吳 琳，楊秀芝

(福州大學(xué)福建省數(shù)字電視工程研究中心，福建 福州 350002)

隨著數(shù)字電視產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各種增值業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn)。條件接收系統(tǒng)(Conditional Access System，CAS)是實(shí)現(xiàn)節(jié)目付費(fèi)和個(gè)性化增值業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，同密技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商檢驗(yàn)條件接收系統(tǒng)的優(yōu)劣提供了一種技術(shù)手段［1］。典型的條件接收系統(tǒng)由用戶管理系統(tǒng)、節(jié)目信息管理系統(tǒng)、加密/解密系統(tǒng)和加擾/解擾系統(tǒng)等構(gòu)成［2］。其中的加密/解密系統(tǒng)存在兩種加密單元，分別是對(duì)ECM與EMM的加密處理。本文研究的授權(quán)控制信息發(fā)生器(ECMG)，其功能主要是與加擾器中同密同步器(SCS)通信，對(duì)加擾控制字(CW)進(jìn)行加密，將加密后的數(shù)據(jù)與訪問準(zhǔn)則(AC)信息組合生成ECM包，將ECM包交給SOPC系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)接口返回給加擾器。

1 設(shè)計(jì)方案

ECMG總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 ECMG設(shè)計(jì)框圖

加擾器中的控制字發(fā)生器(CWG)產(chǎn)生CW;SCS獲得CW，與ECMG建立TCP連接，為每個(gè)連接建立通道，在通道內(nèi)建立所需要的流，通過相關(guān)的流向ECMG提供CW和相關(guān)信息;ECMG接收CW，用DES算法將其加密，加密后的數(shù)據(jù)與相關(guān)信息組成ECM包，返回給加擾器［3］。

2 ECMG硬件設(shè)計(jì)

ECMG硬件設(shè)計(jì)又可稱為ECMG加密機(jī)，該部分主要完成兩大模塊:加密模塊與ECM包生成模塊。采用硬件實(shí)現(xiàn)加密，安全度增加、加密速度加快，因此運(yùn)用高效快速的FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)這兩大模塊是一個(gè)理想的選擇。

ECMG加密機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 ECMG加密機(jī)結(jié)構(gòu)圖

SKG:密鑰生成器。當(dāng)SKG接收到網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的SK_rdy有效信號(hào)時(shí)，則產(chǎn)生本輪加密CW的密鑰SK。

CW接收:當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的CW_rdy有效信號(hào)時(shí)，讀取CW_men內(nèi)的數(shù)據(jù)，讀取完成產(chǎn)生CWrv_rdy脈沖信號(hào)。

相關(guān)信息接收:相關(guān)信息主要是AC信息。當(dāng)接收到SCS通過網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的AC_rdy有效信號(hào)時(shí)，讀取暫存于片內(nèi)RAM中的訪問準(zhǔn)則，也可以直接從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南⒅蝎@取，這樣就需要與加擾器約定傳輸?shù)男畔⒏袷健?/p>

DES加密:當(dāng)收到CWrv_rdy信號(hào)，即CW讀取完畢時(shí)，用SK對(duì)取出的CW進(jìn)行DES加密運(yùn)算。

CRC校驗(yàn):對(duì)組成的ECM密文進(jìn)行CRC運(yùn)算，產(chǎn)生4 byte的CRC字段，并添加于ECM包。

ECM組包存入RAM:在運(yùn)用SK加密CW后，將加密后的數(shù)據(jù)與訪問準(zhǔn)則信息按照制定的ECM數(shù)據(jù)格式組成ECM包，再將該數(shù)據(jù)存入RAM。

3 ECMG軟件控制實(shí)現(xiàn)

SOPC是Altera公司推出的一種高效靈活的片上系統(tǒng)解決方案，開創(chuàng)了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新理念［4］。Nios II是32位RISC嵌入式處理器，它是SOPC的核心［5］。Altera將μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、NicheStack TCP/IP協(xié)議棧內(nèi)嵌到Nios II IDE中，軟件的設(shè)計(jì)可以方便靈活地使用該系統(tǒng)。該軟件控制的設(shè)計(jì)利用以上工具完成。

3.1 SOPC系統(tǒng)定制

該SOPC系統(tǒng)硬件定制如圖3所示。

圖3 SOPC系統(tǒng)定制圖(截圖)

本系統(tǒng)在SOPC Builder上定制了Nios II軟核CPU、SDRAM、ext_flash、網(wǎng)絡(luò)處理芯片 LAN91C111、Timer以及包含控制CW，ECM讀寫的PIO口。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)

在同密機(jī)制下，AC信息是由各個(gè)CA廠商將其傳遞給SCS，SCS則負(fù)責(zé)將AC信息和從CWG取得的CW傳送給ECMG，ECMG將相關(guān)的節(jié)目信息和CW的密文組成ECM包并返回給SCS，SCS將收到的ECM包存儲(chǔ)在RAM里進(jìn)行播發(fā)，SCS還控制ECM與CW之間的同步［6］。

ECMG主要與加擾器中SCS進(jìn)行通信。ECMG作為服務(wù)器，SCS作為客戶端。SCS事先知道ECMG的IP地址與端口號(hào)，并向ECMG提出連接請(qǐng)求，建立TCP連接。

