JPH11187013A

JPH11187013A - 暗号鍵配信システム

Info

Publication number: JPH11187013A
Application number: JP9354401A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Maruyama; 宏丸山; Takeshi Tokuyama; 豪徳山; Naohiko Uramoto; 直彦浦本
Original assignee: IBM Japan Ltd
Current assignee: IBM Japan Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-09
Also published as: CN1224962A

Abstract

(57)【要約】【課題】暗号鍵を木構造に構造化することで、暗号鍵更
新のための手間を最小にする方法及びシステムを提供す
ることである。【解決手段】上記課題を解決するために、まず受信者の
数以上の、複数の鍵を生成し、複数の鍵を、木構造の形
に階層的に配置する。次に複数の受信者を木構造の形に
階層的に配置された鍵と対応付け、受信者の個々の暗号
鍵を、木構造の根から、木構造の該受信者に対応付けら
れた位置に至る鍵を有する、鍵列として生成する。この
ようにして暗号鍵を生成した後、生成された暗号鍵を、
対応する前記受信者へ配信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願は、衛星放送あるいはインタ
ーネットにおけるマルチキャストのような放送型メディ
アにおける、暗号鍵配信システムに関し、特に鍵を木構
造に構造化することで、暗号鍵更新のための手間を最小
にする方法およびシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星放送あるいは、インターネットにお
けるマルチキャストのような放送型メディアにおいて、
ユーザーの認証及びデータの暗号化を行う場合、受信者
(subscriber)に鍵の配信を行わなければならない。新た
に受信者が参加する場合には、その人に現在使っている
鍵を渡せば良いが、受信者が参加をやめた場合、データ
の暗号鍵を更新する必要がある。

【０００３】例えば受信者(subscriber)の集合をSとす
る。Sは特定の有料番組を視聴している視聴者と仮定す
る。あるいは、企業内である機密の連絡を待っている従
業員の集合でもよいし、インターネット上でよく使われ
ているメイリングリストの、参加者の集合をSとしても
よい。

【０００４】Sにはn人の受信者がいるとする。図１で
は、アリスとボブとキャロルはSの要素である。放送者
(publisher)PはコンテンツCを、暗号化して送り出す。
インターネットの世界では、標準化団体IETFが、メイリ
ングリストの暗号化の標準化案として、RFC1421を提案
している。これは、共通のセッション鍵KでメッセージM
を暗号化し(K(M))、さらにそのKをn人の個々の暗号化鍵
D1...Dnで暗号化し(D1(K), D2(K), ...,Dn(K))、それを
K(M)とともに、送り出すというものである（図２参
照）。受信者は対応する復号化鍵(E1, E2, ..., En)で
セッション鍵Kを復号化し、得られたKでメッセージMを
復号化する。この方式はしかし、受信者の数nが大きく
なると、メッセージに比して鍵パケットの大きさが非常
に大きくなってしまうという欠点がある。例えば個人鍵
に512ビットのRSA鍵を用いた場合、一つのDi(K)は最低6
4バイトになり、nが例えば10,000だと一つのメッセージ
につき、640KBytesの鍵パケットを送り出さなければな
らない。

【０００５】共通のセッション鍵Kをあらかじめ各受信
者の個人鍵を使って配布しておく方法(Join/Leave Mode
l)を考えた場合を図３に示す。個人鍵は、一般的な公開
鍵証明書に基づくものでもよいし、アプリケーション毎
に用意されたものであってもよい。ここで問題となるの
は、受信者の集合Sに変更があった場合である。すなわ
ち、Sに新たな要素が加わった場合、つまり新しい視聴
者が参加した場合などは、そのユーザーの身元を個人鍵
を使って認証し、Kを配れば良いが、Sの要素がSから抜
けた場合には、鍵の更新が大変である。例えば、キャロ
ルが支払日になっても視聴料を支払わなかったために、
Sから除こうとしたとする。彼女はKを持っているため
に、同じセッション鍵を使い続けるわけにはいかない。
単純には、新しい鍵K'を生成し、それを残ったn-1人の
受信者にそれぞれの個人鍵を使って送らなければならな
い。これでは、nが大きい場合、例えば10万人の視聴者
がいる場合、一人が抜ける度に10万の鍵配送が起きてし
まうことになる。

