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文档简介

摘要 协 一9 3 2 6 2 ( 数字电观广播的推出和发展迎来了电视技术的新纪元,广播电视体制正在朝 着数字化方向发展。 随着m p e g 2 和d v b 标准的相关技术的发展,以及未来社会对信息需求的 增长,以m p e g 2 和d v b 为标准的数字电视广播的应用将有广泛的前景。作为 数字电视广播的重要组成部分,条件接收系统是实现视频信息服务的必需条件。夕 广播网络有条件接收系统是对广电网络进行集约式管理的基础设施。集约式 管理是指在广电多媒体宽带分配网络的头端( h e a d - e n d ) 用复用器对提供的节目 或称为服务进行管理,用用户管理系统( s u b s c r i b e rm a n a g e m e n ts y s t e m ,简称 s m s ) 对每个用户的要求实现记录、统计和管理,使整个系统提供的服务精确到 每个终端,在用户端用机顶盒来实现系统提供的各种多媒体服务。有条件接收系 统贯穿在这三部分构成的整个系统之中,目的就是根据每个用户申请的服务将相 应的码流构成完善的加解扰系统,使每个用户在按时交费的基础上可以得到相应 的服务,使广电网络真正成为一个能够自我积累发展的产业。 本论文一开始简单的叙述了数字电视广播系统的发展及现状,接着就围绕有 条件接收系统进行了介绍,并着重讲述了有条件接收系统( c a ) 的原理和模型, 相关的接口设计以及主要技术实现。最后对数字电视的发展前景作了分析和展 粤。 关键字:有条件访问,加扰解扰,e m m g ,e c m g ,e m m ,e c m ,同密 多密,加密解密j 鸯献管礞j 浙江大学硕士学位论文t 自条件接收系统的研宄自j 设刮 a b s t r a c t t vb r o a d c a s t i n g a n dt h e s y s t e mo ft h et vb r o a d c a s t i n gi sd e v e l o p i n g t o w a r d s d i g i t i z a t i o n d i g i t a lt vb r o a d c a s t i n gw i l lg a i nap r o m i s i n gf u t u r ew i t ht h ed e v e l o p m e n t o f t e c h n o l o g i e sa s s o c i a t e d 、撕t hm p e g 一2s t a n d a r d sa n d d v bs t a n d a r d s ,a n dw i t ht h e i n c r e a s i n gn e e do fi n f o r m a t i o nb yf u t u r es o c i a l c o m m o ne l e m e n t so fc o n d i t i o n a l a c c e s s t e c h n o l o g yf o rd i g i t a lt vd e v e l o p e db yd v b t h ec as y s t e mi st h em a i ne s t a b l i s h m e n to ft h e m a n a g i n gd i g i t a l t v b r o a d c a s t i n g c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tm e a n s t h a t u s i n gm u xt om a n a g e t h e p r o v i d i n gp r o g r a ma n ds e r v i c e si nt h eh e a d - e n do ft h ed i g i t a lt v b r o a d c a s t i n ga n d m u l t i m e d i a ;u s i n g s u b s c r i b e r m a n a g e m e n ts y s t e m t or e a l i z et h e r e g i s t e r i n g s t a t i s t i n g ,m a n a g i n ga c c o r d i n g t ot h ec o m m a n do f u s e r s s e t - t o pb o x e s ( s t b s ) c a n r e a l i z et h ef u n c t i o n so fm u l t i m e d i as e r v i c e sa tt h es i d eo fc o n s u m e r s t h ec a s y s t e m e n v o l v e di nt h et h r e ec o m p o n e n t s i t si n t e n s i o ni st os c r a m b l eo rd e s c