條件接收系統(tǒng)中智能卡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：中國(guó)一卡通網(wǎng) 收編   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月27日

    1、什么是條件接收系統(tǒng)(CAS)

    條件接收系統(tǒng)(CAS)指對(duì)數(shù)字電視節(jié)目的內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字加擾(或稱數(shù)字加密)以建立有效的收費(fèi)體系，被譽(yù)為數(shù)字電視健康發(fā)展的技術(shù)保障系統(tǒng)。

    按位置分CAS由前端(發(fā)送端)和終端(用戶接收部分組成。前端主要完成節(jié)目數(shù)據(jù)流的加擾、CW的加密、EMM的生成、用戶信息的管理以及相應(yīng)眼務(wù)；終端主要完成解擾與解密，相關(guān)的硬件設(shè)備解擾器外加1個(gè)智能卡。

    目前的技術(shù)主流是：解復(fù)用部分與CW相關(guān)的解擾部戍在終端STB(機(jī)頂盒)的主芯片中；智能卡作為全性的最重要設(shè)備，在用戶端完成所有的解密功比，作為CA開發(fā)商，需要提供能夠完成解密功能智能卡，并能為STB軟件開發(fā)商提供移植技術(shù)。

    2、智能卡硬件電路的設(shè)計(jì)

    在研發(fā)的條件接收系統(tǒng)中，依據(jù)硬件設(shè)計(jì)的原理和CAS高安全性的特點(diǎn)，主芯片選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT90SCl616C。他以高性能、低功耗的AVR 8位CPU為核心，內(nèi)嵌16k的Flash可編程內(nèi)存，16 k的E2PROM以及1 k的RAM，配合一個(gè)16位的協(xié)處理器(SCl6)完成高速的保密和認(rèn)證功能。 

    3、 解密與收費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)

    在CAS的用戶接收端，智能卡解析用戶的授權(quán)并完成所有的解密功能。與之相關(guān)的用戶基本信息、授權(quán)信息、個(gè)人分配密鑰等都以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)在智能卡 的文件中。這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)過(guò)程，是在終端與卡的接口函數(shù)的平臺(tái)上，使用APDU命令，在E2PROM內(nèi)建立文件，并進(jìn)行相關(guān)操作。開發(fā)使用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言可 以是VB，VC，VFP，C語(yǔ)言等。筆者選用VB進(jìn)行開發(fā)。

    3．1 CA信息的獲取 

    在本條件接收系統(tǒng)中，EMM是以全局尋址Global，組尋址Shared，惟一尋址Unique 3種不同尋址策略發(fā)送到用戶接收端的，用戶端STB在接收EMM前，需要先從智能卡中讀取一個(gè)惟一的用戶ID號(hào)，再對(duì)STB中的寄存器做相應(yīng)設(shè)置，然后接 收EMM。因此，用戶ID作為智能卡的惟一尋址地址，需要建立基本信息文件并加以存儲(chǔ)。另外，根據(jù)MPEG-2標(biāo) 準(zhǔn)的規(guī)定，在接收CAT表和PMT表的過(guò)程中，對(duì)EMMPID，ECMPID解析前，都要先對(duì)CA_system_ID進(jìn)行判斷，因 此，CA_system_ID也應(yīng)該存儲(chǔ)在智能卡的基本信息文件中。此外，根據(jù)各CA開發(fā)商對(duì)CA信息在接收前的不同處理方式，加密算法的類型與版本也可 作為必要信息存儲(chǔ)于智能卡的文件中。所有這些基本信息，可以放人同一文件中，也可以根據(jù)需要，采用不同的文件類型(如二進(jìn)制文件、定長(zhǎng)紀(jì)錄文件等)加以存儲(chǔ)。

    3．2 解密功能的實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)采用RSA算法，結(jié)合硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ECM的所有解密過(guò)程。Kerckhoff原理指出：一個(gè)加密算法的全部秘密僅立足于密鑰的秘密性之上。因 此，一個(gè)根密鑰的泄露對(duì)智能卡、對(duì)整個(gè)CA系統(tǒng)而言都將是毀滅性的，他迫使應(yīng)用供應(yīng)商關(guān)閉使用的CA系統(tǒng)，而卡的發(fā)行商將更換所有的卡。出于保密的需要， 本文在這里僅就密鑰的生成、保護(hù)與訪問(wèn)權(quán)限做簡(jiǎn)要介紹。

    (1)密鑰的生成

    對(duì)于投入市場(chǎng)、發(fā)送到用戶手中的智能卡，一律不寫入根密鑰；對(duì)于每張卡內(nèi)的主控密鑰，其實(shí)都是由芯片編號(hào)生成的導(dǎo)出密鑰。并且，卡內(nèi)的密鑰有數(shù)10種之 多，且用法各不相同，即使將卡內(nèi)密鑰悉數(shù)破解，也只是妨礙同類卡的安全，即一個(gè)組的安全，而一個(gè)組的最大用戶僅有256個(gè)，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)并沒有多大妨礙， 本系統(tǒng)在前端部分可以通過(guò)對(duì)用戶智能卡的芯片編號(hào)(具有惟一性)進(jìn)行跟蹤，一旦發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)相應(yīng)手段剔除黑卡，使非法用戶無(wú)法取得商業(yè)利益。

