基于身份認(rèn)證的買方－賣方數(shù)字水印協(xié)議*

孔德麗，崔新春，耿海亭，王 靜

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的進(jìn)步和社會信息化程度的不斷提高，數(shù)字化作品的傳播更加方便、快捷。但網(wǎng)絡(luò)交易給人帶來方便的同時，也使盜版現(xiàn)象日益猖獗，給版權(quán)保護(hù)帶來了極大威脅。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境下建立一個完善的版權(quán)保護(hù)協(xié)議，成為了版權(quán)保護(hù)中嚴(yán)峻而緊迫的任務(wù)。

近年來版權(quán)保護(hù)問題越來越受到人們的關(guān)注。最初研究者對版權(quán)保護(hù)的重心主要體現(xiàn)在用數(shù)字水印技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)字化作品的版權(quán)保護(hù)。然而僅僅依靠水印嵌入的算法只是邁出了數(shù)字化作品版權(quán)保護(hù)的第一步。隨著水印攻擊技術(shù)的不斷提高，單一的數(shù)字水印保護(hù)已不能滿足數(shù)字化作品版權(quán)保護(hù)的需求，傳統(tǒng)的版權(quán)保護(hù)主要是運用加密技術(shù)結(jié)合數(shù)字水印算法［1］來實現(xiàn)數(shù)字化作品的保護(hù)，但未能有效抵抗水印攻擊、實現(xiàn)盜版追蹤等問題。所以，要實現(xiàn)數(shù)字化作品的版權(quán)保護(hù)不僅需要數(shù)字水印算法的支撐，還需要一個合理的數(shù)字版權(quán)保護(hù)協(xié)議來保障。在數(shù)字水印技術(shù)與加密技術(shù)的基礎(chǔ)上，以安全的協(xié)議作為補充形成一個完整的版權(quán)保護(hù)協(xié)議體系是實現(xiàn)數(shù)字化作品版權(quán)保護(hù)的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下公平交易的重要保證。因此，如何結(jié)合目前的先進(jìn)技術(shù)建立一個完整的版權(quán)保護(hù)協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的版權(quán)保護(hù)和公平交易具有重要的意義。

1 數(shù)字水印協(xié)議研究現(xiàn)狀

目前，主要是通過數(shù)字水印技術(shù)實現(xiàn)對交易雙方權(quán)益的保護(hù)，但對于買賣方的數(shù)字水印協(xié)議并不完善。

文獻(xiàn)［2］最早提出了基于賣方－買方的水印協(xié)議，在多媒體作品買賣權(quán)益保護(hù)過程中發(fā)揮了重要作用，為數(shù)字水印協(xié)議的研究奠定了基礎(chǔ)。但該協(xié)議未能解決版權(quán)追蹤問題。

文獻(xiàn)［3］針對網(wǎng)絡(luò)交易中出現(xiàn)的問題提出了基于交互式雙方與可信任第三方的數(shù)字水印協(xié)議。該協(xié)議結(jié)合了水印技術(shù)和指紋技術(shù)，并由賣方將水印信息嵌入作品，確保了水印的安全性。但在交易過程中賣方并沒有買方的相關(guān)信息，因此無法進(jìn)行版權(quán)認(rèn)證;根據(jù)協(xié)議，買方必須永遠(yuǎn)記住其密鑰以隨時證明自己的清白，這對買方來說是不公平的，而且極其不方便。

文獻(xiàn)［4］在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，提出了一種增強交互式水印協(xié)議。該協(xié)議雖然有效解決了對賣方身份的識別，但該協(xié)議對于賣方有可能盜用買方水印來指控買方侵權(quán)的情況未提出一個合理的解決方案。

文獻(xiàn)［5］在協(xié)議中引入了認(rèn)證中心，當(dāng)認(rèn)證中心收到買方的購買請求后，將授權(quán)碼發(fā)送給賣方，并由賣方將授權(quán)碼嵌入作品。但該協(xié)議未能解決賣方將授權(quán)碼用于其他數(shù)字作品出售的問題;同時在交易過程中未提供證明自己身份的信息，當(dāng)發(fā)生協(xié)議攻擊時無法保證交易雙方的權(quán)益。

文獻(xiàn)［6］中引入了交互式水印協(xié)議，解決了版權(quán)追蹤問題，但買方的工作量過大;文獻(xiàn)［7］主要是通過將簽名后的水印信息嵌入到作品中來實現(xiàn)身份的認(rèn)證，但該協(xié)議中存在水印的重復(fù)嵌入問題;文獻(xiàn)［8］是采用密鑰共享和同態(tài)公鑰密碼體制來實現(xiàn)版權(quán)保護(hù)等問題，但該協(xié)議中買賣雙方的工作量大。

