(计算机系统结构优秀论文)家庭网络DRM研究

上海交通大学硕士学位论文家庭网络DRM研究姓名：李敏申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：刘胜利20060101iv家庭网络DRM 研究摘 要家庭网络DRM 是DRM 领域发展的新方向它进行以家庭为单位的数字版权管理具有很多优点适合于数字家庭和家庭网络应用中内容保护是数字家庭和家庭网络中必须解决的安全问题很多公司组织都在征集和制定这方面的方案和标准因此家庭网络DRM 的研究很有应用意义本文是国内较早介绍和研究该领域的文章本文的工作围绕家庭网络DRM 主题展开前几章介绍该领域后几章的工作着眼于该领域存在的问题和发展趋势上文中主要研究工作和成果如下1.在阅读了大量文献和项目经验的基础上总结归纳了该领域研究的主要问题和方法建立了功能模型系统逻辑模型信任关系和攻击场景介绍了几个典型方案并从技术方面分析其优缺点最后对该领域的研究方向和趋势进行了展望这些介绍对于国内了解该领域具有较好参考价值2.针对移动设备的管理和集中式方案存在的问题提出一个基于双线性配对的在线/离线代理签名方案来解决该方案所需的带宽和在线运算优于同类方案适合家庭网络DRM 中的应用3.针对xCP 方案存在的问题设计了用户控制层及相关协议所设计的用户控制层能和原方案很好地融合所需增加的存储量和计算量都很少且支持用户扩展定义4.针对家庭网络DRM 和典型DRM 较长时间内将共存但接口不完善的问题在建立系统模型的基础上通过修改数字许可证提出了一个整合方案并进行了性能分析关键词 家庭网络DRM DRM 家庭网络数字家庭认证域代理签名用户控制层vRESEARCH ON HOME NETWORK DRMABSTRACTHome network DRM is a new direction of DRM field, and is applied properly in home network and digital home. Home network DRM manages the copy rights based on the devices in the home network as a whole, and has many advantages. Content protection is the security problem that must be solved in digital home and home network, so the research on home network DRM has great significance. Currently many companies and organizations are devoted into developing standards and solutions on home network DRM.This thesis is the first domestic paper addressing home network DRM.The research work of the thesis is around home network DRM field. The first several chapters will introduce the status of this field, and the remaining chapters will try to solve the issues and propose solutions for trends and directions. The research work of this thesis is as follows:1We summarize the main research problems and research methods in the field, and propose function model, system logical model, trust relationship and attack senarios, based on having read many related literatures. Then we introduce several typical solutions, and give an incisive analysis of