有條件接收系統(tǒng)（CAS）是開展付費電視的核心技術(shù)，了解它的運行機制,，掌握好它的使用和維護(hù)對付費電視業(yè)務(wù)的成功開展非常關(guān)鍵,。
一,、有條件接收基本原理
CAS的組成包括有：用戶管理系統(tǒng)SMS、業(yè)務(wù)信息生成系統(tǒng)SIG,、節(jié)目管理PMS/SI編輯系統(tǒng),、節(jié)目調(diào)度處理EIS、用戶授權(quán)管理系統(tǒng)SAS,、條件接收CA等,。主要有兩大塊：一塊是管理用戶的SMS，一塊是管理節(jié)目的CA,。CA主要分為兩大部分：一是信號加擾部分,，它是通過一個隨機碼發(fā)生器所產(chǎn)生的隨機碼（稱為控制字CW）來控制加擾器對信號的加擾；二是加密部分,，要使加擾的信號在接收端成功地解擾,，接收端也必須要有和加擾端一模一樣的控制字來控制解擾器，所以,，要將前端的CW傳送到接收端,，如果直接傳送會很容易被黑客截獲而使CAS失去作用，為此,，要對CW進(jìn)行加密傳送,，這種加密是一種多層加密機制，從而增加CW傳送的安全性,，直接對CW加密的第一層所產(chǎn)生的密文稱為授權(quán)控制信息ECM,，通過復(fù)用器與加擾的碼流一起傳送，ECM還含有時間,、節(jié)目價格,、節(jié)目授權(quán)控制等信息，因此ECM是面向節(jié)目的管理信息,。對CW加密的密鑰稱為工作密鑰SK,，SK通常又叫月密鑰，每月?lián)Q一次,，每換一次SK,，系統(tǒng)都要從新對所有用戶進(jìn)行授權(quán)。第二層加密是用稱為節(jié)目密鑰PDK對SK進(jìn)行加密,，所產(chǎn)生的密文和從SMS獲取的授權(quán)指令通過SAS生成的授權(quán)信息組成授權(quán)管理信息EMM,，EMM還含有智能卡號、授權(quán)時間,、授權(quán)等級等用戶授權(quán)信息。這些信息主要是完成對用戶的授權(quán)，因此EMM是面向用戶的管理信息,，EMM對用戶在什么時間看,、看什么頻道進(jìn)行授權(quán)，它也通過復(fù)用器與加擾碼流一起傳送,，以上這些組成了CA最基本的加密系統(tǒng),。
為了防止密鑰在傳送中被黑客截獲，一般采用雙密鑰法,，對每一用戶分配一對密鑰,，其中一個是使用者本人掌握的密鑰稱為私有密鑰，它只用于解密,，通常這個密鑰都存儲在用戶智能卡中,。另一個是公開密鑰，它只用于加密,，兩個密鑰通過算法結(jié)成一一對應(yīng)的關(guān)系,，只有通過對應(yīng)的私有密鑰才能解開用公開密鑰所加的密。這樣我們根本不需直接傳送密鑰,，因此具有很高的安全性,，這是一種稱為數(shù)字簽名的認(rèn)證過程。一般私有密鑰（PDK）都存儲于用戶的智能卡中,，所以在接收端,，EMM的解密是唯一的，即一個智能卡只能解密與其有關(guān)的EMM信息,，解密后就可以得到用于解ECM的所有信息,，再通過解密ECM得到CW，將CW送到機頂盒內(nèi)的解擾器完成解擾工作,，這些解密過程都在智能卡中的解密系統(tǒng)完成,。授權(quán)采用中心尋址與智能卡共用的方式，其過程如下：
