引言

隨著數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)雙向化改造的快速發(fā)展，傳統(tǒng)單向廣播網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的條件接收體系已不能適應(yīng)于新的雙向網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和業(yè)務(wù)模式,。為進(jìn)一步推進(jìn)數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，迫切需要研發(fā)出適應(yīng)于雙向DTV網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和業(yè)務(wù)模式的安全解決方案,，滿足數(shù)字電視雙向DTV業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)需求和安全需求。

在雙向DTV網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,，內(nèi)容發(fā)布者和終端用戶之間存在兩條傳輸信道,，一條傳輸信道是傳統(tǒng)的單向廣播HFC信道，另一條是數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)雙向化改造后增加的雙向IP信道,，如圖1所示,。雙向DTV的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)中，節(jié)目?jī)?nèi)容打包成MPEG TS流以廣播方式發(fā)送給終端用戶,，終端用戶與內(nèi)容提供者之間通過IP通道完成認(rèn)證授權(quán)及許可證申請(qǐng)。

本文基于數(shù)字版權(quán)管理（DRM）技術(shù)提出了一種雙向DTV安全解決方案,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向DTV數(shù)字內(nèi)容端到端的安全傳輸和存儲(chǔ),，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字內(nèi)容權(quán)限的使用控制。

圖1 雙向DTV網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

DRM簡(jiǎn)介

DRM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行描述,、識(shí)別,、保護(hù)、監(jiān)控和跟蹤,，以達(dá)到在數(shù)字內(nèi)容知識(shí)產(chǎn)權(quán)的整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行保護(hù),，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字內(nèi)容端到端的安全傳輸和存儲(chǔ)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字內(nèi)容權(quán)限的使用控制,。

實(shí)現(xiàn)DRM主要有兩類技術(shù)：一類是數(shù)字水印技術(shù),，另一類是數(shù)據(jù)加密技術(shù)。數(shù)字水印技術(shù)尚不成熟,，并且只能在發(fā)現(xiàn)盜版后用于取證或追蹤,，不能在事前防止盜版。以數(shù)據(jù)加密為核心的DRM 技術(shù),，核心思想是把數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行加密,，只有授權(quán)用戶才能得到內(nèi)容解密的密鑰。

當(dāng)前國內(nèi)外多數(shù)公司和研究結(jié)構(gòu)的DRM系統(tǒng)都采用基于數(shù)據(jù)加密的技術(shù),。本文也基于數(shù)據(jù)加密技術(shù),，結(jié)合數(shù)字簽名和證書認(rèn)證等技術(shù)，提出了一種有效地雙向DTV業(yè)務(wù)的版權(quán)保護(hù)安全解決方案,，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向DTV業(yè)務(wù)數(shù)字內(nèi)容的管理控制和版權(quán)保護(hù),。

解決方案

本文提出的雙向DTV DRM安全解決方案，結(jié)合證書認(rèn)證系統(tǒng)（PKI/CA）,，通過為終端設(shè)備和前端服務(wù)器簽發(fā)數(shù)字證書,，并使用數(shù)字證書標(biāo)識(shí)和認(rèn)證系統(tǒng)中各實(shí)體身份，在運(yùn)營(yíng)商和用戶之間,，以及用戶與用戶之間建立可信的信任體系,；并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多層密鑰體系,，使用非對(duì)稱密碼算法進(jìn)行身份認(rèn)證、內(nèi)容密鑰的安全分發(fā)和協(xié)商,，使用對(duì)稱密碼算法把數(shù)字內(nèi)容加密為媒體文件密文,，并通過直播、點(diǎn)播等業(yè)務(wù)模式,，分發(fā)給終端用戶,，并控制保障數(shù)字內(nèi)容在終端的合理使用。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的雙向DTV DRM安全方案的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

圖2  雙向DTV DRM系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的雙向DTV DRM安全方案由下列模塊組成：

證書中心(CA)：為前端授權(quán)管理系統(tǒng)和終端簽發(fā)數(shù)字證書,，建立基于PKI的信任體系,；終端和授權(quán)管理系統(tǒng)通過證書交換和密鑰協(xié)商完成雙向身份認(rèn)證和安全通道建立；

授權(quán)管理系統(tǒng)：為終端生成許可證,，并認(rèn)證終端的身份,，并為終端安全授權(quán)；

密碼管理系統(tǒng)：生成各種密鑰,，并實(shí)現(xiàn)內(nèi)容加密,；對(duì)于直播內(nèi)容在線實(shí)時(shí)加密；對(duì)于點(diǎn)播內(nèi)容,，實(shí)現(xiàn)離線預(yù)加密,；

DRM代理：設(shè)備中的可信實(shí)體，實(shí)施對(duì)內(nèi)容的許可和限制,，控制內(nèi)容使用,。嚴(yán)格按照權(quán)限對(duì)數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行操作；

