一種數(shù)字電視的條件接收系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)

數(shù)字電視是將傳統(tǒng)的模擬電視信號經(jīng)過抽樣、量化和編碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)代表的數(shù)字式信號，然后進(jìn)行各種功能的處理、傳輸、記錄、存儲(chǔ)，監(jiān)測和控制的一種全數(shù)字處理過程的端到端系統(tǒng)。正是這種全數(shù)字化的特點(diǎn)，使我們可運(yùn)用各種數(shù)字技術(shù)使電視設(shè)備獲得比原有的模擬電視設(shè)備更高的技術(shù)性能，條件接收就是對視頻、音頻和數(shù)據(jù)等信息加密、傳輸并為合法用戶接收解密的過程。條件接收廣播電視運(yùn)營商管理手段的拓展，使運(yùn)營商能夠?qū)τ脩羰盏降男畔⑦M(jìn)行授權(quán)控制，他被認(rèn)為是廣播電視行業(yè)打破以廣告為主要收入的單一經(jīng)營模式，實(shí)現(xiàn)多元化經(jīng)營的技術(shù)基礎(chǔ)和有力工具。

1 條件接收系統(tǒng)的原理和安全保障體制

1.1 條件接收系統(tǒng)的原理

從實(shí)現(xiàn)過程可以基本了解集成一個(gè)條件接收系統(tǒng)所需的基本技術(shù)。首先是記錄用戶授權(quán)情況的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，即CA系統(tǒng)中的用戶管理系統(tǒng)，其次是記錄服務(wù)授權(quán)控制情況的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，這是節(jié)目管理系統(tǒng)；及服務(wù)加擾/解擾控制的系統(tǒng)；密鑰的管理和傳輸系統(tǒng)技術(shù)、智能卡讀寫技術(shù)等。這些都是集成一個(gè)CA系統(tǒng)必不可少的技術(shù)，其中對信息加密、解密以及密碼管理傳輸是CA系統(tǒng)的核心，對信息的加/解密的過程將上述所有涉及的技術(shù)都緊密連接起來而成為一個(gè)CA系統(tǒng)，如圖1所示。

　圖1 常用條件接收系統(tǒng)原理

從圖1可以看到，常用的CA系統(tǒng)一般有3層的加密體制。

首先是對音視頻、數(shù)據(jù)流的加擾，他是擾碼序列對信息流進(jìn)行加密處理的過程。擾碼序列是偽隨機(jī)二進(jìn)制序列，他具有近似隨機(jī)序列的功率譜特征，不同的是他具有周期，但周期很長，一般是數(shù)小時(shí)甚至是數(shù)天。圖1中PRBS指擾碼序列生成器。生成器的初始條件受控于控制字（CW），在初始條件已知的情況，可以推測出生成的擾碼序列。在這里CW起到了“種子”的作用，只要獲得了CW，系統(tǒng)就被破解了。所以如何將CW安全送到接收端，就成了CA系統(tǒng)的核心。后面的兩重加密過程便是為實(shí)現(xiàn)CW的安全傳送并達(dá)到授權(quán)控制的目的。

為實(shí)現(xiàn)保密，使用授權(quán)密鑰KS對控制字CW加密形成授權(quán)控制信息（ECM），復(fù)用到傳送流當(dāng)中。同時(shí)使用分配密鑰KD對授權(quán)密鑰KS加密形成授權(quán)管理信息（EMM），也復(fù)用到傳送流當(dāng)中。系統(tǒng)通過用戶管理系統(tǒng)的確證，將該業(yè)務(wù)的授權(quán)密鑰KS修改成KS1，但對用戶發(fā)送的仍然是KS經(jīng)KD加密而成的授權(quán)管理信息EMM，用戶雖然可以解密獲得KS但還是不能享受該業(yè)務(wù)。

以上的加密過程可以看出一個(gè)已獲得授權(quán)的接收端使用相關(guān)業(yè)務(wù)要依次獲取EMM，ECM。對這些信息的提取要依靠節(jié)目管理系統(tǒng)提供的PSI/SI信息（特殊節(jié)目信息/節(jié)目信息）。PMT表是針對節(jié)目的加密情況，他也含有CA_SySTem_Id信息用于表示節(jié)目是用何種CA系統(tǒng)加密和EMM_Pid用于告知用戶如何搜索ECM。CA_System_Id可惟一標(biāo)識 CA系統(tǒng)，分配到用戶的智能卡中含有這項(xiàng)內(nèi)容，用戶端的條件接收過程就是從讀取卡內(nèi)的CA_System_Id開始的，獲取相應(yīng)的EMM，ECM后，解密解擾的工作就按與發(fā)送端相逆的順序開始了。