【０００６】従来、有料衛星通信などに現在使われてい
る技術は、秘密アルゴリズム方式で各社の方式に互換性
がなく、また、デコーダの所有が鍵の所有となっている
ので、ダイナミックに新たな視聴者を参加させたり一時
的に脱退させたりすることができない。例えばペイパー
ビューなどで使われている方式は、鍵の配送を電話によ
る１対１の通信に頼っており、上り回線を必要とするこ
と、スケールしないこと、などの問題点がある。

【０００７】その他、インターネットでのマルチキャス
トのセキュリティとして、ルータからグループ鍵を配信
する方法が提案されている。しかし、この方式では、信
頼できるルータをネットワーク上にあらかじめインスト
ールしておかなければならない、という重大なセキュリ
ティ上の問題がある。また、この方式は、IPのレイヤー
でのセキュリティであり、アプリケーションからのエン
ドツーエンドのセキュリティを保証するものではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明が解決
しようとする課題は、暗号鍵を木構造に構造化すること
で、暗号鍵更新のための手間を最小にする方法及びシス
テムを提供することである。また別の課題は、既知の暗
号技術の上で動くために規格を公開できる、暗号鍵配信
の方法及びシステムを提供することである。また別の課
題は、各社の相互接続性が保ち、上り回線を使うことの
ない、動的な視聴者の参加及び脱退が可能な、暗号鍵配
信の方法及びシステムを提供することである。また別の
課題は、通信途中にいくらセキュリティ上の問題がある
経路があっても全体のセキュリティは保つことのでき
る、暗号鍵配信の方法及びシステムを提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、まず受信者の数以上の、複数の鍵を生成し、複数の
鍵を、木構造の形に階層的に配置する。次に複数の受信
者を木構造の形に階層的に配置された鍵と対応付け、受
信者の個々の暗号鍵を、木構造の根から、木構造の該受
信者に対応付けられた位置に至る鍵を有する、鍵列とし
て生成する。このようにして暗号鍵を生成した後、生成
された暗号鍵を、対応する前記受信者へ配信する。なお
木構造では、根(ルート)から派生する各枝から、さらに
派生する枝を有する。本発明の方法では、その派生する
枝の数に限定はない。つまり根から派生する枝が２であ
り、その各枝から派生する枝が３であっても構わない。
逆にｎ進木のように一定でもよい。図４（２進木の形の
場合）では、木のルートにあるK0がセッション鍵であ
る。コンテンツはこのセッション鍵で暗号化される。K0
は、K1、K2でそれぞれ暗号化されて受信者に配信され
る。これをK1(K0)、K2(K0)と略記する。同様に、鍵K1は
K3とK4で暗号化され、配信される。なお鍵の配信は、各
個人の公開鍵で暗号化して送ってもよい。セキュリティ
上安全であれば、各個人の公開鍵で暗号化して送る必要
はない（例えばディスケットによる手渡しでも構わな
い）。また配信手段として、インターネットを通じて配
信してもよいし、衛星放送を通じて配信してもよい。そ
の他、本発明の本質に拘らず、適宜変更可能である。こ
のように構成することにより、暗号鍵更新のための手間
を最小にすることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図６に、本発明の暗号鍵生成シス
テムのブロック図を示す。まずブロック６１０で、受信
者の数以上の、複数の鍵を生成する。次にブロック６２
０で、複数の鍵を木構造の形に階層的に配置する。最後
にブロック６３０において、複数の受信者を木構造の形
に階層的に配置された鍵と対応付け、受信者の個々の暗
号鍵を、木構造の根から、木構造の該受信者に対応付け
られた位置に至る鍵を有する、鍵列として生成する。

