（计算机应用技术专业论文）基于nucleus的dvb条件接收系统通用接口协议的实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在数字电视广播的一系列标准中，包括信源编码、信道编码、服务信息和 解码器接口等，其中条件接收c a ( c o n d i t i o n a l a c c e s s ) 系统用来控制广播业 务的接收，尽管c a 系统提供了通用的解扰算法，但是出于运营的需求，c a 并没有标准化。在确保广播者能够访问带有不同c a 系统的解码器的前提下， 使各种解码器能有选择c a 系统的自由，可以具有两种解决方案。 一种方案是采用同密系统，即经过各节目运营商之间的协商，使用通用加 扰算法，但这种模式下解码器中只能嵌入一种c a 系统。 另一种方案采用是多密系统，即在机顶盒和外部c a m ( c o n d i t i o n a l a c c e s s m o d u l e ) 模块之间提供一个通用接口d v b c i ( d i g i t a lv i d e o b r o a d c a s t c o m m o ni n t e r f a c e ) ，将c a 系统的专有功能集中在一个外部c a m 模块中，实现机卡分离。这样提供了使用不同的外部c a m 模块来访问同一 网络平台中不同的c a 系统的方案，既增加了对c a 系统的选择性，也增强 了保密安全性。主机端的解码器只需要完成对透明的m p e g 一2 音视频流和数 据流的解码工作。 本设计即选用多密系统方案通过欧洲标准的d v b c i 通用接口协议来实 现机卡分离式c a 系统。 d v b ，c i 通用接口的底层是基于p c m c i a 标准稍加修改而成，逻辑上可 分为传送流接口和命令接口两个部分。用户可通过主机选择节目，并经过传 送流接口把解调后的m p e g 数据流透明地传入外部c a m 模块，外部c a m 模块经过对码流的处理后把解扰后的码流再送回主机。而命令接口要复杂的 多，主要用于实现主机和c a m 模块中运行的各种应用之间的通信，它可以 支持同一主机和多个c a m 模块之间的连接以及各种复杂事务的处理。 d v b c i 命令接口协议通过是分层实现的，这既便于扩展，也便于其协议栈的 软件编写。 d v b c i 命令接口协议栈分为五层，分别是物理层、链路层、传输层、会 话层和应用层。本文详细描述了基于c t 2 1 6 主芯片和n u c l e u s 操作系统下对 d v b c i 协议栈的多任务分层式的实现过程，并分析了c a 系统的加解扰原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 与采用d v b c i 通用接口的机卡分离技术的行业前景性。 关键词：数字机顶盒：条件接收；多密：机卡分离；d v b c i 通用接口 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 jl 页 a b s t r a c t as e to fs t a n d a r d sh a sb e e nd e s i g n e dt ob eu s e di nd i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t h e s es t a n d a r d si n c l u d es o u r c ec o d i n g ，c h a n n e lc o d i n g ，s e r v i c ei n f o r m a t i o na n d d e c o d e ri n t e r f a c e s i na d d i t i o n ，ac o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e mi su s e dw h e nt h e r ei sa n e e dt oc o n t r o la c c e s st oab r o a d c a s ts e r v i c e i th a sb e e nd e c i d e dt h a tt h e c o n d i t i o n a la c c e s s s y s t e m n e e dn o tb e s t a n d a r d i z e d ，a l t h o u g h ac o m m o n s c r a m b l i n ga l g o r i t h mi sp r o v i d e d i tr e m a i n sf o rb r o a d c a s t e r st oa c c e s sd e c o d e r s w i t hd i f f e r e n tc o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m sa n dt oe n s u r et h a tt h e yh a v ec h o i c eo f s u p p l yo fs u c hs y s t e m s t h e r ea r et w os o l u t i o n s as