雖然以上協(xié)議在不斷完善中，但仍存在一些問題。文獻(xiàn)［2、3］未能解決版權(quán)追蹤的問題;文獻(xiàn)［4、5］雖然解決了版權(quán)追蹤的問題，但無法防止水印的濫用;文獻(xiàn)［6－8］也存在水印重復(fù)嵌入和買賣方工作量大等問題。因此，針對以上協(xié)議中出現(xiàn)的問題，在設(shè)計一個完善的數(shù)字水印協(xié)議時應(yīng)該考慮以下幾個問題:

(1)數(shù)字水印要有較好的健壯性和安全性。能夠抵抗水印的攻擊，從而確保水印的安全性;

(2)交易雙方的身份能夠得到確認(rèn)，便于版權(quán)糾紛時進(jìn)行身份驗證，維護(hù)買賣雙方的合法權(quán)益;

(3)引入可信的第三方［9］，對作品進(jìn)行進(jìn)行注冊、加載水印以減少買賣雙方的工作量;將交易雙方的信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)發(fā)生版權(quán)糾紛時進(jìn)行驗證、仲裁。

2 新的水印協(xié)議

該部分首先介紹協(xié)議的主要組成部分，然后詳細(xì)的介紹協(xié)議的五個子協(xié)議，即版權(quán)注冊協(xié)議、水印加載協(xié)議、交易協(xié)議、版權(quán)認(rèn)證協(xié)議和仲裁協(xié)議。

為了便于描述，表1對符號進(jìn)行了說明。

表1 符號說明

2． 1 協(xié)議的主要組成部分

該協(xié)議主要由買方B、賣方 S、版權(quán)管理中心CH、版權(quán)認(rèn)證中心CA、仲裁機(jī)構(gòu)MA、支付設(shè)施PI、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)DB七部分組成，分別承擔(dān)著不同的任務(wù)。如圖1所示，該協(xié)議中CH、CA、MA以及DB構(gòu)成了可信第三方是整個協(xié)議的核心部分，并由其進(jìn)行版權(quán)的注冊、水印的加載、作品的分發(fā)和版權(quán)的追蹤，克服了傳統(tǒng)協(xié)議中由賣方進(jìn)行水印加載和作品分發(fā)所帶來的問題。該部分中每一個子協(xié)議都要按照嚴(yán)密的步驟進(jìn)行。協(xié)議中提供了一個安全的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，方便對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存取、管理和保護(hù)，增強了協(xié)議的安全性。同時，在確認(rèn)買賣雙方達(dá)成交易協(xié)議時提供一個安全的支付環(huán)境。從整體上看，該協(xié)議減少了買賣雙方的工作量;在核心部分的控制、監(jiān)督下高效有序地實現(xiàn)了對版權(quán)的追蹤。

圖1 新的水印協(xié)議框架

(1)買方B。購買并使用數(shù)字化作品。買方首先需要向版權(quán)認(rèn)證中心進(jìn)行身份認(rèn)證并提出購買請求，可信第三方將作品分發(fā)后與賣方通過支付設(shè)施進(jìn)行交易;

(2)賣方S。數(shù)字化作品的提供者，擁有數(shù)字化作品的版權(quán)。賣方需要向版權(quán)認(rèn)證中心進(jìn)行身份認(rèn)證將作品注冊后，接收到購買請求后與買方通過支付設(shè)施進(jìn)行交易;

(3)版權(quán)管理中心CH［10］。作為一個權(quán)威的職能機(jī)構(gòu)，提供版權(quán)保護(hù)中的數(shù)字水印檢測工具，為作品生成一個唯一的身份信息并將協(xié)議中的信息存儲到DB數(shù)據(jù)庫，必要時進(jìn)行調(diào)用;

(4)版權(quán)認(rèn)證中心CA。為數(shù)字作品注冊版權(quán)，利用可靠的算法對水印信息加載、提取，對交易雙方進(jìn)行身份驗證以及實現(xiàn)版權(quán)的追蹤;

(5)仲裁機(jī)構(gòu)MA。當(dāng)出現(xiàn)侵權(quán)時接受仲裁請求，并作為中間人調(diào)動各部分機(jī)構(gòu)對作品的身份信息和時間戳信息進(jìn)行驗證，從而確定版權(quán)所有者;

