摘要：詳細(xì)信論述了CA條件接受系統(tǒng)的原理以及關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)實(shí)際情況給出了在數(shù)字電視系統(tǒng)中條件接收的實(shí)現(xiàn)方法。

    關(guān)鍵詞：條件接收、 數(shù)字電視、 控制字、 程序映射表（PMT）、條件訪問表（CAT）、 授權(quán)控制信息（ECM）、授權(quán)管理信息（EMM）

     隨著數(shù)字視頻廣播（DVB）的發(fā)展，觀眾會(huì)面對(duì)越來越多的數(shù)字電視節(jié)目的選擇。而廣播業(yè)者由于投資成本的增加，則要求對(duì)用戶收取一定的收視費(fèi)用。條件接受系統(tǒng)（Conditional Access System）就是為了滿足對(duì)某些廣播服務(wù)實(shí)施接入控制的系統(tǒng)。它的主要功能就是確保只有支付了或者即將支付費(fèi)用的用戶才能收看所選擇的電視節(jié)目。

1 CA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

     在條件接受系統(tǒng)中，有兩項(xiàng)最為關(guān)鍵的技術(shù)：一是傳輸加擾和解擾（Scrambling,Descrambling）的方法。加解擾技術(shù)被用來的發(fā)送端CA系統(tǒng)的控制下改變或控制被傳送的服務(wù)（節(jié)目）的某些特征，使未被授權(quán)的用戶無法獲取該服務(wù)提供的利益；二是控制解擾，在發(fā)送端提供一個(gè)加密信息，使被授權(quán)的用戶端解擾器能以此來對(duì)數(shù)據(jù)解密。該信息受CA系統(tǒng)控制，并以加密形式配置在傳輸流信息中以防止非授權(quán)用戶直接利用該信息進(jìn)行解擾。不同的CA系統(tǒng)管理和傳送該信息的方法有很大不同。

    加擾的通常做法是在發(fā)送端使用加擾序列對(duì)視頻、音頻或者數(shù)據(jù)碼流進(jìn)行擾動(dòng)，將數(shù)據(jù)打亂。加擾序列由偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生，在初始條件已知的情況下，可以推測(cè)出偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生的加擾序列。偽隨機(jī)序列發(fā)生器的初始條件受控于控制字（Control Word）。在接收端也有一個(gè)同樣的偽隨機(jī)序列發(fā)生器，如果將控制字CW發(fā)送給這個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器，那么就可以獲得解擾序列，然后再用解擾序列恢復(fù)原始信號(hào)。所以說節(jié)目有條件接收的核心是控制字CW的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)保密，必須將控制字進(jìn)行加密處理后傳輸。接收端在得到授權(quán)后，才能應(yīng)用解密程序重新生成這個(gè)控制字。

2 控制字CW的加密機(jī)制

    因?yàn)镃W是隨加擾信息一起通過公用網(wǎng)傳輸，任何人都可以讀取研究它，一旦CW被讀取破解，那么整個(gè)系統(tǒng)就癱瘓了，所以對(duì)CW本身要用一個(gè)加密密鑰通過加密算法對(duì)它進(jìn)行加密保護(hù)。在具體應(yīng)用中，這個(gè)密鑰可以按照網(wǎng)絡(luò)經(jīng)營(yíng)商要求經(jīng)常加以改變，通常由服務(wù)商提供，用來控制其提供的服務(wù)，所以把它稱為業(yè)務(wù)密鑰（Service Key）。SK的使用一般與用戶付費(fèi)條件有關(guān)。

    CW雖已由SK加密，但這個(gè)密如果仍可以讓任何人讀取，那就意味著特定服務(wù)的定購(gòu)者和非定購(gòu)者將享有同等權(quán)利，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算商還是難以控制到特定的用戶，安全性仍然存在問題，必須對(duì)SK進(jìn)行再加密保護(hù)。這個(gè)加密過程完全按照各個(gè)用戶特征來進(jìn)行，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)列（密鑰）是由個(gè)人特征確定的，常常稱為個(gè)人分配密鑰（PDK）。PDK一般由CA系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)產(chǎn)生并嚴(yán)格控制，在終端設(shè)備處該序列數(shù)一般由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通過CA系統(tǒng)提供的專用設(shè)備燒入解擾器的PROM中，不能再讀出。為了能提供不同級(jí)別、不同類型的服務(wù)，一套CA系統(tǒng)往往為每個(gè)用戶分配好幾個(gè)PDK，來滿足豐富的業(yè)務(wù)需求。

