有條件接收系統(tǒng)原理及簡單介紹

有條件接收系統(tǒng)(CAS)是開展付費電視的核心技術，了解它的運行機制，掌握好它的使用和維護對付費電視業(yè)務的成功開展非常關鍵。

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)務信息生成系統(tǒng)SIG、節(jié)目管理PMS/SI編輯系統(tǒng)、節(jié)目調度處理EIS、用戶授權管理系統(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)生的密文稱為授權控制信息ECM，通過復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行授權。第二層加密是用稱為節(jié)目密鑰PDK對SK進行加密，所產(chǎn)生的密文和從SMS獲取的授權指令通過SAS生成的授權信息組成授權管理信息EMM，EMM還含有智能卡號、授權時間、授權等級等用戶授權信息。這些信息主要是完成對用戶的授權，因此EMM是面向用戶的管理信息，EMM對用戶在什么時間看、看什么頻道進行授權，它也通過復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成一一對應的關系，只有通過對應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，則驅動讀卡器工作，將智能卡管理程序調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包標識碼(PID)，找到相應的EMM信息，然后將智能卡的卡號與EMM內的授權信息中的卡號進行校對，也就是進行尋址比較操作，如果校對無效，在屏幕上將有提示你還未經(jīng)授權不能收看的相關信息顯示。如果校對成功則將ECM和EMM傳送給智能卡，在智能卡內調用解密程序(為了增強CAS的安全性，整個解密過程都在智能卡里進行)，用智能卡中的私有密鑰(PDK)對EMM、ECM進行逐層解密得到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用卡中的SK就可以了，不需要重復執(zhí)行授權過程，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)，只有當運營商要更新SK時才開始一個新的授權過程，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給用戶進行授權，如果有些用戶由于其他原因在授權期間沒有開機，可通過電話聯(lián)系，由前端確認后，向該用戶發(fā)送專用的EMM。

改變授權有以下方式：

1、 在前端的SMS發(fā)現(xiàn)某用戶時間已到，則向CA發(fā)出指令關閉授權，通過發(fā)送EMM來更新SK并重新授權。

2、 利用智能卡中儲存的授權時間與下行信號中的時間(此時間信息在ECM中)進行比較，如果下行信號的時間不在授權時間的區(qū)間內，則撤消授權。

3、 利用智能卡中儲存的授權信息與ECM中的附加參數(shù)進行比較，如果不符合節(jié)目接入條件，則撤消授權。

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方式，這些授權方式都附于節(jié)目上，并用附加參數(shù)來描述(預約類型、PPV費用、預覽時間等)，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，每個密鑰都對應一種授權方式，每一種的授權方式都對應一種EMM。

綜觀整個授權的過程，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，每一個節(jié)目產(chǎn)品包對應一個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，但它的授權信息量較大。設每個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(調制在一個QAM調制器上)，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(調制在一個QAM調制器上)，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。

為了減少每次授權的時間，我們可以通過合理地分配信道帶寬或采用一些調度算法來加以解決。例如在64QAM、6.875Mb/s符號率的調制方式下,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編碼的結構，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量的下降。

二、SMS與CA的關系

在CAS中，授權工作是由SMS向CA發(fā)出相關指令，由CA來完成授權信息的產(chǎn)生和傳送，SMS是通過CA來進行用戶控制的，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、客戶服務、統(tǒng)計分析、決策支持、客戶關系管理等功能于一體，是運營商開展付費電視業(yè)務和其他增值業(yè)務不可缺少的工具。SMS采用三層體系結構：

1、 數(shù)據(jù)庫：存儲用戶、財務、用戶終端設備等信息。

2、 應用服務：根據(jù)運營等進行節(jié)目產(chǎn)品打包和定價，機頂盒、智能卡的初始化定義。

3、 客戶端應用程序：進行用戶管理、財務管理、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行為。

另外，我國的節(jié)目管理是采取多級授權分級管理的辦法，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今后的技術升級，它對付費電視的經(jīng)營無直接的關系。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)目商對自己的內容和模式都有自己的不同定義，各節(jié)目商通過CA來保護自己的利益。比如：中央的付費頻道和省的付費頻道都不想由當?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，給生產(chǎn)帶來諸多不便，所以，多密模式不適宜推廣應用。

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。運營商收到節(jié)目商的加擾節(jié)目碼流后，無改變地轉播到用戶。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)的標識決定采用哪個密鑰進行解擾。

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用要求，由CA廠家或機頂盒制造商將各種CA模塊放進任何一款機頂盒里，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，這是一種以不變應萬變的解決方案。

還有一種稱為軟硬分離的方案：CA內核軟件包括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內核在機頂盒內部構建在5個底層驅

動模塊基礎之上，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)，負責顯示CA的自有信息，以便與操作者通訊。這兩個模塊不依賴于應用而獨立存在。第三個模塊是解復用器的驅動軟件，CA要操作解復用器，以獲取CA運作所需要的特定碼流;第四個模塊是解擾，CA內核要直接控制解擾器，對被加擾的節(jié)目源進行解擾;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)需要對通訊接口進行處理，包括回傳、下載等操作。后三個模塊都與硬件有關。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)標準，要求驅動軟件開發(fā)者開發(fā)出符合各個底層驅動API的界面接口，而CA內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 的相關問題。解決了CA內核對下層的兼容性問題，僅僅解決了CA進入機頂盒的問題，還有一個CA的應用問題，CA的功能也必須通過應用才能體現(xiàn)出來，所以必須象底層軟件API一樣定義一個面向應用的連接CA的應用服務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用層做接口。這樣一來，只要有了面向驅動和應用的API標準，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和應用軟件下載到用戶的機頂盒中，即可開展運營服務。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，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)字電視必要的技術手段之一。