r a m b l et h e s t r e a m sw h i c hi st h es e r v i c e sr e q u e s t e d b ya n yu s e r s s oi ft h eu s e rp a yt h ec h a r g e , h e s h ec a l lg e tt h es e r v i c e f r o mt h e b e g i n n i n g o f t h e p a p e r ,is i m p l y d e s c r i b et h ef u t u r eo f t h e d i g i t a l t v b r o a d c a s t i n gd e v e l o p m e n t t h e nii n l x o d u c et h ec o n d i t i o n a la c c e s s ( c a ) s y s t e m ie m p h a s i z eo nt h ec a sm o d e la n d t h e o r y ,a n d t h ei m p l e m e n t a t i o no f t h ei n t e r f a c e s b e t w e e nt h em o d u l e sa n dt h et e c h n o l o g yi nt h e s y s t e m a tt h ee n do fp a p e r ,i d e s c r i b ea b o u tw h a tt h es y s t e mb e n e f i t st h e s o c i e t y k e y w o r d s s c r a m b l i n g ,e n c r y p t i o n ,e m m g ,e c m g , e m m ,e c m ,e n c r y p t , d e c r y p t ,c w ,s i m l e r y p t ,m u l t i c r y p t 第2 页共6 8 页 2 每硕士学位论文 有条件接收系统的研究和设计 1 1 数字电视的发展 第一章绪论 随着信息技术的发展,互联网接入、视频点播、电子商务、远程教育、远程 医疗、网上音视频广播等新的概念、新的业务层出不穷,以数字电视技术为突出 代表的新技术也迅速进入实用阶段。为了引导其健康发展,总局加强了对数字电 视发展的宏观指导,并加大了科研投入,制定了数字电视实施计划、数字电视推 进日程表( 包括地面、有线、卫星) ,具有前瞻性地设立了有关数字电视系统、 有条件接收系统、网络管理系统、用户管理系统、电子节目指南、用户接收终端 体制、有线电视综合业务等若干个研究项目。经过一段时间的研究,目前都已取 得一些阶段性成果,已锻炼出一批熟悉国外数字电视发展动态、掌握数字电视技 术的科研人员。在国庆5 0 周年高清晰度电视转播试验的基础上,我们建立了地 面数字电视播出试验系统,并于去年组织完成了对美、日、欧三种地面数字电视 制式的测试,取得了大量的测试资料和数据,为分析、研究并确定我国数字电视 标准奠定了很好的基础。为了突出展示我国科研单位的研究实力和取得的阶段性 研究成果,2 0 0 0 年,总局组织广科院、高清晰度电视总体组、清华大学等单位 在深圳商交会上展出r 具有自主知识产权的地面数字电视开路系统,受到广泛关 注。但这些系统都还处于实验阶段,距真正的地面数字电视标准的出台还有相当 一段距离。 在电影方面,引进和改造了一批音视频工作站、非线性编辑系统等关键技术 设备,电影制作手段更加先进。北京、上海、长春三大电影数字制作基地建设项 目已经启动,中国电影科研所和上海电影集团初步建成了两个数字电影工作站, 为提供高清晰度电视节目源奠定了一定的技术基础。 根据数字电视发展的需要,2 0 0 0 年1 1 月国家计委正式批准了将广电总局数 字电视系统测试实验室项目,列入2 0 0 0 年国家高技术产业发展计划和国家数字 ( 高清晰度) 电视研究开发及产业化专项工程计划。由总局负责建立数字电视系 统测试实验室( 包括视音频主观评价实验室、数字电视信源测试实验室、数字电 视信道测试实验室) ,设立一个测试系统研究开发部,配置地面数字电视移动测 试车一辆。数字电视系统测试实验室负责进行我国数字电视系统测试标准、系统 各类专业设备技术要求和测量方法标准的研究和制定,开发、研制符合我国数字 电视广播系统要求的测试软硬件,开展各类数字电视系统及其广播专用设备的标 准符合性测试和质量监测,编制数字地面电视广播全国频率规划,开展覆盖测试 及周边国家和地区频率协调测试。目前。实验室的建设正在紧锣密鼓地进行。 第6 页拭矾页 6 浙江大。# 硕士学位论文有条件接收系统的研究和没计 总局于2 0 0 0 年以全国标准化技术委员会的名义召开新闻发布会,向全社会 泛征集具有我国自二e 知识产权的地面数字电视标准方案,欢迎有实力的国内企 事业单位积极提交。到2 0 0 1 年4 月3 0 日截止日期,共有成都电子科技大学、广 播科学研究院、清华大学、h d t v 功能样机系统研究开发项目总体组4 家单位提 交r 实现方式各不相同的5 套地面数字电视传输系统技术方案。 