機頂盒檢測到DVB碼流如果是加擾碼流,，則驅(qū)動讀卡器工作,，將智能卡管理程序調(diào)入中央處理器啟動運行，將智能卡的卡號讀出,。在傳送流中尋找PSI,，在PSI中找到條件接收表CAT，根據(jù)CAT表中給出的EMM包標(biāo)識碼（PID）,，找到相應(yīng)的EMM信息,，然后將智能卡的卡號與EMM內(nèi)的授權(quán)信息中的卡號進(jìn)行校對，也就是進(jìn)行尋址比較操作,，如果校對無效,，在屏幕上將有提示你還未經(jīng)授權(quán)不能收看的相關(guān)信息顯示。如果校對成功則將ECM和EMM傳送給智能卡，在智能卡內(nèi)調(diào)用解密程序（為了增強CAS的安全性,，整個解密過程都在智能卡里進(jìn)行）,，用智能卡中的私有密鑰（PDK）對EMM、ECM進(jìn)行逐層解密得到SK并得到CW,，將CW送回機頂盒完成對節(jié)目碼流的解擾（如圖1和圖2所示）,。同時將密鑰SK存儲在智能卡中，今后的解密和解擾就直接調(diào)用卡中的SK就可以了,，不需要重復(fù)執(zhí)行授權(quán)過程,，此時系統(tǒng)只需傳送ECM就行了（因為一般來說每5---10秒CW就換一次，所以ECM也要每5--10秒發(fā)送一次）,，只有當(dāng)運營商要更新SK時才開始一個新的授權(quán)過程,，通常每更新一次SK，運營商都要用幾天的時間（具體可根據(jù)用戶的多少來確定）不斷發(fā)送EMM給用戶進(jìn)行授權(quán),，如果有些用戶由于其他原因在授權(quán)期間沒有開機,，可通過電話聯(lián)系，由前端確認(rèn)后,，向該用戶發(fā)送專用的EMM,。
改變授權(quán)有以下方式：
1、 在前端的SMS發(fā)現(xiàn)某用戶時間已到,，則向CA發(fā)出指令關(guān)閉授權(quán),，通過發(fā)送EMM來更新SK并重新授權(quán)。
2,、利用智能卡中儲存的授權(quán)時間與下行信號中的時間（此時間信息在ECM中）進(jìn)行比較,，如果下行信號的時間不在授權(quán)時間的區(qū)間內(nèi)，則撤消授權(quán),。
3,、 利用智能卡中儲存的授權(quán)信息與ECM中的附加參數(shù)進(jìn)行比較，如果不符合節(jié)目接入條件,，則撤消授權(quán),。
為給用戶在節(jié)目訂購方面提供更多的選擇，CAS除了最基本的節(jié)目定期預(yù)訂(Subscription)外還提供了分次付費收視PPV(Pay-per-View),、即時付費收視IPPV(Impulse PPV)和計時付費等多種授權(quán)方式,，這些授權(quán)方式都附于節(jié)目上，并用附加參數(shù)來描述(預(yù)約類型,、PPV費用,、預(yù)覽時間等)，一般,，它們像控制字那樣被攜帶于ECM信息中,。在智能卡中存有多個私有密鑰,，每個密鑰都對應(yīng)一種授權(quán)方式，每一種的授權(quán)方式都對應(yīng)一種EMM,。
綜觀整個授權(quán)的過程,，CAS的安全性取決于智能卡的保密性,，智能卡必須要具有可靠的防復(fù)制性能,。
對于不同的節(jié)目產(chǎn)品包(由單個或多個節(jié)目組成的一個或多個TS流)，就有不同的ECM和EMM與之對應(yīng),，每一個節(jié)目產(chǎn)品包對應(yīng)一個ECM和多個EMM（視訂購的用戶而定,，對于每一個產(chǎn)品包來說，有多少個訂戶就有多少個EMM）,，可分為單播和多播形式,。
單播是將單個節(jié)目作為一個產(chǎn)品包，用戶可以任意選購一個或多個產(chǎn)品包,，所以,，對于用戶來說選擇非常靈活多樣，但它的授權(quán)信息量較大,。設(shè)每個EMM的數(shù)據(jù)量是100個字節(jié),，現(xiàn)有用戶60萬，共有節(jié)目60套,，也即有60個節(jié)目產(chǎn)品包,，每6個產(chǎn)品包占用一個傳輸信道（調(diào)制在一個QAM調(diào)制器上），如果每個用戶都購買全部產(chǎn)品包（這是極端的情況）,，那么所產(chǎn)生的ECM數(shù)量有60個,智能卡必須能存儲60個不同的SK,，在解密時通過不同的節(jié)目標(biāo)識來啟用不同的SK。EMM總數(shù)據(jù)量是：600000*100*8*60=28800Mb,，龐大的數(shù)據(jù)會使授權(quán)時間變長,，從而影響用戶的正常收看。
