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數字電視的條件接收系統原理與應用
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時(shí)間：2012-11-01
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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數字電視是將傳統的模擬電視信號經(jīng)過(guò)抽樣、量化和編碼轉換成二進(jìn)制數代表的數字式信號，然后進(jìn)行各種功能的處理、傳輸、記錄、存儲，監測和控制的一種全數字處理過(guò)程的端到端系統。正是這種全數字化的特點(diǎn)，使我們可運用各種數字技術(shù)使電視設備獲得比原有的模擬電視設備更高的技術(shù)性能，同時(shí)還具備了模擬設備無(wú)法實(shí)現的功能，也是這個(gè)特點(diǎn)使條件接收在數字電視系統中在提高服務(wù)質(zhì)量和安全性能的同時(shí)變得易于實(shí)現。條件接收就是對視頻、音頻和數據等信息加密、傳輸并為合法用戶(hù)接收解密的過(guò)程。以只有獲得授權的用戶(hù)才能使用相關(guān)業(yè)務(wù)的方式實(shí)現數字電視廣播系統的有償服務(wù)。條件接收廣播電視運營(yíng)商管理手段的拓展，使運營(yíng)商能夠對用戶(hù)收到的信息進(jìn)行授權控制，他被認為是廣播電視行業(yè)打破以廣告為主要收入的單一經(jīng)營(yíng)模式，實(shí)現多元化經(jīng)營(yíng)的技術(shù)基礎和有力工具。
1 條件接收系統的原理和安全保障體制
1.1 條件接收系統的原理
從實(shí)現過(guò)程可以基本了解集成一個(gè)條件接收系統所需的基本技術(shù)。首先是記錄用戶(hù)授權情況的數據庫系統，即CA系統中的用戶(hù)管理系統，其次是記錄服務(wù)授權控制情況的數據庫系統，這是節目管理系統；及服務(wù)加擾/解擾控制的系統；密鑰的管理和傳輸系統技術(shù)、智能卡讀寫(xiě)技術(shù)等。這些都是集成一個(gè)CA系統必不可少的技術(shù)，其中對信息加密、解密以及密碼管理傳輸是CA系統的核心，對信息的加/解密的過(guò)程將上述所有涉及的技術(shù)都緊密連接起來(lái)而成為一個(gè)CA系統，如圖1所示。
圖1 常用條件接收系統原理
從圖1可以看到，常用的CA系統一般有3層的加密體制。
首先是對音視頻、數據流的加擾，他是擾碼序列對信息流進(jìn)行加密處理的過(guò)程。擾碼序列是偽隨機二進(jìn)制序列，他具有近似隨機序列的功率譜特征，不同的是他具有周期，但周期很長(cháng)，一般是數小時(shí)甚至是數天。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。根據這個(gè)原理，只要在接收端有一個(gè)相同的擾碼生成器，同時(shí)將CW發(fā)送給接收端用于控制他，運用對應的解擾算法就可以對相應的信息流解擾恢復原始信號。在這里CW起到了“種子”的作用，只要獲得了CW，系統就被破解了。所以如何將CW安全送到接收端，就成了CA系統的核心。后面的兩重加密過(guò)程便是為實(shí)現CW的安全傳送并達到授權控制的目的。
為實(shí)現保密，使用授權密鑰KS對控制字CW加密形成授權控制信息（ECM），復用到傳送流當中。同時(shí)使用分配密鑰KD對授權密鑰KS加密形成授權管理信息（EMM），也復用到傳送流當中。分配密鑰KD通常是固化在智能卡中，用戶(hù)通過(guò)購買(mǎi)智能卡方式獲得，避免廣播方式的信道傳送有被竊取的可能。如果將授權密鑰KS通過(guò)安全通道分配給用戶(hù)，一樣也能起到保護控制字的效果，為什么要再加一層加密操作呢？這種體制是為實(shí)現授權控制的目的。例如用戶(hù)對某一業(yè)務(wù)授權期限到了（如沒(méi)有按時(shí)繳費），系統通過(guò)用戶(hù)管理系統的確證，將該業(yè)務(wù)的授權密鑰KS修改成KS1，但對用戶(hù)發(fā)送的仍然是KS經(jīng)KD加密而成的授權管理信息EMM，用戶(hù)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(guò)程可以看出一個(gè)已獲得授權的接收端使用相關(guān)業(yè)務(wù)要依次獲取EMM，ECM。對這些信息的提取要依靠節目管理系統提供的PSI/SI信息（特殊節目信息/節目信息）。節目管理系統將節目的加密情況（是否加密）、加密系統類(lèi)型（是何種CA系統加密）等信息描述在PSI/SI信息中。其中最重要的是2種信息表條件接收表（CAT）和節目映射表（PM T）。CAT表針對具體CA系統中的用戶(hù)的授權情況，他含有標識具體CA系統的CA_System_ Id和用于獲取EMM信息的索引EMM_Pid，通過(guò)這兩項內容就可以獲得用戶(hù)所在CA系統的EMM信息。PMT表是針對節目的加密情況，他也含有CA_System_Id信息用于表示節目是用何種CA系統加密和EMM_Pid用于告知用戶(hù)如何搜索ECM。CA_System_Id可惟一標識 CA系統，分配到用戶(hù)的智能卡中含有這項內容，用戶(hù)端的條件接收過(guò)程就是從讀取卡內的CA_System_Id開(kāi)始的，獲取相應的EMM，ECM后，解密解擾的工作就按與發(fā)送端相逆的順序開(kāi)始了。
1.2 CA系統的安全保障措施
安全性是條件接收的靈魂，CA系統在原理的設計不僅體現運行安全體系同時(shí)也體現系統破解后可使用的應對方案。這種穩健安全體制表現在3方面：
CW的變換機制 CW是系統構架的基礎，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。這種變化機制使對CW的盜取變得沒(méi)有意義。
SK的升級體制對加密電路A的算法攻擊是當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的變化機制也失去作用。強健的加密算法是保證安全的關(guān)鍵。如果算法被破解，當前的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安全等級的必要條件。
智能卡的電路設計智能卡是一塊內置有微處理器，RAM，ROM和E?2PROM的芯片，存儲分配密鑰，解密算法和操作程序。分配密鑰的是整個(gè)CA系統的最后安全防線(xiàn)，他的重要性不言而喻，所以智能卡的電路特別是存儲分配密鑰的ROM設計成不可掃描方式，一旦被檢測，ROM中數據自動(dòng)被擦除。同時(shí)，為防止操作程序被拷貝，將存儲區分段保存應用程序，每段程序各有不同的保密代碼。
沒(méi)有一種加密算法是永不被破解的?，F階段許多國外著(zhù)名的CA系統有被破解的記錄，基本上都是第二和第三種方式的攻擊，現在最有效的做法是更換智能卡，徹底更新兩種加密算法。這種做法雖花費比較大，即是最有效增大破解周期的做法。
2 兩種實(shí)現方式
從原理可以看出，CA系統的最重要特性是信息保密。事實(shí)上很多CA系統使用的加密算法都是各個(gè)系統運營(yíng)商私有而且是絕對保密的。這種特性決定了各個(gè)CA系統的排他性和不通用性。為解決這個(gè)問(wèn)題歐洲DVB標準組織定義了同密（simulcrypt）和多密（multicrypt）2種形式的條件接收系統。
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