ES2334109T5 - Método para la codificación de transmisiones - Google Patents

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Abstract

Un método para cifrado o codificado de transmisión, que comprende: asignar a cada usuario en un grupo de usuarios información privada respectiva Iu; seleccionar al menos una clave de cifrado de sesión K; dividir a los usuarios que no están en un conjunto revocado R en subconjuntos disjuntos Si1,...Sim que tienen claves de subconjuntos asociadas Li1,...Lim; y cifrar la clave de sesión K con las claves de subconjuntos Li1,...Lim para hacer m versiones cifradas de la clave de sesión K.

Description

Método para la codificación de transmisiones.
Antecedentes del invento
1. Campo del Invento
El invento se refiere en general al cifrado o codificación de datos de transmisión que usa claves de cifrado.
2. Descripción de la Técnica Relacionada
La patente norteamericana nº 6.118.873 describe un sistema para cifrar música, vídeos y otros contenidos transmitidos. Como se ha descrito en ella, solamente reproductores-grabadores autorizados pueden reproducir y/o copiar el contenido y solamente de acuerdo con reglas establecidas por el vendedor del contenido. De este modo, pueden ser impedidas las copias de contenido pirateadas, que comúnmente cuestan a los proveedores de contenidos billones de dólares cada año.
En el método de cifrado descrito en la patente a que antes se ha hecho referencia, los reproductores-grabadores autorizados son provistos de claves para el dispositivo con software implantado desde una matriz de claves del dispositivo. Las claves pueden ser emitidas simultáneamente una con otra o en el trascurso del tiempo, pero en cualquier caso, ningún reproductor-grabador se supone que tiene más de una clave de dispositivo por columna de la matriz. Aunque dos dispositivos podrían compartir la misma clave desde la misma columna, las posibilidades de que cualesquiera dos dispositivos compartan exactamente las mismas claves de conjunto de todas las columnas de la matriz son muy pequeñas cuando las claves son asignadas aleatoriamente. Las claves son usadas para descifrar el contenido.
En el caso de que un dispositivo (y sus claves) resulte comprometido, deliberadamente o por error, es necesario revocar las claves de ese dispositivo. Revocar un conjunto de claves efectivamente convierte al dispositivo comprometido (y cualesquiera clones del mismo) en inoperante para reproducir el contenido que es producido después de la revocación. En la patente antes descrita, para cada revocación se requieren aproximadamente 320 bytes de mensaje. Aunque esto es efectivo, es deseable reducir la longitud del mensaje de revocación incluso más, por eficiencia.
Aunque el sistema descrito en la patente a que antes se ha hecho referencia es efectivo, debido a limitaciones de tamaño del área de encabezamiento del mensaje (denominado como "bloque de clave de medios" en la patente), solamente un número relativamente limitado (10.000 para un encabezamiento de 3M tal como OVO-Audio) de revocaciones puede ser hecho durante la vida del sistema. Este número puede ser incrementado aumentando el tamaño del encabezamiento, pero las revocaciones añadidas serían aplicables sólo a dispositivos hechos de nuevo, y no a dispositivos que hubieran sido hechos antes del aumento de tamaño del encabezamiento. Es deseable ser capaz de ejecutar un gran número de revocaciones tanto de dispositivos "viejos" como "nuevos", es decir para tener en cuenta receptores sin estado. También, como más de un dispositivo puede compartir cualquier clave particular con el dispositivo comprometido en el invento patentado a que antes se ha hecho referencia, revocar un conjunto de claves de dispositivo podría dar como resultado revocar algunas claves contenidas por dispositivos inocentes. Es deseable reducir adicionalmente las posibilidades de revocar accidentalmente un dispositivo "bueno", preferiblemente a cero.
Además, el presente invento está dirigido al difícil escenario de los receptores "sin estado", es decir, receptores que no actualizan necesariamente su estado de cifrado entre transmisiones para aceptar contramedidas contra dispositivos comprometidos. Por ejemplo, una televisión que se suscribe a un canal de pago podría tener su codificador desactivado durante un período de tiempo durante el cual los datos cifrados actualizados podrían ser transmitidos sobre el sistema. Tal dispositivo se convertiría en "sin estado" si sucede que es incapaz de actualizarse por sí mismo después de haber sido vuelto a activar y así no poseería actualizaciones que serían necesarias para un futuro descifrado del contenido.
Además, hay una necesidad creciente de proteger el contenido de medios, tales como los CO y OVO, que son vendidos al público y para los que es deseable impedir una copia no autorizada. Los grabadores en tal sistema corrientemente no interactúan con lo reproductores, y ningún reproductor conseguirá cada posible pieza de actualizaciones de datos de cifrado, ya que ningún reproductor recibe cada disco vendido. Por consiguiente, como se ha comprendido aquí, la protección de contenidos de medios vendidos es un ejemplo del problema de cifrado de transmisión a receptores sin estado.
Además, la presencia de más de unos pocos fabricantes "malvados" (es decir fabricantes que legal o ilegalmente obtienen claves pero que en cualquier caso hacen que muchos dispositivos sin autorización tengan las claves) puede ser problemática. Es deseable tener en cuenta muchos fabricantes potencialmente "malvados".
Otros métodos para el cifrado de transmisión incluyen los descritos en Fiat y col., Cifrado de Transmisión, Crypto '93 LNCS vol. 839, págs. 257-270 (1994). Este método considera la retirada de cualquier número de receptores mientras como máximo "f' de ellos operen ilegalmente entre sí. Sin embargo, el método de Fiat y col., requiere longitudes de mensaje relativamente grandes, que un número de claves relativamente grandes sea almacenado en el receptor, y que cada receptor debe realizar más de una única operación de descifrado. Además, el método de Fiat y col. , no considera el escenario de receptor sin estado. Hay una necesidad de evitar la suposición a priori de cuantos receptores podrían operar ilegalmente. También, que el tamaño del mensaje yel número de claves almacenadas sean minimizados, y que el número de operaciones de descifrado que deben ser realizadas por un receptor sea minimizado, para optimizar el rendimiento.