多播是將多個節(jié)目捆綁在一起組成一個產(chǎn)品包,，以套餐的形式供用戶選擇購買,，這種方式多用于數(shù)字電視發(fā)展的初期，向用戶提供類似“買一送二”的優(yōu)惠政策,，在這種方式下,，ECM和EMM的數(shù)據(jù)量都將減少。同樣,，設(shè)每個EMM的數(shù)據(jù)量是100個字節(jié),，用戶60萬，共有節(jié)目60套,，每6套節(jié)目組成一個產(chǎn)品包,，共有10個產(chǎn)品包,，每個產(chǎn)品包占用一個傳輸信道（調(diào)制在一個QAM調(diào)制器上），如果每個用戶同樣都購買全部產(chǎn)品包,，那么所產(chǎn)生的ECM還是60個,，EMM總數(shù)據(jù)量是：600000*100*8*10=4800Mb，可見數(shù)據(jù)量比單播方式少多了,。
為了減少每次授權(quán)的時間,，我們可以通過合理地分配信道帶寬或采用一些調(diào)度算法來加以解決。例如在64QAM,、6.875Mb/s符號率的調(diào)制方式下,每個信道可得到（6.875*6*188）/204=38Mb/s(64QAM的理論頻譜效率為6bits/s/hz,、188,204是RS編碼的結(jié)構(gòu)，204個字節(jié)中188個有效數(shù)據(jù),，16個冗余字節(jié),，用于糾錯編碼)的數(shù)據(jù)帶寬。我們可以為EMM,、SI及其它信息預(yù)留約5Mb/s的帶寬,，剩下的33Mb/s帶寬傳輸?shù)碾娨暪?jié)目不宜超過6套。這時視頻碼率維持平均5Mb/s左右,，在這種碼率下,，肉眼感覺不到圖像質(zhì)量的下降。
二,、SMS與CA的關(guān)系
在CAS中,，授權(quán)工作是由SMS向CA發(fā)出相關(guān)指令，由CA來完成授權(quán)信息的產(chǎn)生和傳送,，SMS是通過CA來進(jìn)行用戶控制的,，而對節(jié)目按照不同的組合打包，生成不同的產(chǎn)品也是由SMS發(fā)出指令通過CA來完成的,。SMS實際上是一個運營管理軟件平臺,，它提供一個完整的、有效的管理和支持系統(tǒng),，實現(xiàn)對運營的綜合管理,。它集用戶管理、收費,、賬務(wù),、客戶服務(wù)、統(tǒng)計分析,、決策支持,、客戶關(guān)系管理等功能于一體，是運營商開展付費電視業(yè)務(wù)和其他增值業(yè)務(wù)不可缺少的工具,。SMS采用三層體系結(jié)構(gòu)：
1,、 數(shù)據(jù)庫：存儲用戶,、財務(wù)、用戶終端設(shè)備等信息,。
2,、 應(yīng)用服務(wù)：根據(jù)運營等進(jìn)行節(jié)目產(chǎn)品打包和定價，機頂盒,、智能卡的初始化定義,。
3、 客戶端應(yīng)用程序：進(jìn)行用戶管理,、財務(wù)管理,、運營策略管理等,。
SMS與CA是密不可分的,，它將CA對節(jié)目的加密方式賦予直觀的產(chǎn)品形式而面向市場，而用戶的購買,，體現(xiàn)為特定智能卡的授權(quán)行為,。
另外，我國的節(jié)目管理是采取多級授權(quán)分級管理的辦法,，這就要求SMS與CA有統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)格式,，各級SMS之間具有統(tǒng)一的接口協(xié)議（如IP）以方便聯(lián)網(wǎng)。