o l u t i o ni ss i m u l c r y p t ，w h i c hi su s et h ec o m m o ns c r a m b l i n ga l g o r i t h ma n d e x e c u t es o l u t i o n sf o ra c c e s sb a s e do nc o m m e r c i a la g r e e m e n t sb e t w e e no p e r a t o r s t h i ss o l u t i o nc a no p e r a t ew i t hs i n g l ec a s y s t e m se m b e d d e di nd e c o d e r s as e c o n ds o l u t i o ni sm u l t i c r y p t ，w h i c hi sb a s e do nas t a n d a r d i z e di n t e r f a c e b e t w e e nam o d u l ea n dah o s tw h e r ec aa n dm o r eg e n e r a l l yd e f i n e dp r o p r i e t a r y f u n c t i o n sm a yb ei m p l e m e n t e di nt h em o d u l e t h i ss o l u t i o na l s oa l l o w s b r o a d c a s t e r st ou s em o d u l e sc o n t a i n i n gs o l u t i o n sf r o md i f f e r e n ts u p p l i e r si nt h e s a m eb r o a d c a s ts y s t e m ，t h u si n c r e a s i n gt h e i rc h o i c ea n da n t i p i r a c yo p t i o n s t h e d e c o d e r , r e f e r r e dt oi nt h i st h e s i sa st h eh o s t ，i n c l u d e st h o s ef u n c t i o n st h a ta r c n e c e s s a r y t or e c e i v em p e g 2v i d e o ，a u d i oa n dd a t ai nt h ec l e a r t h i sd e s i g n a d o p tm u l t i c r y p t a n dd v b c ip r o t o c o lt o i m p l e m e n tc a s s e p a r a t e d t w ol o g i c a li n t e r f a c e s ，t ob ei n c l u d e do nt h es a m ep h y s i c a li n t e r f a c e ，b a s h e d o np c m c i as p e c i f i c a t i o nt h ef i r s ti n t e r f a c ei st h em p e g 一2t r a n s p o r ts t r e a m i n t e r f a c e i fs e r v i c e sh a v eb e e ns e l e c t e db yt h eh o s t ，t h e nt h ep a c k e t sc a r r y i n g t h o s es e r v i c e sw i l lb er e t u r n e dd e s c r a m b l e d t h ec o m m a n di n t e r f a c e ，c a r r i e s c o m m a n d sf o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s ta n dt h em o d u l ei sm o r ec o m p l e x t h ep r o t o c o l so nb o t hi n t e r f a c ea r ed e f i n e di ns e v e r a ll a y e r si no r d e rt oe x p a n d a n di m p l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第lv 页 f i v el a y e r sa r ed e f i n e df o rc o m m a n di n t e r f a c e ，i n c l u d ep h y s i c a ll a y e r 、l i n k l a y e r 、t r a n s p o r tl a y e r 、s e s s i o nl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r t