advantages/disadvantages from technical aspects. Finally we analyze and summarize the trends, noteworthy issues and future directions in the field. It’s a brand new field, so this thesis will be a guide for domestic researchers.2We point out the existing problems in centralized management solutions and mobile device management, and propose an online/offline proxy signature scheme suitable for home network DRM application. The scheme is based on bilinear pairing, which requires less bandwidth and less online computation compared with other proxy signature solutions.3We point out the existing problems in xCP solution, and design user control level and corresponding protocols. The designed user control levelvican work well with the original solution, and requires minor increasement on storage space and computation, and supports user extended functions.4We propose an integration schemes between typical DRM solutions and home network DRM solutions, through modeling for systems and modifying license. We also analyse the performance of the integration schemes.KEY WORDS: home network DRM, DRM, home network, digital home,authorized domain, proxy signature, user control level上海交通大学硕士学位论文家庭网络DRM研究*RESEARCH ON HOME NETWORK DRM硕士姓名李敏学科专业计算机系统结构学号1030339035研究方向密码和信息安全导师刘胜利副教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2006年1月*国家自然科学基金资助资助号60303026ii上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名李敏日期 2006 年 2月 17日iii上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密在 年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密请在以上方框内打学位论文作者签名李敏 指导教师签名刘胜利日期 2006年2月17日 日期 2006年2月17 日–1–1绪论1.1研究数字版权保护(DRM)的意义随着信息时代的到来信息产业获得飞速发展如今电脑打印机刻录机U 盘计算机网络个人移动通讯设备等数字信息处理和传输设备已进入寻常百姓家拷贝软件文字处理软件图像处理软件视频音频处理软件等都很常见电子邮件网上教学网上购物电子商务MP3DVD等再也不是新名词人们已经能够熟练地运用数字化技术来获取处理和传播信息随着互联网功能的增强及宽带接入的普及数字信息的获取和传播变得更加容易数字化技术和网络技术为人们相互交换信息促进科学技术文化教育生产的发展提高现代人的生活质量提供了极大的便利同时也向人们提出了新的挑战数字产品的防盗版问题数字化技术具有易复制性高效性易传输性等特点然而正是由于这些特性使得各类盗版及侵权行为频频发生如对信息随意进行篡改拷贝未经授权非法使用将信息随意转发给其他用户等等盗版CD 