5 Otros sistemas de cifrado o codificado, como el sistema de Fiat y col., no proporcionan medios para el escenario de receptores sin estado, y así no pueden ser aplicados efectivamente en cuanto a la protección de contenido de medios grabados. Ejemplos de tales sistemas incluyen los sistemas de jerarquía de clave lógica a base de árboles descritos en Wallner y col. , Gestión de claves para Multidifusión: Cuestiones y Arquitecturas, proyecto IETF de clave de Wallner 1997; Wong y col., Comunicación Segura de Grupo Utilizando Gráficos de Clave, SIGCOMM 1998; Canetti y col. , Seguridad
10 Multidifusión: Una Taxonomía y Algunas Construcciones Eficientes, Proc. de INFOCOM '99 vol. 2 págs. 708-716 (1999); Canetti y col., Intercambios de Comunicación-Almacenamiento para Cifrado Multidifusión, Eurocrypt 1999, págs. 459-474; y McGraw y col., Establecimiento de Claves en Grandes Grupos Dinámicos Usando Árboles de Función de Un Sentido, sometido a Transacciones de IEEE en Ingeniería de Software (1998).
Con más especificidad en relación a los métodos de Wallner y col., y Wong y col., las claves son asignadas por asignación
15 de una etiqueta independiente a cada nodo en un árbol binario. Desgraciadamente, en los métodos referidos alguna de las etiquetas cambia en cada revocación. Claramente, como es, el método sería inapropiado para el escenario del receptor sin estado. Incluso si un lote de revocaciones que ha de ser asociado con una única etiqueta cambia para cada nodo, los métodos referenciados de Wallner y col., y Wong y col., requerirían al menos lag N descifrados en el receptor y la transmisión de rlog N cifrados (donde r es el número de dispositivos que ha de ser revocado y N es el número total de
20 receptores en el sistema), desgraciadamente un número relativamente elevado.
Sumario del invento
El presente invento proporciona por consiguiente un método y programa de ordenador para el cifrado de transmisión, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas.
El método comprende preferiblemente además dividir a los usuarios en grupos Sj, .... Sw en los que "w" es un entero, y los 25 grupos establecen subárboles en un árbol.
Preferiblemente, el árbol es un árbol binario completo.
El método comprende preferiblemente además usar la información privada lu para descifrar la clave de sesión.
De modo adecuado, el acto de descifrado incluye utilizar información i¡ de tal modo que un usuario pertenece a un subconjunto S¡¡, y recuperar una clave L¡¡ de subconjunto usando la información privada del usuario.
30 Preferiblemente, cada subconjunto S¡j,. ",S¡m incluye todas las hojas de un subárbol con raíz en algún nodo Vi, estando asociado al menos cada nodo del subárbol con una clave de subconjunto respectiva.
Preferiblemente, el contenido es proporcionado a los usuarios en al menos un mensaje que define un encabezamiento, y el encabezamiento incluye como máximo r*log(N/r) claves de subconjuntos y cifrados, en los que r es el número de usuarios en el conjunto R revocado y N es el número total de usuarios.
35 De modo preferible, cada usuario debe almacenar lag N claves, en las que N es el número total de usuarios.
Preferiblemente, el contenido es proporcionado a los usuarios en al menos un mensaje, yen el que cada usuario procesa el mensaje usando como máximo lag lag N operaciones más una única operación de descifrado, en el que N es el número total de usuarios.
Preferiblemente, el conjunto R revocado define un árbol de expansión, y subárboles que tienen raíces unidas a nodos del 40 árbol de expansión definen los subconjuntos.
Preferiblemente, al árbol incluye una raíz y varios nodos, teniendo cada nodo al menos una etiqueta asociada, yen el que cada subconjunto incluye todas las hojas de un subárbol con raíces en algún nodo V¡ que no está en el subárbol con raíz en algún otro nodo V¡ que desciende de Vi.
Preferiblemente, el contenido es proporcionado a los usuarios en al menos un mensaje que define un encabezamiento, y 45 el encabezamiento incluye como máximo 2r-1 claves del subconjunto y cifrados, donde r es el número de usuarios en el conjunto revocado R.
Preferiblemente, cada usuario debe almacenar 0,510g2N + 0,510g N + 1 claves, en las que N es el número total de usuarios.
Preferiblemente, el contenido es proporcionado a los usuarios en al menos un mensaje, yen el que cada usuario procesa el mensaje usando como máximo lag N operaciones más una única operación de descifrado, en la que N es el número total de usuarios.
Preferiblemente, el conjunto R revocado define un árbol de expansión, y el método incluye: inicializar un árbol T de cubierta como el árbol de expansión; eliminar iterativamente nodos del árbol de cubierta T y añadir nodos a una cubierta 5 hasta que el árbol de cubierta T tenga como máximo un nodo.
Preferiblemente, cada nodo tiene al menos una etiqueta posiblemente inducida por al menos uno de sus antepasados, y en el que cada usuario tiene etiquetas asignadas de todos los nodos que cuelgan de un trayecto directo entre el usuario y la raíz pero no desde los nodos en el trayecto directo.
Preferiblemente, son asignadas etiquetas a subconjuntos usando un generador de secuencia seudoaleatorio, y el acto de 1 O descifrar incluye evaluar el generador de secuencia seudoaleatorio.