h i st h e s i sd e s c r i b et h e i m p l e m e n t a t i o no fd v b c ip r o t o c o lw h i c hi sb a s e do fc t 2 1 6c h i pa n dn u c l e u s o s ，a n da l s oa n a l y z ee l e m e n t so fc o n d i t i o n a la c c e s sa n dt h ee x p e c t a t i o nf o r d v b - c it e c h n i q u e k e yw o r d s ：s t b ；c o n d i t i o n a la c c e s s ；m u l t ic r y p t ；d e t a c h a b l em o d u l e d v b c i ( c o m m o ni n t e r f a c e ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 数字视频和音频业务势不可挡的增长以及新的多媒体广播业务的发展， 给节日运营商和用户带来了节目条件接收控制的重大问题。从运营商的角度 出发，他们希望对某一节目进行加密控制即条件接收控制，使节目变为不可 理解的信号来防止非法接收行为的发生；而从用户的角度出发，广大用户希 望能够运用同一终端同时接收到不同节目运营商的加密节目。因此。付费电 视和数字广播的条件接收系统就应运而生了。 在数字视频广播d v b ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t ) 的一系列标准中，条件 接收c a ( c o n d i t i o n a la c c e s s ) 用来控制广播业务的接收。付费电视和数字广 播的条件接收系统c a s ( c o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m ) 是广播网络增值业务的 重要组成部分。c a 系统是用以控制用户对广播业务和节目进行接收的系统， 只有已经付费并经过授权允许之后的用户才能接收事先预订的电视节目和服 务业务，而未付费的用户则无法获取收看。其基本目的是通过对用户的运营 商带来经济回报的同时，也能为用户提供更多、更高质量的服务内容。c a 系 统必须解决两个问题，即如何从用户处收取费用和如何防止用户收看那些未 经授权的付费节目，在前端对节目进行加扰、对用户进行寻址控制以及在用 户端进行解扰是解决上述问题的基本途径。 c a 系统是d v b 接收机的核心单元之一，其核心是加解扰技术。出于运 营的需求，针对不同的运营商可能采用不同的c a 系统的情况，c a 没有标准 化，在确保广播者能够访问带有不同c a 系统的解码器的前提下，使各种解 码器能有选择c a 系统的自由。由于各地数字电视业务所采用的条件接收系 统呈多样化，各地厂商集成的某单c a 系统的机项盒不能互相兼容，致使机 顶盒生产的规模化难以实现，数字电视运营商也无法通过多样灵活的增值服 务来拓展自身的业务范围，同时，终端用户因无法自由选择机顶盒，既增加 了消费成本也带来诸多不便，而采用外置式机卡分离技术可使以上问题迎刃 而解。 目前的d v b 条件接收系统在实现方式上可分为内置式和外置式两种。 内置式c a 系统称为e m b e d d e dc a ，也称为d v b 同密技术，使用通用加解 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 扰算法，完全靠内嵌在解码芯片中的程序来完成。此技术的目的是将两家或 两家以上的c a 系统应用于同一网络平台中，从电视台角度实现技术的选择和 竞争的环境。同密技术允许在传输的同一套节目流中携带由不同c a 系统生成 的多个c a 信息，以提供给不同c a 系统的机顶盒用户。这种方案基于d v b 统 一规定的加解扰算法和广播运营商与各个c a 厂商之间关于条件接收的商业 协议，适用于c a 软件嵌入到机顶盒中的情况。同密技术标准化了加解扰算法 和密钥传递框架，使得不同的c a 系统可以在相同的加解扰器上运行，有利 于共享服务和节目资源及管理方法，促进了条件接收厂商之间的合作，优点 是节省空间和降低了成本。但是由于针对不同c a 系统，机顶盒中需嵌入不同 的c a 软件，缺点是若要解密其他加密系统的节目必须更改解密软件，一款机 顶盒一般只能捆绑接收用某特定c a 系统加密的节目，对用户和运营商都存在 更换c a 系统就需更换机顶盒的风险。 本设计实现的是外置式的条件接收系统，通过p c m c i a 物理接口和 d v b c i 通用接口协议，实现机卡分离式的条件接收。外置式条件接收系统采 用了欧洲广泛运用的多密技术，即e n 5 0 2 1 1 标准和r 2 0 6 标准，可使用户接 收不同的加密算法所加密的节目，即用一台机顶盒能够接收不同c a 系统节 目的技术，其基本思想是将解扰、解密等需要保密的专有功能集中在一个可 拔插的c 舢讧( c o n d i t i o n a la c c e s sm o d u l e ) 外部模块p c m c i a ( p e r s o n a l c o m p u i e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n ) 卡中，而机顶盒的功能趋于 通用化，只包含调谐器、解调器、解复用器和m p e g - 2 解码器等必需的设备， 完成m p e g 码流的解析。