按照测试时间的安排,各方案提交方应于9 月底以前,向标委会提交可供测 试的系统,标委会将于9 月底开始组织测试。预计到2 0 0 2 年4 月,测试工作可 以结束。全国广电标委会将在此基础二,研究、提出我国地面数字电视广播传输 标准的初步意见。 由我国主管机关向国际电联提交的中国的地面数字多媒体电视广播的发 展一艾,在2 0 0 1 年3 月召开的国际电联第六研究组( s g 6 ) 内弓l 起广泛关注, 扩大了我国在国际电联研究组的影晌,反映了我国数字电视所取得的研究成果已 为世人注目。 根据总局颁布的广播电视卫星传输数字化过渡方案,中央电视台第1 、2 、 7 套以及山东、浙江、四川、云南、贵州8 套卫星电视必须在“十五”期间完成 数字化传输的过渡。 全国将在2 0 0 5 年前,完成卫星传输由模拟向数字的平稳过渡。 2 0 0 1 年4 月中旬,总局组织了北京、上海、天津、重庆、辽宁、山东、江 苏、浙江、广东、深圳、青岛等省市的同志来京共同商讨有线数字电视的试点问 题,现已拟订了有线数字电视试验计划。主要内容是:选择几个技术、经济条件 较好,有线电视网络具有代表性的省( 市) ,组成总局与地方科研力量相结合的 联合攻关组,在总局拟订的总体试验框架、试验内容、试验技术路线的指导下, 开展有线数字电视试点话动。力争今年底、明年初在嘎络管理、用户管理、电子 节目指南、有条件接收、机顶盒、网络联网以及升级改造等方面取得重点突破。 有线数字电视广播标准已以行业标准颁布,只是地面数字电视广播标准的出 台还需要一段时间,原因是目前地面数字电视广播标准国际上尚没有统一,目前 主要有欧、美、日三种制式。我国有关科研机构,如:广科院、h d t v 总体组、 清华大学、电子科技大学等,经过几年的努力,已经取得了较大进展,现己提出 五种方案,地面传输调制标准将在方案征集、测试优化后形成,预计于2 0 0 3 年 出台标准。 2 0 0 1 年6 月份拿出影响数字电视发展的重要标准的草案,即有条件接收 ( c a ) 标准和业务信息( s i ) 标准,以及与之相配套的电子节目指南( e p o ) 和用户管理系统( s m s ) 等标准。通过有线数字电视实验验证,预计在今年底或 第7 页共6 8 页 7 浙江犬学硕士学位沦丈有条件接收系统的研究和设t 明年初,将修改、完善这些标准草案,形成报批稿。届时可以说发展数字电视所 需的技术标准均已配套。 1 2d v b 系统 1 2 1 d v b 技术及分类 d v b 是d i g i “v i d e ob r o a d c a s t i n g 的缩写,意为数字视频广播。d v b 三个 缩写字母分别代表的是,d i g i t a l i z a t i o n ( 数字化) ,现代媒体的必由之路;v i d e o ( 图象) ,现代信息的高级表达方式:b r o a d c a t i n g ( 广播) ,现代资讯传播最为有 效的方式。d v b 分为三种,d v b s ( s a t e l l i t e ) :采用1 1 1 2 g h z 卫星频段进行传 输的d v b 系统标准,广泛适用于各种转发器的频带和功放。d v b c ( c a b l e ) : 采用有线电视系统进行传输的d v b 系统标准。d v b t ( t e r r e s t f i a l ) :采用地面广 播进行传输的d v b 系统标准。 d v b 是一种新型的电视广播系统,应用于九十年代末的创新技术,被誉为 面向2 l 世纪的广播技术革命。d v b 提供了一套完整的,适用于不同媒介数字电 视广播的标准系统。该标准选定m p e g 2 作为音频及视频的编码压缩方式,对 信号源编码进行统一。经压缩后的m p e g 2 码流再打包形成传输流( t s ) ,进行 多个传输流复用,最后通过卫星、有线电视及开路电视等不同媒介传输。其传输 数据率高,误码率低,在h f c ( 光纤同轴混合电缆) 中采用6 4 q a m 调制方式, 一个标准的8 m 电视频道传数据率可达4 0 m b p s 。 d v b 技术采用数字压缩技术,可以清除传输过程中产生的重影和”雪花”干 扰,大大提高了电视节目的传输效率、品质和收看效果。d v b 又可以将图象、 语音、文字及各种数据信息综合到一起播出,适用于无线广播、有线广播和卫星 电视,是当前最为实用的一种数字视频广播。 1 2 2 d v b 系统概述 d v b 系统通常由4 部分组成:播出控制中心、传输系统、用户接收机和用 户管理系统。 播出控制中心将传统电视节日数字化后送入m p e g 2 压缩编码器,编码后的 信号按d v b 标准进行加密并附上各种附加控制信息后送入有线电视网络进行传 输。 有线电视网络可作为传输系统将数字化的d v b 信号传送到用户端。 第8 页共6 s 页8 浙江人。硕t 羊位沦文 有蒹件接收系统的研究p l 设计 数字况频资讯信息流传送剑用户接收机( 即机顶盒) ,通过对信号的解码和解 执,传送剑电视机或p c 机上。 j j 户管理系统管理用户的各类信息,l 向加密系统发出授权或终止授权指令, 实现用户的付费收看。