    在已實(shí)際運(yùn)營(yíng)的多套CA系統(tǒng)（主要在歐美）中，運(yùn)營(yíng)商對(duì)終端用戶的加密授權(quán)方式有很多種，如人工授權(quán)、磁卡授權(quán)、IC卡授權(quán)、智能卡授權(quán)（用IC構(gòu)成有分析判斷能力的卡）、中心集中尋址授權(quán)（由控制中心直接尋址授權(quán)，不用插卡授權(quán)）、智能卡和中心授權(quán)共用的授權(quán)方式等。智能卡授權(quán)方式是目前機(jī)頂盒市場(chǎng)的主流，也被我國(guó)廣電總局確定為我國(guó)入網(wǎng)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配件。

    在所設(shè)計(jì)的CA條件接收系統(tǒng)中，也使用這種智能卡（Smart Card）的授權(quán)方式。（注：智能卡的結(jié)構(gòu)包括協(xié)處理器、ROM和EEPROM。）

3 MPEG-2數(shù)字電視系統(tǒng)中條件接收的實(shí)現(xiàn)

    在采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電視系統(tǒng)中，與節(jié)目流有條件接收系統(tǒng)相關(guān)的兩個(gè)數(shù)據(jù)流是：授權(quán)控制信息(Entitle Control Message)和授權(quán)管理信息（Entitle Manage Message）。由SK加密算是后的CW在ECM中傳送，ECM中還包括節(jié)目來源、時(shí)間、內(nèi)容分類和節(jié)目?jī)r(jià)格等信息。對(duì)CW加密的SK在EMM中傳送，SK在傳送前要經(jīng)過用戶個(gè)人分配密鑰（Personal Distribute Key）的加密處理，EMM中還包含地址、用戶授權(quán)信息。

    在傳送流（Transport Stream）中，程序特殊信息（PSI）被分為四類：程序關(guān)聯(lián)表（PAT），程序映射表（PMT），網(wǎng)絡(luò)信息表（NIT）以及條件訪問表（CAT）。其中，PMT和CAT與條件接受密切相關(guān)。

    為了更加地說明問題，首先介紹一下條件訪問描述子（CA descriptor），如表1所示。如果任一原始流被加密，含有此原始流的程序中必須有CA描述子。如果任何寬系統(tǒng)條件訪問管理信息（如EMM）和原始特殊流信息（如ECM）存在于傳送流中，在相應(yīng)的映射分段中必須有CA描述子。

表1 條件訪問描述子

（注：條件訪問描述子中的Descriprot_tag值為9.通過這個(gè)標(biāo)志位可以將條件訪問描述子與其他的描述子區(qū)別開來，如視頻流描述子、音頻流描述子等。另外，條件描述子中的CA_System_ID用來表示適用于相關(guān)ECM和EMM流的CA系統(tǒng)類型。DVB Project成立了專門的組織負(fù)責(zé)向不同的解碼器生產(chǎn)商分配CA_System_ID值。這樣的話，同時(shí)一套數(shù)字碼流可以將不同CA系統(tǒng)的密鑰傳送給不同的機(jī)頂盒用戶群。）

當(dāng)CA描述子出現(xiàn)在PMT表中時(shí)，CA_PID指向含有和ECM信息相關(guān)的程序分組。當(dāng)CA描述子出現(xiàn)在CAT表中時(shí)，CA_PID指向含有和EMM信息相關(guān)的程序分組。PMT和CAT表的語法結(jié)構(gòu)如表2、表3所示。

由此可以清楚地知道，解碼器的解密機(jī)制是：當(dāng)智能卡插入機(jī)頂盒（Set-Top Box）時(shí)，解碼器將從中讀取CA_System_ID,并找到在CAT表（PID號(hào)為0X01）內(nèi)的CA描述子中，對(duì)應(yīng)該CA_System_ID的CA_PID（即EMM碼流的PID）號(hào)。EMM碼流中包含了經(jīng)過用戶個(gè)人分配密鑰PDK加密處理的用戶密鑰SK。個(gè)人分配密鑰PDK固化的智能卡中，并以加密形式存儲(chǔ)，用戶需提供口令方能解密使用。而后，智能卡將解密出業(yè)務(wù)密鑰SK。