【００１１】図７に、本発明の暗号鍵配信システムのブ
ロック図を示す。基本的に暗号鍵生成システムと同様で
あるが、まずブロック７１０で、受信者の数以上の、複
数の鍵を生成する。次にブロック７２０で、複数の鍵を
木構造の形に階層的に配置する。次にブロック７３０
で、複数の受信者を木構造の形に階層的に配置された鍵
と対応付け、受信者の個々の暗号鍵を、木構造の根か
ら、木構造の該受信者に対応付けられた位置に至る鍵を
有する、鍵列として生成する。そして最後にのブロック
７４０において、生成された暗号鍵を対応する受信者へ
配信する。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図８には、本発明において使用される暗号鍵配信
システムのハードウェア構成の一実施例を示す概観図が
示されている。特にインターネットを通じて暗号鍵を配
信するシステムの典型的例である。システム１００は、
中央処理装置（ＣＰＵ）１とメモリ４とを含んでいる。
ＣＰＵ１とメモリ４は、バス２を介して、補助記憶装置
としてのハードディスク装置１３（またはＭＯ、ＣＤ−
ＲＯＭ２３、ＤＶＤ等の記憶媒体駆動装置）とＩＤＥコ
ントローラ２５を介して接続してある。同様にＣＰＵ１
とメモリ４は、バス２を介して、補助記憶装置としての
ハードディスク装置３０（またはＭＯ２８、ＣＤ−ＲＯ
Ｍ２３、ＤＶＤ等の記憶媒体駆動装置）とＳＣＳＩコン
トローラ２７を介して接続してある。フロッピーディス
ク装置２０はフロッピーディスクコントローラ１９を介
してバス２へ接続されている。

【００１３】フロッピーディスク装置２０には、フロッ
ピーディスクが挿入され、このフロッピーディスク等や
ハードディスク装置１３（またはＭＯ、ＣＤ−ＲＯＭ、
ＤＶＤ等の記憶媒体）、ＲＯＭ１４には、オペレーティ
ングシステムと協働してＣＰＵ等に命令を与え、本発明
を実施するためのコンピュータ・プログラムのコード若
しくはデータを記録することができ、メモリ４にロード
されることによって実行される。このコンピュータ・プ
ログラムのコードは圧縮し、または、複数に分割して、
複数の媒体に記録することもできる。

【００１４】システム１００は更に、ユーザ・インター
フェース・ハードウェアを備え、入力をするためのポイ
ンティング・デバイス（マウス、ジョイスティック等）
７またはキーボード６や、視覚データをユーザに提示す
るためのディスプレイ１２を有することができる。ま
た、パラレルポート１６を介してプリンタを接続するこ
とや、シリアルポート１５を介してモデムを接続するこ
とが可能である。このシステム１００は、シリアルポー
ト１５およびモデムまたは通信アダプタ１８(イーサネ
ットやトークンリング・カード)等を介してネットワー
ク（インターネット）に接続し、暗号鍵を送信したり、
他のコンピュータ等と通信を行うことが可能である。ま
たシリアルポート１５若しくはパラレルポート１６に、
遠隔送受信機器を接続して、赤外線若しくは電波により
データの送受信（例えば受信者への暗号鍵の送信など）
を行うことができる。

【００１５】スピーカ２３は、オーディオ・コントロー
ラ２１によってＤ／Ａ（デジタル／アナログ変換）変換
された音声信号を、アンプ２２を介して受領し、音声と
して出力する。また、オーディオ・コントローラ２１
は、マイクロフォン２４から受領した音声情報をＡ／Ｄ
（アナログ／デジタル）変換し、システム外部の音声情
報をシステムにとり込むことを可能にしている。

【００１６】このように、本発明の暗号鍵生成システム
及び暗号鍵配信システムは、通常のパーソナルコンピュ
ータ（ＰＣ）やワークステーション、ノートブックＰ
Ｃ、パームトップＰＣ、ネットワークコンピュータ、コ
ンピュータを内蔵したテレビ等の各種家電製品、通信機
能を有するゲーム機、電話、ＦＡＸ、携帯電話、ＰＨ
Ｓ、電子手帳、等を含む通信機能有する通信端末、また
は、これらの組合せによって実施可能であることを容易
に理解できるであろう。ただし、これらの構成要素は例
示であり、その全ての構成要素が本発明の必須の構成要
素となるわけではない。

【００１７】図５に鍵の具体的な変更の方法を示す。例
えばアリスがあるとき視聴料を支払って、正当な受信者
となったと仮定する。サーバーは、アリスに鍵K7を割り
当て、アリスの公開鍵で暗号化して送る。また、K3をK7
で暗号化したもの、すなわちK7(K3)、さらにK3(K1)、K1
(K0）というように、ルートのセッション鍵に至る一連
の鍵のチェーンをアリスに送る。受信者の全体数がnで
ある場合、アリスのキーチェーンの大きさはlog(n)ほど
である。ここで、キャロルが何らかの理由で視聴者の集
合Sから脱退した場合を考える。キャロルは、彼女のキ
ーチェーンに、K0、K1、K4、K10という鍵を持ってい
る。したがって、今後キャロルにコンテンツをアクセス
させないためには、これらの鍵を再発行して、キャロル
の鍵を無効にしなければならない(図５の、Xのついてい
る鍵である）。

