雙向有條件接收技術(shù)

摘要：隨著信息技術(shù)和數(shù)字電視的不斷發(fā)展，雙向互動(dòng)業(yè)務(wù)越來越受人們的重視，新的增值服務(wù)給條件接收帶來新的要求。主要研究雙向條件接收技術(shù)，采用當(dāng)前數(shù)字有線網(wǎng)絡(luò)中使用的數(shù)字有線機(jī)頂盒單向CA系統(tǒng)對比雙向CA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，討論實(shí)際中使用的機(jī)頂盒中該技術(shù)的軟件框架。相對于傳統(tǒng)的封閉式CA系統(tǒng)，雙向CA具有無卡方式、有卡方式的特點(diǎn)，雙向CA的安全性不再依賴CA廠商，廣電運(yùn)營商真正掌握了主動(dòng)權(quán)，打破了條件接收系統(tǒng)的封閉。
關(guān)鍵字：條件接收；加擾；控制字；雙向CA系統(tǒng)

0 引言
    隨著信息技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，電視廣播的數(shù)字化時(shí)代已大步向人們邁進(jìn)?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字調(diào)制技術(shù)、數(shù)據(jù)編碼與壓縮技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了數(shù)字化廣播電視的發(fā)展，在當(dāng)今許多發(fā)達(dá)國家，模擬信號電視廣播和接收系統(tǒng)已經(jīng)走到盡頭；高效率、高質(zhì)量的數(shù)字化模式的電視廣播將成為新時(shí)期的發(fā)展潮流。
    數(shù)字技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展給數(shù)字電視帶來了新的機(jī)遇。數(shù)字電視帶來的不僅是節(jié)目質(zhì)量和數(shù)量上的提高，也改變了人們傳統(tǒng)的收看電視的方式。人們不僅可以收看固定的電視節(jié)目，還可以享受視頻點(diǎn)播、Internet接入等個(gè)性化服務(wù)。為了使用戶能夠根據(jù)自己的需求自由選擇接收節(jié)目內(nèi)容和享受這些個(gè)性化服務(wù)，也為了保護(hù)節(jié)目運(yùn)營商的利益，數(shù)字電視系統(tǒng)引入了條件接收技術(shù)。條件接收系統(tǒng)的研究和開發(fā)已成為數(shù)字電視系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在這里，對條件接收在雙向網(wǎng)中的一些問題進(jìn)行討論。