CAS的組成包括有：用戶管理系統(tǒng)SMS、業(yè)務(wù)信息生成系統(tǒng)SIG、節(jié)目管理PMS/SI編輯系統(tǒng)、節(jié)目調(diào)度處理EIS、用戶授權(quán)管理系統(tǒng)SAS、條件接收CA等。主要有兩大塊：一塊是管理用戶的SMS，一塊是管理節(jié)目的CA。CA主要分為兩大部分：一是信號加擾部分，它是通過一個(gè)隨機(jī)碼發(fā)生器所產(chǎn)生的隨機(jī)碼（稱為控制字CW）來控制加擾器對信號的加擾；二是加密部分，要使加擾的信號在接收端成功地解擾，接收端也必須要有和加擾端一模一樣的控制字來控制解擾器，所以，要將前端的CW傳送到接收端，如果直接傳送會(huì)很容易被黑客截獲而使CAS失去作用，為此，要對CW進(jìn)行加密傳送，這種加密是一種多層加密機(jī)制，從而增加CW傳送的安全性，直接對CW加密的第一層所產(chǎn)生的密文稱為授權(quán)控制信息ECM，通過復(fù)用器與加擾的碼流一起傳送，ECM還含有時(shí)間、節(jié)目價(jià)格、節(jié)目授權(quán)控制等信息，因此ECM是面向節(jié)目的管理信息。對CW加密的密鑰稱為工作密鑰SK，SK通常又叫月密鑰，每月?lián)Q一次，每換一次SK，系統(tǒng)都要重新對所有用戶進(jìn)行授權(quán)。第二層加密是用稱為節(jié)目密鑰PDK對SK進(jìn)行加密，所產(chǎn)生的密文和從SMS獲取的授權(quán)指令通過SAS生成的授權(quán)信息組成授權(quán)管理信息EMM，EMM還含有智能卡號、授權(quán)時(shí)間、授權(quán)等級等用戶授權(quán)信息。這些信息主要是完成對用戶的授權(quán)，因此EMM是面向用戶的管理信息，EMM對用戶在什么時(shí)間看、看什么頻道進(jìn)行授權(quán)，它也通過復(fù)用器與加擾碼流一起傳送，以上這些組成了CA最基本的加密系統(tǒng)。

1.2 CA系統(tǒng)的安全保障措施

安全性是條件接收的靈魂，CA系統(tǒng)在原理的設(shè)計(jì)不僅體現(xiàn)運(yùn)行安全體系同時(shí)也體現(xiàn)系統(tǒng)破解后可使用的應(yīng)對方案。這種穩(wěn)健安全體制表現(xiàn)在3方面：

CW的變換機(jī)制 CW是系統(tǒng)構(gòu)架的基礎(chǔ)，是條件接收的核心。CW一般為60 b，所以他的編碼空間是已知的，所以CW不可能不變。在實(shí)際中2~10 s變化一次，若是對CW攻擊，即使獲得一個(gè)CW，他的使用期限也是十分有限的。這種變化機(jī)制使對CW的盜取變得沒有意義。

SK的升級體制對加密電路A的算法攻擊是當(dāng)前最常使用的一種破解途徑，同時(shí)他的成功率也是最高的。若是已知加密算法和SK就可以由ECM解出CW，CW的變化機(jī)制也失去作用。強(qiáng)健的加密算法是保證安全的關(guān)鍵。如果算法被破解，當(dāng)前的SK就必須升級，使盜版卡失去效用，所以SK足夠大的編碼空間也是提升系統(tǒng)安全等級的必要條件。

智能卡的電路設(shè)計(jì)智能卡是一塊內(nèi)置有微處理器，RAM，ROM和E?2PROM的芯片，存儲(chǔ)分配密鑰，解密算法和操作程序。分配密鑰的是整個(gè)CA系統(tǒng)的最后安全防線，他的重要性不言而喻，所以智能卡的電路特別是存儲(chǔ)分配密鑰的ROM設(shè)計(jì)成不可掃描方式，一旦被檢測，ROM中數(shù)據(jù)自動(dòng)被擦除。同時(shí)，為防止操作程序被拷貝，將存儲(chǔ)區(qū)分段保存應(yīng)用程序，每段程序各有不同的保密代碼。

沒有一種加密算法是永不被破解的?，F(xiàn)階段許多國外著名的CA系統(tǒng)有被破解的記錄，基本上都是第二和第三種方式的攻擊，現(xiàn)在最有效的做法是更換智能卡，徹底更新兩種加密算法。這種做法雖花費(fèi)比較大，即是最有效增大破解周期的做法。

2 兩種實(shí)現(xiàn)方式

從原理可以看出，CA系統(tǒng)的最重要特性是信息保密。事實(shí)上很多CA系統(tǒng)使用的加密算法都是各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)營商私有而且是絕對保密的。這種特性決定了各個(gè)CA系統(tǒng)的排他性和不通用性。為解決這個(gè)問題歐洲D(zhuǎn)VB標(biāo)準(zhǔn)組織定義了同密（simulcrypt）和多密（multicrypt）2種形式的條件接收系統(tǒng)。

