EP1307995A2 - Verfahren zur übertragung von daten unter verwendung einer baumstruktur mit zugeordneten schlüsseln - Google Patents

Verfahren zur übertragung von daten unter verwendung einer baumstruktur mit zugeordneten schlüsseln

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EP1307995A2
EP1307995A2 EP01965066A EP01965066A EP1307995A2 EP 1307995 A2 EP1307995 A2 EP 1307995A2 EP 01965066 A EP01965066 A EP 01965066A EP 01965066 A EP01965066 A EP 01965066A EP 1307995 A2 EP1307995 A2 EP 1307995A2
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EP
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users
data
root
nodes
subset
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01965066A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Martin
Jörg Schwenk
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Deutsche Telekom AG
Original Assignee
Deutsche Telekom AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0819—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s)
    • H04L9/083—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s) involving central third party, e.g. key distribution center [KDC] or trusted third party [TTP]
    • H04L9/0833—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s) involving central third party, e.g. key distribution center [KDC] or trusted third party [TTP] involving conference or group key
    • H04L9/0836—Key transport or distribution, i.e. key establishment techniques where one party creates or otherwise obtains a secret value, and securely transfers it to the other(s) involving central third party, e.g. key distribution center [KDC] or trusted third party [TTP] involving conference or group key using tree structure or hierarchical structure
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L2209/00—Additional information or applications relating to cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communication H04L9/00
    • H04L2209/60—Digital content management, e.g. content distribution
    • H04L2209/601—Broadcast encryption

Definitions

  • the invention relates to a method for transmitting data to a subset of users via a radio medium, in which the users are managed as leaves of a tree structure consisting of a root, nodes and leaves.
  • the information is distributed in encrypted form with a session key k in all of the above-mentioned media.
  • a session key k in all of the above-mentioned media.
  • multiple authorized people have the ability to decrypt this information. For this they need the session key k, which must be distributed to them via the broadcast medium.
  • One solution to this problem is to give each user i a personal key ki in advance.
  • a cryptogram f (ki, k) is then calculated for each authorized user i, in which the session key k is encrypted with the algorithm f and the personal key ki. All of these cryptograms are then sent over the broadcast medium.
  • an authorized user i can now use his personal key to decrypt the cryptogram and thus to obtain the session key k.
  • the personal key ki can also be used to decrypt any data record transmitted as a cryptogram.
  • This procedure is efficient as long as only a few users are actually authorized, since the number of cryptograms to be sent is proportional to the number of authorized users. In particular, withdrawing authorization from a user is extremely inefficient, since all other users must be given a new cryptogram.
  • the object of the present invention is to propose a method for transmitting data to an authorized subset of users, in which the authorization can be withdrawn temporarily with the least possible transmission effort.
  • An advantageous embodiment of the invention is that when a user is removed from the subset, the path between the user who no longer belongs to the subset and the root is calculated, and that the nodes thus determined are calculated from the set of nodes with which Keys that can be decrypted are removed.
  • data of all kinds can be specifically transmitted to users via a broadcast medium.
  • An advantageous application is that the data to be transmitted contain a session key that can be used to encrypt larger amounts of data.
  • a binary structure can be used as a tree structure.
  • the invention can also be implemented with other tree structures - in general: p-tree. Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing using several figures and are explained in more detail in the following description. It shows:
  • Fig. 1 shows a first case of addressing
  • Fig. 2 shows a second case of addressing.
  • FIG. 1 shows the method according to the invention using a tree structure.
  • This example is a binary tree that extends from the root W over three levels. The lowest level of the tree is the leaves, which are assigned to the user. A key is assigned to each node. The user knows all the keys that lie on the way from his leaf to the root.
  • Authorization was withdrawn from users 3 and 7, which is symbolized by circles 3.3 and 3.7 with a thin border.
  • the route of users 3.3, 3.7 to the root W without authorization is shown in dashed lines and is calculated by the system operator. The ones lying on the paths
  • Nodes W, 1.1 and 2.2 on the one hand and W, 1.2 and 2.4 on the other hand are marked. These points are classified as unusable.
  • the highest possible nodes 2.1, 2.3, 3.4 and 3.8 that can be used (in the highest level) are marked with an inner ring.
  • the data to be sent are encrypted in such a way that they can be decrypted using the keys of these nodes.