3.2.1 同密同步器

SCS工作流程可總結(jié)如下:

1)從加擾配置界面獲得Ecm_Pid，Scg_Id，AC，ECMG_IP，ECMG_Port信息。SCS根據(jù)Scg_Id提取相應(yīng)的CW，并將CW，Ecm_Pid，AC組合構(gòu)造成CW_provision消息。SCS根據(jù)ECMG_IP，ECMG_Port信息與ECMG建立TCP連接。

2)SCS依據(jù)Scg_Id和加擾周期來(lái)控制ECM與CW之間的同步。

3)SCS根據(jù)Scg_Id建立多個(gè)流，將CW_provision消息循環(huán)地傳給ECMG，ECMG返回ECM_response，SCS將返回的ECM信息進(jìn)行分析并存儲(chǔ)。

3.2.2 ECMG與SCS的接口通信

對(duì)于接口來(lái)說(shuō)，消息具有以下結(jié)構(gòu):

Generic_message

{ protocol_version 1B //協(xié)議版本的8比特域，0x01

message_type 2B //消息類型

message_length 2B//消息中的字節(jié)數(shù)

for(i=0;i＜n;i++)

{parameter_type 2B//參數(shù)類型

parameter_length 2B//參數(shù)長(zhǎng)度

parameter_value ＜parameer_length＞B//參數(shù)實(shí)際值 }

}

根據(jù)數(shù)字電視廣播條件接受系統(tǒng)規(guī)范，ECMG與SCS接口的消息類型值如表1所示。

表1 消息類型值

ECMG與SCS通信過程如下:

1)SCS根據(jù)ECMG_IP，ECMG_Port向ECMG提出連接請(qǐng)求，雙方建立TCP連接。

2)SCS發(fā)起建立通道請(qǐng)求，消息類型為Channel_setup;ECMG開始建立通道，若成功則返回通道狀態(tài)，消息類型為Channel_status;若失敗則返回通道建立錯(cuò)誤消息，類型為Channel_error，并關(guān)閉TCP連接。

3)SCS收到Channel_status后發(fā)起建立流請(qǐng)求，消息類型為Stream_setup;ECMG開始建立流，若成功則返回流狀態(tài)，消息類型為Stream_status;若失敗則返回流建立錯(cuò)誤消息，類型為Stream_error，并關(guān)閉通道和TCP連接。

4)SCS收到Stream_status后，從CWG中取出CW，與收到的配置信息Ecm_Pid，AC一起構(gòu)造成CW_provision，將該消息傳送給ECMG;ECMG分析收到的CW_provision消息，將控制字CW存儲(chǔ)，交給加密機(jī)進(jìn)行硬件加密;將密文與分析出的Ecm_Pid，AC等信息按制定的ECM組包格式，組成ECM包。將ECM包與包頭組合構(gòu)造ECM_response消息返回給SCS。

5)SCS收到ECM_response后，分析消息，將ECM包進(jìn)行存儲(chǔ)并同步播發(fā)。

6)當(dāng)不再需要ECM或出錯(cuò)時(shí)，SCS發(fā)送流關(guān)閉請(qǐng)求，消息類型為Stream_close_request;ECMG返回流關(guān)閉消息，類型為Stream_close_response。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

ECMG與加擾器中的SCS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，加擾器是采用研究中心自主研發(fā)的加擾器。

將本文設(shè)計(jì)的ECMG系統(tǒng)通過JTAG口下載到Stratix II開發(fā)板上。進(jìn)行加擾系統(tǒng)配置，設(shè)置Ecm_Pid，Scg_Id，AC，ECMG_IP，ECMG_Port信息。再將本 ECMG系統(tǒng)與加擾器進(jìn)行連接測(cè)試。打開Nios II IDE中的console界面打印出消息并分析，如圖4所示。

測(cè)試結(jié)果顯示，加擾器的IP為192.168.0.129，ECMG監(jiān)聽端口為6001，從加擾器的IP接收數(shù)據(jù)。首先ECMG收到Channel_setup消息，返回Channel_status消息;然后收到Stream_setup消息，返回Stream_status消息;接著收到CW_provision消息，返回ECM_response消息;最后循環(huán)接收CW_provision，返回ECM_response。測(cè)試結(jié)果符合廣電標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)要求。

圖4 測(cè)試結(jié)果分析圖(截圖)

［1］李紅艷，沈士洲，吳國(guó)威.同密技術(shù)在數(shù)字電視系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2004，28(9):38-40.

［2］GY/Z175—2001，數(shù)字電視廣播條件接收系統(tǒng)規(guī)范［S］.2001.

［3］魏軍，楊秀芝.基于SOPC的ECMG的設(shè)計(jì)與硬件實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)有線電視，2010(1):51-53.

［4］江國(guó)強(qiáng).SOPC技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］Altera corporation.Using the NicheStack TCP/IP stack—Nios II edition tutorial［EB/OL］. ［2012-05-20］.http://www.docin.com/p-391338883.html.

［6］滕旭，李懷宇，鄭世寶.DVB同密技術(shù)與應(yīng)用［J］.電視技術(shù)，2004，28(6):27-29.