2.1 同密條件接收系統(tǒng)

若發(fā)送端有多個(gè)CA系統(tǒng)加入，同密方式的做法基于各個(gè)運(yùn)營商之間的商業(yè)協(xié)議，采用相同控制字生成器和擾碼生成器，并使用通用加擾算法對信號加擾。不同系統(tǒng)之間的差別是從對CW的加密開始的，各個(gè)系統(tǒng)使用自己的加密算法對CW和授權(quán)密鑰KS加密。用戶管理系統(tǒng)可以公用也可以分開。節(jié)目管理系統(tǒng)會(huì)將各種CA系統(tǒng)的標(biāo)識CA_System_Id以及EMM,ECM索引信息一一對應(yīng)描述在PSI/SI信息中，原理圖如圖2所示。

圖2 同密CA系統(tǒng)原理

集成了其中一套CA系統(tǒng)的接收解碼器（STB）從插入的智能卡中讀出對應(yīng)CA_System_I d，根據(jù)這個(gè)標(biāo)識獲取EMM,ECM索引信息進(jìn)而濾取出具體信息發(fā)送回智能卡。

智能卡中集成了2套私有的解密算法，對應(yīng)與前端生成EMM和ECM的加密算法，從而獲得CW，送到接收解碼器STB中，STB的解碼芯片中有集成了通用解擾算法的解擾器，用這個(gè)解擾器就可以恢復(fù)出原始信號。用戶只要獲得其中一種機(jī)密系統(tǒng)的授權(quán)就可以收看節(jié)目。這種方式下對信號的加解擾是使用通用算法的，所以保證這種方式的通信安全全靠智能卡，兩層私有加密電路是其中的關(guān)鍵。這種做法要求將條件接收系統(tǒng)嵌入接收機(jī)中。

2.2 多密條件接收系統(tǒng)

了解了同密的原理，多密系統(tǒng)的原理容易理解了。他們不同的是對于多密系統(tǒng)各種CA系統(tǒng)運(yùn)營商使用各自不同的CW，不同的擾碼生成器和加擾算法，相同的是，后面的兩層加密算法也是私有的。這使接收端不能使用解碼芯片中的公共解擾算法電路，但使用條件接收模塊很好地解決這個(gè)問題。模塊與主機(jī)間的命令接口提供模塊和主機(jī)部分的通信方法卻不需要主機(jī)了解具體的細(xì)節(jié)操作。這種通用接口的應(yīng)用，使一臺機(jī)頂盒可以使用多個(gè)CA運(yùn)營商的模塊，也就是可以收看由不同CA系統(tǒng)控制的節(jié)目。

同密和多密方式的原理如圖3所示。

　圖3 同密和多密CA系統(tǒng)接收原理

3 兩種方式的比較

3.1 通信成本

在同密方式下，TS流中載有所有應(yīng)用的CA系統(tǒng)的EMM和ECM，增加了發(fā)送端復(fù)用難度（每個(gè)EMM,ECM流都必須分配惟一的PID，還有一些同步要求），同時(shí)也增加了通信帶寬要求。一個(gè)TS流中通常只有一套CA系統(tǒng)的應(yīng)用，所以信息量比同密方式小。

3.2 機(jī)頂盒的通用性和特點(diǎn)

數(shù)字機(jī)頂盒的基本功能是接收數(shù)字電視廣播節(jié)目，同時(shí)具有所有廣播和交互式多媒體應(yīng)用 功能，如：

（1）電子節(jié)目指南（EPG）。給用戶提供一個(gè)容易使用、界面友好、可以快速訪問 想看節(jié)目的一種方式，用戶可以通過該功能看到一個(gè)或多個(gè)頻道甚至所有頻道上近期將播放的電視節(jié)目；

（2）高速數(shù)據(jù)廣播。能給用戶提供股市行情、票務(wù)信息、電子報(bào)紙、熱門網(wǎng)站等 各種消息；

（3）軟件在線升級。軟件在線升級可看成是數(shù)據(jù)廣播的應(yīng)用之一。數(shù)據(jù)廣播服務(wù) 器按DVB數(shù)據(jù)廣播標(biāo)準(zhǔn)將升級軟件廣播下來，機(jī)頂盒能識別該軟件的版本號，在版本不同時(shí)接收該軟件，并對保存在存儲(chǔ)器中的軟件進(jìn)行更新；

（4）因特網(wǎng)接入和電子郵件。數(shù)字機(jī)頂盒 可通過內(nèi)置的電纜調(diào)制解調(diào)器方便地實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)接入功能。用戶可以通過機(jī)頂盒內(nèi)置的瀏覽器上網(wǎng)，發(fā)送電子郵件。同時(shí)機(jī)頂盒也可以提供各種接口與PC相連，用PC與因特網(wǎng)連接；