1 條件接收技術(shù)概述
    條件接收系統(tǒng)(Conditional Access System，CAS)能實(shí)現(xiàn)電視臺(tái)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理授權(quán)和控制。從技術(shù)角度看，該系統(tǒng)又是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)，集成了多種先進(jìn)技術(shù)，包括系統(tǒng)調(diào)度管理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字壓縮編碼、加解擾技術(shù)、加解密技術(shù)、復(fù)用器技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、機(jī)頂盒技術(shù)、智能卡技術(shù)等。同時(shí)也涉及到用戶管理、節(jié)目管理、收費(fèi)管理等數(shù)據(jù)庫方面的應(yīng)用技術(shù)。
1．1 條件接收系統(tǒng)的歷史
    隨著廣播和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，條件接收經(jīng)歷了模擬和數(shù)字兩代，從對模擬信號加擾到采用加擾控制字進(jìn)行加密傳輸，從前端尋址控制用戶加擾器開關(guān)到用戶端利用智能卡解密。
    第一代條件接收系統(tǒng)是模擬電視條件接收系統(tǒng)。多年前，為了實(shí)現(xiàn)有線電視的有效收費(fèi)，在前端將模擬信號進(jìn)行加擾，使普通電視機(jī)無法收看，只有安裝了解擾器的用戶才能正常收看。這樣的系統(tǒng)可以通過前端的尋址來控制單個(gè)用戶的解擾器開關(guān)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全頻段加擾和頻道加擾，實(shí)現(xiàn)的方法通常是采用視頻倒相、水平同步重疊、垂直同步重疊、數(shù)字隨機(jī)視頻行抖動(dòng)等技術(shù)。這樣雖然實(shí)現(xiàn)了信息加密的功能，但圖像質(zhì)量下降，并且加擾一套節(jié)目占一個(gè)頻道，接收控制數(shù)據(jù)可以插在場逆程、行逆程或調(diào)制在伴音載頻上，或用專用通道傳送，不存在復(fù)用概念，具有獨(dú)占排他性的特點(diǎn)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)不能兼容兩種不同的CA系統(tǒng)，這樣會(huì)產(chǎn)生壟斷，造成不公平競爭。
    數(shù)字電視的出現(xiàn)產(chǎn)生了第二代條件接收系統(tǒng)，基本原理是利用控制字產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列加擾節(jié)目信號的辦法，用戶端用同樣的序列解擾。由于采用的是數(shù)字技術(shù)，對信號沒有損耗，系統(tǒng)的保密性、可靠性均大大提高。對傳輸流的加擾，DVB已有標(biāo)準(zhǔn)。對于加密體制，不同廠家的系統(tǒng)差別很大，由于牽扯到系統(tǒng)安全性，廠家一般不會(huì)公開。
1．2 單向條件接收系統(tǒng)工作原理
    圖1顯示了單向條件接收系統(tǒng)工作原理，單向條件接收系統(tǒng)是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)，它集成了多種先進(jìn)的技術(shù)，所涉及的技術(shù)包括：系統(tǒng)調(diào)度管理、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字壓縮編碼、加解擾算法、加解密算法、復(fù)用器技術(shù)、機(jī)頂盒技術(shù)、智能卡技術(shù)等，同時(shí)也涉及到用戶管理、節(jié)目管理、收費(fèi)管理等數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)。其中，CAS的性能和安全性是整個(gè)系統(tǒng)尤為關(guān)鍵的問題。

    控制字(CW)是對節(jié)目流進(jìn)行解擾的鑰匙，由業(yè)務(wù)密鑰(SK)加密處理后的控制字在ECM中傳遞，其中包括節(jié)目來源、時(shí)間、內(nèi)容分類和節(jié)目價(jià)格等面向業(yè)務(wù)的信息。SK與用戶付費(fèi)相關(guān)，是用戶的授權(quán)信息，SK時(shí)限由具體服務(wù)提供的時(shí)限確定。對CW加密的SK在ECM中傳送，并且SK在傳送前要經(jīng)過用戶個(gè)人分配密鑰(PDK)的加密處理。EMM中還包括地址、用戶授權(quán)信息及授權(quán)等級，如用戶可以看的節(jié)目或時(shí)間段，用戶付的收視費(fèi)等面向用戶的信息。加擾控制字通過擾碼生成器生成擾碼后，對原始的MPEG碼流進(jìn)行擾動(dòng)，通過擾碼與視音頻之間的位運(yùn)算生成加擾碼流。同時(shí)，與控制字傳輸相關(guān)的2個(gè)數(shù)據(jù)信息流：授權(quán)控制信息(ECM)和授權(quán)管理信息(EMM)以及其他PSI信息與加擾后的視頻碼流一起通過復(fù)用器復(fù)用后用信道傳輸給用戶接收端。
    通過解碼和接復(fù)用，用戶接收端STB根據(jù)節(jié)目映射表PMT和CAT表中的CA-descriptor，獲得EMM和ECM的PID值，然后從傳輸碼流中過濾出ECM和EMM，并通過智能卡接口送給智能卡，之后智能卡讀取存放在卡中的用戶個(gè)人分配密鑰(Personal Distribute Key，PDK)值，用PDK對EMM解密，取出SK，再用SK對ECM解密，取出CW，然后將CW送給解擾器將節(jié)目解擾，用戶端就可以收到清晰的視音頻節(jié)目和數(shù)據(jù)信息了。