对于用户来说,只要购买一台用户接收机( 机顶盒) ,将 它连接到有线电视端口和电视帆之间,就能享受到d v b 系统带来的高质量数字 电视和数据服务内容了。 1 2 3d v b 技术的应用和优势 通过d v b 技术,用户可以用接收机( 机顶盒) 将数字信号解密解扰,使 普通电视机可以接收类似d v d 效果的高品质电视节日。因此,家里有了机顶盒, 等于是将普通电视机换成了高清晰电视机,今后,收看电影、电视剧和其他娱乐 类节日,会完全给您一种新的感觉。 用户可以接收各类数据信息广播,包括证交所的实时股市资讯、网上新闻、 各种公告信息广播和多种多样的电视图文节目( 如电视杂志和电视网站等) 。使 普通电视机因为有了机顶盒而成了一台电脑,实现了电视上网的理想。 更奇妙的是,机顶盒能实现准视频点播。由于应用了数字传输技术,传统的 电视频道可以扩展成6 - - 8 个数字频道,将一部影片分别间隔数分钟在几个数字 频道j 二同时播出,到那时候,观众完全有了随时选择电视节目的自由。 机顶盒还可以进行网上数据的高速下载。利用d v b 高速数据流,可以将大 量数据高速下载到外部资讯设备中( 如p c 机、咖p 3 播放机等) ,用户可以进行 离线浏览,一台普通电视机神奇地具有了电脑的高科技功能,既节约了上网费用, 又节省了时间。 1 3 有条件接收系统在中国的发展 随着m p e g2 编解码标准的制定,在此基础上的数字电视在世界各地有了长 足的发展。为了使数字电视成为一个巨大的产业,各国纷纷参加了系统标准的制 定,目前在国际上占主流的主要有以欧洲为根据地的d v b 标准、北美国家主推 的a t s c 标准及日本制定的i s d b 标准。在这三种标准中对于c a 部分都作了简 单的规定,并提出了三种不同的加扰方式。欧洲d 组织提出了一种称之为通 用加扰算法( c o m m o n s c r a m b l i n ga l g o r i t h m ) 的加扰方式,由d v b 组织的四家 成员公司授权,a t s c 组织使用了通用的三迭d e s 算法( t r i p l ed e s ) ,而日本 使用了松下公司提出的一种加扰算法。对于c a 系统本身各标准除了提供一些 第9 页共6 8 页 9 有袈件接收系统的研究和设i 基础:的机制外没有定义什么通用的要求,所以c a 系统本身内部机制的定义往往 具体的c a 设备生产商来完成。这就使各家的c a 系统一般是专用的,也就是 说如果一家网络运营商应用了一家c a 设备厂商的系统,他就只能定购和这家设 备棚配套的终端产品如机顶盒。为了使自己的系统更有竞争力,c a 系统厂商往 q - 努力使尽最多的机顶盒厂商集成自己的方案。国外的电视广播网络成为一个 运营良好的产业已多年,有条件接收系统也从模拟机制发展到现在以m p e g2 码流为基础的数字机制。 存此期间出现了许多很成功的运营网络,而在它们背后则是一些在这一发展 过程同样积累了丰富经验的c a 系统设备供应商。它们现在大部分已进入国内或 l 卜在进入国内,并有了一些实验点,对我国广电网络数字化和产业化在客观上起 到了推动作用。c a 设备是广电系统作为服务提供商身份出现所必需的设备, 是数字视频广播系统建设的基础设施。但目前市场上还没有一家国内厂商可以提 供自主知识产权的全套系统,而此类产品又是涉及国家信息安全的核心设备。 上面也提到c a 系统的安全性是由设备厂商保证,其系统本身是不开放的。 考虑到广电网络作为国家基础设施的安全性,我们不可能大范围使用黑箱式的国 外设备,中兴通讯作为国内广电网络最主要的设备供应商感到了肩上的重任。中 兴通讯的视讯产品部在1 9 9 8 年初就开始研制m p e g2 编解码器,其设备在1 9 9 9 年拿到了广电部颁发的国内第一张编解码器入网证,随后设备在国内各级骨干网 卜得到了大量应用,并出口国外。以此为基础中兴通讯在9 9 年开始了全套自主 知识产权c a 系统的研制,并参与了广电总局国内c a 标准的制定。目前中兴通 讯的数字头端设备已具备大量生产的能力,在此基础上符合国家标准的c a 系统 也在实践中日趋成熟。 中国的广电网络不同于国外的运营系统,一步跨入了数字建设时期,这就使 我们的网络没有那么多的历史负担,在设备的选用上也可以直接考虑更为简洁的 结构,在网络规划方面则可以全网统一安排,应用更为统一的c a 系统,据此可 以降低用户终端设备的成本,使整个产业健康发展。 1 4 第三代条件接收系统 以往的有条件接收系统通过对传输的加扰来实现防止收费授权的信息扩散, 但是在计算机和互联网络环境下,很难防止用户端进行存储复制和非法扩散,需 要一种新的体制来解决对内容的保护。这种机制应该与传输无关,可以使用多种 形式和层次。这将是第三代有条件接收系统。 所谓第三代有条件接收系统,将不考虑传输的通道以及方式,对于各种媒体 第1 0 页共6 8 页 1 0 有条件接收系统的研宄羊f i 设i 内容,数据如视频音频,多媒体文件、数据等,将实现统一的管理和授权,所有 的服务将严格控制在有条件接收系统f 。用户对于受保护的服务,必须提供授权 的i c ,才能享受。用户将无法进行无授权复制和观看。同时,第三代可以实 现现有的多种付费方式,系统将提供与银行的标准接u ,实现动态实时的资金划 拨。 