机顶盒与外部c a m 模块之间通过一个通用接口 d v b c i ( c o m m o ni n t e r f a c e ) ，使用d v b c i 通用接口标准协议来进行连接和 通信，完成将外部c a m 模块挂接到机顶盒的功能，最终实现对节目信息的 解密和解扰，d v b c i 在物理层上是基于p c m c i a 标准稍加修改而成的。 从图1 - 1 的d v b c i 接口系统逻辑框图可以看出，d v b c i 接口在逻辑上 分为两个部分即命令接口和传送流接口。传送流接口把解调后的m p e g 数据 流透明地传送到外部c a m 模块，立即启动c a m 模块的解扰功能，并把解扰 后的码流再通过传送流接口传回机顶盒。而命令接口较为复杂，作用是传输 用于协调机顶盒以及c a m 模块数据流传输的控制信息。d v b c i 把所有c a m 模块系统的细节对机顶盒都屏蔽掉，但用户可以和所挂接的c a 系统透明交 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 互。因此，也可在同一个机顶盒上支持多个外部c a m 模块，并支持主机和 c a m 模块之间复杂的组合事务。 图1 1d v b c i 接口系统逻辑框图 选用这种方案的好处在于，同一机顶盒可接收由任意c a 系统加扰控制 的节目，当选择更换c a 系统时只需换用相应的c a m 模块，机顶盒可以保持不 变。一般机顶盒扩展有多个d v b c i ，可同时与多个c a m 模块相连，并自动 或在人机交互的基础上识别哪个c a m 模块应处于工作状态。采用多密技术。 从用户角度讲，不会因购买一家c a 系统的机顶盒而与此c a 系统绑定死，用 户还有选择其他c a 服务的可能性，同时c a 系统的更新升级也十分方便，这 无疑增强了机顶盒的通用性。 在图1 1 的系统结构图中，主控机为台湾其乐达公司生产的以c t 2 1 6 嵌 入式处理器为核心的数字机顶盒开发板，操作系统采用的实时性较好的 n u c l e u s 实时操作系统，c a m 模块是由专门的c a 系统厂家提供，不属于本 设计的范围内。 整个设计过程中的具体任务包括： 1 对机顶盒的软硬件组成及工作方式的熟悉。 2 对于条件接收系统实现机制的深入理解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 对所设计的软件系统的功能模块进行规划。 4 底层硬件的分析以及相关驱动程序设计。 5 n u c l e u s 实时操作系统的理解和使用。 6 通过多任务思想来实现d v b c i 标准协议栈。 7 上层应用程序的开发设计。 8 系统整合和一些相关测试工作。 本论文的层次结构也严格的遵循了任务的设计过程，分别从系统整体结构 概述、条件接收系统实现机制、d v b c i 底层驱动的实现、d v b c i 标准通信 协议的实现、条件接收应用设计与测试以及论文结论等章节，来分别对设计 中的原理和过程进行详细的描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章系统整体结构概述 在数字电视的产业链中，数字电视机顶盒是一个既简单又复杂的消费类终 端产品。说其简单是因为生产出一个机顶盒是十分简单的，行业准入的成本 也不是十分高昂：说其复杂是因为要将机顶盒做得稳定可靠且功能强大，的 确是一件十分复杂繁琐的工作，特别是在软件系统方面，由于机顶盒性能的 局限性和使用的实时性，它无法像p c 机那样可以支撑庞大的运行环境与程 序，也缺乏完善的开发工具，这对软件开发者而言是一件很具有挑战性的工 作。 2 1 数字电视机顶盒的功能 数字电视机顶盒能够接收m p e g - 2 数字电视传输流和各种数据信息，通 过解调、解复用、解码和音视频编码，能在模拟彩色电视机上观看数字电视 节目和接收各种数据信息。目前，我国数字电视机顶盒的基本功能是接收数 字电视广播节目，同时还具有所有广播和交互式多媒体应用功能，其中主要 包括： 1 条件接收控制：条件接收的核心是加扰和加密，数字电视机顶盒应具有解 扰和解密功能，控制用户对广播业务和节目进行接收的授权状况。实现条 件接收控制正是本设计的核心内容。 2 电子节目指南：用户可以看到各个频道上近期将播放的电视节目。 3 支持交互式应用如准视频点播、视频点播、互动游戏等。 4 高速数据广播：能为用户提供股市行情、票务信息、电子报纸等信息。 5 因特网接入和电子邮件。 6 机顶盒软件在线升级。 2 2 机顶盒开发板硬件结构 机顶盒开发板在硬件结构上，主要由主芯片、存储设备、调谐解调器、条 件接收c i ( c o m m o ni n t e r f a c e ) 通用接口、以及视音频输出等几大部分构成， 如图2 1 所示开发板硬件模块组成简图。其中的条件接收d v b c i 通用接口 是本设计的硬件对象。