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。為進一步推進數(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)的運營需求和安全需求。

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)實現(xiàn)中，節(jié)目內(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通道完成認證授權(quán)及許可證申請。

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，可以實現(xiàn)對雙向DTV數(shù)字內(nèi)容端到端的安全傳輸和存儲，并能實現(xiàn)對數(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簡介

DRM技術(shù)可以實現(xiàn)對數(shù)字內(nèi)容進行描述、識別、保護、監(jiān)控和跟蹤，以達到在數(shù)字內(nèi)容知識產(chǎn)權(quán)的整個生命周期內(nèi)對其進行保護，可以實現(xiàn)對數(shù)字內(nèi)容端到端的安全傳輸和存儲，并能實現(xiàn)對數(shù)字內(nèi)容權(quán)限的使用控制。

實現(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)容進行加密，只有授權(quán)用戶才能得到內(nèi)容解密的密鑰。

當前國內(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)保護安全解決方案，可以實現(xiàn)對雙向DTV業(yè)務(wù)數(shù)字內(nèi)容的管理控制和版權(quán)保護。

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)字證書標識和認證系統(tǒng)中各實體身份，在運營商和用戶之間，以及用戶與用戶之間建立可信的信任體系；并設(shè)計實現(xiàn)多層密鑰體系，使用非對稱密碼算法進行身份認證、內(nèi)容密鑰的安全分發(fā)和協(xié)商，使用對稱密碼算法把數(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，并實現(xiàn)內(nèi)容加密；對于直播內(nèi)容在線實時加密；對于點播內(nèi)容，實現(xiàn)離線預(yù)加密；

DRM代理：設(shè)備中的可信實體，實施對內(nèi)容的許可和限制，控制內(nèi)容使用。嚴格按照權(quán)限對數(shù)字內(nèi)容進行操作；

內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器：存儲并管理加密的數(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)備公私鑰對和用戶密鑰。對于諸如機頂盒的終端設(shè)備，在初始化時生成公私鑰對，私鑰在終端安全存儲，公鑰通過安全通道送到前端CA中心申請終端證書，這樣服務(wù)端就維護著終端的設(shè)備公鑰或證書。在為用戶分發(fā)智能卡時需要初始化智能卡，并在智能卡內(nèi)寫入用戶密鑰或域密鑰，并且服務(wù)端也維護用戶密鑰/域密鑰和智能卡的對應(yīng)關(guān)系。

對于直接加密內(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：

當數(shù)據(jù)內(nèi)容是TS流或流文件時，密鑰方案采用類CAS的實時加擾的密鑰體系：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信道端對端下發(fā)，如圖3所示。

圖3  流媒體的密鑰體系

對于非TS流數(shù)據(jù)，如圖像、動畫數(shù)據(jù)等，本方案采用對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)限對象中使用用戶密鑰（PK）/域密鑰（DK）加密，通過雙向IP通道端對端下發(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。對于TS流媒體內(nèi)容，逐個TS報文加密，并只加密TS報文負荷的184字節(jié)，并且直接與其它TS流復(fù)用進行廣播分發(fā)；對于非TS流文件（如動畫、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)容實時加擾，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)。當然，EMM也可通過雙向IP網(wǎng)絡(luò)在線分發(fā)。

本文以點播業(yè)務(wù)為例，簡單說明業(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；用戶在終端點播數(shù)字內(nèi)容時，首先向授權(quán)管理系統(tǒng)請求此數(shù)字內(nèi)容的權(quán)限許可證。此時需要對終端和授權(quán)管理系統(tǒng)進行雙向身份認證，并協(xié)商會話密鑰，以建立雙方的安全連接；授權(quán)管理系統(tǒng)通過連接保護向終端下發(fā)點播內(nèi)容的授權(quán)許可證，同時要求內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器向終端廣播所點播內(nèi)容；終端DRM代理驗證授權(quán)許可證有效性，嚴格按照許可證中的權(quán)限許可和限制對內(nèi)容進行操作，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的證書認證體系，每個終端設(shè)備初始化時都需要向證書中心申請證書。前端服務(wù)器通過驗證終端代理的證書的有效性來認證終端代理的身份，可以實現(xiàn)系統(tǒng)實體之間的可信任性；

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?shù)卦L問。本文提出的方案中，對數(shù)字內(nèi)容進行加密，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，并且加密密鑰對每個內(nèi)容對象是唯一的，而且版權(quán)對象攜帶的加密密鑰也被加密之后進行封裝，只能被指定的終端所訪問。這樣可以實現(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證，就是通過數(shù)字證書交換，雙方分別驗證對方數(shù)字證書的有效性，來驗證對方身份的合法性，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)商一個臨時會話密鑰，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)的部署運營，雙向DTV系統(tǒng)具有更復(fù)雜的安全需求，應(yīng)該要進一步考慮雙向DTV安全解決方案對全業(yè)務(wù)的支持，盡可能實現(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)保護和內(nèi)容保護，就不能實現(xiàn)對內(nèi)容的端對端的安全保障。但在廣電網(wǎng)絡(luò)下中，數(shù)字電視作為重要的宣傳窗口，必須實現(xiàn)對其中的視音頻內(nèi)容實現(xiàn)全面的安全控制，需要達到NGB所提倡的“可管可控”，所以進入廣電網(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，營造安全和諧的電視播放環(huán)境。