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【编者按】随着“三网融合”的快速发展，耒来各种互联网公网业务，如网络视频、视频化的互联网服务等将逐渐迁移至广电网络的物理承载平台。此外，在广电内部，随着有线双向网改及增值业务的快速发展，也对内容安全传输提出了新的要求从技术角度而言，目前有线单向广播网络环境下的条件接收体系已不能适应新的双向网络环境及业务模式，如何保障双向网络环境下有线业务的安全运营，并与互联网公网业务的安全保护无缝对接，成为目前有线运营商面临的一个新课题。为此，本文作者基于数字版权管理(DRM)技术提出一种双向数字电视安全解决方案，希望能够为业内同行提供有益借鉴，同样欢迎您的睿智观点，来稿请发wang_yun@ccw.com.cn；
DRM解决方案
在双向数字电视网络环境中。内容发布者和终端用户之间存在两条传输信道：一条传输信道为传统的单向广播HFC信道；另一条为经过双向化改造后增加的双向IP信道，如图1所示。其传输流程为：运营商将节目内容打包成MPEG TS流，以广播方式发送给终端用户；终端用户与内容提供者之间通过IP通道完成认证授权及许可证申请。以保障内容传输的安全性。
与其他安全解决方案相比，采用基于数字版权管理(DIM)技术的双向数字电视安全解决方案，在实现对双向数字内容端到端安全传输及存储的基础上，还可实现对数字内容权限的使用控制。
目前DRM的实现主要采用两类技术：数字水印技术及数据加密技术。其中数字水印技术尚不成熟，且只能在发现盗版后用于取证或追踪，不能在事前防止盗版。数据加密型DRM技术的核心思想是对数字内容进行加密，只有授权用户才能获得内容解密的密钥正常收看。鉴于此，当前国内外多数公司及研究机构的DRM系统均采用了基于数据加密的技术。
本文介绍的双向数字电视DRM安全解决方案的主要技术原理为：基于数据加密DRM技术，结合证书认(PKI／CA)，通过为终端设备及前端服务器签发数字证书，在运营商与用户之间及用户与用户之间建立信任体系；通过多层密钥体系，使用非对称密码算法进行身份认证、内容密钥的安全分发和协商；使用对称密码算法将数字内容加密为媒体文件密文后，通过直播、点播等业务模式，分发给终端用户，并控制数字内容在终端的合理使用。
解决方案
1 体系架构
双向数字电视安全方案的系统架构如图2所示。
整体系统由下列模块组成：
证书中心(CA)：为前端授权管理系统及终端签发数字证书。建立基于PKI的信任体系，终端及授权管理系统通过证书交换和密钥协商完成双向身份认证和安全通道建立；
授权管理系统：为终端生成许可证，认证终端的身份，并为终端进行安全授权；
密码管理系统：生成各种密钥，并实现对内容的加密(对于直播内容进行在线实时加密，对于点播内容，进行离线预加密)；
DRM代理：设备中的可信实体，实施对内容的许可和限制，并控制对内容的使用，严格按照权限对数字内容进行操作；
内容分发服务器：存储并管理加密的数字内容，并按照不同业务模式分发内容。
2 密钥体系
为了充分保证业务的安全性，该方案结合PKI非对称密码体系，建立了多层密钥体系，其中最上面两层为设备公私钥对及用户密钥。对于诸如机顶盒的终端设备，在初始化时生成公私钥对，其中私钥存储于终端，公钥通过安全通道传送到前端CA中心申请终端证书，终端的设备公钥及证书全部由前端服务器维护。采用这种方案时，必须对用户的智能卡进行初始化操作，以在智能卡内写入用户密钥或域密钥，并使服务端的用户密钥，域密钥与智能卡之间建立一一对应关系。
对于直接加密内容的密钥。根据内容类型的不同，可采用不同的密钥体系：当数据内容为TS流或流文件时，密钥方案采用类CAS的实时加扰密钥体系：即使用控制字(CW)加扰内容后，再使用业务密钥(SK)加密传输CW，加密的CW和节目控制数据被封装在ECM中，随内容数据一起广播。业务密钥被用户密钥(PK)，域密钥(DK)加密，封装在EMM中广播下发，或通过双向IP信道端对端下发。其原理如图3所示。
当数据内容为非Ts流型数据(如图像、动画数据)时，则采用对称密钥型密钥体系：即使用内容加密密钥(CEK)直接加密内容数据，内容加密密钥被封装在权限对象中使用用户密钥(PK)／域密钥(DK)加密，通过双向IP通道端对端下发，工作原理如图4所示。
3 数据封装