Preferiblemente, el contenido es proporcionado a los usuarios en al menos un mensaje que tiene un encabezamiento que incluye una función criptográfica EL, yel método incluye prefijar-truncar la función criptográfica EL.
Preferiblemente, el árbol incluye una raíz y varios nodos, teniendo cada nodo una clave asociada, yen el que cada usuario tiene asignadas claves desde todos los nodos en un trayecto directo entre una hoja que representa al usuario y la raíz.
15 Preferiblemente, el contenido es proporcionado a los usuarios en al menos un mensaje que define varias partes, y cada parte está cifrada con una clave de sesión respectiva.
El invento incluye de modo adecuado un método para agrupar usuarios en subconjuntos de usuarios (posiblemente solapándolos), teniendo cada subconjunto una única clave de subconjunto preferiblemente de vida larga, y asignando a cada usuario una información privada respectiva lu. El método incluye también de modo adecuado seleccionar al menos
20 una clave K cifrado de sesión preferiblemente de vida corta, y dividir a los usuarios que no están en un conjunto revocado R en subconjuntos disjuntos Sij, .... Sim que tienen claves de subconjuntos asociadas Li1, ... Lim. La clave de sesión K es cifrada adecuadamente con las claves de subconjuntos Li1, ... Lim para hacer m versiones cifradas de la clave de sesión K. En un aspecto, los usuarios pueden establecer hojas en un árbol tal como un árbol binario completo, y los subconjuntos Silo ....Sim son inducidos por el árbol.
25 En una realización preferida, los usuarios son inicialmente divididos en grupos Sj,....Sw en los que "w" es un entero. Una transmisión dada selecciona adecuadamente m de tales grupos como una "cubierta" para usuarios no revocados, estando definida la cubierta por el conjunto de usuarios revocados. Los grupos de "cubierta" establecen adecuadamente subárboles (o bien subárboles completos o bien una diferencia entre dos subárboles) en un árbol. Una información privada de usuario lu es encontrada preferiblemente como información ij en un mensaje transmitido que indica que un usuario
30 pertenece a un subconjunto Sij de uno de los grupos S1o .. .. Sw. Una clave de subconjunto Lij puede entonces ser obtenida a partir de la información privada del usuario o derivada usando la misma.
En una primera realización, denominada aquí como el método de "subárbol completo", grupos respectivos corresponden a todos los subárboles posibles en el árbol completo. Cada usuario tiene asignadas claves desde todos los nodos que están en un trayecto directo entre una hoja que representa al usuario y la raíz del árbol. En otras palabras, cada
35 subconjunto Si incluye todas las hojas de un subárbol con raíces en algún nodo vio estando asociado al menos cada nodo del subárbol con una clave de subconjunto respectiva. En esta realización, el contenido es proporcionado a los usuarios en un mensaje que define un encabezamiento, y el encabezamiento incluye como máximo r*log(N/r) claves de subconjuntos y cifrados, en el que r es el número de usuarios en el conjunto revocado R y N es el número total de usuarios. Además, cada usuario debe almacenar lag N claves, y cada usuario procesa el mensaje usando como máximo
40 lag log N operaciones más una única operación de descifrado.
En una segunda realización, denominada aquí como el método "diferencia de subconjuntos", grupos de usuarios respectivos corresponden a un universo de conjuntos S1, ....Sw que puede ser descrito como "un primer subárbol A menos un segundo subárbol B que está totalmente contenido en A". Cada nodo de este árbol tiene un conjunto de etiquetas, una única al nudo y otras que son inducidas por nodos antepasados. Cada usuario tiene etiquetas asignadas desde todos los 45 nodos que cuelgan desde nodos en un trayecto directo entre el receptor y la raíz (como máximo lag N etiquetas para cada uno de tales nodos) pero no desde los nodos en el propio trayecto directo. En otras palabras, cada subconjunto incluye todas las hojas de un subárbol con raíces en algún nodo Vi, que no están en un subárbol con raíces en algún otro nodo Vj que desciende desde Vi. Una de las etiquetas de los nodos de diferencia de subconjuntos para un usuario particular es proporcionada al usuario en una transmisión como esa información privada del usuario. Usando las etiquetas, el usuario
50 puede generar las claves de subconjuntos necesaria para el descifrado.
En esta realización, el encabezamiento del mensaje incluye como maxlmo 2r-1 (1,25r de promedio) claves de subconjuntos y cifrados, cada usuario debe almacenar 0,510g2N + 0,510g N + 1 claves, y cada usuario procesa el mensaje usando como máximo lag N operaciones (preferiblemente aplicaciones de un generador seudoaleatorio) más una única operación de descifrado.
Como se ha descrito adicionalmente a continuación con respecto al método de diferencia de subconjuntos, el conjunto revocado R define un árbol de expansión. Un árbol de cubierta T es inicializado como el árbol de expansión, y a continuación el método elimina iterativamente nodos del árbol de cubierta T y añade subárboles al árbol de cubierta T hasta que el árbol de cubierta tiene como máximo un nodo. El árbol de cubierta T es usado para identificar claves de
5 subconjuntos que han de ser usadas en una transmisión particular, con usuarios evaluando el generador de secuencia seudoaleatorio para derivar claves de subconjuntos a partir de las etiquetas. Preferiblemente, para procesar revocaciones con eficiencia son tratados de izquierda a derecha de tal modo que solamente deben ser conservadas en memoria dos revocaciones al mismo tiempo.
