunxia LIU, Weichao DANG, Shangwang BAI. Privacy protection scheme for crowdsourced testing tasks based on blockchain and CP-ABE policy hiding [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(3): 811-818.
[9]	Haifeng MA, Yuxia LI, Qingshui XUE, Jiahai YANG, Yongfu GAO. Attribute-based encryption scheme for blockchain privacy protection [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(2): 485-489.
[10]	Yifan WANG, Shaofu LIN, Yunjiang LI. Highway free-flow tolling method based on blockchain and zero-knowledge proof [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3741-3750.
[11]	Yiting WANG, Wunan WAN, Shibin ZHANG, Jinquan ZHANG, Zhi QIN. Linkable ring signature scheme based on SM9 algorithm [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3709-3716.
[12]	Jing LIANG, Wunan WAN, Shibin ZHANG, Jinquan ZHANG, Zhi QIN. Traceability storage model of charity system oriented to master-slave chain [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3751-3758.
[13]	Deyuan LIU, Jingquan ZHANG, Xing ZHANG, Wunan WAN, Shibin ZHANG, Zhi QIN. Cross-chain identity authentication scheme based on certificate-less signcryption [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3731-3740.
[14]	Keshuo SUN, Haiying GAO, Yang SONG. Multi-authority attribute-based encryption scheme for private blockchain over public blockchain [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3699-3708.
[15]	Peng FANG, Fan ZHAO, Baoquan WANG, Yi WANG, Tonghai JIANG. Development， technologies and applications of blockchain 3.0 [J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(12): 3647-3657.

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