完成以上步驟后，解碼器再找到在PMT表中的CA描述子，并找出對(duì)應(yīng)的ECM碼流的PID號(hào)。ECM碼流中包含了由業(yè)務(wù)密鑰SK加密處理后的控制字CW信息。用得到的業(yè)務(wù)密鑰SK對(duì)ECM解密就可以得到控制字CW。將控制字填入解碼芯片的相應(yīng)寄存器中，就可以對(duì)碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行解擾，恢復(fù)出原始信號(hào)。

表2 傳送流程序映射表（PMT）分段

表3 條件訪問（CAT）分段

（注：PMT表的table_id值總為0X02;CAT表中的table_id值總為0X01.另外，在傳送流TS的頭字段中，PMT表的PID號(hào)由PAT表中的相應(yīng)分段給出；而CAT表的PID號(hào)總是為0X01。）

4 ECM以及EMM

為了更詳細(xì)地說明問題，給出ECM以及EMM碼流的語法結(jié)構(gòu)，如表4.其中，Table_id的分配情況如表5.

表4 CA信息（ECM，EMM）分段

（注：Section_syntax_indicator:始終為'0’DVB_reserved:為DVB將來的應(yīng)用保留）

表5 Table_id分配情況

5 加擾

MPEG-2數(shù)據(jù)碼流的加擾可以分為兩層：一是PES層的加擾，一是TS層的加擾。由于設(shè)計(jì)的條件接收系統(tǒng)的前端是在TS節(jié)目流復(fù)用器上實(shí)現(xiàn)的，所以選擇TS層的加擾。TS層的加擾只針對(duì)TS數(shù)據(jù)碼流的有效負(fù)載（payload），而TS碼流中的PSI信息，包括PAT、PMT、NIT、CAT以及私有分段（包括ECM、EMM）都不應(yīng)該被加擾。當(dāng)然，TS流的頭字段(包括調(diào)整字段)也不應(yīng)該被加擾。經(jīng)過加擾后的TS碼流應(yīng)該在頭字段中定義加密控制值。

6 加密算法的選用

（1）控制字的加密：對(duì)于控制字的加密，需要一定強(qiáng)度、處理迅速的加密算法，主要采用秘密密鑰加密體制中的一些加密算法，如：DES算法或者IDEA算法。

（2）業(yè)務(wù)密鑰的加密：業(yè)務(wù)密鑰的改變頻率要遠(yuǎn)小于控制字，因此對(duì)其加密的算法處理速度可以較慢，但由于一個(gè)業(yè)務(wù)密鑰要使用較長(zhǎng)時(shí)間，其安全性要求更高，需選用一些高強(qiáng)度的加密算法。公開密鑰體制的加密算法在此可得到較好的應(yīng)用，因?yàn)楣_密鑰體制加密算法雖然處理速率一般較秘密密鑰體制慢，但大都具有較高的加密強(qiáng)度，可以滿足業(yè)務(wù)密鑰對(duì)安全性的更高要求。另外，采用公開密鑰體制加密，經(jīng)營(yíng)者不必須傳輸用戶的私有密鑰，只需知道用戶的公開密鑰就可對(duì)業(yè)務(wù)密鑰進(jìn)行加密，用戶使用自己的私有密鑰即可解密。這樣可以在用戶端產(chǎn)生一對(duì)密鑰，只要將公鑰傳給發(fā)送端經(jīng)核實(shí)可用后即可，而解密的關(guān)鍵私有密鑰不需進(jìn)行一次傳輸，可以提高系統(tǒng)的安全性。在公鑰體制下還可實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名、數(shù)字證書等功能，對(duì)于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)拓寬、業(yè)務(wù)范圍，提供在線支付等功能也非常有利。

目前主要的公鑰加密算法主要有RSA公鑰加密算法，背包公鑰密碼系統(tǒng)，勒賓（Rabin）密碼，麥克黎斯（Mceliece）公鑰密碼，橢圓曲線公鑰密碼等，其中RSA公鑰加密算法應(yīng)用較廣。