（5） 有條件接收。有條件接收的核心是加擾和加密，數(shù)字機(jī)頂盒應(yīng)具有解擾和解密功能。總之，到 目前為止，圍繞數(shù)字機(jī)頂盒的數(shù)字視頻、數(shù)字信息與交互式應(yīng)用三大核心功能開發(fā)了多種增值業(yè)務(wù)。

機(jī)頂盒（Set Top Box ），從廣義上說，凡是與電視機(jī)連接的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備都可稱之為機(jī)頂盒。基于有線電視網(wǎng)絡(luò)的模擬頻道增補(bǔ)器、模擬頻道解碼器，到將電話線與電視機(jī)連接在一起的“維拉斯”上網(wǎng)機(jī)頂盒、數(shù)字衛(wèi)星的綜合接收解碼器（IRD）、數(shù)字地面機(jī)頂盒以及有線電視數(shù)字機(jī)頂盒都可稱為機(jī)頂盒。從狹義上說，如果只說數(shù)字設(shè)備的話，按標(biāo)準(zhǔn)分為數(shù)字衛(wèi)星機(jī)頂盒（DVB-S）、歐標(biāo)數(shù)字地面機(jī)頂盒（DVB-T）、國標(biāo)數(shù)字地面機(jī)頂盒（DMB-TH）、有線電視數(shù)字機(jī)頂盒（DVB-C）。按照功能來分的話，可以分為單向機(jī)頂盒、雙向機(jī)頂盒、IPTV機(jī)頂盒。

從原理圖可以看出，由于同密系統(tǒng)的機(jī)頂盒內(nèi)必須集成特定CA系統(tǒng)軟件，而同密方式的接收機(jī)將與CA相關(guān)的軟硬件系統(tǒng)都集成在一張CI模塊中，機(jī)頂盒可應(yīng)用任何符合通用接口標(biāo)準(zhǔn)的模塊，因此可應(yīng)用在多種CA系統(tǒng)中。通用性方面多密優(yōu)于同密。

3.3 安全性

多密方式的控制字CW形式和3層加密算法都是私有的，若要破解至少需要已知2套加密算法，而同密算法使用的CW編碼空間是公開的而且使用的解擾算法是通用的，所以他比多密系統(tǒng)少了一層防破解防線。再次，由于支持同密系統(tǒng)的機(jī)頂盒與智能卡之間的通信接口比同密系統(tǒng)開放，盜密者很容易從主機(jī)與卡的通信接口間盜取通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析或用于激活另外解碼器，達(dá)到盜版的目的。事實(shí)當(dāng)前破解的系統(tǒng)大多使用這種途徑。所以在接口安全上同密系統(tǒng)也比多密系統(tǒng)差。

3.4 成本

雖然多密系統(tǒng)有以上兩種優(yōu)勢，但是他需要花費(fèi)成本的代價(jià)?，F(xiàn)在一個(gè)模塊市場價(jià)格至少為300~400元，有些在千元以上。而且如果只用一個(gè)模塊，那么使用多密也就沒有意義了。所以多密系統(tǒng)的機(jī)頂盒總體上要比同密下的花費(fèi)更多成本，同時(shí)發(fā)送端也要耗費(fèi)更大的設(shè)備成本。當(dāng)前我國正處于數(shù)字電視發(fā)展的初級階段，由于成本的原因，同密系統(tǒng)還是目前國內(nèi)數(shù)字電視的主流。但從發(fā)展來看，多密系統(tǒng)必將取代同密系統(tǒng)。

4 CA系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國際上的有條件接收系統(tǒng)主要有荷蘭愛迪德（IRDETO）公司的M_Crypt系統(tǒng)和π_s ys系統(tǒng)，法國電信（France Telecom）公司的Viaccess系統(tǒng)，英國NDS公司的NDS系統(tǒng)，法國Canal+公司的Mediaguard系統(tǒng)，以及Nagra系統(tǒng)等。國內(nèi)主要有清華同方、中視聯(lián)（與Philips合資）、算通科技等。國外的CA系統(tǒng)經(jīng)歷多年的發(fā)展，技術(shù)比較成熟并形成一定市場，國內(nèi)的CA系統(tǒng)研究起步比較晚，起點(diǎn)比較高，同時(shí)借鑒了國外的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展很快，已經(jīng)形成了初具規(guī)模的國內(nèi)市場，同時(shí)積極開展與國外CA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同密，以上幾家國內(nèi)知名的CA運(yùn)營商都已經(jīng)和IRDETO、NDS等實(shí)現(xiàn)同密。這種競爭并同步發(fā)展的形勢在國內(nèi)數(shù)字電視界已經(jīng)形成。