2 條件接收技術(shù)所面臨的幾個(gè)問題
2．1 系統(tǒng)安全性
    目前CA系統(tǒng)的安全性仍然受到很大的挑戰(zhàn)。國際上有很多黑客攻破CA的案例，造成運(yùn)營商的巨大經(jīng)濟(jì)損失。縱觀CA系統(tǒng)當(dāng)前被攻破的原因，可以分為以下幾項(xiàng)：
    (1)智能卡廠商不能為智能卡提供足夠的安全保障。這是CA系統(tǒng)被攻破的最根本原因。由于智能卡無法提供足夠的保障，所以被復(fù)制及重新編程。在這種情況下，傳統(tǒng)的CA系統(tǒng)基本上是無能為力的。智能卡是CA系統(tǒng)所有的秘密所在，復(fù)制的卡與原卡一樣享有所有的權(quán)益。
    (2)EMM授權(quán)過程太長。由于在大量用戶的情況下，完成對所有用戶的EMM授權(quán)周期較長，一般CA系統(tǒng)都會(huì)采用一些手段來加速EMM的發(fā)送，或者減少客戶端對EMM的依賴，就造成很多節(jié)目的權(quán)限控制被收存在智能卡中，一旦智能卡的軟件程序被破解，所有節(jié)目的通行證都被竊取了。
    (3)Service Key不易變更。Service Key用來加密控制字，需要定期地做變更。SK的變更可以迫使那些儲(chǔ)存有Service Key的偽卡進(jìn)行更新。頻繁的Service Key更新可以打擊偽卡制造商的收益，增加偽卡使用者的難度。但對CW所用的加密算法要求較高強(qiáng)度和較快的運(yùn)算速度。SK的定期變更要求相應(yīng)的加密和解密的速度要足夠匹配。用戶端智能卡的運(yùn)算能力有限，過于頻繁的變更和過于復(fù)雜的算法都會(huì)影響解密速度，進(jìn)而影響節(jié)目解擾。根據(jù)密碼學(xué)理論，密碼體系的安全性只依賴于密鑰的安全性，而非算法的保密性。因此，SK使用周期過長，如果算法強(qiáng)度不夠，SK很容易被破解，從而在密鑰改變以前繼續(xù)使用它進(jìn)行解密。
    (4)單向網(wǎng)的局限。單向網(wǎng)中，運(yùn)營商無法對智能卡進(jìn)行跟蹤，偽造的智能卡便不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。運(yùn)營商迫不得已只能自己去黑市購買偽卡，來查出被復(fù)制的卡號，然后采取相應(yīng)的手段對此卡號進(jìn)行屏蔽。
    由此可知，提高CA的安全性不僅靠CA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就可以達(dá)到的，附屬設(shè)備的安全可靠性和一些外界因素都會(huì)直接或間接地影響CA的安全性。同時(shí)，CA制造商也需要不斷的更新技術(shù)來迎接新的挑戰(zhàn)。
2．2 新的增值服務(wù)的需求
    新的增值服務(wù)，如VOD、PPV等，改變了對CA的傳統(tǒng)需求模式，很多的CA授權(quán)是針對單一用戶的，傳統(tǒng)的EMM廣播的形式無法適用。EMM的發(fā)送更需要更新以適合這樣的需求。