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 开黻 憎l f 刊鬻h 黧h 鬻 = 输出 = = = = 0 r 医f 用户扩展接口 d v 通用接口l - 4 接收 u s b 、r s 2 3 2 、i r l 模块 图2 1 开发板硬件模块组成 嵌入式处理器c t 2 1 6 随着芯片技术的发展，越来越多的厂家都将机顶盒的c p u 、m p e g - 2 解 码器、解复用器、图形处理器与视音频处理器等功能集成在一个主芯片里， 形成一体化的芯片解决方案，这样可有效地降低器件成本并提高可靠性。本 系统选用的是台湾其乐达公司生产的一款专用的嵌入式处理器芯片c t 2 1 6 。 图2 - 2 主芯片c t 2 1 6 内部模块组成 主芯片c t 2 1 6 的内部模块组成结构如图2 2 所示，这是一款双c p u 结构 的s o c 嵌入式系统微处理器，其内部集成了两个基于s p a r cv 8 的r i s c 3 2 内核，其中一个c p u 用的来处理m e p g 传输流( t s p ) ，另一个c p u 用来处 理主应用程序( m p u ) 。另外，c t 2 1 6 还集成了三路解复用器，两路解扰器， a t a 控制器，m p e g - 2a v 解码器，数字视频编码器以及一些外围设备。由于 c p u 是主芯片的核心，因此通常情况下c p u 的性能就决定了主芯片的性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 c p u 的性能一般是由主频决定的，c t 2 1 6 主频最高可达1 3 3 m h z 。 m p e g - 2 的解码模块可以称为c p u 以外的核心模块，m p e g - 2 数字传输 中采用交织编码方式，首先需要对码流进行去交织，视频、音频和数据码流 的分离工作，以及视频码的解码工作。经过以上各步骤，m p e g - 2 码流解码 成为视频和音频数字信号。 c t 2 1 6 需要根据传输流所传递的标志信息对接收到的传输流进行解复用， 然后根据c a 智能卡所传递的解扰信息对节目流进行解扰，解扰后的t s 流送 到解复用器，通过解复用器分别解出各路节目的视音频数据流，再在视音频 解码器中分别对其进行解码，还原成a v 信号进行输出，同时，也分离出复 用在t s 流中的各类系统数据表，送给机顶盒处理器分别输出。另外，c t 2 1 6 中还集成了图形处理器，通过图形管理器图形处理，为用户提供更美观的界 面，实现交互式游戏等各种高画质应用。 存储模块 本系统的开发板使用了1 片8 m bf l a s h 、2 片1 6 m bs d r a m 以及1 片2 k b e e p r o m 。f l a s h 用于存储机顶盒系统软件、驱动软件、应用程序以及一些用 户信息，在系统断电时内容还可保留，同时h a s h 可以通过在线的方式对其上 所载的软件进行更新，达到机顶盒软件升级的目的；e e p r o m 用于存储用户 开机状态、频道参数等少量数据内容；s d r a m 用于存储音视频解码数据、 o s d 图形处理，同时还存储应用程序运行时的数据。 调谐解调模块 调谐解调器模块部分的作用是将传输过来的调制数字信号解调还原成传 输流，调谐解调器的不同就构成了不同的数字机顶盒，例如用于q p s k 解调 的卫星机顶盒( d v b s ) ，用于q a m 解调的有线数字机顶盒( d v b c ) 以及 用于o f d m 解调的地面传输数字机顶盒( d v b t ) 。 本系统数字机顶盒工作在有线电视网络状态下，有线电视网采用模拟传 输，因此必须对数字信号进行调制和解调才能在模拟信道传输，调制解调器 是系统关键的组成部分，在d v b c 中采用6 4 q a m 做为标准调制方法。q a m 调制器将m p e g 格式的数据流调制在一个标准的p a l 信道内，与其他视频调 制信号一起合路发送出去。 条件接收通用接口模块 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 条件接收通用接口是本设计的硬件对象，它是一个由d v b 组织为机顶盒 和分离的c a m 模块之间定义的标准接口。对于付费电视，c a m 模块负责对 音视频流实施解扰功能，并采用含有识别用户和记忆功能的智能卡，保证合 法用户正常收看，这是大多数机顶盒必不可少的部件。这种起源于p c m c n 的技术应用，使机顶盒可以批量生产，也为机顶盒带来了变化，有着广泛的 应用前景。 全球的机卡分离的c a m 模块和数字接收机都采用了p c m c i a 物理接口 方式，这是一个世界趋势，也是全球电视产业的潮流和国际标准。p c m c 认 接口是基于p c 总线的开发平台，便于技术升级和今后无限的扩展应用，由于 是并行的数据线结构，有利于大量的数据传输的应用。p c m c 队接口技术非 常成熟，是开放、零专利费的通用接口，已经在数字电视终端接收机中大量 应用，经过了量产的考验，被认为是非常实用的一个接口。 音视频输出模块 机项盒提供的视频输出包括c v b s 、y c 、r g b 、y c r c b 以及逐行y p b p r 输出，输出接口可以设计成r c a 、s 视频、s t a r t 等接口。m p e g 2 解码器通 过对数字图像声音信号进行解码还原，经视频编码器和音频d a 变换，产生 模拟视频和声音信号，可以在模拟电视机上显示高质量图像，并提供多声道 立体声节目。 