盗版VCD 盗版DVD 盗版电子书籍等各种盗版数字产品随处可见盗版问题非常严重这严重地阻碍了信息产业的发展损害了消费者版权所有者的合法利益使得信息创建者及版权所有者心存恐惧挫伤了他们的创作积极性阻碍了社会政治经济文化的发展如果这种现象得不到有效控制那么以数字化为特征的信息产业将面临失败的命运如今人们已经充分认识到数字产品盗版问题的严重性和危害性并开始着手从技术和法律两个方面来解决数字产品的版权问题技术手段是所有数字化作品共同适用的保护方法在对数字作品的保护中发挥着明显的作用在法律覆盖不到的层面提供保护还能为法律提供依据特别是在相关法律还不甚健全的今天技术保护是版权保护的重要力量通过技术手段来打击盗版行为发现追捕惩罚盗版者确保数字版权所有者的版权不受侵犯维护数字化信息的完整性保护消费者的合法权益是维护信息产业健康发展的当务之急–2–数字版权保护Digital Rights Management 简称DRM 正是应此需求而生的有效技术手段数字版权保护是指采取信息安全技术手段在内的系统解决方案它提供访问控制权限管理版权保护等功能在保证合法的具有权限的用户对数字信息如数字图像音频视频等正常使用的同时保护数字信息创作者和拥有者的版权保障他们根据版权信息获得合法收益并在版权受到侵害时能够鉴别数字信息的版权归属及版权信息的真伪国内外许多专家学者提出了一系列的方法和技术如数字签名安全容器信息隐藏数字水印数字指纹移动Agent 等同时由于在该领域巨大的商业利益潜力许多组织和公司根据自身的产业或专业背景在各个领域提出了相应的数字版权保护标准和框架这些都有利于促进版权保护的发展目前数字版权保护已经在网络点播DVD播放艺术作品的版权保护等方面得到了很多应用并取得了成功发挥了显著的作用可见对数字版权保护的研究具有重要的意义和应用前景通过对版权的保护和管理以及对信息使用的跟踪统计一方面可以防止非法数字内容的传播保证数字内容业务的健康发展另一方面也促进了创作者的积极性提供更好更丰富的数字内容数字版权保护为消费---发行---创作的价值链中的各个环节都带来了实际的利益对于消费者来说可以获得更多高质量的数字信息如游戏背景图更加丰富和个性化的使用控制对发行者而言可以最大化地利用发行资源如网络带宽增加消费数量从而获得收益与此同时创作者和版权拥有者的数字作品可以得到保护并从中获得应有的收益1.2DRM 领域的发展和现状1.2.1DRM 领域的标准和框架介绍由于数字版权保护领域巨大的商业利益潜力许多组织和公司根据自身的产业或专业背景在各个领域提出了相应的数字版权保护标准和框架而且也已经有多种版权保护系统得到了商用下面对一些DRM 标准进行简单介绍[1][2]从中可以看出数字版权保护的发展趋势1) 数字音频版权保护---SDMI SDMI Secure Digital Music Initiative 提出了面向计算机和各种数字设备上数字音频的开放的版权保护规范和技术框架只要是符合SDMI 规范的软硬件就可以播放符合SDMI规范的数字音频和普通的音频文件来实现对版权的保护在–3–SDMI1.0中提供了针对移动设备数字音频的版权保护规范为移动设备上的数字音频提供了一个安全的环境和实现框架2) 数字视频版权保护---MPEG 4/21 IPMPMPEG4 IPMPIntellectual Property Management and Protection 是基于MPEG4/21的数字视频版权保护系统提供了在不同领域的多种产品和服务的基础安全框架(IPMP-ES) 和标准化的IPMP 界面 (IPMP-DS)实现了访问控制等用户功能制定了各种安全技术的统一的接口标准为媒体版权保护的应用提供了最大的灵活性3) 流媒体版权保护流媒体Streaming Media 是指在网络中使用实时流式传输技术媒体数据事先采用MPEG 等编码压缩并将数据包加上时间标记存储为流格式文件如RM WMV 等用户端采用缓冲机制不需下载整个媒体文件目前常用的流媒体系统有RealNetwork 公司的Real System 和Microsoft 公司的Windows Media DRM 10流媒体版权保护系统的核心是数字授权中心其采用的技术是密码学经过加密授权认证三个阶段来获得对流媒体版权的保护在这里版权保护的成功与否取决于密钥的安全性(包括密钥的分配使用和保存)密钥将通过授权的方式传递给用户从而使授权用户能对其需要的媒体内容进行解密4) 