En algunas puestas en práctica específicas, el encabezamiento del mensaje incluye una función criptográfica EL, y el 10 método incluye el prefijado-truncado de la función de prefijo criptográfica EL' Si se desea, partes del mensaje pueden ser cifradas con claves de sesión respectivas.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describirán realizaciones preferidas del presente invento, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
15 La fig. 1 es un diagrama de bloques del sistema actual;
La fig. 2 es un diagrama de flujo de la lógica de cifrado completa;
La fig. 3 es un diagrama de flujo de la lógica de descifrado completa;
La fig. 4 es un diagrama de flujo de la parte de asignación de claves del método de subárbol completo;
La fig. 5 es un diagrama de flujo de la parte de cifrado del método de subárbol completo;
20 La fig. 6 es un diagrama de flujo de la parte de descifrado del método de subárbol completo;
La fig. 7 es un diagrama esquemático de un subconjunto de un subárbol completo;
La fig. 8 es un diagrama esquemático de un subconjunto en el método de diferencia de subconjuntos; y
La fig. 9 es otra forma de un diagrama esquemático del subconjunto en el método de diferencia de subconjuntos;
La fig. 10 es un diagrama de flujo de la lógica para definir una cubierta en el método de diferencia de subconjuntos;
25 La fig. 11 es un diagrama esquemático de un subconjunto de un árbol en el método de diferencia de subconjuntos, que ilustra asignación de claves;
La fig. 12 es un diagrama de flujo de las partes de descifrado del método de diferencia de subconjuntos;
La fig. 13 es un diagrama de flujo de la lógica para asignar claves en el método de diferencia de subconjuntos; y
La fig. 14 es un diagrama esquemático de un subconjunto de un árbol en el método de diferencia de subconjuntos.
30 Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Con referencia inicialmente a la fig. 1, se ha mostrado un sistema, generalmente designado con 10, para generar conjuntos de claves en un sistema de protección de contenido de transmisión, tal como el sistema descrito en la patente antes referenciada pero no limitado al mismo. Con el término "transmisión" quiere significarse la amplia diseminación de un programa desde un proveedor de contenidos a muchos usuarios simultáneamente sobre cable (desde una fuente de
35 satélite), o hilo, o radiofrecuencia (incluyendo desde una fuente de satélite), o desde discos de contenido ampliamente comercializados.
Como se ha mostrado, el sistema 10 incluye un ordenador 12 de definición del conjunto de claves que accede a un módulo 14 de definición de conjunto de claves que funciona de acuerdo con la descripción siguiente. Los conjuntos de claves definidos por el ordenador 12 son usados por dispositivos 16 reproductores-grabadores potencialmente sin estado, 40 también denominados aquí como "receptores" y "usuarios", que tienen procesadores dentro de ellos para descifrar el contenido. El contenido junto con ciertas claves descritas a continuación es proporcionado a los dispositivos respectivos mediante, por ejemplo fabricantes de dispositivos 16 sobre medios 17. Un dispositivo reproductor-grabador puede acceder a su conjunto de claves para descifrar el contenido en medios o transmitirlo a través de comunicación inalámbrica. Como se ha usado aquí el término "medios" puede incluir pero no está limitado a los OVO, CO, unidades de disco duro y
45 dispositivos de memoria "flash". En una realización alternativa, cada receptor 16 podría ejecutar el módulo 14 para realizar la operación de calcular la "cubierta" más abajo descrita al dársele el conjunto de receptores revocados y realizar la lógica descrita a continuación.
Ha de comprenderse que el procesador asociado con el módulo 14 accede a los módulos para emprender la lógica mostrada y descrita a continuación, que puede ser ejecutada por un procesador como una serie de instrucciones ejecutables por ordenador. Dos métodos -el método de subárbol completo, y el método de diferencia de subconjuntos están descritos aquí para usar el sistema 10 para revocar selectivamente la capacidad de los receptores comprometidos 16 para descifrar el contenido de transmisión sin revocar la capacidad de cualquier receptor 16 no comprometido para descifrar el contenido de transmisión.
Las instrucciones pueden estar contenidas en un dispositivo de almacenamiento de datos con un medio legible por ordenador, tal como un disquete de ordenador que tiene un medio utilizable por ordenador con elementos de código legibles por ordenador almacenados en él. O, las instrucciones pueden estar almacenadas en una agrupación DASD, cinta magnética, unidad de disco duro tradicional, memoria electrónica solo de lectura, dispositivo de almacenamiento óptico, u otro dispositivo de almacenamiento de datos apropiado. En una realización ilustrativa del invento, las instrucciones ejecutables por ordenador pueden ser líneas de código compatible C++ compilado.
Además, los diagramas de flujo ilustran aquí la estructura de la lógica de una realización preferida del presente invento como realizada en software de programa de ordenador. Los expertos en la técnica apreciarán que los diagrama de flujo ilustran las estructuras de elementos de código de programa de ordenador que incluyen circuitos lógicos en un circuito integrado, que funciona de acuerdo con este invento. De modo manifiesto, el invento es puesto en práctica en su realización esencial por un componente de máquina que convierte los elementos de código de programa en una forma que instruye a un aparato de tratamiento digital (es decir un ordenador) a realizar una secuencia de actos de función correspondientes a los mostrados.
La lógica completa de una realización preferida del presente invento como es llevada a cabo tanto por el método de diferencia de subconjuntos como por el método de subárbol completo puede ser vista en referencia a la fig. 2. Con propósitos de la presente exposición, se supone que existen N receptores 16 en el sistema 10, Y que es deseable ser capaz de revocar la capacidad de r receptores en un subconjunto receptor revocado R para descifrar el contenido incluso si los receptores revocados actúan en una coalición (compartiendo conocimiento de cifrado), de tal modo que cualquier receptor pueda aún descifrar contenido. Comenzando en el bloque 19, el sistema es iniciado asignando claves de subconjuntos de vida larga L1, ... Lw a subconjuntos correspondientes en un universo de subconjuntos S1, ....Sw en los que los receptores son agrupados de acuerdo con la exposición siguiente, teniendo así cada subconjunto S¡ una clave de subconjunto de larga vida L¡ asociada con él. En el primer método ("subárbol completo"), los subconjuntos que cubren receptores que no están en un conjunto revocado son simplemente los subárboles que son generados por la exposición siguiente. En el segundo método ("diferencia de subconjuntos"), los subconjuntos que cubren los receptores que no están en un conjunto revocado son definidos por la diferencia entre un primer subárbol y un subárbol menor que está totalmente dentro del primer subárbol como se ha descrito adicionalmente a continuación.