【００１８】K1を再発行してK1'としたとする。する
と、アリスは自分の持っているK1が無効になってしまう
ので、新しいK1'をK3で暗号化したK3(K1')を受け取る必
要がある。同様に、K0'は、K1'(K0')とK2(K0')という二
つの鍵配送パケットで受信者に知らせる必要がある。こ
れにより、アリスはK1'とK0'を知ることになり、次から
新しいセッション鍵K0'で暗号化されるコンテンツを見
ることができる。このように、本発明の階層的鍵構造に
より、複数の受信者の中から、脱退者が出た場合、脱退
者が有する暗号鍵に関連する鍵のみを変更して、変更さ
れた鍵に対応する受信者にのみ、変更された暗号鍵を、
その鍵の直下の鍵で暗号化して、配信することができる
ので、暗号鍵更新のための手間を最小にすることができ
る。

【００１９】次に鍵の再配送効率については以下のよう
になる。例えばキャロルが脱退したときの、鍵の再配送
に必要なパケット数を計算する。キャロルが持っていた
鍵はlog₂(n)個であるから、新しく生成しなければなら
ない鍵の数もlog₂(n)である(厳密にいうと上の方式では
log₂(n)より１小さい)。新しい鍵1個について、その鍵
を、その2つの子供の鍵で暗号化して送る必要がある。
従って、鍵の再配送に必要な鍵配送パケットの数は、2*
log₂(n)である。一般にr進木の場合を考えると、鍵再配
送パケットの数pは p = r*log_r(n) = r*log(n)/log(r) となる。nが一定の時、pを最小にするrは、r=eである(e
は自然対数の底)が、実際にはrは自然数であるので、r=
3の時が最適となり、パケット数はおよそ2.73*log(n)と
なる。また r=2の場合と r=4の場合では理論上パケット
の数は同じであるので、２進木を使用するのであれば４
進木を使用した方が現実的には有利であろう。

【００２０】例えば、nが100万、すなわち、100万人の
視聴者にコンテンツを放送していると仮定する。ある一
人の視聴者を外すためには、2進木の場合2*log₂(106)個
すなわち、40個の鍵再配送パケットを放送すればよい。
3進木の場合は2.73*log(106)=37.7であるので、鍵の暗
号化方式としてDESを用いるとすれば、一つの鍵を64ビ
ット+鍵のIDで送れるので、鍵のIDを32ビットとして
も、鍵配送パケットのペイロードは96ビット(12バイト)
であり、これが38個で全体が0.5Kバイトに収まる。

【００２１】次に複数の脱退をまとめて計算する方法を
以下に示す。もし、ｋ人がまとめて脱退した場合、k*lo
g_r(n)個の鍵を新たに生成する必要はない。例えば、K0
は1回だけ更新すればよいからである。また、何人かが
同時期に脱退することがあらかじめわかっている場合
(月末までの契約で視聴している場合、など)は、それら
の視聴者をできるだけ同じ枝（グループ）にまとめるこ
とで、複数の脱退が起きたときの鍵の更新と再配送を小
さくすることができる。すなわち、複数の受信者を、予
め受信者の属性によりグループ分けを行い、グループ間
の関係に従い、複数の受信者を、木構造の形に階層的に
配置された鍵と対応付けておけば、非常に効率的な、鍵
の生成及び配信を行うことができる。また、受信者の属
性として、契約年数、加入時期、年齢、職業、住所、会
社、電話番号、その他個人的な情報などを用いてもよ
い。本発明の本質に拘らず適宜変更可能である。

【００２２】

【発明の効果】本発明により、既知の暗号技術の上で動
くために規格を公開でき、各社の相互接続性が保たれ、
また、上り回線を使うことなく、ダイナミックに特定の
視聴者を参加させたり脱退させたりすることのできる、
効率的な暗号鍵の配信が可能となる。また、配信途中に
いくらセキュリティ上の問題がある経路があっても全体
のセキュリティを保つことができる。

【００２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】衛星放送によりコンテンツのブロードキャスト
を行う概要図である。