用户扩展接口模块 用户扩展接口包括了r s 2 3 2 接口、红外遥控器接口，u s b 接口等。 2 3 机顶盒软件系统结构 机顶盒软件系统结构总图如图2 3 所示。底层软件提供操作系统内核以 及各种硬件驱动程序；应用程序编程接口中间层将应用软件与依赖于硬件平 台的底层软件分隔开，使应用不依赖于具体的硬件平台；应用软件包括本机 存储的应用和可下载的应用程序，通过应用程序来实现机项盒的各种功能。 硬件驱动部分提供外围硬件设备的驱动程序和a p i 接口，包括了1 2 c 总 线、异步串行通信口、并行通信口、f l a s h 、前面板、遥控器、调谐解调器、 信道解码模块等，它主要用于完成对硬件设备的操作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 应用程序 应用程序编程接口中间层 条件接收解复用和音频解码视频解码图形硬件驱动 c l 驱动解数据表驱动驱动接口 n u c l e u s 操作系统内核 硬件 图2 3 机顶盒软件系统结构总图 当前流行的实时操作系统有v x w o r k s 、p s o s 、o s 9 、o s 2 0 、w m d o w sc e 等。本设计的操作系统采用的是n u c l e u s 实时操作系统。在n u c l e u s 实时操作 系统中主要完成进程调度、中断管理、内存分配、进程间通信、异常处理、 时钟提取等工作，系统负责本地资源管理，并提供基本的操作功能和设备的 访问控制。 条件接收驱动用于完成d v b c i 的底层处理工作和提供软件接口。图形接 口主要用于完成图形显示功能，以便于为用户提供友好的图形用户界面。音 频解码和视频解码驱动用于控制音频解码和视频解码硬件的工作。解复用和 数据表提取模块主要是对码流解复用和数据表提取操作的控制。 应用程序编程接口将所有与硬件相关的底层函数映射到一个统一的接口 上，为应用程序提供了一个公共的编程接口，并且提供一些与硬件无关的公 用处理函数。这样把应用程序与硬件屏蔽开，使得应用程序与硬件无关，从 而将应用的开发变得更加简捷，使产品的开放性和可移植性更强。 应用层可以分成驻留应用程序和可下载应用程序两部分，不同的机顶盒软 件设计理念使这两个部分包含的应用程序也不尽相同，合理规划这两部分的 组成将有助于提高机顶盒的可靠性和相应时间。 2 4d v b - cl 软件结构设计规划 在设计展开之前，必须先对d v b c i 软件结构进行规划，对于本设计而言， 结合了机顶盒软件系统结构，采用的是分层和分模块的设计方式，这样设计 的目的更易于软件的实现和移植。如图2 - 4 所示d v b c i 软件总体结构框图， 设计的模块可大致分为主机中的主应用模块、d v b c i 协议模块、d v b c i 资 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 源模块、d v b c i 接口模块四个组成部分。 二= 巫亟亟 二 嚣 实 时 操 作 系 统 专 一 接 口 d v b - c i 资源 圜圈圜圈 图2 4d v b c i 软件总体结构框图 1 主机中的主应用模块 在主机启动时，该模块在启动一些特定的上层应用功能( 例如通知c a m 模块解码、处理c a m 模块回传讯息、菜单输出等等) 的同时通过上层应用 的a p i 接口发送消息启动d v b c i 协议模块。 2 d v b c i 协议模块 其主要功能是初始化c a m 模块，当c a m 模块插入p c m c i a 槽，执行中 断处理程序，若识别到c a m 模块插入信息，就根据协议标准，依次实现各 层协议，并不断通过底层a p i 接口向c a m 模块发送轮询消息，查询c a m 模 块是否有待发数据。 3 d v b c i 资源模块 d v b - c i 资源模块包含c a 支持，时间日期，人机交互，主机控制，应用 信息，低速通信，资源列表等。这几个资源在主应用进程的控制下共同作用 实现用户对加密节目流的选择、发送c a 控制消息、接收解密码流和正常解 扰收看。 ( 1 ) c a 支持资源：主机向1 个或几个连接的c a m 模块发送c a p m t 字 段。以指示用户选择了哪个基本流以及如何找到相应的e c m 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 c a p m t 是一个用于条件接收的节目映射表，由码流中的节目映射表 p m t 重新构造演变而成。c a - p m t 字段的详细内容可参看附录4 。一 旦用户将节目切换到新的频道，就必须重建c a - p m t 。每个c a p m t 字段中包含了选定业务的基本流信息，如果用户选择了多个业务。主 应用模块就需要发送多个的c a p m t 。主应用进程将c a - p m t 信息往 通用接口协议模块发送，使这些信息为c a m 模块所接受，c a m 模块 将用c a - p m t - r e p l y 作为应答响应，表明本模块是否有解扰能力并列 出解扰所需的条件信息，以便主机选择出用于解扰的模块。 ( 2 ) 时间日期资源：在主应用模块接收到c a m 模块插入p c m i c a 槽的信 号后，时间日期模块立即启动，根据c a m 模块发来的消息，每隔一 定的时间往c a m 模块发送一次系统时间，起到唤醒轮询进程的作用， 以保证c a m 模块解密的顺利进行。 ( 3 ) 人机交互资源：该资源为用户提供了一个对c a m 模块直接进行操作 和交互的界面，必须借助它来和模块上插入的智能卡取得通信。此应 用模块是和主应用模块一起启动的，用户通过电视屏幕进入人机交互 应用主菜单时，即可了解到当前解密模块所属的c a 系统，并可以对 模块进行一些设置，例如童锁设置，预定节目设置等等，方便用户对 节目的操作管理。同时m m i 还会返回智能卡的一些出错信息，例如 无法解密、重新插卡等。 4 d v b c i 驱动模块 d v b c i 接口的硬件管脚定义是在p c m c i a 接口的基础上进行适当修改 而成的。d v b c i 底层硬件驱动与d v b c i 控制芯片的硬件寄存器内存分配和 引脚直接相关，既要参考硬件手册又要方便协议栈物理层程序调用。d v b c i 驱动模块主要是对c a m 模块进行配置和控制，接收c a m 模块插入信号，并 转化为消息机制往d v b c i 协议模块发送，同时接收上层来的消息发送给 c a m 模块。物理驱动a p i 函数提供给d v b c i 接口的物理层协议数据处理 程序进行调用，有效地屏蔽上层协议直接对物理硬件的操作，也可以方便上 层软件在不同硬件平台上的移植。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 5d v b - cl 标准协议结构划分 d v b c i 通用接口的标准协议结构是通过分层实现的，这既便于扩展和移 植，也便于其协议栈的软件实现。通过d v b - c i 接口，可以在机顶盒和多个 模块问建立连接，并且还能使机顶盒识别哪个模块能对接收到的码流进行解 扰。d v b - c i 通用接口在逻辑上分为传送流接口和命令接口。 2 1 1 传送流接口 传送流接口负责将解调后的m p e g 数据流传送到外部c a m 模块，而外 部c a m 模块启动条件接收和解密功能，对机顶盒端所选择的码流内容进行 解扰，而其它的数据包则不做任何处理，并将结果码流返回至机项盒端，所 以传送流是一个底层建立在p c m c n 标准上的双向接口。如果当主机连接了 多个c a m 模块时，传送流接口的连接应采用雏菊链( d a i s y - c h a i n ) 形式， 使解调后的码流能够分别流经各个c a m 模块，从而让各加密码流可以在相 应的授权c a m 模块中得的解密和解扰，再最终传回机顶盒，如图2 - 5 所示， 在这种情况下，主机必须同时保持与所有各个c a m 模块之间的单独的命令 接口，以便分别控制各c m h 模块的解密解扰工作和进行命令数据的交互。 机顶盒 广 广1 广_ 1 图2 - 5 模块问传送流接口链 2 1 2 命令接口 与传送流接口相比，命令接口就显得复杂的多。命令接口用于实现主机 和c a m 模块中运行的各种应用之间的通信，可以支持同一主机和多个c m 模块之间的连接以及各种复杂事务的处理。命令接口提供外部c a m 模块和 机顶盒端资源通信的一种机制，而c a m 模块中的应用对于机顶盒端来说是 透明的。 命令接口通信协议从结构上可分为物理层、链路层、传输层、会话层和 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 应用层。其中应用层和会话层用来定义基于d v b c i 的应用，而传输层和链 路层依赖于具体的物理层实现。协议的每一层都具有自己的协议数据单元 p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 包，通过不同的报头来区分，成为传输数据的载体， 如图2 - 6 所示。 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 各种资源( r c u k e ) i - ji - - j1 _ j1 j 园回圈圈 a p d u 1 lt l会话层( s e s s i o nl a y e r ) s p d u 1 lt l传输层f i h n s p 。r tl a y 哪 t p d uj rt i 链路层( l i n kl a y e r ) l p d u j rt i 理层( p h y s i c a l l a y e r ) 图2 - 6d v b c i 协议层次结构 1 物理层协议是和外部c a m 模块进行数据交换的直接窗口，通过读取硬件 接口上的数据寄存器来完成。主要负责与硬件相关的操作，包括：c a m 模块的连接和拆除、读取设置模块状态、c a m 模块的初始化、发送接 收数据等。 2 链路层协议主要完成两个任务，一是拆分和重组t p d u ( t r a n s p o r tp r o t o c o l d a t au n i t ) 信息包，以使其适合物理层初始化时协商达成的缓冲区大小， 二是多路复用来自各个传输连接的数据包。 3 传输层协议采用命令一响应协议( c o m m a n d 。r e s p o 璐ep r o t o c 0 1 ) ，用来管 理机顶盒和c a m 模块的对话，只有通过主机与c a m 模块两者的交互， 才能实现命令的传输。