3 雙向條件接收系統(tǒng)
    從上面的介紹可以了解到傳統(tǒng)的條件接收系統(tǒng)針對單向數(shù)字電視廣播而設(shè)計(jì)，大多采用多層保護(hù)機(jī)制，通過ECM和EMM以及加擾的碼流同時(shí)復(fù)用進(jìn)行廣播傳輸，系統(tǒng)復(fù)雜，并缺少系統(tǒng)對用戶行為的實(shí)時(shí)跟蹤，除了用戶購買時(shí)提供有效身份證明和機(jī)頂盒的MAC地址外，在節(jié)目加擾傳輸過程中無法對用戶的身份進(jìn)行認(rèn)證，并智能保證節(jié)目內(nèi)容的授權(quán)及訪問。所以傳統(tǒng)條件接收技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)不言而喻，雙向條件接收技術(shù)在雙向網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境的推動(dòng)下，必將煥發(fā)出光彩。
3．1 雙向條件接收系統(tǒng)介紹
    基于雙向網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的雙向有條件接收系統(tǒng)，可以放棄針對單向數(shù)字電視廣播設(shè)計(jì)的復(fù)雜、有條件的接收技術(shù)，采用通用加擾算法(Common Scramble Algorithm，CSA)對TS流進(jìn)行加擾傳輸，同時(shí)充分利用IP互動(dòng)能力，混合雙向IP能力與單向DVB組播能力，增加在線用戶認(rèn)證授權(quán)，前端服務(wù)和認(rèn)證授權(quán)中心分別傳送ECM和授權(quán)信息，ECM復(fù)用進(jìn)行TS。通過認(rèn)證、授權(quán)、加密傳輸密鑰等新的業(yè)務(wù)保護(hù)和管理方式，對用戶的接入進(jìn)行控制，提供授權(quán)服務(wù)，為低成本、高性能地實(shí)現(xiàn)安全可靠的寬帶互動(dòng)電視系統(tǒng)提供可能。進(jìn)而可以為廣電提供除數(shù)字電視外的交互電視、互聯(lián)網(wǎng)及其他更多的數(shù)據(jù)、游戲、信息服務(wù)，提供新的運(yùn)營模式，為有線數(shù)字電視的平移提供新的動(dòng)力。
3．2 雙向條件接收系統(tǒng)架構(gòu)
    雙向條件接收系統(tǒng)建立在雙向非對稱的寬帶HFC網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，為用戶提供非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)韻業(yè)務(wù)傳輸控制，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括用戶代理、CA前端、授權(quán)中心、訂戶管理系統(tǒng)、節(jié)目流管理系統(tǒng)、節(jié)目信息管理系統(tǒng)等部分，其中用戶CA代理、CA前端、授權(quán)中心為核心部分。

    CA前端的控制字發(fā)生器以系統(tǒng)密鑰為基礎(chǔ)生成控制字，采用DVB通用加擾算法(CSA)對來自節(jié)目流管理系統(tǒng)(如CDN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容管理服務(wù)器)的節(jié)目內(nèi)容進(jìn)行加擾操作。CA前端同時(shí)也使用業(yè)務(wù)密鑰對控制字進(jìn)行加密生成授權(quán)控制信息(Entitled Control Message，ECM)。加擾后的節(jié)目與ECM傳遞給節(jié)目分發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)用傳輸。此外，CA前端將以固定間隔更新加擾控制字，保證節(jié)目內(nèi)容的傳輸安全。在點(diǎn)播交互模式下，CA前端同時(shí)也根據(jù)用戶的播放控制信息(快進(jìn)、快退、停止等)對加擾和節(jié)目流傳輸進(jìn)行調(diào)整。
    授權(quán)中心的業(yè)務(wù)受理模塊作為與用戶的接口，負(fù)責(zé)根據(jù)用戶的節(jié)目申請啟動(dòng)相應(yīng)的業(yè)務(wù)流程，在用戶管理系統(tǒng)的配合下對用戶的申請及其身份信息、信用信息進(jìn)行合法性和有效性驗(yàn)證。對于合法、有效的申請，授權(quán)中心提供密鑰協(xié)商機(jī)制與用戶協(xié)商獲得業(yè)務(wù)密鑰，并將業(yè)務(wù)密鑰及其相關(guān)節(jié)目信息通過安全信道發(fā)送給用戶CA代理和CA前端。此外，為了保證業(yè)務(wù)密鑰的安全性，授權(quán)中心會(huì)在固定間隔重新生成業(yè)務(wù)密鑰和重新對用戶的身份進(jìn)行驗(yàn)證。
    用戶CA代理為機(jī)頂盒或TV提供了一個(gè)透明的訪問節(jié)目內(nèi)容的機(jī)制。以用戶提供的節(jié)目信息，負(fù)責(zé)與用戶管理系統(tǒng)、授權(quán)中心和CA前端交互，獲得授權(quán)和解擾密鑰，實(shí)施對加擾節(jié)目的解擾工作，實(shí)現(xiàn)有條件接收和有條件播出功能。用戶CA代理的訂購模塊與用戶管理系統(tǒng)通過SSL安全信道交互傳遞用戶身份信息、用戶信用信息等內(nèi)容完成注冊、購買等功能，為用戶提供查詢其身份和信用信息的交互機(jī)制；用戶CA代理的業(yè)務(wù)申請模塊與授權(quán)中心的業(yè)務(wù)受理模塊交互傳遞用戶身份信息以及對節(jié)目、節(jié)目單、節(jié)目類型(點(diǎn)播、廣播、直播)的申請，并負(fù)責(zé)與授權(quán)中心協(xié)商獲取業(yè)務(wù)密鑰，傳遞給業(yè)務(wù)獲取模塊；用戶CA代理的業(yè)務(wù)獲取模塊對從CA前端同步獲取加擾的節(jié)目內(nèi)容進(jìn)行解密和解擾工作，在點(diǎn)播交互模式時(shí)也向CA前端提交用戶的播放控制信息(快進(jìn)、快退、停止等)，實(shí)現(xiàn)對節(jié)目流的交互操作。
3．3 安全性問題
    寬帶互動(dòng)電視作為廣播電視系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向，同樣會(huì)受到非法組織和境外機(jī)構(gòu)的攻擊干擾，在構(gòu)建廣播電視安全播出保障體系的同時(shí)，需要把安全問題首位。那么，如何才能解決雙向CA的安全性問題呢?
    雙向有條件接收系統(tǒng)包含兩個(gè)加密層次，如圖3所示，即基于控制字CW的加擾和基于業(yè)務(wù)密鑰SK的加密。加擾以CW為密鑰，調(diào)用通用加擾算法(CSA)完成對欲傳輸節(jié)目內(nèi)容的直接加擾保護(hù)。加密以業(yè)務(wù)密鑰SK為密鑰。調(diào)用加密算法如AES實(shí)現(xiàn)對控制字CW的加密，形成授權(quán)控制信息ECM。