第l l 页共6 8 页 浙江大学硕士学位论文有条件接收系统的研究和没计 第二章有条件接收系统的两种实施方案 由于c a 技术涉及到商业秘密和利益的问题,所以所有d v bp r o j e c t 已经达 成共识,不对c a 系统指定标准,只提供一种机制,使同样的d v b 解码器支持 彳i 同的c a 系统,同时一套节日( 或者服务) 信号中可带有不同c a 系统的密钥 传送给不同的机顶盒用户群,即通过4 :同的控制字( 密钥) 使一个加扰系统能适 应不同的c a 系统。 c a 系统一般有两种解决方案:一种称为“同密技术”( s i m u l c r y p t ) ,一种称 为“多密技术”f m u l t i c r y p t ) 。 2 1 同密技术( s i m u l c r y p t ) d v b p r o j e c t 定义了通用的加扰系统,结合m p e g 系统标准中的数据传输和 复用机制,构成了同时加密方案的核心技术。在这种解决方案下,c a 系统可直 接嵌入到解码器当中。 在同时加密的情况下,用相同的控制字驱动数据加扰过程。而这个控制字可 以通过不同的c a 系统,传输给带有不同的条件接收系统的解码器,使它们都可 以对这种业务进行解扰。因此,同时加密是同时传输多种授权信息。 同时加密要有一个公用的框架,以便发送不同的授权信息流。访问该系统受 控于系统经营者。系统的运行,要求在运营商和条件接收者之间有一个很好的商 业协议。 d v b p r o j e c t 通过定义统一的加扰系统,以及与标准的m p e g 数据传输和选 择机制相结合,实现了对相同节目或者服务的多种c a 方法以及在同一接收器中 使用多种c a 方法,使得系统设计有了很大的灵活性,能较大程度地满足很多方 丽的商业要求。 在同一个接收器中使用多个c a 系统时,要求有向接收器标识那个c a 系统 在用的方法。m p e g 规范中的c as y s t e mi d 的参数可以完成标识。d v b p r o j e c t 还为编码c as y s t e mi d 建立了一个注册体系,为不同的c a 生产商分 配c a _ s y s t e m _ i d 值。d v b 项目组也在m p e g 规范中扩展了加扰控制位 ( s c r a m b l i n g c o n t r o l b i t s ) 和c a s e c t i o n s 结构的m p e g 定义。 按照同密技术方案,内嵌不同c a 系统的解码器可以接收相同的节目,不同 解码器之间可以相互过渡以防止盗版侵权。 第1 2 页共鹋页 浙江大学颂】:学位论文有条件接收系统的研究和设订 同时加密技术的一种实现方案可如图所示。 这种系统的原理是,在一个地区,必须只有一个c a 模块,以及用于接收本 地服务的一种统一的解码器。如果有人想要对邻近地区的服务进行解扰,他可以 预定并采用该种服务的模块。因此,在一个指定的地区内,只需要采用一个用户 管理系统就可以了。当一个用户想要接收来自相邻两个地区的节日或者服务时, 就必须向这个用户传送这两种服务的授权信息。因此,在不同的经营者的不同用 户管理系统之间必须有保安链路以及商业协议,以便允许在不同的运营商之间进 行授权信息的传送。 “同时加密”方式的优点是:技术简单:无需进一步的规范;对解码器没有 影响,主要缺点:需要商业协议支持;全局安全性是系统最脆弱的安全性。 2 2 多重加密( m u l t i c r y p e ) 多重加密技术的基本思想是将解扰、c a 以及其他需要保密的功能集中于一 个可以拆卸的模块中,而解码器中只包含m p e g 解码器、调谐器、解调器以及 其他必须的设备,模块与主机之间通过通用接口相互连接和通讯。在主机上规定 了一部分的逻辑架构,以便于定义公共接口在何处可以和主机连接。而这些规定 对主机厂商选择的自由度的影响程度已经被降低到最小。下面是典型的主机、接 口位置的框图 第1 3 页共6 b 页 浙江大学硕士学位论文 有条件接收系统的研究和设引 系统控制的d v b 节目,当c a 模块需要更新时,解码器可以保持不变,解 码器有多个接口,可同时和多个c a 相联,可以自动地或者在人机交互的基础上 辨别哪个c a 模块处于工作状态;标准接口支持c a 系统与解码器之间的所有对 话:( 2 ) 在c a 模块的设计和生产方面具有更多的灵活性,解码器中不包含任何 需要保密的元素,这样就可以标准化d v b 解码器的设计,甚至可以把解码器直 接嵌入到电视机中。 通用接口一般包括两个部分:t s 流( 传输流) 接口和命令接口。两个接口 都采用分层结构,以使得设计、实现更加容易。分层结构中,在高层上对所有的 实现是一样的,但是在底层上实现可以不同。 传输流接口 传输流接口在每个方向上传输m p e g - 2t s 包。如果模块允许接收t s 流的 业务,而且这些业务已经被主机选中,则模块返回包括这些业务已解扰的包,而 其他的包则未作改变。大多数条件下,在传输流接口上,经过模块和任何物理层 时都有一个固定的延迟。t s 流接口层如图所示: l高层次 c传输层 第1 4 页共6 8 页 沛n r 大学硕十学位论文 有条件接啦系统的研究栩| 殳计 p c 卡链路层 p c 卡物理层 命令接口 命令接口载有模块中的应用和主机之间通信的信息。