一種免智能卡的有線電視條件接收技術的研究
文章出處：http://srpd123.com 作者：閆一功 ，董國珍 人氣： 發(fā)表時間：2011年09月30日
0 引 言
隨著有線電視數(shù)字化進程的加快，讓用戶直接為自己想看的電視節(jié)目和增值服務投資已成為今后有線電視行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。條件接收就是保證已付費的用戶能接收到他已預訂的電視節(jié)目和服務業(yè)務，而對未付費用戶則無法獲取該種業(yè)務。條件接收必須解決兩個問題，即如何從用戶處收取費用和如何阻止用戶收看那些未經(jīng)授權的付費頻道。在前端對節(jié)目進行加擾或接收控制，對用戶進行尋址控制；在用戶端進行可尋址解擾是解決這兩個問題的基本途徑。
CA(Conditional Access，條件接收)系統(tǒng)的基本目的是在有線電視系統(tǒng)中對用戶進行授權控制及授權管理，從而實現(xiàn)數(shù)字電視廣播系統(tǒng)的有償服務。目前所有的CA系統(tǒng)都需要在前端系統(tǒng)中使用專門的數(shù)據(jù)加擾控制器，作為接收端的機頂盒，根據(jù)有線電視前端系統(tǒng)所采用的節(jié)目加擾系統(tǒng)的不同，必須集成相應的智能卡才能達到控制用戶的目的，額外的硬件支持和CA廠商的認證費用增加了機頂盒的成本。而作為賓館、社區(qū)服務站等一些小型的公共場所應用這些專業(yè)的CA系統(tǒng)顯然成本太高，因為像這些公共場所其終端用戶一般在一萬臺以下，對數(shù)據(jù)加解密的要求也不是很高，基于以上原因本系統(tǒng)提出一種無需智能卡的條件接收技術。
本系統(tǒng)中前端采用DVB(Digital Video Broadcasting)加擾器通過固定cw(Control word，控制字)對音視頻傳輸流進行加擾，利用兩重DES加密算法對CW進行加密，生成ECW(Encrypt Control Word，加擾控制字)，ECW、用戶ID信息和用戶授權情況通過LCA(Local Conditional Access)管理服務器生成相應的EMM信息和Message等公告文件，在本系統(tǒng)中ECM(Entitle Control Message，授權控制信息)也以EMM(Entitle Management Message，授權管理信息)數(shù)據(jù)形式傳輸；對于客戶端只需要用戶使用集成LCA嵌人式軟件系統(tǒng)的機頂盒就可以實現(xiàn)節(jié)目的分等級收看、節(jié)目預告、Email和Message等公告信息的接收。
1 LCA 系統(tǒng)原理
條件接收的目的就是根據(jù)每個用戶申請的服務將相應的傳輸碼流構成完善的加解擾系統(tǒng)，使每個用戶在按時交費的基礎上可以得到相應的服務，為了使用戶能得到相應的服務，就需要對DVB和MPEG-2標準傳輸碼流進行加擾控制，所謂加擾是指在前端LCA系統(tǒng)控制下改變或控制被傳送的節(jié)目的某些特征，使未被授權的用戶無法獲取所提供的服務。其過程就是在前端系統(tǒng)將原始傳輸流通過CW進行實時擾亂控制，接收端系統(tǒng)通過對EMM的解析得到相應的加密密鑰，通過密鑰將加擾數(shù)據(jù)流恢復為原始傳輸流。實現(xiàn)數(shù)字電視授權管理控制的關鍵是條件接收技術，而條件接收技術的核心環(huán)節(jié)則是對CW傳輸?shù)目刂?，因為得到CW就可以將加擾數(shù)據(jù)流恢復為透明數(shù)據(jù)流。本系統(tǒng)通過用戶固定ID號和業(yè)務密鑰對CW進行兩重DES加密運算，從而保證CW傳輸?shù)陌踩浴?