(6)支付設(shè)施PI［11］。為交易雙方提供安全的支付環(huán)境，將交易雙方的交易記錄進(jìn)行保存，使之在版權(quán)追蹤時作為交易的憑證;

(7)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)DB。提供安全的數(shù)據(jù)保護(hù)系統(tǒng)，將協(xié)議中的身份信息、時間戳信息及數(shù)字作品存儲在其中，便于查詢提取。

2． 2 版權(quán)注冊協(xié)議

賣方S向CH請求對作品W注冊;CH收到請求后為作品W生成唯一的身份，并將相關(guān)信息發(fā)送給S。如圖2所示:

(1)S從自己作品W中提取摘要信息H(W)，對H(W)簽名，對W加密并將加密作品ES(W)、Signs(H(W))、IDs發(fā)給 CH;

(2)CH解密ES(W)提取摘要H(W)*并驗證Signs(H(W))。若有誤，拒絕服務(wù);若無誤，接受H(W)*=H(W);

(3)CH在DB數(shù)據(jù)庫中檢索是否有H(W)。若有H(W)，CH拒絕向S提供注冊服務(wù)，同時CH在DB的記錄中查看H(W)所對應(yīng)的身份信息是否為IDs，若所對應(yīng)的身份信息是IDs則認(rèn)為是S的誤操作，不再對數(shù)字作品進(jìn)行注冊;若所對應(yīng)的身份信息不是IDs，則在DB中記錄S的侵權(quán)行為;

(4)若沒有H(W)，CH為S的作品W進(jìn)行編碼，生成一個唯一的身份IDW，并從時間戳服務(wù)器中截取相對應(yīng)的時間戳信息T，此時將H(W)、IDW、T和IDs存入 DB。CH將 IDW、T發(fā)給 S，完成版權(quán)注冊。

圖2 版權(quán)注冊協(xié)議流程

2． 3 水印加載協(xié)議

CH將S版權(quán)注冊的相關(guān)信息發(fā)給CA，CA為作品加載水印，并將嵌入水印的作品分別發(fā)送給S和CH。如圖3所示:

(1)CH對(H(W)，IDs)簽名，對作品W加密并將 ECH(W)、SignCH(H(W)，IDS)、IDCH發(fā)給 CA;

(2)CA接收到CH發(fā)送的信息后解密ECH(W)，提取 H(W)*、IDs并驗證 SignCH(H(W)，IDs)。若有誤，CA通知CH數(shù)據(jù)有誤，請CH再次傳送數(shù)據(jù)信息;若無誤，接受H(W)*=H(W)，CA通知S可對作品W進(jìn)行版權(quán)信息加載;

(3)S收到CA的消息后對數(shù)字作品W進(jìn)行簽名、加密后，將 ES(W)、Signs(W)、IDs信息發(fā)給 CA;

(4)CA解密 ES(W)提取作品 W*并驗證Signs(W)。若有誤，CA通知S傳送的作品有誤，請S再次提交自己的作品W;若無誤，接受W*=W;

(5)CA利用水印檢測算法對作品W*進(jìn)行檢測，檢查W*中是否包含CA已加載過的水印信息;

(6)若包含，CA在DB中查找該作品的水印信息所對應(yīng)的身份編號是否為IDs，若是IDs，認(rèn)為是S誤操作不再對該作品進(jìn)行水印信息的加載;若不是IDs，CA通知CH并在DB中記錄S的侵權(quán);

(7)若不包含CA加載的水印信息，CA提取作品的摘要信息H(W)進(jìn)行對比。H(W)≠H(W)*，認(rèn)為是S誤操作不再對該作品進(jìn)行水印信息的加載;H(W)=H(W)*，CA對水印信息進(jìn)行加載使水印M包含IDW、IDS;

(8)CA用Embed數(shù)字水印加載算法把含有多方身份的水印信息M嵌入到數(shù)字作品W中。CA將加載好水印信息的WM簽名、加密，將ECA(WM)、SignCA(WM)發(fā)給 S;同時 CA簽名 WM，將 ECA(WM)*、SignCA(WM)*發(fā)給 CH;

(9)S解密ECA(WM))提取數(shù)字作品WM*并驗證SignCA(WM)。若有誤，S通知CA信息有誤，請CA再次傳送數(shù)據(jù)信息;若無誤，接受WM*=WM保存WM;