为提供必要的功能,在 分层结构上定义了通信协议。这些功能包括:在一个j :机上支持多个模块的能力、 支持主机和模块之间的复杂组合的能力、一整套对象的扩展能力,并以主机向模 块提供资源的方式提供。层次结构图如下 应用层 用户接口低速通信 系统可扩展性 会话层 通用传输子层 p c 卡传输子层 lp c 卡链路层 lp c 卡物理层 多重加密方式的长处:由于功能的分布实现,解码器费用降低;解码器可以 整合在电视机中;使用一个可附加模块就可以扩展原有的c a 系统。或增加新的 c a 系统,而无须修改解码器;通用接口也可用于其他的应用。主要缺点:模块 的费用;这种设备还不普遍。 第1 5 页共6 8 页 7 m f77 ;大学颂 “学位论文朽条p 接收系统的研究书i 设;t 第三章有条件接收系统的组成和原理 3 1 有条件接收系统的组成 条件接收系统( c o n d i t i o n a la c c e s ss y s t e m ) 主要是为r 商业的目的而对接收 进行控制,以决定授权接收端用户能够止确的收看节目,而未授权用户却不可以, 从而保证r 商业利益。有条件接收系统足数字i 乜视综合利用不可缺少的部分。如 点播电视,电子商务等也都需要收费,所以,近年来有条件系统的开发和完善也 成了热点之一。 条件访问系统对访问进行限制主要有以卜几个原因: 1 ) 使得节目收看者必须支付一定的费用,以得到更好得服务 2 ) 出于节目版权的考虑 条件接收是指这样一种技术手段,它只容许被授权的用户使用其被授权的相 应的业务,未经授权的用户不能使用这一业务。条件接收系统能实现各项数字电 、砚广播业务的授权管理和接收控制。该系统涉及管理技术,网络技术,加解扰技 术,数字编码技术,数字复用技术,接收技术,智能卡技术等,同时也涉及到用 户管理,节日管理,收费管理等信息管理应用技术。条件接收是现代信息加密技 术在数字电视领域的具体应用,一方面实现了节目及业务信息的分类和管理;另 一方面可实现节目的条件接收。 一个条件访问系统使用加密和加扰相结合的方法以防止未授权的接收。加 扰是使得声音,图象等不可解析,加密是为了在加扰信号中传递私钥,以用于解 扰。解扰后,声音和图象必须恢复正常。条件访问系统对客户是透明的。 有条件接收系统由用户管理系统,节目信息管理系统,加密解密系统,加 扰解扰系统等构成,其逻辑结构图如下所示: 视频,音频,数据 薹呈陋 管理l 用户 管理 系统 e c m 二卫二二 加密单元 二妇= e m m 复 用 及 加 扰 地面 有线 卫星 第1 6 页共6 8 页 解 复 用 器 解密模 块 , 魏| | 蕊 浙i j :大学硕j 二学位论文 宵器件接收系统研究私1 设计 其中系统各部件之间通过相火接 j 进行通信和数据传输。 用户管理系统:用户管理系统主要实现数宁i 乜视广播条件接收用户的管理, 包括对用户信息、用户设备信息、阳户预定信息、用户授权信息、财务信息等进 行记录、处理、维护和管理。 节目信息管理系统:节日管理为即将播h 的节日建立符日表。节目表包括频 道、日期和时间安排。也包括要播出的斧个节;j 的c a 信息。节目管理信息被 s i 发生器用来生成s i p s i 信息,被播控系统用来控制节目的播出,被c a 系统 用来做加扰调度和产生e c m ,同时送入s m $ 系统。 加扰,解扰系统:加扰是为了保证传输安全而对业务码流进行特殊处理。通 常在广播前端的条件接收系统的控制下改变或者控制被传送业务码流的某些特 性,使得未经授权的接收者不能得到正确的、啦务码流。解扰是加扰的逆过程,在 用户接收端的解扰器中完成。 加密,解密系统:在条件接收系统中存在两种类型的加密单元,用途如f : 对授权管理信息e m m 进行加密处理,然后以单独授权或者分组授权的方式 发送到用户接收终端的相应处理装置 对授权控制信息e c m 进行加密处理,其中e c m 中包含了对业务的访问准 则信息以及用于解扰的信息 解密操作在接收端进行,通常为了安全性,解密操作和接收机分离,在一个 可分离的模块中进行,如智能卡,以利于增强系统的保密性。 授权控制信息发生器( e c m g ) :e c m g 接收c w 标准信息中的控制字c w , 并返回e c m 或者错误信息。 授权管理信息发生器( e m m g ) :e m m g 产生授权信息和服务信息。并由 e m m g 初始化到m u x 的接口。 复用器( t 小) :这个前端部件的作用是对输入数据进行复接,输出m p e g 2 t s 流。输入可以是t s 包、m p e g - 2 段、原始数据。m u x 的准确功能实际上是 个工具,可以和s c s 通信,可以和e m m g 建立连接。 同密同步控制( s c s ) :同密同步控制的主要作用是:和e c m g 建立t c p 连 接,为每个连接建立一个通道:在通道内建立所需要的流,并分配 e c m s t r e a m _ i d ;从c w g 取得控制字c w 通过相关的流向e c m g 提供控制 字和相关c a 信息;从e c m g 取得e c m ;根据和频道参数相关的相应加扰周期 实现同步;把e c m 传送给复用器,并要求它们按照频道参数重复;提供控制字 第1 7 页共鹋页 有条件接收系统的研究和设训 给加扰器,以在特定的加扰周期内使用。 