1．1前端條件接收系統(tǒng)
在傳統(tǒng)的CA系統(tǒng)中，通過ECM和EMM這兩個數(shù)據(jù)流來傳輸與條件接收相關的信息。ECM中包括節(jié)目來源、播出時間、內(nèi)容分類和節(jié)目收看等級等信息。EMM中包含地址、用戶授權信息等。在本系統(tǒng)中為了提高信息的傳輸速率，節(jié)目管理和用戶管理信息都通過EMM傳輸，即ECM數(shù)據(jù)信息也加載到EMM信息中進行傳輸，因此由業(yè)務密鑰SK(ServiceKey)加密處理后的CW 即ECW 也通過EMM傳送，SK在傳送前還要經(jīng)過用戶個人分配密鑰PDK(PersonalDistribute Key)的加密處理，在本系統(tǒng)中PDK為每臺機頂盒固定的IRD序列號。CW 加密過程由以下兩步完成：
第一步：根據(jù)當前定時器的狀態(tài)，隨機生成一個32位的數(shù)值，記做SK；以IRD number作為輸入，IRDnumber即為PDK值．SK作為密鑰，用DES算法作一次加密運算，輸出生成加密的SK，記做ESK(EncryptService Key)，其過程如圖1所示。
圖1 DES算法對SK加密
第二步：CW值作為輸人，用第一步生成的ESK作為新的密鑰，再作一次DES加密運算，得到最后的輸出結果ECW，即“用戶密鑰”，其過程如圖2所示。
圖2 DES算法對CW 加密
IRD number作為每臺機頂盒固定的序列號存儲在機頂盒的Flash ROM的固定區(qū)域，根據(jù)定時器的狀態(tài)，在系統(tǒng)確定所有用戶收到當前密鑰SK后該密鑰失效，此時需要分配新的密鑰來對CW進行加密，分發(fā)密鑰的時間由整個系統(tǒng)的用戶數(shù)目和系統(tǒng)為此分配的帶寬決定，本系統(tǒng)中EMM 數(shù)據(jù)信息采用EMM—U(u—nique)的格式，即每一個機頂盒都占有一個EMM Sec—tion，每個Section的長度固定為256字節(jié)，因此若EMM的數(shù)據(jù)量以5000個用戶計算并以100Kbps的速率傳遞，傳遞一個周期需要T=5000 256$8／100000=100秒。為了保證在EMM傳送周期內(nèi)用戶也能收看到當前的節(jié)目，給每個用戶儲存兩個密鑰，一個當前使用，一個下一次使用，這兩個密鑰分別稱作偶密鑰和奇密鑰。在EMM數(shù)據(jù)流描述符中含有識別它為偶密鑰或奇密鑰的特征位，解擾器接收到后將該密鑰存儲在適當位置，如果當前使用偶密鑰加密，則同時分配新密鑰為奇密鑰。在系統(tǒng)確定所有用戶收到新密鑰后偶密鑰失效，同時新分配的奇密鑰就啟動來解密數(shù)據(jù)，下一次密鑰的分配就以新的偶密鑰開始。
由于EMM數(shù)據(jù)采用EMM—U的格式進行傳輸，所以需要為EMM數(shù)據(jù)分配一個獨立的PID(Packet I—dentifier)，記做EMM PID，考慮到復用器增加DVBTable的問題，因此將EMM PID和當前業(yè)務密鑰SK放置在NIT(Network Information Table)的私有數(shù)據(jù)中，其描述字段標示值為0x84。EMM Section采用DVB標準的打包格式進行打包，其PID值為EMM
PID，Table ID設定為0x88，為了方便接收端機頂盒濾波器設置，在EMM Section中加入當前EMM信息的版本號(Version Number)和IRD序列號，在數(shù)據(jù)字段中通過標志字Targets來標示當前EMM data的類型及結構形式，例如：Targets等于0x92時，表示當前EMM Section數(shù)據(jù)為Message或Email等公告信息；Targets等于0x91時，表示當前EMM Section數(shù)據(jù)為加密的CW，即ECW。
1．2接收端條件接收系統(tǒng)