【図２】従来のメイリングリストの暗号化の標準化案の
概要を示す図である。

【図３】従来の Join/Leave Model の概要を示すであ
る。

【図４】本発明の暗号鍵配信のための鍵の階層構造の例
を示す図である。

【図５】本発明の、ユーザの脱退による鍵の変更例を示
す図である。

【図６】本発明の、暗号鍵生成システムのブロック図で
ある。

【図７】本発明の、暗号鍵配信システムのブロック図で
ある。

【図８】本発明の暗号鍵配信システムのハードウェア構
成の一実施例を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の受信者に配信するための暗号鍵を生
成する、暗号鍵生成システムであって、（ａ）前記受信
者の数以上の、複数の鍵を生成する手段と、（ｂ）前記
複数の鍵を、木構造の形に階層的に配置する手段と、
（ｃ）前記複数の受信者を前記木構造の形に階層的に配
置された鍵と対応付け、前記受信者の個々の暗号鍵を、
木構造の根から、木構造の該受信者に対応付けられた位
置に至る鍵を有する、鍵列として生成する手段と、を具
備することを特徴とする、暗号鍵生成システム。
【請求項２】暗号鍵を複数の受信者へ配信する、暗号鍵
配信システムであって、（ａ）前記受信者の数以上の、
複数の鍵を生成する手段と、（ｂ）前記複数の鍵を、木
構造の形に階層的に配置する手段と、（ｃ）前記複数の
受信者を前記木構造の形に階層的に配置された鍵と対応
付け、前記受信者の個々の暗号鍵を、木構造の根から、
木構造の該受信者に対応付けられた位置に至る鍵を有す
る、鍵列として生成する手段と、（ｄ）生成された暗号
鍵列を、対応する前記受信者へ配信する手段と、を具備
することを特徴とする、暗号鍵配信システム。
【請求項３】前記暗号鍵を配信する手段（ｄ）が、対応
する前記受信者の公開鍵を用いて暗号化した後、配信す
る手段である、請求項２記載のシステム。
【請求項４】前記暗号鍵を配信する手段（ｄ）が、イン
ターネットを通じて配信する手段である、請求項２記載
のシステム。
【請求項５】前記暗号鍵を配信する手段（ｄ）が、衛星
放送を通じて配信する手段である、請求項２記載のシス
テム。
【請求項６】前記木構造が２進木、３進木、若しく４進
木である、請求項１乃至２の何れかに記載のシステム。
【請求項７】前記複数の受信者の中から、脱退者が出た
場合、前記複数の鍵の内、該脱退者が有する暗号鍵に関
連する鍵のみを変更して、該鍵の直下の鍵で暗号化し
て、受信者に変更された暗号鍵を、配信する手段を具備
する、請求項２記載のシステム。
【請求項８】前記暗号鍵を生成する手段（ｃ）が、前記
複数の受信者を、予め受信者の属性によりグループ分け
を行い、グループ間の関係に従い、前記複数の受信者を
前記木構造の形に階層的に配置された鍵と対応付ける手
段を含む、請求項１乃至２の何れかに記載のシステム。
【請求項９】前記属性が受信者の、契約年数、加入時
期、年齢、職業、住所、会社、若しくは電話番号であ
る、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】複数の受信者に配信するための暗号鍵を
生成する、暗号鍵生成方法であって、（ａ）前記受信者
の数以上の、複数の鍵を生成する段階と、（ｂ）前記複
数の鍵を、木構造の形に階層的に配置する段階と、
（ｃ）前記複数の受信者を前記木構造の形に階層的に配
置された鍵と対応付け、前記受信者の個々の暗号鍵を、
木構造の根から、木構造の該受信者に対応付けられた位
置に至る鍵を有する、鍵列として生成する段階と、を有
することを特徴とする、暗号鍵生成方法。
【請求項１１】複数の受信者に配信する暗号鍵を生成す
るためのプログラムを含む媒体であって、該プログラム
が、（ａ）前記受信者の数以上の、複数の鍵を生成する
機能と、（ｂ）前記複数の鍵を、木構造の形に階層的に
配置する機能と、（ｃ）前記複数の受信者を前記木構造
の形に階層的に配置された鍵と対応付け、前記受信者の
個々の暗号鍵を、木構造の根から、木構造の該受信者に
対応付けられた位置に至る鍵を有する、鍵列として生成
する機能と、を有することを特徴とする、プログラムを含む媒体。