三,、CA的運行模式
CA還有兩種運行模式：同密和多密,，同密是基于CA今后的技術(shù)升級，它對付費電視的經(jīng)營無直接的關(guān)系,。同密是前端使用兩個以上的CA,，每個CA使用不同的加密系統(tǒng)來處理CW，產(chǎn)生不同的ECM和EMM,，但加擾器和CW是共享的,。當(dāng)運營商發(fā)現(xiàn)自己選擇的CA不滿足需要時，會考慮用新的CA來取代,，由于老用戶還使用舊的機頂盒,，所以舊的CA還不能撤下來，這時新的CA就要和舊的CA進(jìn)行同密,，讓一個數(shù)字廣播平臺同時運行兩個CA,，原來的老用戶繼續(xù)使用原來的機頂盒，新發(fā)展的用戶就采用新的機頂盒,，兩個CA在平臺上有個交互期,，直到新的CA被普遍使用，老的機頂盒逐漸減少直到被完全替換,。
多密是基于運營的模式,，它對付費電視的經(jīng)營有直接關(guān)系,。在多密的情況下，多個不同的CA同時運行在數(shù)字前端,，為多個節(jié)目商建立平臺,。每個節(jié)目商對自己的內(nèi)容和模式都有自己的不同定義，各節(jié)目商通過CA來保護(hù)自己的利益,。比如：中央的付費頻道和省的付費頻道都不想由當(dāng)?shù)氐倪\營商控制,，運營商也很難要求所有的節(jié)目商都使用自己的CA，節(jié)目商和運營商通過協(xié)議進(jìn)行收益分賬,，這就是CA的多密運行模式,。這種模式要求在機頂盒集成多個解擾器和解密算法，這樣一來使機頂盒的成本大幅增加,。另外,，機頂盒生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)機頂盒時要和多家CA廠商協(xié)調(diào)，給生產(chǎn)帶來諸多不便,，所以,，多密模式不適宜推廣應(yīng)用。
實際上國家廣電局科技司在2003年就發(fā)布了CAS系統(tǒng)的應(yīng)用模式：一是解密模式,，二是不解密模式,。
解密模式：節(jié)目商的節(jié)目碼流傳送到運營商數(shù)字前端后被解擾，還原為非加擾的節(jié)目碼流,，再被運營商的CA系統(tǒng)加密后,，傳送到用戶，所有節(jié)目都由運營商統(tǒng)一管理,。在這種模式中,，運營商可以采用單一的CA和CA同密的方式。
不解密模式：當(dāng)節(jié)目商和運營商采用相同的CA系統(tǒng)時,，節(jié)目商的節(jié)目碼流傳送到運營商數(shù)字前端后不解擾,，直接傳送到用戶。用戶將收視節(jié)目商節(jié)目的申請送交運營商的SMS,，SMS將該信息提交到節(jié)目商的SMS,，節(jié)目商的SMS通過自己的CA系統(tǒng)發(fā)出該用戶的收視授權(quán)。運營商收到節(jié)目商的加擾節(jié)目碼流后,，無改變地轉(zhuǎn)播到用戶,。用戶終端中采用分區(qū)的智能卡，節(jié)目商的CA系統(tǒng)密鑰和運營商CA系統(tǒng)密鑰分別被植入到不同的智能卡分區(qū)中,，用戶終端根據(jù)加擾節(jié)目碼流中CA系統(tǒng)的標(biāo)識決定采用哪個密鑰進(jìn)行解擾,。
四、機卡分離方案
目前,，機頂盒的生產(chǎn)牽涉運營商,、機頂盒制造商和CA廠家三個方面,，因為運營商首先要確定使用那一家的CA系統(tǒng)，機頂盒制造商要根據(jù)CA廠家的要求將CA模塊植入到機頂盒內(nèi)才能完成機頂盒的生產(chǎn),。這樣一來,，生產(chǎn)出來的機頂盒只適用于某一家運營商，產(chǎn)品缺乏通用性和競爭性,，對于用戶來說也缺乏個性化的選擇,，機頂盒不能放在普通商場里出售，這些都不利于機頂盒的推廣,。為此就有了“機卡分離”的提法,，所謂機卡分離就是把機頂盒里有關(guān)CA的硬件和軟件全部集成為一個獨立的模塊，用一個專用的集成電路和智能卡一起獨立完成CA的全部功能,，機頂盒里不再直接進(jìn)行CA處理,，CA模塊安裝在PCMCAI卡里，通過一個公共接口CI與機頂盒進(jìn)行通訊,。如此一來,，機頂盒就具有了通用性。這種方案不足之處是因為要使用PCMCAI卡而使成本升高,。