针对不同的内容类型，可采用不同的数据加密及封装方式：对于TS流媒体内容，对TS报文进行逐个加密(只加密TS报文负荷的184字节)，直接与其他TS流复用后进行广播分发；对于非TS流文件(如动画、图片内容)，则对其连续加密后，打包成TS流进行循环广播。
业务流程
DRM安全方案可支持直播、点播等多种业务模式。对于不同的业务模式，其业务流程也各不相同：对于直播业务，其加密方式和业务流程均类似于传统的单向网络电视广播业务，即对数字内容进行实时加扰，加扰控制字CW被加密封装在ECM中，业务密钥加密则封装于EMM中，加扰的数字内容及ECM、EMM一起被广播分发。当然，EMM也可通过双向IP网络在线分发。
下面以点播业务为例，简单介绍一下陵方案的业务处理流程：
首先，数字内容在密码管理系统中被预加密的同时，将加密密钥发送给授权管理系统生成权限许可证，并将加密的数字内容发送给内容分发服务器；
其次，用户在终端点播数字内容时，首先向授权管理系统提交此数字内容的权限许可证，此时需对终端和授权管理系统进行双向身份认证，并协商会话密钥，以建立双方的安全连接；
再次，授权管理系统通过连接保护向终端下发点播内容的授权许可证，同时要求内容分发服务器向终端传输其所点播的内容；
最后，终端DRM代理验证授权许可证的有效性，并严格按照许可证中的权限许可和限制对内容进行操作，为用户提供相关服务。
安全性分析
该方案的技术安全性主要基于以下几个方面：
1 信任模型
DRM安全解决方案采用基于PKI的证书认证体系，每个终端设备在初始化时均需要向证书中心申请证书，前端服务器通过验证终端代理证书的有效性来证终端代理的身份，以在系统实体之间建立高度的可信任关系。
2 内容安全和授权安全
在双向网络中，数字内容通过广播信道被下发至所有终端，为此，安全系统必须保障这些内容只能被已鉴别及授权的用户按照权限接收并正常显示相关内容。在本文提出的方案中，无论是对流媒体内容进行的CW加密。还是对非流媒体内容进行的内容加密密钥加密，其加密密钥对每个内容对象均是唯一的，且版权对象携带的加密密钥被加密之后又进行了封装，只能被指定的终端所访问。这种模式可有效防止媒体内容被非授权终端所破解，极大提升了内容的安全性。
3 安全连接
在双向数字电视业务中，终端需要在线向授权管理系统请求获取权限许可证，系统必须有能力鉴别出非法或假冒终端，以避免出现错误授权或用户敏感信息丢失等情况。在本方案中，终端与授权管理系统采用的安全连接模式，在通过数字证书交换验证对方身份合法性的同时，还需通过双方协商产生一个临时会话密钥，双重安全策略充分保障了终端向授权管理系统在线请求获取权限许可证时的安全性。
DRM解决方案
在双向数字电视网络环境中。内容发布者和终端用户之间存在两条传输信道：一条传输信道为传统的单向广播HFC信道；另一条为经过双向化改造后增加的双向IP信道，如图1所示。其传输流程为：运营商将节目内容打包成MPEG TS流，以广播方式发送给终端用户；终端用户与内容提供者之间通过IP通道完成认证授权及许可证申请。以保障内容传输的安全性。
与其他安全解决方案相比，采用基于数字版权管理(DIM)技术的双向数字电视安全解决方案，在实现对双向数字内容端到端安全传输及存储的基础上，还可实现对数字内容权限的使用控制。
目前DRM的实现主要采用两类技术：数字水印技术及数据加密技术。其中数字水印技术尚不成熟，且只能在发现盗版后用于取证或追踪，不能在事前防止盗版。数据加密型DRM技术的核心思想是对数字内容进行加密，只有授权用户才能获得内容解密的密钥正常收看。鉴于此，当前国内外多数公司及研究机构的DRM系统均采用了基于数据加密的技术。
本文介绍的双向数字电视DRM安全解决方案的主要技术原理为：基于数据加密DRM技术，结合证书认(PKI／CA)，通过为终端设备及前端服务器签发数字证书，在运营商与用户之间及用户与用户之间建立信任体系；通过多层密钥体系，使用非对称密码算法进行身份认证、内容密钥的安全分发和协商；使用对称密码算法将数字内容加密为媒体文件密文后，通过直播、点播等业务模式，分发给终端用户，并控制数字内容在终端的合理使用。
解决方案
1 体系架构
双向数字电视安全方案的系统架构如图2所示。
整体系统由下列模块组成：
证书中心(CA)：为前端授权管理系统及终端签发数字证书。建立基于PKI的信任体系，终端及授权管理系统通过证书交换和密钥协商完成双向身份认证和安全通道建立；