  • m is used to explain the invention for the number of authorized users and n for the total number of users. Then, in a binary tree, the total number of keys 2n-1 and the number of keys per user is log 2 n. In the event that m ⁇ n, each cryptogram contains a session key. All key eggs that are on the path of an excluded user 3.3, 3.7 are not used. Of the remaining keys, those that are as close as possible to the root are used in order to avoid users 3.1, 3.2, 3.4, 3.5, 3.6; 3.8 to cover. The scheme is m-resilient because none of the keys used by the m excluded users are used.
  • Fig. 2 the forbidden keys are cross-hatched, while the transmitted keys are simply hatched.
  • the excluded users 3.3, 3.7 are well distributed in the tree.
  • the entire tree is divided into two subtrees on the log 2 m level, which is indicated in FIG. 2 by the dashed line in level 1.
  • To address the non-excluded users in each subtree you need exactly one key per level of the subtree, i.e. a total of log 2 n-log2 m keys in each subtree.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Übertragung von Daten an eine Teilmenge von Nutzern über ein Rundfunkmedium, bei dem die Nutzer als Blätter einer aus einer Wurzel, Knoten und Blättern bestehenden Baumstruktur verwaltet werden, sind den Knoten und Blättern der Baumstruktur Schlüssel zugeordnet. Die Nutzer verfügen über die ihrem Blatt und den Knoten auf dem Weg zwischen ihrem Blatt und der Wurzel zugeordneten Schlüssel. Die zu übertragenden Daten werden derart verschlüsselt, daß sie jeweils mit dem Schlüssel derjenigen der Wurzel nächstliegenden Knoten entschlüsselbar sind, deren unmittelbare und mittelbare Nachfolger nur zur Teilmenge gehörende Nutzer sind, und daß sie ferner mit denjenigen Schlüsseln entschlüsselbar sind, die den zur Teilmenge gehörenden Nutzern zugeordnet sind, auf deren Weg zur Wurzel keine solche Knoten liegen.

Description

Verfahren zur Übertragung von Daten
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Daten an eine Teilmenge von Nutzern über ein Rundfunkmedium, bei dem die Nutzer als Blätter einer aus einer Wurzel, Knoten und Blättern bestehenden Baumstruktur verwaltet werden.
In der modernen Informationstechnologie spielt es eine zunehmend bedeutendere Rolle, proprietäre Daten sicher an einen autorisierten Nutzerkreis verteilen zu können, ohne dafür jeweils zu dem einzelnen Nutzer eine Punkt-zuPunkt-Verbindung aufbauen zu müssen. Beispiele hierfür sind digitales Pay-TV, Datenrundfunk, Netzwerke mit Broadcast-Funktion, Datenverteilung mittels CD- ROM und gebührenpflichtige Online-Datenbanken. Stellvertretend hierfür wird im folgenden der Ausdruck Rundfunkmedium verwendet.
Um nur autorisierten Nutzern Zugriff auf die Information zu gewähren, wird bei allen diesen oben genannten Medien die Information mit einem Sitzungsschlüssel k verschlüsselt verteilt. In der Regel haben mehrere autorisierte Personen die Möglichkeit, diese Informationen zu entschlüsseln. Dazu benötigen sie den Sitzungsschlüssel k, der über das Rundfunkmedium an sie verteilt werden muß.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, jedem Nutzer i vorab einen persönlichen Schlüssel ki zukommen zu lassen. Für jeden autorisierten Nutzer i wird dann ein Kryptogramm f(ki,k) berechnet, bei dem der Sitzungsschlüssel k mit dem Algorithmus f und dem persönlichen Schlüssel ki verschlüsselt wird. Alle diese Kryptogramme werden anschließend über das Rundfunkmedium versandt. Nach Empfang eines solchen Kryptogramms f(ki,k) kann ein autorisierter Nutzer i nun seinen persönlichen Schlüssel dazu verwenden, das Kryptogramm zu entschlüsseln und somit den Sitzungsschlüssel k zu erhalten. Mit dem persönlichen Schlüssel ki kann anstelle eines Sitzungsschlüssels k auch ein beliebiger als Kryptogramm übertragener Datensatz entschlüsselt werden.