En el bloque 20, el sistema es además iniciado suministrando a cada receptor u con información privada lu que es útil para descifrar el contenido. Detalles de la información privada lu son descritos adicionalmente a continuación. Si lu es la información secreta proporcionada al receptor u, entonces cada receptor u en S¡ puede deducir L¡ de su lu. Como se ha descrito más completamente a continuación, dado el conjunto revocado R, los receptores no revocados son divididos en m subconjuntos disjuntos Silo .... Sim y una clave de sesión K de vida corta es cifrada m veces con las claves de subconjuntos de vida larga Lib' .. Lim asociadas con subconjunto respectivos Sib .... Sim. Las claves de subconjuntos son claves de subconjuntos explícitas en el método de subárbol completo y son inducidas por etiquetas de subconjunto en el método de diferencia de subconjuntos.
Específicamente, en el bloque 22 al menos una clave de sesión K es seleccionada con la que cifrar el contenido que es transmitido en un mensaje M, bien mediante trayectos de comunicación inalámbricos o por cable o bien mediante medios de almacenamiento tales como CD y OVO. La clave de sesión K es una cadena aleatoria de bits que es seleccionada de nuevo para cada mensaje. Si se desea, pueden usarse varias claves de sesión para cifrar partes respectivas del mensaje
M.
En ambos métodos descritos a continuación, los receptores no revocados son divididos en subconjuntos disjuntos Sil. ....Sim en el bloque 24 usando un árbol. Los subconjuntos son a veces denominados aquí como "subárboles", considerando el primer método explícitamente subárboles y siendo en lo que se refiere al segundo método subárboles de la forma "un primer subárbol menos un segundo subárbol totalmente contenido en el primero". Cada subconjunto Sil.' " ,Sim está asociado con una clave de subconjunto respectiva Lib .. .. Lim. Aunque se ha considerado aquí cualquier estructura a modo de árbol de datos, con propósito de exposición se ha supuesto que el árbol es un árbol binario completo.
Continuando al bloque 26, en general la clave de sesión K es cifrada m veces, una vez con cada clave de subconjunto Lib ... Lim. El texto cifrado resultante que es transmitido puede ser representado como sigue, representando las partes entre paréntesis el encabezamiento del mensaje M y representando i1, i2, . .. , im índices de los subconjuntos disjuntos:
En una realización, el primitivo cifrado FK es puesto en práctica por aplicación de XOR al mensaje M con una cifra de corriente generada por la clave de sesión K. El primitivo cifrado EL es un método para entregar la clave de sesión K a los receptores 16, usando las claves de subconjuntos de larga vida. Ha de comprenderse que todos los algoritmos de cifrado para FK, EL están dentro del marco de una realización preferida del presente invento. Una puesta en práctica preferida de EL puede ser una especificación de Prefijado-Truncado de una cifra de bloque. Se supone que 1 representa una cadena aleatoria cuya longitud es igual a la longitud del bloque de EL, y se supone que K es una clave corta para la cifra FKcuya longitud es por ejemplo de 56 bits. A continuación, [Prefix.K.EL(1 )/K] proporciona un cifrado fuerte. Por consiguiente, el encabezamiento de Prefijo-Truncado resulta:
Esto reduce ventajosamente la longitud del encabezamiento a aproximadamente m-K-bits en vez de m-L-. En el caso en que la longitud de clave de EL es mínima, puede usarse lo siguiente para eliminar el factor de ventaja m que un adversario tiene en un ataque con fuerza bruta lo que resulta de cifrar la misma cadena 1 con m claves diferentes. La cadena 1/i¡ está cifrada. Es decir:
Habiendo descrito modos preferidos, no limitativos para poner en práctica los primitivos E y F de cifrado, la atención se dirige ahora a la fig. 3, que muestra la lógica de descifrado realizada por los receptores 16. Comenzando en el bloque 28, cada receptor u no revocado encuentra un identificador de subconjunto i¡ en el texto cifrado de tal modo que pertenece al subconjunto S¡¡. Como se ha descrito adicionalmente a continuación, si el receptor está en el conjunto revocado R, el resultado del bloque 28 será nulo. A continuación, en el bloque 30 el receptor extrae la clave de subconjunto L¡¡ correspondiente al subconjunto S¡¡ usando su información privada lu. Usando la clave de subconjunto, la clave de sesión K es determinada en el bloque 32, ya continuación el mensaje es descifrado en el bloque 34 usando la clave de sección K.
A continuación se han descrito dos métodos preferidos para realizar la lógica completa antes descrita. En cada uno, la colección de subconjuntos es especificada, como lo es el modo en que las claves son asignadas a los subconjuntos y un
25 método para cubrir receptores no revocados usando subconjuntos disjuntos de la colección. En cada uno, el conjunto de receptores en el sistema establece las hojas de un árbol, tal como un árbol binario completo pero no limitado al mismo.