授权管理系统：为终端生成许可证，认证终端的身份，并为终端进行安全授权；
密码管理系统：生成各种密钥，并实现对内容的加密(对于直播内容进行在线实时加密，对于点播内容，进行离线预加密)；
DRM代理：设备中的可信实体，实施对内容的许可和限制，并控制对内容的使用，严格按照权限对数字内容进行操作；
内容分发服务器：存储并管理加密的数字内容，并按照不同业务模式分发内容。
2 密钥体系
为了充分保证业务的安全性，该方案结合PKI非对称密码体系，建立了多层密钥体系，其中最上面两层为设备公私钥对及用户密钥。对于诸如机顶盒的终端设备，在初始化时生成公私钥对，其中私钥存储于终端，公钥通过安全通道传送到前端CA中心申请终端证书，终端的设备公钥及证书全部由前端服务器维护。采用这种方案时，必须对用户的智能卡进行初始化操作，以在智能卡内写入用户密钥或域密钥，并使服务端的用户密钥，域密钥与智能卡之间建立一一对应关系。
对于直接加密内容的密钥。根据内容类型的不同，可采用不同的密钥体系：当数据内容为TS流或流文件时，密钥方案采用类CAS的实时加扰密钥体系：即使用控制字(CW)加扰内容后，再使用业务密钥(SK)加密传输CW，加密的CW和节目控制数据被封装在ECM中，随内容数据一起广播。业务密钥被用户密钥(PK)，域密钥(DK)加密，封装在EMM中广播下发，或通过双向IP信道端对端下发。其原理如图3所示。
当数据内容为非Ts流型数据(如图像、动画数据)时，则采用对称密钥型密钥体系：即使用内容加密密钥(CEK)直接加密内容数据，内容加密密钥被封装在权限对象中使用用户密钥(PK)／域密钥(DK)加密，通过双向IP通道端对端下发，工作原理如图4所示。
3 数据封装
针对不同的内容类型，可采用不同的数据加密及封装方式：对于TS流媒体内容，对TS报文进行逐个加密(只加密TS报文负荷的184字节)，直接与其他TS流复用后进行广播分发；对于非TS流文件(如动画、图片内容)，则对其连续加密后，打包成TS流进行循环广播。
业务流程
DRM安全方案可支持直播、点播等多种业务模式。对于不同的业务模式，其业务流程也各不相同：对于直播业务，其加密方式和业务流程均类似于传统的单向网络电视广播业务，即对数字内容进行实时加扰，加扰控制字CW被加密封装在ECM中，业务密钥加密则封装于EMM中，加扰的数字内容及ECM、EMM一起被广播分发。当然，EMM也可通过双向IP网络在线分发。
下面以点播业务为例，简单介绍一下陵方案的业务处理流程：
首先，数字内容在密码管理系统中被预加密的同时，将加密密钥发送给授权管理系统生成权限许可证，并将加密的数字内容发送给内容分发服务器；
其次，用户在终端点播数字内容时，首先向授权管理系统提交此数字内容的权限许可证，此时需对终端和授权管理系统进行双向身份认证，并协商会话密钥，以建立双方的安全连接；
再次，授权管理系统通过连接保护向终端下发点播内容的授权许可证，同时要求内容分发服务器向终端传输其所点播的内容；
最后，终端DRM代理验证授权许可证的有效性，并严格按照许可证中的权限许可和限制对内容进行操作，为用户提供相关服务。
安全性分析
该方案的技术安全性主要基于以下几个方面：
1 信任模型
DRM安全解决方案采用基于PKI的证书认证体系，每个终端设备在初始化时均需要向证书中心申请证书，前端服务器通过验证终端代理证书的有效性来证终端代理的身份，以在系统实体之间建立高度的可信任关系。
2 内容安全和授权安全
在双向网络中，数字内容通过广播信道被下发至所有终端，为此，安全系统必须保障这些内容只能被已鉴别及授权的用户按照权限接收并正常显示相关内容。在本文提出的方案中，无论是对流媒体内容进行的CW加密。还是对非流媒体内容进行的内容加密密钥加密，其加密密钥对每个内容对象均是唯一的，且版权对象携带的加密密钥被加密之后又进行了封装，只能被指定的终端所访问。这种模式可有效防止媒体内容被非授权终端所破解，极大提升了内容的安全性。
3 安全连接
在双向数字电视业务中，终端需要在线向授权管理系统请求获取权限许可证，系统必须有能力鉴别出非法或假冒终端，以避免出现错误授权或用户敏感信息丢失等情况。在本方案中，终端与授权管理系统采用的安全连接模式，在通过数字证书交换验证对方身份合法性的同时，还需通过双方协商产生一个临时会话密钥，双重安全策略充分保障了终端向授权管理系统在线请求获取权限许可证时的安全性。