移动网数字内容版权保护在移动网数字内容版权保护方面主要有两个解决方案即OMADRM 和WDRMWatermark-based DRMOMADRM 是以诺基亚为首的OMA 组织公布的一个基于移动终端和网络平台共同作用的版权保护标准强调在用户终端DRMAgent 的直接参与下对用户的使用权限进行管理根据描述的使用权限控制终端用户对下载内容的使用OMADRM 下用户只有通过购买方式才能够获得对于媒体内容的使用权限OMADRM 要求用户移动终端需要有DRM 的加解密支持在网络平台提供CA 认证等同时也支持网络与用户移动终端的交互WDRM 是针对无线网设计的基于数字水印的数字版权保护系统对客户端没有要求还在一定程度上阻止了不良用户对版权的破坏弥补了加密方式的不足WDRM 和OMADRM 在体系结构上是统一的目前大多数用户终端尚不支持DRMAgent因此无法使用依赖于DRMAgent 的OMADRM 来进行版权管理WDRM 由于与用户终端无关因此可作为OMADRM 过渡的解决方案同时由于WDRM 和OMADRM 对版权进行保护和控制的作用时间不同两者可以作为互相补充来提供更加丰富的商业模式和更灵活的版权管理–4–5) CPRM/CPPMCPPM/CPRM Content Protection for Recordable Media / Content Protection for Pre-Recorded Media 由“4C”提出“4C”1指的是IntelIBMMatsushita 和Toshiba四个公司CPPM/CPRM 2已经成为业内DVD 专用标准用于播放和刻录DVD DVD 播放设备工厂提供设备密码来嵌入每个生产的设备媒体厂商把LLC 产生的MBK 和一个特殊的标题标示放在包含保护内容的每片DVD 媒介上媒体上的受保护的内容由内容密码加密6) CPSACPSA 3Content Protection System Architecture 内容保护系统体系是“4C”协同CPTWG共同提出的CPSA 的目标是制定一个综合有效的框架来进行内容保护使得目前主流的DVD 内容保护技术如CPRM,CPPM 等能融为一体目前存在多种DVD 内容保护技术在同一个内容保护系统中可能牵涉到多种技术从而需要制定一个全面的框架或体系结构给内容拥有者和设备制造商共同遵守以确保内容在同一系统的不同技术间穿梭时仍能够有效地进行内容保护CPSA 涵盖了加密水印模拟和数字输出保护等等方面7) DTCPDTCP 标准4Digital Transmission Content Protection 数字传输内容保护是由拷贝保护技术工作组5CPTWG的五个成员公司—日立英特尔松下索尼和东芝作为该组织的成果联合提出的这几家公司也被非正式地称为“五公司”或“5C”DTCP标准定义了一种加密协议该协议保护了音频/视频娱乐内容在穿越数字接口如IEEE1394通用串行总线USB 及基于IP 的家庭网络的过程中免遭非法复制拦截和篡改只有能从源设备传到另一个合法复制保护系统例如DVD的合法娱乐内容才会被复制保护系统保护数字传输许可管理(DTLA 6)负责建立和管理标准中描述的内容保护系统DTCP 对于消费者是透明的它使人们能够享受高质量的图片和声音但对性能或质量则不会造成明显的影响CPSA 和DTCP 也适用于家庭网络DRM1 网址/2/tech/cprm/3标准全文见/data/tech/cpsa/cpsa081.pdf 4网址 首页有如下标准全文DTCP-IP 以及DTCP 到USB MOST BlueTooth IEEE1394等的映射5全称Copy Protection Technical Working Group 网址/6具体信息参考–5–1.2.2用于DRM 的信息安全技术介绍用于数字版权保护方面的信息安全技术主要包括以下几个1) 数字签名数字签名通常用来进行身份认证数据完整性不可否认性等采用数字签名可以保证签名者无法抵赖签署过的信息而验证者也无法伪造他人的签名数字签名技术多采用公钥密码体制签名者利用自己的私钥对信息进行签名验证者利用签名者公钥进行验证一个数字签名方案有两部分组成签名算法和验证算法数字签名技术用于版权保护时往往与数字指纹技术结合使用数字签名与受保护的数字内容是分离的应用中将数字内容连同签名一起加密传送一般过程如下1版权拥有者A 拥有数字内容M 