同密架構下ECMG的設計與實現

吳 琳，楊秀芝

(福州大學福建省數字電視工程研究中心，福建 福州 350002)

隨著數字電視產業(yè)的快速發(fā)展，各種增值業(yè)務不斷出現。條件接收系統(tǒng)(Conditional Access System，CAS)是實現節(jié)目付費和個性化增值業(yè)務的基礎，同密技術的實現為數字電視網絡運營商檢驗條件接收系統(tǒng)的優(yōu)劣提供了一種技術手段［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)等構成［2］。其中的加密/解密系統(tǒng)存在兩種加密單元，分別是對ECM與EMM的加密處理。本文研究的授權控制信息發(fā)生器(ECMG)，其功能主要是與加擾器中同密同步器(SCS)通信，對加擾控制字(CW)進行加密，將加密后的數據與訪問準則(AC)信息組合生成ECM包，將ECM包交給SOPC系統(tǒng)，通過網絡接口返回給加擾器。

1 設計方案

ECMG總體設計框圖如圖1所示。

圖1 ECMG設計框圖

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

2 ECMG硬件設計

ECMG硬件設計又可稱為ECMG加密機，該部分主要完成兩大模塊:加密模塊與ECM包生成模塊。采用硬件實現加密，安全度增加、加密速度加快，因此運用高效快速的FPGA來實現這兩大模塊是一個理想的選擇。

ECMG加密機結構框圖如圖2所示。

圖2 ECMG加密機結構圖

SKG:密鑰生成器。當SKG接收到網絡傳來的SK_rdy有效信號時，則產生本輪加密CW的密鑰SK。

CW接收:當接收到網絡傳來的CW_rdy有效信號時，讀取CW_men內的數據，讀取完成產生CWrv_rdy脈沖信號。

相關信息接收:相關信息主要是AC信息。當接收到SCS通過網絡傳來的AC_rdy有效信號時，讀取暫存于片內RAM中的訪問準則，也可以直接從網絡傳輸的消息中獲取，這樣就需要與加擾器約定傳輸的信息格式。

DES加密:當收到CWrv_rdy信號，即CW讀取完畢時，用SK對取出的CW進行DES加密運算。

CRC校驗:對組成的ECM密文進行CRC運算，產生4 byte的CRC字段，并添加于ECM包。

ECM組包存入RAM:在運用SK加密CW后，將加密后的數據與訪問準則信息按照制定的ECM數據格式組成ECM包，再將該數據存入RAM。

3 ECMG軟件控制實現

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)設計的新理念［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實時操作系統(tǒng)、NicheStack TCP/IP協(xié)議棧內嵌到Nios II IDE中，軟件的設計可以方便靈活地使用該系統(tǒng)。該軟件控制的設計利用以上工具完成。

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、網絡處理芯片 LAN91C111、Timer以及包含控制CW，ECM讀寫的PIO口。

3.2 網絡通信的實現

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

ECMG主要與加擾器中SCS進行通信。ECMG作為服務器，SCS作為客戶端。SCS事先知道ECMG的IP地址與端口號，并向ECMG提出連接請求，建立TCP連接。

3.2.1 同密同步器

SCS工作流程可總結如下:

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

2)SCS依據Scg_Id和加擾周期來控制ECM與CW之間的同步。

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

3.2.2 ECMG與SCS的接口通信

對于接口來說，消息具有以下結構:

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

for(i=0;i＜n;i++)

{parameter_type 2B//參數類型

parameter_length 2B//參數長度

parameter_value ＜parameer_length＞B//參數實際值 }

}

根據數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ECMG_IP，ECMG_Port向ECMG提出連接請求，雙方建立TCP連接。

2)SCS發(fā)起建立通道請求，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誤消息，類型為Channel_error，并關閉TCP連接。

3)SCS收到Channel_status后發(fā)起建立流請求，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誤消息，類型為Stream_error，并關閉通道和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，交給加密機進行硬件加密;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包與包頭組合構造ECM_response消息返回給SCS。

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

6)當不再需要ECM或出錯時，SCS發(fā)送流關閉請求，消息類型為Stream_close_request;ECMG返回流關閉消息，類型為Stream_close_response。

4 系統(tǒng)測試與結果分析

ECMG與加擾器中的SCS進行網絡通信，加擾器是采用研究中心自主研發(fā)的加擾器。

將本文設計的ECMG系統(tǒng)通過JTAG口下載到Stratix II開發(fā)板上。進行加擾系統(tǒng)配置，設置Ecm_Pid，Scg_Id，AC，ECMG_IP，ECMG_Port信息。再將本 ECMG系統(tǒng)與加擾器進行連接測試。打開Nios II IDE中的console界面打印出消息并分析，如圖4所示。

測試結果顯示，加擾器的IP為192.168.0.129，ECMG監(jiān)聽端口為6001，從加擾器的IP接收數據。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。測試結果符合廣電標準與設計要求。

圖4 測試結果分析圖(截圖)

［1］李紅艷，沈士洲，吳國威.同密技術在數字電視系統(tǒng)中的應用［J］.電視技術，2004，28(9):38-40.

［2］GY/Z175—2001，數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的設計與硬件實現［J］.中國有線電視，2010(1):51-53.

［4］江國強.SOPC技術與應用［M］.北京:機械工業(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同密技術與應用［J］.電視技術，2004，28(6):27-29.