El primer método que se va a describir es el método de subárbol completo mostrado en las figs. 4-7. Comenzando en el bloque 36 en la fig. 4, una clave de subconjunto independiente y aleatoria L¡ es asignada a cada nodo v¡ en el árbol. Esta clave de subconjunto L¡ corresponde a un subconjunto que contiene todas las hojas con raíces en el nodo Vi. A continuación, en el bloque 38, cada receptor u es provisto con todas las claves de subconjuntos en el trayecto directo desde el receptor a la raíz. Como se ha ilustrado a modo de referencia en la fig. 7, los receptores u en el subconjunto S¡ son proporcionados con la clave de subconjunto L¡ asociada con el nodo Vi , así como con las claves asociadas con el nodo P, que se encuentra entre los receptores en S¡ y la raíz del árbol.
Cuando se desea enviar un mensaje y revocar la capacidad de algunos receptores para descifrar el mensaje, la lógica de
35 la fig. 5 es invocada para la división de receptores no revocados en subconjuntos disjuntos. Comenzando en el bloque 40, un árbol de expansión es descubierto que está definido por las hojas en R, el conjunto de receptores revocados. El árbol de expansión es el subárbol mínimo del árbol binario completo que conecta las hojas "revocadas", y puede ser un árbol de Steiner. Continuando al bloque 42, los subárboles que tienen raíces adyacentes a nodos de grado uno en el árbol (es decir nodos que son directamente adyacentes al árbol mínimo) están identificados. Estos subárboles definen una "cubierta" y establecen los subconjuntos S¡J, ....S¡m. La cubierta abarca a todos los receptores no revocados. Por consiguiente, en el bloque 44 la clave de sesión K es cifrada usando las claves de subconjuntos definidas por la cubierta.
Para descifrar el mensaje, cada receptor invoca a la lógica de la fig 6. Comenzando en el bloque 46, se ha determinado si cualquier nodo antepasado del receptor está asociado con una clave de subconjunto de la cubierta determinando si cualquier nodo antepasado está entre el conjunto iJ, i2, ... , imen el encabezamiento del mensaje. La información privada lu
45 del receptor, que en el método del subárbol completo consiste de su posición en el árbol y claves de subconjuntos asociadas a nodos antepasados, es usada para determinar este. Si se ha encontrado un antepasado en el encabezamiento de mensaje (indicando que el receptor es un receptor no revocado) , la clave de sesión K es descifrada en el bloque 48 usando la clave de subconjunto, y a continuación el mensaje es descifrado usando la clave de sesión K en el bloque 50.
En el método del subárbol completo, el encabezamiento incluye como máximo r*log(N/r) claves de subconjuntos y cifrados. Este es también el número de claves y cifrados promedio. Además, cada receptor debe almacenar log N claves, y cada receptor procesa el mensaje usando como máximo log log N operaciones más una única operación de descifrado.
Con referencia ahora a las figs. 8-13, puede ser visto el método de diferencia de subconjuntos para revocar receptores. En el método de diferencia de subconjuntos, cada receptor debe almacenar relativamente más claves (0,510g2 N + 0,510g N +1 claves) que en el método de subárbol completo, pero el encabezamiento del mensaje incluye sólo como máximo 2r-1 claves de subconjuntos y cifrados (1 ,25r de promedio), y éste es sustancialmente más corto que en el método de subárbol completo. También, en el método de diferencia de subconjuntos, el mensaje es procesado usando como máximo log N aplicaciones de un generador de números seudoaleatorio más una única operación de descifrado.
Con referencia a las figs. 8 y 9, el método de diferencia de subconjuntos considera los subconjuntos como la diferencia entre un subconjunto A mayor y un subconjunto B menor que está totalmente contenido en A. Por consiguiente, como se ha mostrado un subárbol mayor tiene raíces en el nodo V¡ y un subárbol menor tiene raíces en el nodo Vj que desciende desde Vi. El subconjunto resultante S¡j consiste de todas las hojas "sí" bajo V¡ excepto para aquellas hojas etiquetadas "no" (y coloreadas más oscuras que las hojas etiquetadas "sí") bajo Vj' La fig. 9 ilustra esto, estando representado el subconjunto v¡,j por el área situada dentro del triángulo mayor y fuera del triángulo menor.
Cuando se ha deseado enviar un mensaje y revocar la capacidad de algunos receptores para descifrar el mensaje en el método de diferencia de subconjuntos, la estructura antes descrita es usada como se ha mostrado en la fig. 10. Comenzando en el bloque 52, se ha descubierto que un árbol de expansión está definido por las hojas en R, el conjunto de receptores revocados. El árbol de expansión es el subárbol mínimo del árbol binario completo que conecta las hojas "revocadas", y puede ser un árbol de Steiner. Continuando al bloque 54, un árbol de cubierta T es inicializado como el árbol de expansión. Un bucle iterativo comienza entonces en el que son retirados nodos del árbol de cubierta y son añadidos subárboles a la cubierta hasta que el árbol de cubierta T tiene como máximo un nodo. La salida define la cubierta para los receptores no revocados.
Más específicamente, moviéndose desde el bloque 54 al bloque 56, las hojas V¡ y Vj son encontradas en el árbol de cubierta de tal modo que al menos su antepasado común v no contiene otras hojas en T. En el diamante de decisión 57 se ha determinado si sólo existe una hoja en el árbol de cubierta T. Si existe más de una sola hoja, la lógica se mueve al bloque 58 para encontrar nodos Vi, Vk en v, de tal modo que V¡ desciende desde VI y Vj desciende desde Vk Y de tal modo que VI, Vk son hijos de v (es decir descendientes directos de v sin ningún nodo de intervención entre v y VI. Vk). En contraste, cuando sólo existe una única hoja en T, la lógica se mueve desde el diamante de decisión 57 al bloque 60 para ajustar V¡ = Vj = única hoja restante, colocar v en la raíz de T, y ajustar VI =Vk = raíz.