3 2 有条件接收系统的原理 节目有条件接收的核心是控制字c w ( c o n t r o lw o r d ) 传输的控制。在采用 m p e g2 标准的数字电视系统中,与节目流有条件接收系统相关的有两个数据 流:授权控制信息e c m ( e n t i t l ec o n t r o lm e s s a g e ) 和授权管理信息e m m ( e n t i t l e m a n a g em e s s a g e ) 。由业务密钥s k ( s e r v i c ek e y ) 加密处理后的c w 在e c m 中 传送,e c m 中还包括节目来源、时间、内容分类和节目价格等节目信息。对c w 加密的s k 在e m m 中传送,s k 在传送前要经过用户个人分配密钥p d k ( p e r s o n a ld i s t r i b u t ek e y ) 的加密处理,e m m 中还包含地址、用户授权信息。 这是一种三层加密机制,那为何要用如此复杂的系统来完成在广播网络上的安全 和控制机制呢? 为了使订户能得到相应的服务,要对传输码流进行加扰,其过程就是在发端 将原始信息由伪随机序列进行实时扰乱控制,伪随机序列的产生则由上图中的控 制字发生器来进行控制。接收端也有一个和发端结构相同的伪随机序列产生器, 只要收发两端间的序列同步( 即用同一个初始值启动) ,接收端的伪随机序列( 解 扰序列) 就可用来将加扰信息恢复为原始信息,为了达到同步要求,必须由发端 向收端发送一个去同步伪随机序列的起始控制字( 是一个随机数) 。起始控制字 ( c w ) 作为解扰密钥使用。解扰密钥是系统安全的基本要素,该值虽在不断地 随机变更( 1 秒可能变化几次) ,但还不够安全,因为c w 是随加扰信息一起通 过公用网传送的,任何人都可读取研究它,一旦c w 被窃密者读取破解,那么 整个系统就瘫痪了,所以必须予以保护。为此对c w 本身( 以及系统数据的其 它部分) 要用一个加密密钥通过加密算法对它进行加密保护,这个加密密钥只是 一个用来变化加密算法结果的任意数。固定这个密钥是不适用的( 安全性差) , 应当采用变化密钥,通过c a 控制器用人工的或其它自然方式产生新的随机数。 在具体应用中,这个密钥可以按网络经营商要求经常加以改变,通常由服务提供 商产生用来控制其提供的服务,所以把它称为业务密钥s k ( s e r v i c ek e y ) 。s k 的使用和用户付费条件有关,一般情况下用户可以一个月付一次费,s k 也按月 变化,在有些特定系统中也被称为月密钥。业务密钥的时限是由服务提供的时限 确定的,在网络运营商提供的特殊服务中,如单次付费收视p p v ( p a y - p e r - v i e w ) 和即时付费收视i p p v ( i m p u l p p - v ) 中s k 的时限就可能只是几个小时。 这里存在一个问题,因为在任何时间只有一个有效的业务密钥s k ,在新旧 密钥更迭期间,一些授权用户将获得新密钥,而尚未授权用户仍是原来的旧密钥。 寻址用户并分发密钥的时间由整个系统的用户数日和系统为此分配的带宽决定, 第l b 页共醯页 1 8 浙江大学硕j 二学位论文 有条件接收系统的研究手f 1 设t f f ! 肯定肯一个过渡时间,在此期间哪个密钥鹿被用来加密系统的信息和数据呢? 解决的方法就是给每个用户储存两个密钥,一个当前使用,一个“下一次”使用。 这两个密钥分别称作“偶密钥”和“奇密钥”( 该称呼与密钥的实际使用没有任 何关系,仅是一个名称) ,含有识别它为偶或奇的特征比特,解扰器接收到后将 该密钥存储在适当位置。如果当前使用偶密钥加密,则同时分配新密钥为奇密钥, 在系统确定所有用户收到新密钥后偶密钥失效,同时新分配的奇密钥就启动来解 密数据,下一次密钥的分配就以新的偶密钥开始。为了让随时接入的用户也能收 看到当前的节目,系统一般也会寻址播出当前的密钥。c w 虽已由s k 加密, 但这个密钥如果还是可以让任何人读取,那就意味着特定服务的定购者和非定购 者将享有同等权利,网络运营商还是难以控制到特定的用户,安全性还是存在问 题,必须对s k 再进行加密保护。这个加密过程就完全按照各个用户的特征来进 行,由于其用网络寻址模式中数据包是按用户地址传送的每个终端设备有一个 不重复的唯一的地址码,这就给出了一个解决方法,就是用地址码来对s k 加密。 在实际使用中,终端设备的地址一般是公开的,且基本不变,所以往往用和 这个地址码相关联的一个数列来进行加密,因为这个数列( 密钥) 是由个人特征 确定的,往往称为个人分配密钥( p d k ) 。p d k 一般由c a 系统设备自动产生并 严格控制,在终端设备处该序列数一般由网络运营商通过c a 系统提供的专用设 备烧入解扰器的p r o m 中,不能再读出。为了能提供不同级别、不同类型的各 种服务,一套c a 系统往往为每个用户分配好几个p d k ,来满足丰富的业务需 求。