內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器：存儲(chǔ)并管理加密的數(shù)字內(nèi)容,，并按照不同業(yè)務(wù)模式分發(fā)內(nèi)容,；

密鑰體系

本文提出的雙向DTV DRM安全解決方案結(jié)合PKI非對(duì)稱密碼體系，建立了多層密鑰體系,。

密鑰體系的最上面兩層是設(shè)備公私鑰對(duì)和用戶密鑰,。對(duì)于諸如機(jī)頂盒的終端設(shè)備，在初始化時(shí)生成公私鑰對(duì),，私鑰在終端安全存儲(chǔ),，公鑰通過安全通道送到前端CA中心申請(qǐng)終端證書，這樣服務(wù)端就維護(hù)著終端的設(shè)備公鑰或證書,。在為用戶分發(fā)智能卡時(shí)需要初始化智能卡,，并在智能卡內(nèi)寫入用戶密鑰或域密鑰，并且服務(wù)端也維護(hù)用戶密鑰/域密鑰和智能卡的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。

對(duì)于直接加密內(nèi)容的密鑰,，根據(jù)內(nèi)容類型的不同，采用不同的密鑰體系：

當(dāng)數(shù)據(jù)內(nèi)容是TS流或流文件時(shí),，密鑰方案采用類CAS的實(shí)時(shí)加擾的密鑰體系：首先使用控制字(CW)加擾內(nèi)容,，再使用業(yè)務(wù)密鑰(SK)加密傳輸CW,，加密的CW和節(jié)目控制數(shù)據(jù)被封裝在ECM中，隨內(nèi)容數(shù)據(jù)一起廣播,。業(yè)務(wù)密鑰被用戶密鑰（PK）/域密鑰（DK）加密,，可以封裝在EMM中廣播下發(fā)，或者通過雙向IP信道端對(duì)端下發(fā),，如圖3所示,。

圖3  流媒體的密鑰體系

對(duì)于非TS流數(shù)據(jù)，如圖像,、動(dòng)畫數(shù)據(jù)等,，本方案采用對(duì)稱密鑰加密的密鑰體系，使用內(nèi)容加密密鑰（CEK）直接加密內(nèi)容數(shù)據(jù),，內(nèi)容加密密鑰被封裝在權(quán)限對(duì)象中使用用戶密鑰（PK）/域密鑰（DK）加密,，通過雙向IP通道端對(duì)端下發(fā)，如圖4所示,。

圖4  非流媒體的密鑰體系

數(shù)據(jù)封裝

本方案針對(duì)不同的內(nèi)容類型,，采用不同的數(shù)據(jù)加密及封裝方式,。對(duì)于TS流媒體內(nèi)容,，逐個(gè)TS報(bào)文加密，并只加密TS報(bào)文負(fù)荷的184字節(jié),，并且直接與其它TS流復(fù)用進(jìn)行廣播分發(fā),；對(duì)于非TS流文件（如動(dòng)畫、圖片內(nèi)容）,，應(yīng)連續(xù)加密,，打包成TS流循環(huán)廣播。

業(yè)務(wù)流程

文本提出的雙向DTV DRM安全方案可以支持直播,、點(diǎn)播等多種業(yè)務(wù)模式,。不同的業(yè)務(wù)模式，具體的業(yè)務(wù)流程不同,；對(duì)于直播業(yè)務(wù),，加密方式和業(yè)務(wù)流程皆類似于傳統(tǒng)的單向網(wǎng)絡(luò)下的電視廣播業(yè)務(wù)，其中數(shù)字內(nèi)容實(shí)時(shí)加擾,，加擾控制字CW加密封裝在ECM中,，業(yè)務(wù)密鑰加密封裝EMM中，加擾的數(shù)字內(nèi)容和ECM,、EMM一起廣播分發(fā),。當(dāng)然，EMM也可通過雙向IP網(wǎng)絡(luò)在線分發(fā),。

本文以點(diǎn)播業(yè)務(wù)為例,，簡(jiǎn)單說明業(yè)務(wù)的處理流程：

數(shù)字內(nèi)容在密碼管理系統(tǒng)被預(yù)加密,，同時(shí)把加密密鑰發(fā)送給授權(quán)管理系統(tǒng)生成權(quán)限許可證，并把加密的數(shù)字內(nèi)容發(fā)送給內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器,；用戶在終端點(diǎn)播數(shù)字內(nèi)容時(shí),，首先向授權(quán)管理系統(tǒng)請(qǐng)求此數(shù)字內(nèi)容的權(quán)限許可證。此時(shí)需要對(duì)終端和授權(quán)管理系統(tǒng)進(jìn)行雙向身份認(rèn)證,，并協(xié)商會(huì)話密鑰,，以建立雙方的安全連接；授權(quán)管理系統(tǒng)通過連接保護(hù)向終端下發(fā)點(diǎn)播內(nèi)容的授權(quán)許可證,，同時(shí)要求內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器向終端廣播所點(diǎn)播內(nèi)容,；終端DRM代理驗(yàn)證授權(quán)許可證有效性，嚴(yán)格按照許可證中的權(quán)限許可和限制對(duì)內(nèi)容進(jìn)行操作,，為用戶提供服務(wù),。