Diese Vorgehensweise ist effizient, solange nur wenige Nutzer tatsächlich autorisiert sind, da die Anzahl der zu sendenden Kryptogramme proportional zur Anzahl der autorisierten Nutzer ist. Insbesondere ist es extrem ineffizient, einem Nutzer die Autorisierung zu entziehen, da dazu alle anderen Nutzer ein neues Kryptogramm erhalten müssen.
Ein Verfahren, das es ermöglicht, Autorisierungen effizient zu entziehen, wurde unter anderem bereits in dem Patent DE 195 11 298.9 beschrieben. Dieses Verfahren basiert auf dem Einsatz von Baumstrukturen zur Verwaltung der autorisierten Nutzer, wobei die Baumstruktur bei Entzug der Autorisierung umgebaut wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Übertragung von Daten an eine autorisierte Teilmenge von Nutzern vorzuschlagen, bei welchem die zeitweise Entziehung der Autorisierung mit möglichst geringem Übertragungsaufwand erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, - daß den Knoten und Blättern der Baumstruktur Schlüssel zugeordnet sind und die Nutzer über die ihrem Blatt und den Knoten auf dem Weg zwischen ihrem Blatt und der Wurzel zugeordneten Schlüssel verfügen und
- daß die zu übertragenden Daten derart verschlüsselt werden,
- daß die zu übertragenden Daten jeweils mit dem Schlüssel derjenigen der Wurzel nächstliegenden Knoten entschlüsselbar sind, deren unmittelbare und mittelbare Nachfolger nur zur Teilmenge gehörende Nutzer sind, und - daß die zu übertragenden Daten ferner mit denjenigen Schlüsseln entschlüsselbar sind, die den zur Teilmenge gehörenden Nutzern zugeordnet sind, auf deren Weg zur Wurzel keine solche Knoten liegen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß bei Entfernung eines Nutzers aus der Teilmenge der Weg jeweils zwischen dem Nutzer, der nicht mehr zu der Teilmenge gehört, und der Wurzel berechnet wird und daß die somit ermittelten Knoten aus der Menge der Knoten, mit deren Schlüssel die Daten entschlüsselbar sind, entfernt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Daten aller Art gezielt an Nutzer über ein Rundfunkmedium übertragen. Eine vorteilhafte Anwendung besteht jedoch darin, daß die zu übertragenden Daten einen Sitzungsschlüssel enthalten, der zur Verschlüsselung größerer Datenmengen einsetzbar ist.
Bei den meisten Anwendungsfällen wird zwischen autorisierten und nicht autorisierten Nutzern unterschieden, wobei die autorisierten Nutzer die Teilmenge bilden. Melden sich beispielsweise einige wenige Pay-TV-Nutzer kurzfristig wegen Urlaub ab und zahlen keine Abonnementgebühren, kann das oben beschriebene Verfahren angewendet werden, um den Sitzungsschlüssel zum Entschlüsseln des Pay-TV-Programms nur noch an die restlichen Nutzer zu übertragen.
Es sind jedoch auch Anwendungen möglich, bei denen eine Autorisierung nicht entscheidend ist, sondern eine Nachricht lediglich der Teilmenge von Nutzern übersandt werden soll, die grundsätzlich auch von anderen Nutzern empfangen werden dürfte, wenn sie wollten. Im folgenden wird die gezielte Übersendung der Daten auch als Adressierung bezeichnet. Als Baumstruktur kommt eine binäre Struktur in Frage. Die Erfindung ist jedoch auch mit anderen Baumstrukturen realisierbar - allgemein: p-ärer Baum. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen ersten Fall der Adressierung und
Fig. 2 einen zweiten Fall der Adressierung.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Baumstruktur. Bei diesem Beispiel handelt es sich um einen binären Baum, der sich beginnend von der Wurzel W über drei Ebenen erstreckt. Die unterste Ebene des Baumes sind die Blätter, welche dem Nutzer zugeordnet sind. Jedem Knoten ist ein Schlüssel zugeordnet. Der Nutzer kennt alle Schlüssel, die auf dem Weg von seinem Blatt zur Wurzel liegen. Bei dem dargestellten Beispiel sind acht Nutzer 3.1 bis 3.8 vorhanden. Es wurde den Nutzern 3 und 7 die Autorisierung entzogen, was durch die Kreise 3.3 und 3.7 mit einem dünnen Rand symbolisiert ist. Der Weg der Nutzer 3.3, 3.7 ohne Autorisierung zur Wurzel W ist gestrichelt dargestellt und wird vom Systembetreiber berechnet. Die auf den Wegen liegenden
Knotenpunkte W, 1.1 und 2.2 einerseits und W, 1.2 und 2.4 andererseits werden markiert. Diese Punkte werden als unbrauchbar eingestuft. Die höchstmöglichen (in der jeweils höchsten Ebene liegenden Knoten) brauchbaren Knoten 2.1 , 2.3, 3.4 und 3.8 sind mit einem Innenring markiert dargestellt. Die zu sendenden Daten werden derart verschlüsselt, daß sie mit den Schlüsseln dieser Knoten entschlüsselt werden können.