当一个c 舢讧模块或多个c a m 模块插入到机顶盒 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 端时，机顶盒就对所有已插入的c a m 模块发起轮询。并且轮询只有由机 顶盒端发出，c a m 模块只能在机顶盒端轮询或发完数据后才能相应地对 机顶盒端发数据。传输层主要用于维护主机和c a m 模块之问连接建立和 拆除的状态过程。 4 会话层协议为应用提供了c a m 模块中的应用和机顶盒端资源通信的机 制。资源是一种在应用层封装的功能单元，可以由主机直接提供，也可以 驻留在c a m 模块中。资源由资源标识识别，资源标识包括：资源级别、 资源类型、资源版本号，每个资源支持一套对象以及用于对象交换的协议。 与某个资源之间的通信是通过建立与这个资源相关的会话来实现的，资源 由和资源之间建立会话的应用所使用，一旦会话建立，应用可以根据定义 的协议交换对象并使用相应资源。有的资源可以被多个会话共享，而有的 只能被会话独享。 5 应用层实现应用和资源之间的对象交换。应用层使用一整套基于资源的协 议，要求必须提供的最小资源集包括初始化和配置功能的系统管理资源、 应用信息资源、c a 支持资源、主机控制资源、时间日期资源、接收用户 响应和显示o s d 信息的人机交互资源( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 和可使用低速通信的通信资源。 由于使用的是基于多任务开发的n u c l e u s 实时操作系统，在协议栈的实现 方法上本设计使用的是多线程技术实现d v b c i 的一整套协议。协议的每一 层的设计都包括了一些对象，针对收到的对象实现当前协议层的状态机的转 移，并相应地从主机发送一些对象来完成与c a m 模块之间的通信信息交互。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章条件接收系统实现机制 要想完成对条件接收系统的设计，就必须先对条件接收系统进行深入的 了解和分析。由于传输信道不同，d v b 可划分为d v b s ( 卫星传输信道) ， d v b t ( 地面传输信道) ，d v b c ( 有线电视信道) ，区别主要是信道的编码 与调制方式不同，但处理的基带信号和m p e g - 2 的传输流( t r a n s p o r ts t r e a m ) 都是一样的。如图3 1 所示，可也看得出m p e g - 2 传输比特流都是由基本比 特流经数据打包和复用过程而生成的，而与条件接收相关的重要信息存在于 辅助数据部分。 基本比特流e s ( e l e m e n t a r ys t r e a m ) 图3 - 1m p e g - 2 数据处理流程 3 1 条件接收系统的加密加扰机制 在整个条件接收系统在发送端采用3 级加密的机制，第一级是利用控制 字c w ( c o n t r o l w o r d ) 得到的伪随机序列对原始码流进行模2 加，产生加扰 数据流，控制字c w 就是用来加扰的密钥，每一路节目都有一个相应的控制 字c w 。第二级是通过业务密钥s k ( s e r v i c ek e y ) 对控制字c w 进行加密， 这样即使控制字的数据段被非法获取，没有相应的业务密钥s k 也无法解开， 同样，每一路节目都只有一个唯一的业务密钥。第三级，是通过个人分配密 钥p d k ( p e r s o n a ld i s t r i b u t ek e y ) 对业务密钥s k 进行加密。个人分配密钥是 由用户个人特征确定的，在用户端，个人分配密钥以加密的形式固化在个人 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 用户所持有的智能卡中，以备解密需要时使用。 在信道中，系统将会传送两个信息字段：授权控制信息e c m ( e n t i t l e m e n t c o n t r o lm e s s a g e s ) 和授权管理信息e m m ( e n t i t l e m e n tm a n a g e m e n tm e s s a g e s ) 。 授权控制信息e c m 是由被加密的控制字c w 加上节目来源、时间、内容分 类和价格等节目信息形成的信息码流。授权管理信息e m m 是由被加密的业 务密钥s k 加上一些用户授权和寻址信息所形成的信息码流。如图3 1 所示， e c m 和e m m 将作为辅助数据与加扰的音视频节目流经由时分复用后同时在 信道中传输，接收系统主要根据这两个信息来指导解扰工作。图3 2 表示了 条件接收系统中数据流的加扰加密过程。 图3 叶2 条件接收系统加扰加密过程 首先是对音视频、数据流的加扰，扰码序列是伪随机二进制序列，他具有 近似随机序列的功率谱特征，不同的是他具有周期，但周期很长，一般是数 小时甚至是数天以上。扰码序列生成器的初始条件受控于控制字c w ，在初 始条件已知的情况，可以推测出生成的扰码序列。根据这个原理，只要在接 收端有一个相同的扰码生成器，同时将c w 发送给接收端用于控制，运用对 应的解扰算法就可以对相应的信息流解扰，恢复成原始信号。在这里c w 起 到了“种子”的作用，只要获得了c w ，系统就被破解了。所以如何将c w 安全送到接收端，就成了c a 系统的核心过程，后面的两重加密过程便是为 实现c