接收端條件接收系統(tǒng)主要工作是對EMM數(shù)據(jù)的解析以及用戶圖形界面的控制，接收端機頂盒加電啟機后在Flash ROM的固定地址讀取到IRD number，搜索NIT Table得到LCA EMM PID和當前密鑰SK；設置PID filter，搜索PID值為LCA EMM PID的Pack—et，考慮到laiD filter的處理和機頂盒對大量數(shù)據(jù)處理的負擔，因此將IRD number和Table ID合在一起作EMM data filter，這樣所得到的數(shù)據(jù)就是對應該IRDnumber的機頂盒所需要的EMM section，比較當前包和上一個包的版本號判斷EMM數(shù)據(jù)是否更新，如果EMM更新則根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，在用戶圖形界面進行相關信息的顯示。
2 LCA系統(tǒng)結構模型
LCA系統(tǒng)由前端系統(tǒng)和用戶端系統(tǒng)組成，前端系統(tǒng)包括編碼器、加擾器、復用器、QAM調(diào)制器和SMS(Subscriber Management System，用戶管理系統(tǒng))等幾個模塊。對用戶信息和節(jié)目信息的管理是實現(xiàn)條件接收的基礎，在前端系統(tǒng)中主要由SMS實現(xiàn)對用戶信息和節(jié)目信息管理的功能，SMS中CA子系統(tǒng)主要完成ECM、EMM數(shù)據(jù)的打包以及密鑰信息的加密功能。在傳統(tǒng)的CA系統(tǒng)中，ECM和EMM數(shù)據(jù)信息都通過獨立的Section進行傳輸，數(shù)據(jù)的解密和解擾都是通過集成在機頂盒中的智能卡完成；本系統(tǒng)中節(jié)目授權信息和用戶管理信息都通過EMM數(shù)據(jù)格式進行傳輸，通過定時器來控制當前的SK，再由PDK對SK進行加密，最后由ESK對CW進行加密，通過這種三層的加密機制完成傳輸流在廣播網(wǎng)絡上的安全傳輸，在前端系統(tǒng)中尋址用戶并分發(fā)密鑰的時間由整個系統(tǒng)的用戶數(shù)目和系統(tǒng)為此分配的帶寬決定。
用戶端主要由集成LCA嵌人式軟件系統(tǒng)的機頂盒和普通家用電視機組成，CA子系統(tǒng)完成MPEG-2數(shù)據(jù)流的解析，實現(xiàn)系統(tǒng)提供的各種多媒體服務，EMM加密信息在CA子系統(tǒng)中完成數(shù)據(jù)的解密，首先根據(jù)接收端機頂盒固定分配的IRD number在NITTable的描述字段中得到LCA EMM PID和當前密鑰SK；設置濾波器，搜索PID等于EMM PID和Table ID等于0x88的數(shù)據(jù)包；最后對得到的EMM數(shù)據(jù)包按標志字進行分類解析。如果當前EMM數(shù)據(jù)類型為ECW(Targets等于0x91)，則調(diào)用DES逆運算對ECW進行解密運算，根據(jù)得到的CW完成對音視頻數(shù)據(jù)的解擾。另外，因為在密鑰分配的過渡時間，通過偶密鑰和奇密鑰完成對數(shù)據(jù)的解密，所以解析該類型的數(shù)據(jù)時會得到兩個不同的ECW，其中一個標示為“Now”，另一個標示為“Next”；如果當前EMM數(shù)據(jù)類型為公告信息，則直接調(diào)用用戶圖形界面進行顯示。其總體結構模型如圖3、圖4所示。
圖3 LCA前端系統(tǒng)
圖4 LCA用戶端系統(tǒng)
3 結束語
本文提出了一種基于DES加密技術無需智能卡的條件接收系統(tǒng)的結構模型，該模型中在前端通過兩重DES加密運算對CW 進行加密控制，用戶信息和節(jié)目信息以EMM—U形式傳輸；接收端機頂盒以軟件形式進行解密和解擾來實現(xiàn)數(shù)字電視業(yè)務的授權控制。與傳統(tǒng)的CA系統(tǒng)相比該系統(tǒng)不需要在機頂盒中集成專業(yè)的智能卡系統(tǒng)，因而降低了機頂盒的硬件成本和研發(fā)成本。該系統(tǒng)為賓館、小區(qū)等一些小型有線電視網(wǎng)絡管理機構提供了一個控制平臺。
(文/1．長春工業(yè)大學基礎科學學院，閆一功；2．長春工業(yè)大學計算機科學與工程學院，董國珍)