安全性分析

信任模型

本文提出的雙向DTV DRM安全解決方案采用基于PKI的證書認(rèn)證體系，每個(gè)終端設(shè)備初始化時(shí)都需要向證書中心申請(qǐng)證書,。前端服務(wù)器通過驗(yàn)證終端代理的證書的有效性來認(rèn)證終端代理的身份,，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)體之間的可信任性；

內(nèi)容安全和授權(quán)安全

在雙向DTV系統(tǒng)中,，數(shù)字內(nèi)容是通過廣播信道下發(fā)到終端的,，所有終端都可以得到這些數(shù)字內(nèi)容。所以必須保障數(shù)字內(nèi)容不被非授權(quán)方訪問,，只能被已鑒別和已授權(quán)的用戶按照權(quán)限適當(dāng)?shù)卦L問,。本文提出的方案中，對(duì)數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行加密,，如流媒體內(nèi)容使用CW加擾,，非流媒體內(nèi)容使用內(nèi)容加密密鑰加密，并且加密密鑰對(duì)每個(gè)內(nèi)容對(duì)象是唯一的,，而且版權(quán)對(duì)象攜帶的加密密鑰也被加密之后進(jìn)行封裝,，只能被指定的終端所訪問。這樣可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容安全和授權(quán)安全,，有效地防止媒體內(nèi)容被非授權(quán)破解,，從而保護(hù)內(nèi)容提供商和用戶的合法權(quán)益。

安全連接

在雙向DTV業(yè)務(wù)中,，終端需要在線向授權(quán)管理系統(tǒng)請(qǐng)求獲取權(quán)限許可證,，這就需要避免非法冒充終端或授權(quán)管理系統(tǒng)，以避免造成授權(quán)給非法終端,，或用戶敏感信息丟失,。本方案中，終端和授權(quán)管理系統(tǒng)建立安全連接,，可以實(shí)現(xiàn)防止這種攻擊,。安全連接的建立過程首先是雙向身份認(rèn)證,，就是通過數(shù)字證書交換，雙方分別驗(yàn)證對(duì)方數(shù)字證書的有效性,，來驗(yàn)證對(duì)方身份的合法性,，這樣可以避免冒充終端或授權(quán)管理系統(tǒng)的攻擊。然后雙方協(xié)商一個(gè)臨時(shí)會(huì)話密鑰,，如使用DH密鑰協(xié)商協(xié)議,，這樣權(quán)限許可證被加密傳輸?shù)浇K端，攻擊者不能獲得終端用戶的許可證,。這樣保障了終端向授權(quán)管理系統(tǒng)在線請(qǐng)求獲取權(quán)限許可證的安全性,。

結(jié)論

本文提出的雙向DTV DRM安全方案，安全性分析表明可以滿足雙向DTV數(shù)字內(nèi)容保護(hù)的安全性需求,。但隨著雙向DTV系統(tǒng)中業(yè)務(wù)類型的增加,，尤其是大量增值業(yè)務(wù)的部署運(yùn)營(yíng)，雙向DTV系統(tǒng)具有更復(fù)雜的安全需求,，應(yīng)該要進(jìn)一步考慮雙向DTV安全解決方案對(duì)全業(yè)務(wù)的支持,，盡可能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)安全保障。

隨著三網(wǎng)融合的快速發(fā)展,，各種互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)業(yè)務(wù),，如網(wǎng)絡(luò)視頻、互聯(lián)網(wǎng)電視,、視頻化的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等,，將逐漸滲透到廣電網(wǎng)絡(luò),。這些互聯(lián)網(wǎng)視音頻業(yè)務(wù)多是免費(fèi)提供給廣大用戶,，不以內(nèi)容或節(jié)目授權(quán)作為獲利手段，所以缺乏完備的業(yè)務(wù)保護(hù)和內(nèi)容保護(hù),，就不能實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)容的端對(duì)端的安全保障,。但在廣電網(wǎng)絡(luò)下中，數(shù)字電視作為重要的宣傳窗口,，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)其中的視音頻內(nèi)容實(shí)現(xiàn)全面的安全控制,，需要達(dá)到NGB所提倡的“可管可控”，所以進(jìn)入廣電網(wǎng)絡(luò)的視音頻業(yè)務(wù)必須遵循廣電專網(wǎng)下的安全體系,，營(yíng)造安全和諧的電視播放環(huán)境,。