    CW由CA前端獨(dú)立生成，SK由授權(quán)中心生成。CW保證節(jié)目內(nèi)容的安全傳輸，同時(shí)CW和SK的分離，也使得節(jié)目內(nèi)容的加擾與用戶無關(guān)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。多層次的加密策略，方便整合點(diǎn)播、廣播、直播等業(yè)務(wù)模式，也方便增加用戶數(shù)量，保證了系統(tǒng)的靈活性和通用性。
    CW經(jīng)SK加密后得到的ECM，進(jìn)一步與加擾后的節(jié)目流復(fù)用形成傳輸流。由于ECM與用戶相關(guān)，因此只有持有SK的用戶才能解擾，實(shí)現(xiàn)有條件接收的目標(biāo)。此外，系統(tǒng)密鑰MK為運(yùn)營商提供了靈活的操控手段，它控制對CW發(fā)生器(CWG)的選擇，一旦密鑰失效，運(yùn)營商可以即時(shí)更新MK，而不影響各業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

4 結(jié)語
    總之，雙向CA指的是CA的算法和密鑰通過雙向網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)更新和傳輸。相對于傳統(tǒng)的封閉式CA系統(tǒng)，雙向CA可以是無卡方式的，也可以是有卡方式的，接口開放通明，廣電運(yùn)營商不需要CA廠商和機(jī)頂盒廠商的協(xié)助即可根據(jù)局方的需求通過前端服務(wù)器獨(dú)立替換或升級更新機(jī)頂盒中的CA算法、密鑰和CA應(yīng)用軟件。雙向CA的安全性不再依賴CA廠商，傳統(tǒng)黑盒CA技術(shù)變成一項(xiàng)開發(fā)的技術(shù)，廣電運(yùn)營商真正掌握了主動(dòng)權(quán)，打破了條件接收系統(tǒng)的封閉，促使數(shù)字電視技術(shù)與透明的IT技術(shù)接軌，順應(yīng)了三網(wǎng)融合的潮流。它可以進(jìn)一步應(yīng)用在數(shù)字電視、移動(dòng)多媒體廣播、內(nèi)容認(rèn)證與服務(wù)等方面，可以為廣播電視行業(yè)的發(fā)展提供有力保障和新的增長點(diǎn)。