且拥有公私钥对pubK priK 2A 计算数字内容的哈希值)(M Hash H=Hash 是公开的特殊的哈希函数然后使用pri K 对H进行签名)(H Sign S pri K=该签名标识了A 对M 拥有版权3在传送数字内容给其它消费者时S 和M 将作为一个整体在安全环境内传输并且用户在使用M 时不会破坏S4当发生版权问题或用户需要验证M的版权归属时需要利用版权拥有者A 的公钥pub K 对S 进行加密操作得到H 然后用Hash 函数对M 处理也得到一个H比较这两个H即FalseTrue S M Verify Hash K pub /),(,=如果为True则说明A拥有M 的版权2) 数字指纹数字指纹是利用数字作品中普遍存在的冗余数据与随机性向被分发的每一份图像等数据拷贝中引入一定的误差使得该拷贝是唯一的从而可以在发现被非法再分发的拷贝时可以根据该拷贝中的误差跟踪到不诚实原始购买者的一种数字作品版权保护技术内容提供商或分发商可以在服务器端保存指纹数据库并通过匹配来跟踪和控制数字内容的分发3) 安全容器安全容器是采用加密机制封装起来的能够防篡改的用于保护数字内容及其版权信息使用规则的信息包即安全容器数字内容版权信息使用规则集–6–安全容器通常使用一些加密算法如DES RSA 等来实现采用了安全容器技术的数字内容在客户端和服务器端都以安全容器的形式存在这样既能保证数字内容信息在存储传输上的安全性也能保证使用安全性比如防止非法使用和非法拷贝等对版权的保护涉及媒体的整个生存期目前安全容器技术被认为是比较安全的版权技术它也来源于密码学对用户端的加解密能力有一定要求4) 数字水印数字水印技术是信息隐藏技术的一个分支它具有以下基本特点不可感知性鲁棒性安全性可证明性数字水印技术用于版权保护时数字内容的所有者用自己的密钥产生水印并将其嵌入原始数据中然后公开发布其水印版本作品当该作品被盗版或出现版权纠纷时所有者即可从被盗版作品中提取水印信号作为依据从而保护其合法权益根据在版权保护中的目的不同可以分为脆弱性水印和鲁棒性水印两类脆弱性水印主要用于完整性保护鲁棒性水印可以提取来验证版权的归属与加密技术对用户端有一定要求不同数字水印技术不需要考虑用户端的情况可以直接融入被保护媒体中作为其完整的一部分被传输它的缺点在于安全性不是很强处理速度与媒体大小有关等5) 移动Agent移动Agent一般是指一段可执行的程序代码它在复杂的网络系统中能自主地从一台主机移动到另一台主机该程序能够选择何时何地移动在移动时该程序可以根据要求挂起其运行然后转移到网络的其他地方重新开始或继续其执行最后返回结果和消息Agent 可以根据需要生成Agent子Agent 与父Agent 具有相同的性质各Agent之间既可以独立工作又可以相互协作来完成任务移动Agent 为数字版权保护提供了新思路但是移动Agent 离实际应用还有许多工作要做主要集中在Agent 命名Agent 通信Agent 寻址等方面另外在版权保护方面也要考虑其安全环境的建立问题等1.2.3DRM 的发展趋势本节讨论DRM 领域涌现的新趋势一些值得注意的问题以及新兴研究方向等[3]DRM 领域的新兴研究方向有1) 数字家庭和家庭网络环境下的DRM近年来各大公司和组织认识到家庭网络和数字家庭具有巨大的市场潜力因–7–此掀起了研究和开发热潮而内容版权保护是数字家庭和家庭网络环境下必须解决的一个安全问题即家庭网络DRM(home network DRM)家庭网络DRM 就是本文要研究的主要内容它将整个家庭中的联网设备视作一个设备来进行版权管理可以带来更好的用户使用方便性也为内容提供商带来了新的商业模式因此研究数字家庭和家庭网络环境下的内容保护是很有意义的2) 移动环境下的DRM移动设备越来越常见笔记本电脑手机PDA 车载设备智能卡等等不断进入人们的生活随着移动设备的普及移动设备会成为数字内容的不可忽视的一大消费群体如何在移动设备上实施DRM 是迫切需要考虑的问题移动环境下的DRM至少需要考虑到DRM方案要适应移动设备的多样化移动设备的计算存储传输能力都有限3) 对等网络P2P中的DRM对等网络比如家庭网络数字家庭是很好的内容分发平台目前有几个方案是针对对等网络的比如IBM 的xCP 方案IBM 的xCP 方案在后面会详细介绍现在许多公司和团体都在倡导家庭网络和数字家庭的概念它们在将来必然会成为家庭中的主流因此研究对等网络中的DRM是很有意义的4) 人人可用的DRM目前的DRM 