另一種方案：因為任何CA廠家為了推廣自己的CA產(chǎn)品，都愿意將自己的CA支持盡可能多種類的機頂盒,，都應(yīng)愿意為機頂盒制造商和運營商提供任何一種機頂盒的CA解決方案,，滿足運營商的各種應(yīng)用要求，由CA廠家或機頂盒制造商將各種CA模塊放進(jìn)任何一款機頂盒里,，使制造商和運營商在CA的困擾中解脫出來,，用戶可以通過用不同的智能卡來啟用不同的CA，這是一種以不變應(yīng)萬變的解決方案,。
還有一種稱為軟硬分離的方案：CA內(nèi)核軟件包括CA廠家提供的CA工作流程,、CA算法與機頂盒之間的通訊協(xié)議、以及CA系統(tǒng)與智能卡之間的通訊協(xié)議,，也包括對各種解擾操作所需要的外部工作指令,。CA內(nèi)核在機頂盒內(nèi)部構(gòu)建在5個底層驅(qū)
動模塊基礎(chǔ)之上，這5個模塊是CA必須處理的,。第一個模塊是操作系統(tǒng),，因為CA的進(jìn)程必須由操作系統(tǒng)來管理；第二個模塊是屏幕顯示系統(tǒng),，負(fù)責(zé)顯示CA的自有信息,，以便與操作者通訊。這兩個模塊不依賴于應(yīng)用而獨立存在,。第三個模塊是解復(fù)用器的驅(qū)動軟件,，CA要操作解復(fù)用器,，以獲取CA運作所需要的特定碼流；第四個模塊是解擾,，CA內(nèi)核要直接控制解擾器,，對被加擾的節(jié)目源進(jìn)行解擾；第五個模塊是通訊模塊,，CA在某些特定的情況下（如在線點播）需要對通訊接口進(jìn)行處理,，包括回傳、下載等操作,。后三個模塊都與硬件有關(guān),。通過以上的分析可知，無論是哪種CA,，都只需要有5個軟件接口對應(yīng)這5個底層模塊,。如果我們能定義一個通用的CA軟件接口API（application programme interface）標(biāo)準(zhǔn)，要求驅(qū)動軟件開發(fā)者開發(fā)出符合各個底層驅(qū)動API的界面接口,，而CA內(nèi)核也反過來針對底層API做好接口,，一裝上去就可以直接經(jīng)由API與底層模塊打交道，就可以輕易地解決各種機頂盒與CA 的相關(guān)問題,。解決了CA內(nèi)核對下層的兼容性問題,，僅僅解決了CA進(jìn)入機頂盒的問題，還有一個CA的應(yīng)用問題,，CA的功能也必須通過應(yīng)用才能體現(xiàn)出來,，所以必須象底層軟件API一樣定義一個面向應(yīng)用的連接CA的應(yīng)用服務(wù)API。高檔的機頂盒可以面向中間件來定義API,，普及型的機頂盒可以直接面向應(yīng)用層做接口,。這樣一來，只要有了面向驅(qū)動和應(yīng)用的API標(biāo)準(zhǔn),，機頂盒制造商就可以放手生產(chǎn)銷售不帶CA軟件的機頂盒,，而運營商只要將其選定的CA和應(yīng)用軟件下載到用戶的機頂盒中，即可開展運營服務(wù),。這就是所謂的"軟硬分離"的機頂盒模式,。
綜上所述，CAS是數(shù)字電視的核心技術(shù),，在目前,，如果有多個CA在同一個平臺上運行，適宜采用同密的運行模式,，機卡分離是機頂盒的生產(chǎn)和銷售策略,，目的是實現(xiàn)機頂盒的市場銷售，是發(fā)展數(shù)字電視必要的技術(shù)手段之一。