Desde el bloque 58 ó 60 la lógica se mueve al diamante de decisión 62. En el diamante de decisión 62, se ha determinado si VI es igual a Vi . Si VI no es igual a V¡ la lógica se mueve al bloque 64 para añadir el subconjunto SI,¡ a T, retirar de T todos los descendientes de v y hacer v una hoja. De modo similar, si Vk no es igual a Vj la lógica se mueve al bloque 64 para añadir el subconjunto Sk,j a T, retirar todos los descendientes de v, y hacer v una hoja. Desde el bloque 64 o desde el diamante de decisión 62 cuando no se ha determinado una desigualdad, la lógica forma un bucle de nuevo al bloque 56.
Con la anterior vista completa del método de asignación de claves por diferencia de subconjuntos en mente, se describe a continuación una puesta en práctica particularmente preferida. Mientras el número de subconjuntos total a los que pertenece un receptor es tan grande como N, estos subconjuntos pueden ser agrupados en lag N grupos definidos por el primer subconjunto i (desde el que es sustraído otro subconjunto). Para cada 1 <kN correspondiente a un nodo interior en el árbol completo, es seleccionada una etiqueta independiente y aleatoria LABEL¡, que induce las etiquetas para todos los subconjuntos legitimados de la forma S¡,j' A partir de las etiquetas, son derivadas las claves de subconjuntos. La fig. 11 ilustra el método de etiquetado preferido descrito a continuación. El nodo etiquetado L¡ es la raíz del subárbol T, y sus descendientes son etiquetados de acuerdo con los principios actuales.
Si G es un generador de secuencia criptográfico seudoaleatorio que triplica la longitud de entrada, G_L(S) indica el tercero por la izquierda de la salida de G en la semilla S, G_R(S) indica el tercero por la derecha, y G_M(S) indica el tercero en el centro. Considérese el subárbol T¡ del árbol de cubierta T con raíces en el nodo V¡ con etiqueta LABEL¡. Si e lu ste nodo está etiquetado S, sus dos hijos son etiquetados G_L(S) y G_R(S) respectivamente. La clave de subconjunto L¡,j asignada al conjunto S¡,j es la G_M de la etiqueta LABEL¡,j, de nodo Vj derivada del subárbol T¡. Obsérvese que cada etiqueta S induce tres partes, en particular, las etiquetas para los hijos izquierdo y derecho, y la clave del nodo. Por consiguiente, dada la etiqueta de un nodo es posible calcular las etiquetas y claves de todos sus descendientes. En una realización preferida, la función G es una función de cálculo de clave ("hash") criptográfica tal como el Algoritmo-1 de Cálculo de Clave Seguro (SHA-1), aunque pueden usarse otras funciones.
La fig. 12 muestra cómo los receptores descifran mensajes en el método de diferencia de subconjuntos. Comenzando en el bloque 66, el receptor encuentra el subconjunto S¡,j al que pertenece, junto con la etiqueta asociada (que es parte de la información privada del receptor que le permite derivar la LABEL¡,j Y la clave de subconjuntos L¡,j)' Usando la etiqueta, al receptor calcula la clave de subconjunto L¡,j evaluando la función G como máximo N veces en el bloque 68. A continuación, el receptor usa la clave de subconjuntos para descifrar la clave de sesión K en el bloque 70 para un subsiguiente descifrado de mensaje.
La fig. 13 muestra cómo las etiquetas y, por tanto las claves de subconjuntos, son asignadas a receptores en el método de diferencia de subconjuntos. El método de etiquetado descrito aquí es usado para minimizar el número de claves que cada receptor debe almacenar.
Comenzando en el bloque 72, cada receptor está provisto con etiquetas de nodos que no están en el trayecto directo entre el receptor y la raíz pero que "cuelgan" del trayecto directo y que son inducidas por alguno nodo V i, un antepasado de u. Estas etiquetas establecen la información privada lu del receptor en el bloque 74, siendo cifradas subsiguientes claves de sesión de mensajes con claves de subconjuntos derivadas de las etiquetas en el bloque 76.
5 Con referencia brevemente a la fig. 14, se ha ilustrado el principio anterior. Para cada Vi antepasado con etiqueta S de un receptor u, el receptor u recibe etiquetas en todos los nodos 71 que están colgando del trayecto directo desde el nodo Vi al receptor u. Como se ha descrito adicionalmente a continuación, estas etiquetas están derivadas todas preferiblemente desde S. En marcado contraste con el método de subárbol completo, en el método de diferencia de subconjuntos ilustrado en las figs. 8-14 el receptor u no recibe etiquetas desde ningún nodo 73 que está en el trayecto directo desde el receptor u
10 al nodo Vi' Usando las etiquetas, el receptor u puede calcular las claves de subconjuntos de todos los conjuntos (excepto el conjunto de trayecto directo) que tienen raíces en el nodo Vi evaluando la función G antes descrita, pero no puede calcular ninguna otra clave de subconjunto.
Los sistemas multidifusión tradicionales carecen de secreto hacia atrás, es decir un receptor que escucha constantemente que ha sido revocado sin embargo puede grabar todos los contenidos cifrados, y luego alguna vez en el futuro ganar una 15 clave nueva válida (por ejemplo, mediante un nuevo registro) que permite el descifrado del contenido pasado. Una realización preferida del presente invento puede ser usada en tales escenarios para curar la falta de secreto hacia atrás incluyendo, en el conjunto de receptores revocados todas las identidades de receptores que no han sido aún asignadas. Esto puede hacerse si todo los receptores están asignados a hojas en orden consecutivo. En este caso, la revocación de todas las identidades sin asignar da como resultado un aumento moderado en el tamaño del encabezamiento del
20 mensaje, pero no proporcionalmente al número de tales identidades.