    (2)密鑰的保護(hù)

    密鑰是放在密鑰文件中，作為內(nèi)部EF文件存儲(chǔ)于E2PROM中的，內(nèi)部EF文件本身一旦建立，不允許從終端讀出內(nèi)部數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，最大程度上保證了密鑰的安 全性。此外，為了進(jìn)一步提高密鑰的安全性，我們對(duì)自己的智能卡內(nèi)部密鑰文件采用了"線路加密保?quot;方式，即對(duì)傳輸?shù)拿荑€數(shù)據(jù)進(jìn)行RSA加密并附加 4B的MAC(報(bào)文鑒別碼)，智能卡收到后首先進(jìn)行校驗(yàn)，只有校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)才予以接受，從而將密鑰泄露的可能性將至最低。

    (3)密鑰的訪問(wèn) 

    對(duì)于投入市場(chǎng)的智能卡，無(wú)論采用何種方式，都不可能從智能卡中讀出密鑰數(shù)據(jù)，這是由智能卡本身硬件電路的安全性特點(diǎn)決定的。對(duì)STB移植來(lái)說(shuō)，只要使用專用的智能卡命令，將獲得的ECM，EMM寫入智能卡，就可以得到解擾所需的控制字CW了。

    3．3 收費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)在前端采用與銀行和代理收費(fèi)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)的方式，在終端通過(guò)在智能卡內(nèi)建立文件存儲(chǔ)授權(quán)信息，并建立電子錢包文件和普通錢包文件，來(lái)實(shí)現(xiàn)收費(fèi)功能。獲得何 種授權(quán)和扣款多少由EMM寫入智能卡后分析獲取，對(duì)錢包文件的建立也采用了"線路加密保護(hù)"方式，以保護(hù)消費(fèi)者的權(quán)益。

    4、移植結(jié)果分析

    系統(tǒng)已在ST和NEC方案上進(jìn)行了移植，并獲得成功，目前正在某機(jī)頂盒公司投入生產(chǎn)。從移植結(jié)果來(lái)看，對(duì)智能卡的驅(qū)動(dòng)和讀寫成為移植能否成功的關(guān)鍵。

    例如，現(xiàn)在在對(duì)某方案的移植過(guò)程中，STB中的程序在調(diào)用讀卡寫卡函數(shù)時(shí)，會(huì)偶爾出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的丟失(主要是首字節(jié)的丟失)，其實(shí)，這是由于智能卡默認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸速率過(guò)高造成的。解決的辦法就是在讀卡函數(shù)和寫卡函數(shù)前加一個(gè)延時(shí)函數(shù)。

    5、未來(lái)CAS中智能卡的發(fā)展方向

    雖然智能卡的應(yīng)用和制作技術(shù)已相當(dāng)成熟，但由于智能卡是CAS安全的最重要的設(shè)備，同時(shí)，他與機(jī)頂盒之間數(shù)據(jù)的交換和CW的讀出，都可以被用戶帶回家中進(jìn)行各種分析和破解，因此，為了增強(qiáng)整個(gè)CA系統(tǒng)的安全性，未來(lái)CAS中智能卡的發(fā)展方向?yàn)椋嚎梢詫⒔鈹_模塊集成在智能卡主芯片中，甚至將接收端整個(gè)CA模 塊都考慮集成在智能卡中，同時(shí)使智能卡具有中間件的部分功能。當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)在目前來(lái)看是有技術(shù)困難的。首先，集成壓縮后的主芯片要像現(xiàn)在的智能卡那 樣，僅有幾個(gè)毫米的厚度，是不太現(xiàn)實(shí)的；其次，雖然中間件作為機(jī)頂盒軟件結(jié)構(gòu)的核心已經(jīng)有成熟的應(yīng)用，但在智能卡中如何實(shí)現(xiàn)，也是需要考慮的問(wèn)題。不過(guò)， 隨著社會(huì)的發(fā)展，一方面會(huì)對(duì)CAS的安全性提出更高的要求，一方面會(huì)推動(dòng)微電子技術(shù)和電子數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，那么，CAS中智能卡的發(fā)展方向，也就可想而知了。

    6 、結(jié)語(yǔ)

    當(dāng)前，隨著我國(guó)數(shù)字電視的普及推動(dòng)和條件接收技術(shù)的日臻成熟，已經(jīng)有越來(lái)越多的廠商將目光投向CAS的開發(fā)上；同時(shí)，眾多的機(jī)頂盒開發(fā)商也都在自己的產(chǎn)品上移植CA，以適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。因此，研究CAS中的智能卡，無(wú)論是對(duì)于CAS的研發(fā)，還是對(duì)于機(jī)頂盒的移植，都有借鑒意義。