系统多针对专业的内容提供商比如唱片公司电影制作公司专业电子书籍制作商等却很少有针对业余用户的DRM 系统事实上DRM 应该成为一种人人可用的内容保护系统比如某个业余歌手可以发布自己的录音带到网上寻求成名的机会同时通过DRM系统来保证自己的版权DRM 系统应该为像这种个人数字内容提供保护5) 考虑DRM 的效率和消费者使用方便性DRM 系统不应该过多地影响用户正常使用数字产品如果受DRM 系统保护的数字产品使用起来性能下降较多或者对消费者使用起来很不方便消费者肯定会比较反感DRM 系统应该在保护内容提供商的利益和消费者使用方便性之间进行平衡目前的DRM 系统对内容提供商的利益考虑得比较多6) 不同DRM 系统之间的整合目前可用的DRM 系统很多各有各的支持厂商内容提供商用户设备在硬件软件上不可能支持所有的DRM 系统因此研究从一个DRM 系统把内容转化到另一个DRM 系统但仍保持版权受保护是很重要的问题–8–1.3家庭网络DRM 的兴起1.3.1家庭网络和数字家庭的巨大市场潜力家庭网络Home Network出现得比数字家庭Digital Home 要早但现在两者所指的概念是差不多的最早随着家庭视听设备和家用电器数字化产生了通过网络连接实现内容共享传输和控制的需求家用电器可以分为黑色电器(视听设备)和白色家电冰箱洗衣机等前者要求传输和共享内容后者主要要求控制家庭网络应运而生接着进一步发展就形成了数字家庭的概念数字家庭更强调娱乐功能在数字家庭中首先必须部署家庭网络通过家庭网络连接各种家用电器[4][5]图　１　全球家庭网络市场规模与预测Figure 1 the scale and prediction of global home network market如图　１是诺达咨询公司专家预测的数字家庭市场发展前景预测到2008年数字家庭连网设备市场规模将达到210亿美元在未来随着在线影音娱乐网络游戏市场等服务内容的不断增加数字电视节目的开通家用电器控制家居安全监控以及更多3G 业务应用的丰富随着人们对家庭内部共享数字媒体需求的进一步提高以及人们消费方式的逐渐改变相信数字家庭市场会云集更多的3C 厂商芯片提供商CP/SP智能家居集成商智能小区开发商乃至运营商等诸多产业链环节的参与面对这个潜力如此巨大的市场各大公司和厂商都不甘落后如IntelMicrosoftIBM联想华为等都投入了大量的人力物力和财力到数字家庭的研–9–究和开发上企图在这块蛋糕上分得更多利润这掀起了数字家庭方面的研究热潮各类设备制造商纷纷组成各种论坛和标准化组织以开发制定各种家用电器互连和内容共享以及家庭网络的标准一些公司开始推出数字家庭概念产品如Intel 以PC为中的娱乐数字家庭等目前从事数字家庭标准化的组织非常多国外有DLNA7ITU-T8UPnP9UOPF ECHoNET Lonworks10CEBus11OSGi12等中国的有闪联IGRS13和e 家佳每个标准化组织所涉及的情况不尽相同DLNA 数字生活网络联盟前称为DHWG 由英特尔IBM索尼微软飞利浦等17 家国际巨头发起专门致力于简化网络消费电子移动设备和个人电脑等设备间的数字内容的共享UPnP是通用即插即用的英文缩写它是以Internet 技术和标准为基础为联网设备软件和外设之间提供兼容性的一种联网架构1.3.2内容保护是必须解决的安全问题在支持多媒体的家庭网络中存在两个重要的安全问题[5]1保护家庭网络中的数据不受来自外部的潜在威胁的影响随着联网设备的增多对等式共享数据的保护变得越来越重要网络数据加密是另一个问题系统设计可以采用一系列的芯片方案来解决这个问题2DRM 是一类随着多媒体家庭网络设备的出现随之产生的新的安全问题[6][7][8]对于内容提供商和服务提供商来说DRM 一方面可以确保用户收到他们所购买的节目数据数字内容另一方面还要防止用户将这些数字内容进行未授权的拷贝刻录再分发等现有的DRM 方案在数字家庭应用中力不从心需要设计新的家庭网络DRM方案随着数字家庭网络支持更多和更丰富的多媒体内容这也日益成为系统设计者和服务供应商所必须面对和解决的关键问题1.3.3家庭网络DRM 的特点和优势数字家庭中的版权保护是该领域必须面对和解决的关键问题但现有的DRM方案并不适合用在数字家庭网络中与之相比家庭网络DRM 具有很多优点十7/home 8http:// www.itu.int/home/9http:// /10http:// /products/lonworks/default.htm 11/12http:// /13http:// /。