圖3 水印加載協(xié)議流程

2． 4 交易協(xié)議

B向CH發(fā)送購買請求，CH將B的請求信息發(fā)送至CA進(jìn)行驗證;驗證通過后CH將作品分發(fā)給B，B通過支付設(shè)施向S進(jìn)行支付。如圖4所示:

(1)買方B在網(wǎng)上看到WM和IDW的消息后，若B想購買數(shù)字作品，首先簽名 IDW，并將SignB(IDW)、IDB發(fā)送給 CH;

(2)CH接收到B發(fā)來的信息后，對SignB(IDW)進(jìn)行驗證。若有誤，CH通知B信息有誤，請B再次傳送數(shù)據(jù)信息;若無誤，CH簽名 IDW，并將SignCH(IDW)發(fā)給CA;

(3)CA接收到 CH 的信息后，驗證SignCH(IDW)。若有誤，CA拒絕提供服務(wù);若無誤，CA在自己的備份信息中檢索IDW找到對應(yīng)的作品W和Embed水印加載算法，利用水印加載算法將含IDW、IDS水印信息MB加載到作品W中;CA將加載好水印信息的作品 WMB進(jìn)行簽名、加密，并將ECA(WMB)、SignCA(WMB)發(fā)給 CH;

(4)CH解密 ECA(WMB)提取 WMB*并驗證SignCA(WMB)。若有誤，CH通知CA信息有誤，請CA再次傳送數(shù)據(jù)信息;若無誤，接受WMB*=WMB，并在DB中保存數(shù)字作品WMB。此時CH將對時間戳服務(wù)器中相對應(yīng)的時間戳信息TB進(jìn)行截取，然后CH對(WMB，TB)進(jìn)行簽名，對 WMB加密，并把ECH(WMB)、SignCH(WMB，TB)、IDCH信息發(fā)給 B;

(5)B解密ECH(WMB)提取WMB*和TB*，并驗證SignCH(WMB，TB)。若有誤，B通知CH再次傳送數(shù)據(jù);若無誤，B接受WMB*=WMB和TB*=TB。此時B通過PI支付設(shè)施向S進(jìn)行支付，交易結(jié)束。

圖4 交易協(xié)議流程

2． 5 版權(quán)驗證協(xié)議

若賣方發(fā)現(xiàn)注冊的數(shù)字作品WM并非是自己的作品或在交易后發(fā)現(xiàn)有未經(jīng)自己的許可而冒充版權(quán)所有者進(jìn)行非法拷貝、傳播數(shù)字作品WM的行為，可向版權(quán)認(rèn)證中心申請驗證，追究盜竊者的法律責(zé)任從而保護(hù)自己的合法權(quán)益。

S向CA請求驗證，CA對W的水印及身份進(jìn)行匹配。如圖5所示:

(1)S把IDW發(fā)給CA;

(2)CA在自己的記錄中查找是否有IDW，若沒有IDW，CA通知S沒有IDW的信息，建議S向仲裁機(jī)構(gòu)CH申請仲裁;若有IDW，CA通知S可驗證;

(3)S對 WM簽名、加密，并將 ES(WM)、SignS(WM)、IDWS發(fā)給 CA;

(4)CA解密ES(WM)提取WM*，并驗證 SignS(WM)。若有誤，CA拒絕為其提供認(rèn)證服務(wù);若無誤，接受=WM，然后通知CH將作品WM的身份認(rèn)證信息IDW發(fā)送至CA;

(5)CH簽名、加密 WM，并將 ECH(WM)、SignCH(WM)發(fā)給CA;

(6)CA接收到CH的消息后，解密ECH(WM)提取WM*，并驗證SignCH(WM)。若有誤，通知CH信息有誤，請CH再次傳遞數(shù)據(jù)信息;若無誤，接受=WM，用Detect水印提取算法提取WM*和WM的水印信息，并對其水印信息進(jìn)行驗證，若水印信息一致通知S數(shù)字作品WM是合法的;若水印不一致在仲裁階段進(jìn)一步認(rèn)證。

圖5 版權(quán)驗證協(xié)議流程

2． 6 仲裁協(xié)議

當(dāng)在認(rèn)證的過程中發(fā)現(xiàn)傳播的作品的水印信息與版權(quán)所有者注冊時加載的水印信息不一致時，或者在版權(quán)驗證過程中未找到作品的IDW時，賣方可向仲裁機(jī)構(gòu)申請進(jìn)一步驗證。

S向MA申請仲裁，MA向CH請求調(diào)取作品的原始信息進(jìn)行匹配。如圖6所示:

(1)將自己已注冊過的數(shù)字作品WM和含有偽造水印的數(shù)字作品WM*發(fā)送給仲裁機(jī)構(gòu)MA，并申請通過身份信息進(jìn)一步確定版權(quán)所有者;

(2)MA接收到S的請求后把兩個作品WM、交由CH查找確認(rèn);

(3)CH在DB中分別查找WM、WM*相應(yīng)的時間戳信息，將兩個作品的時間戳信息進(jìn)行對比，時間戳在前者為版權(quán)所有者在后者為侵權(quán)者，在DB中記錄侵權(quán)，此時CH告知MA版權(quán)仲裁結(jié)果;

(4)MA將仲裁結(jié)果進(jìn)行公布。

圖6 仲裁協(xié)議流程

3 協(xié)議性能分析

(1)可行性。該協(xié)議在傳統(tǒng)協(xié)議模式的基礎(chǔ)上加入了作品的交易協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的版權(quán)保護(hù)提供了依據(jù)，使得版權(quán)保護(hù)協(xié)議的體系更為完善，從而克服了傳統(tǒng)版權(quán)保護(hù)協(xié)議中身份認(rèn)證及版權(quán)追蹤問題;

(2)安全性。該協(xié)議中水印的加載和驗證分別運用非對稱的Embed水印加載算法和Detect水印提取算法，確保了水印的健壯性和安全性。作品在注冊時都會為其生成唯一的身份編號并截取時間戳信息，便于版權(quán)的追蹤。該協(xié)議還提供了安全的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和支付環(huán)境，確保了網(wǎng)絡(luò)下交易的可靠性;

(3)高效性。在水印加載協(xié)議中首先檢查該數(shù)字化作品是否加載過水印，防止了對侵權(quán)作品加載水印;由于加入了各部分的身份信息，在版權(quán)認(rèn)證過程中，若身份信息不同則可直接判定版權(quán)的所有者，無需再向下進(jìn)行驗證，提高了版權(quán)認(rèn)證的效率;

(4)公平性。協(xié)議中買方與賣方并不直接的進(jìn)行數(shù)字化作品的交易，而是通過一個可信的第三方進(jìn)行交易。由于可信第三方對交易雙方都要進(jìn)行身份的認(rèn)證，有效地防止了對協(xié)議的攻擊，保證了交易的公平性;

(5)可靠性。當(dāng)水印驗證協(xié)議無法辨別版權(quán)所有者時，仲裁機(jī)構(gòu)調(diào)動各個部門對數(shù)字化作品進(jìn)行進(jìn)一步驗證。通過查找DB數(shù)據(jù)庫中作品的時間戳信息，對比相應(yīng)時間戳的先后來判斷是否侵權(quán)，為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的版權(quán)保護(hù)提供了可靠的保證;

(6)實用性。該協(xié)議是由可信第三方負(fù)責(zé)版權(quán)的注冊、水印的加載、作品的分發(fā)及版權(quán)的認(rèn)證和追蹤，買賣方只需發(fā)出請求其他工作由可信第三方完成;同時買賣方只在交易時進(jìn)行通信極大的減少了通信量，克服了傳統(tǒng)協(xié)議中買賣方工作量大的問題，符合現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)交易的特點。

4 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有的數(shù)字水印協(xié)議中出現(xiàn)的身份認(rèn)證、版權(quán)難追蹤等問題，提出了基于身份認(rèn)證的水印協(xié)議。該協(xié)議中作品擁有唯一的身份序列，為版權(quán)的保護(hù)提供了有力的依據(jù);運用可靠的水印算法保證了水印的健壯性和安全性。在交易協(xié)議階段，由可信第三方對作品進(jìn)行分發(fā)，有效地解決了賣方對水印信息的濫用問題;同時為交易雙方提供了安全的支付交易環(huán)境，支付與交易同時進(jìn)行確保了交易的公平性。在解決版權(quán)追蹤問題上，先對交易雙方的身份信息進(jìn)行驗證，驗證未通過再進(jìn)一步對比時間戳，提高了版權(quán)追蹤的效率，對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的公平交易具有重要的作用。

該協(xié)議通過身份認(rèn)證高效的實現(xiàn)了版權(quán)的追蹤，同時減少了交易雙方的工作量，但第三方只是靜態(tài)的對作品進(jìn)行注冊、分發(fā)。因此，后續(xù)工作是將注冊、加載協(xié)議集中在一個系統(tǒng)中，使其在網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)的注冊和分配作品。

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