Una realización preferida del presente invento también reconoce que es deseable tener codificaciones concisas de los subconjuntos ij en el encabezamiento de mensaje y proporcionar un modo rápido para que un receptor determine si pertenece a un subconjunto ij. Se supone que un nodo está indicado por su trayecto a la raíz, con O indicando una rama izquierda y 1 indicando una rama derecha. El final del trayecto está indicado por un 1 seguido por cero o más bits O. Así, la
25 raíz es 1000 .... 000b, el hijo más a la derecha de la raíz es 01000 .... 000b, el hijo más a la izquierda es 11000 ... 000b, Y una hoja es xxxx ... xxxx1 b.
Como se ha reconocido aquí, el trayecto de una raíz de subárbol mayor es un subconjunto del trayecto de una raíz de subárbol menor, de modo que la diferencia de subconjuntos puede ser indicada por la raíz del menor subárbol más la longitud del trayecto a la raíz del mayor subárbol. Con esto en mente, un receptor puede determinar rápidamente si está
30 en un subconjunto dado ejecutando el siguiente bucle del procesador Intel Pentium®.
Fuera del bucle, se ajustan los siguientes registros: ECX contiene el nodo de hoja del receptor, ESI apunta a la memoria tampón del mensaje (el primer byte es la longitud del trayecto a la raíz del mayor subárbol y los siguientes cuatro bytes son la raíz del árbol menor), y una tabla estática emite 32 bits cuando es indexada por la longitud del trayecto, siendo los primeros bits de longitud 1 y siendo los bits restantes O.
35 bucle: MOV BYTE EBX, [ESI++]
MOV DWORD EAX, [ESI++]
XOR EAX, ECX
AND EAX, T ABLE[EBX]
JNZ bucle
40 Si un receptor cae fuera del bucle, eso no significa necesariamente que pertenezca al subconjunto particular. Podría estar en el subárbol menor excluido, y si es así, debe volver al bucle. Sin embargo, como en la vasta mayoría de casos el receptor no está incluso ni en el subárbol mayor, casi no se gasta tiempo de tratamiento en el bucle.
En otra optimización del método de diferencia de subconjuntos, el servidor del sistema no tiene que recordar cada etiqueta y todas ellas, lo que podría convertirse en millones. En vez de ello la etiqueta del nodo iésimo puede ser una función secreta 45 del nodo. La función secreta podría ser un cifrado triple DES que usa una clave secreta para hacer la etiqueta del nodo iésimo cuando es aplicada al número i.

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Un método para cifrado o codificado de transmisión, que comprende:
    asignar a cada receptor en un grupo de N receptores información privada respectiva lu;
    seleccionar al menos una clave de cifrado de sesión K con la que cifrar contenido para transmitir en un mensaje M, la clave K de cifrado de sesión una cadena aleatoria de bits que es seleccionada de nuevo para cada uno de dichos mensajes M;
    dividir a los receptores que no están en un conjunto revocado R en subconjuntos disjuntos S¡l,' ...S¡m que tienen claves de subconjuntos asociadas L¡j, ... L¡m;
    cifrar la clave de cifrado de sesión K con las claves de subconjuntos L¡j, ... L¡m para hacer m versiones cifradas de la clave de cifrado de sesión K; y
    cifrar el contenido utilizando al menos una clave de cifrado de sesión K para transmitir en el mensaje M.
  2. 2.-El método según la reivindicación 1, que comprende además dividir a los usuarios en grupos Sj, .... Sw, en los que "w" es un entero, y los grupos establecen subárboles en un árbol.
  3. 3.-El método según la reivindicación 2, en el que cada subconjunto S¡j, .. "Sim incluye todas las hojas de un subárbol con raíces en algún nodo Vi, estando asociado al menos cada nodo en el subárbol con una clave de subconjunto respectiva.
  4. 4.-El método según la reivindicación 3, en el que el contenido es proporcionado a los receptores en al menos un mensaje que define un encabezamiento, y el encabezamiento incluye como máximo r*log(N/r) claves de subconjuntos y cifrados, en los que r es el número de receptores en el conjunto revocado R y N es el número total de receptores.
  5. 5.-El método según la reivindicación 3, en el que el conjunto revocado R define un árbol de expansión, y los subconjuntos que tienen raíces unidas a nodos del árbol de expansión definen los subconjuntos.
  6. 6.-El método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que el árbol incluye una raíz y varios nodos, teniendo cada nodo al menos una etiqueta asociada, yen el que cada subconjunto incluye todas las hojas de un subárbol con raíz en algún nodo V¡ que no está en él subárbol con raíces en algún otro nodo vi que desciende desde Vi.
  7. 7.-El método según la reivindicación 6, en el que el contenido es proporcionado a los receptores en al menos un mensaje que define un encabezamiento, y el encabezamiento incluye como máximo 2r-1 claves de subconjuntos y cifrados, en la que r es el número de receptores en el conjunto revocado R.
  8. 8.-El método según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en el que el conjunto revocado R define un árbol de expansión, y en el que el método incluye: inicializar un árbol de cubierta T como el árbol de expansión; retirar iterativamente nodos desde el árbol de cubierta T y añadir nodos a una cubierta hasta que el árbol de cubierta T tiene como máximo un nodo.
  9. 9.-El método según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que cada nodo tiene al menos una etiqueta inducida posiblemente por al menos uno de sus antepasados, yen el que cada receptor tiene asignadas etiquetas desde todos los nodos que cuelgan de un trayecto directo entre el receptor y la raíz pero no desde nodos en el trayecto directo.
  10. 10.-Un programa de ordenador que comprende un código de programa de ordenador para, cuando es cargado en un sistema de ordenador y ejecutado, hace que dicho sistema de ordenador realice las operaciones de un método según se ha reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
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