Im folgenden werden zur Erläuterung der Erfindung m für die Anzahl der autorisierten Nutzer und n für die Gesamtzahl der Nutzer benutzt. Dann ist bei einem binären Baum die Gesamtzahl der Schlüssel 2n-1 und die Zahl der Schlüssel pro Nutzer log2 n. Für den Fall, daß m≤n ist, enthält jedes Kryptogramm einen Sitzungsschlüssel. Alle Schlüsssei, die auf dem Weg eines ausgeschlossenen Nutzers 3.3, 3.7 liegen, werden nicht verwendet. Von den verbleibenden Schlüsseln werden die verwendet, die möglichst nahe an der Wurzel liegen, um die nicht ausgeschlossenen Nutzer 3.1 , 3.2, 3.4, 3.5, 3.6; 3.8 abzudecken. Das Schema ist m-resilient, da keiner der Schlüssel verwendet wird, welche die m ausgeschlossenen Nutzer kennen.
Die Zahl der verwendeten Schlüssel pro Übertragung ist <=m(log2 n-log2 m). Die Gründe dafür werden im folgenden anhand von Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 sind die verbotenen Schlüssel kreuzweise schraffiert, während die gesendeten Schlüssel einfach schraffiert sind. Im ungünstigsten Fall liegen die m ausgeschlossenen Nutzer 3.3, 3.7 gut verteilt im Baum. In diesem Fall teilt man den Gesamtbaum auf der Ebene log2 m in m Teilbäume, was in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie in Ebene 1 angedeutet ist. In jedem dieser Teilbäume liegt ein ausgeschlossener Nutzer. Sie haben die Höhe log2 n-log2 m. Zur Adressierung der nicht ausgeschlossenen Nutzer in jedem Teilbaum benötigt man genau einen Schlüssel je Ebene des Teilbaums, also insgesamt log2 n-log2 m Schlüssel in jedem Teilbaum.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Übertragung von Daten an eine Teilmenge von Nutzern über ein Rundfunkmedium, bei dem die Nutzer als Blätter einer aus einer Wurzel, Knoten und Blättern bestehenden Baumstruktur verwaltet werden, dadurch gekennzeichnet,
- daß den Knoten und Blättern der Baumstruktur Schlüssel zugeordnet sind und die Nutzer über die ihrem Blatt und den Knoten auf dem Weg zwischen ihrem Blatt und der Wurzel zugeordneten Schlüssel verfügen und
- daß die zu übertragenden Daten derart verschlüsselt werden,
- daß die zu übertragenden Daten jeweils mit dem Schlüssel derjenigen der Wurzel nächstliegenden Knoten entschlüsselbar sind, deren unmittelbare und mittelbare Nachfolger nur zur Teilmenge gehörende Nutzer sind, und
daß die zu übertragenden Daten ferner mit denjenigen Schlüsseln entschlüsselbar sind, die den zur Teilmenge gehörenden Nutzern zugeordnet sind, auf deren Weg zur Wurzel keine solche Knoten liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei Entfernung eines Nutzers aus der Teilmenge der Weg jeweils zwischen dem Nutzer, der nicht mehr zu der Teilmenge gehört, und der Wurzel berechnet wird und daß die somit ermittelten Knoten aus der Menge der Knoten, mit deren Schlüssel die Daten entschlüsselbar sind, entfernt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu übertragenden Daten einen Sitzungsschlüssel enthalten, der zur Verschlüsselung größerer Datenmengen einsetzbar ist.
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