在已实际运营的多套c a 系统( 主要在欧美) 中使用的运营商对终端用户 的加密授权方式有很多种:如人工授权、磁卡授权、i c 卡授权、智能卡授权( 用 i c 构成有分析判断能力的卡) 、中心集中寻址授权( 由控制中心直接寻址授权, 不用插卡授权) 、智能卡和中心授权共用的授权方式等。智能卡授权方式是目前 机顶盒市场的主流,也被我国广电总局确定为我国入网设备的标准配件。 3 3 有条件接受系统的总体要求 3 3 1 基本要求 3 3 1 1 基本功能 服务。 有条件接受系统能够控制用户接收包括视频、音频和数据在内的数字广播 第1 9 页共鹤页1 9 浙7 1 :夫学硕j :学位沦文 有条件接收系统i 勺研究手1 垃 3 3 1 2 传输方式 条件接收系统能支持包括卫星、有线和地面等网络在内的多种传输方式。 3 3 1 。3 语言 条件接收系统应以中文显示相关系统信息和文本信息。 3 3 1 4 数据广播 条件接收系统能完全支持音频、视频以外的增值服务。 3 3 1 5 交互作用 条件接收系统能支持交互应用以及相应的服务授权和控制。 3 3 2 节目信息管理要求 系统容量:条件接收系统能够支持足够多的频道和业务。 3 3 3 用户管理要求 容量可扩展性:条件接收系统能够支持足够多的用户,并可支持升级扩充。 灵活性:一个条件接收系统可以同时有多个用户管理系统,或者一个用户管 理系统可以同时为多个条件接收系统服务。 寻址能力:条件接收系统具备对用户进行授权或者取消授权的功能,以控制 用户对音频、视频、数据以及运营商相关信息的接收,授权方式一般为:单独用 户、组用户。 系统支持以下的分组方式: 用户以地理位置分组,如邮政编码,地区编码等。 用户由所选的运营商的某些统计或者市场信息进行逻辑分组 用户以其共享的硬件状况或者数据特征分组,如按照条件接收模块( 智能 号) 、接收机通用模块或者软件版本信息进行分组。 第2 0 页共鹋页 2 0 浙;n 学硕i + 学位论丈 肯暴件接收系统的研咒和设计 l 五域限播:条件接收系统提供m l 某些地理区域对特定节日的收视功能。 家长控制:条件接收系统能对播放的节日进行等级划分,并为用户提供可控 的收视口令。 3 3 4 应急广播要求 应满足与条件接收系统有关的应急广播要求。 3 3 5 智能卡要求 采用智能卡的接收机并0 i 是唯一的形式,如果接收机采用智能卡,应满足以 卜- 要求: 条件接收系统使用符合g b 厂r1 6 6 4 9 1 9 9 6 标准的智能# ; 条件接收系统能够提供智能k 与接收机之间的相互认证以及配对,以保证智 能卡使用其指定的接收机; 全国范围内应使用统一的标识。 智能卡的基本的安全要求如下: 物理保密:若不凭借特殊的技巧和工具,无法对软件和硬件作增删和替换: 只有通过特殊手段,才能对敏感数据进行输入、存储、访问与修改;任何部分的 故障或者破坏均不会导致敏感数据的泄露。 逻辑保密:当处于一种敏感状态时,不许有两个以上的委托方的参与;口令 的输入必须以保护其他敏感数据的相同方式得到保护。 密钥管理:密钥算法必须采用国家已经批准的算法,并且严格保管密钥。 3 3 6 智能卡和接收机通信与安全认证 智能卡和接收机之间需要进行相互合法性认证,该认证一般是由条件接收系 统供应商自己指定的算法完成:智能卡与接收机间的通信需要进行加密,以达到 强化商业安全的目的。 第2 l 页共6 3 页 浙,【大学砸i 二学位论文 仃条件接收最统的研宄审1 设计 3 37 系统安全性要求 可变化自$ j j n 扰周期:条件接收系统能提供变化的加扰控制佶启。其变化的阁 鳟卜一般为5 3 0 秒 认证:除了数字电视广播系统和条件接收系统之间的安全外,条件接收系统 r :接收机和智能号间的信息交换应考虑采用双向认证的原则,以利于增强对未经 认证的侵入、盗版接收机的销售以及智能卡非法复制的控制。 条件接收系统的安全认证包括对系统管理员的身份认证、对节目提供者的身 份认证、还包括用户秉j 智能卡的认证、接收机和智能卡之间的认证。 3 3 8 回传信道的需求 条件接收系统可以建立与接收机的回传信道。 3 3 9 同密与多密 为解决多个条件接收系统的相互兼容,可以采用同密或者多密的解决方式。 3 3 1 0 管理体系和发卡体系 理。 为了保障整个条件接收系统的安全性,需对密钥管理体系和发卡体系进行管 3 4 有条件接收系统的作用 广播电视数字化使运营商充分利用电缆网络,在提供数字电视的基本业务的 同时,开展多种增值服务,使自己在为家庭用户和商务用户中开展宽待服务的行 业中,占有无可争议的领导地位,而这就必须要依靠有一个强大的条件接收系统。 1 有条件接收系统是实现收费的基础 在全世界范围内,付费电视业务已经被确认是电视发展的动力和结构变化的 方向。有条件接收系统的基本功能,是使得有授权的用户能正常地接收被加扰的 节目。通过授权信息和客户服务数据库的相关信息实现计费。无论我们实现何种 服务,对于我们的信息提供商和运营商等参与者来说,没有收益,无法保证用户 第2 2 页共6 8 页 2 2 浙;r 火学硕十学何论文有条件接收系统的研究嗣j 设l 服务的周到和进步,尤法保障设备的n i 常运营。实现井然有序的管理是实现各种 服务的核心。数字电视以及增值服务以有条件接收系统为核心,结合相应设备与 应用运行、下

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