基于Android的機(jī)頂盒CAS系統(tǒng)的開發(fā)

李浩亮，劉永飛

（鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院，鄭州 450001）

引 言

CAS（Conditional Access System，條件接收系統(tǒng)）是一種加密系統(tǒng)方法總稱，通過這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、收費(fèi)、加密、管理等諸多功能，廣泛應(yīng)用于視頻點(diǎn)播、電子銀行、網(wǎng)上超市、遠(yuǎn)程教育等諸多環(huán)境。其與數(shù)字廣播系統(tǒng)獨(dú)立，但對(duì)商業(yè)的數(shù)字廣播系統(tǒng)來說，是其成功運(yùn)營的基礎(chǔ)、增值服務(wù)的命脈，CAS系統(tǒng)須保證未授權(quán)用戶不能收看加密節(jié)目，而授權(quán)的用戶可以收看加密節(jié)目，同時(shí)可以對(duì)單用戶進(jìn)行識(shí)別、控制，消除傳統(tǒng)網(wǎng)路電視的盲目性，是我國數(shù)字網(wǎng)絡(luò)改造的核心部分。CAS系統(tǒng)由兩部分組成：前端加擾管理系統(tǒng)和終端解擾子系統(tǒng)。機(jī)頂盒屬于終端設(shè)備，本文介紹的CAS系統(tǒng)屬于終端解擾子系統(tǒng)。

任何一款復(fù)雜電子設(shè)備，都離不開一款強(qiáng)大的操作系統(tǒng)支持，而Android系統(tǒng)起初是Google公司為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的一套操作系統(tǒng)，但由于其開源、擁有OHA聯(lián)盟強(qiáng)大的后盾，而且具有獨(dú)特的系統(tǒng)架構(gòu)以及Linux內(nèi)核底層的穩(wěn)定支撐，很快有許多其他產(chǎn)品廠商都紛紛開發(fā)出Android平臺(tái)，使其成為目前在大型嵌入式設(shè)備上最流行的操作系統(tǒng)。目前華為、中興等為代表的機(jī)頂盒廠商都在紛紛推出基于Android平臺(tái)的機(jī)頂盒。本文詳細(xì)介紹了機(jī)頂盒CAS終端子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和移植到Android平臺(tái)上的過程。

1 終端解擾子系統(tǒng)解擾過程

數(shù)字電視節(jié)目都是通過介質(zhì)（地面、電纜、衛(wèi)星）以TS流的形式傳播的。TS流依據(jù) MPEG－2協(xié)議被分成長度188字節(jié)的ES包，每一個(gè)ES包都有自身識(shí)別的PID號(hào)，根據(jù)PID號(hào)的不同分成各種功能不同的表，其中對(duì)CAS系統(tǒng)有用的是ECM表和EMM表。EMM（Entitle Manager Message）表為授權(quán)管理信息表，里面主要包含每個(gè)用戶授權(quán)的節(jié)目數(shù)和對(duì)應(yīng)的SK（Service Key）業(yè)務(wù)密鑰信息。ECM（Entitle Control Message）表為授權(quán)控制信息表，里面含有對(duì)解擾最重要的CW（Control Word）控制字，取得對(duì)應(yīng)節(jié)目的CW之后，就可以交給安全模塊解擾，解擾后的明文CW就可以用來解擾加密節(jié)目，整個(gè)解密過程也就完成了。

CA解擾的過程如圖1所示。

2 終端子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 CA解擾的過程

考慮到應(yīng)用設(shè)計(jì)與底層硬件智能卡進(jìn)行交互，且Android系統(tǒng)提供有NDK套件工具，使得底層的其他語言的API與Android應(yīng)用層JAVA語言無縫對(duì)接，所以可以把CAS以庫的形式存放到Android中間層，供Android上層GUI調(diào)用。CAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)用到上述的ECM表和EMM表，但EMM表和ECM表要從PSI中的PMT、CAT表獲得其PID號(hào)。圖2、圖3是用專用工具截取的一段PMT和CAT表里面的CA信息。

圖2 CAT表中的ECM表

圖3 PMT表中的EMM表

從圖2可以看出此TS流中的CAT表中含有ca＿descriptor描述符，并可以得出ECM的ca＿pid為0x0562。而從圖3中可以看出，PMT表中含有的EMM表的ca＿pid為0x0ffe。此時(shí)就可以設(shè)置操作demod來分配filter通道，過濾出 EMM、ECM 表的section＿descriptor＿table，來取得CA有關(guān)的信息。如果用戶要流暢地播放節(jié)目，機(jī)頂盒（Set－Top Box，STB）就要不斷地獲得密文CW送入智能卡中，從整個(gè)解碼過程中可以把整個(gè)CAS終端子系統(tǒng)分為3個(gè)模塊：EMM解析模塊、ECM解析模塊、智能卡任務(wù)模塊。Android系統(tǒng)采用的是Linux內(nèi)核，保留了posix的pthread、message、memory pool等通用的 API，所以在設(shè)計(jì)3個(gè)模塊時(shí)，可以使用pthread＿create（）創(chuàng)建任務(wù)模塊；使用msgget（）創(chuàng)建消息，實(shí)現(xiàn)3個(gè)任務(wù)模塊的通信與同步。

2.1 EMM任務(wù)模塊

由圖1可知，TS流經(jīng)tuner調(diào)諧，把高頻載波去掉，再經(jīng)過demod解調(diào)，就可以根據(jù)PES包的PID號(hào)和TABLE＿ID號(hào)設(shè)置其里面的filter。一般來說一個(gè)demod含有多個(gè)filter，在系統(tǒng)啟動(dòng)開始就會(huì)分配PAT表的filter，有PAT表的setction＿descriptor的描述就可以得到PMT表的PID，此時(shí)同樣分配PMT表的filter。如果此節(jié)目是加密節(jié)目，在其段描述符中就會(huì)含有EMM表的PID號(hào)，一旦找到EMM的PID號(hào)，就可以為EMM表分配filter。如果EMM里面的CA信息版本號(hào)和智能卡存儲(chǔ)的CA信息版本號(hào)一致，就舍棄此EMM；如果不一致，就重新改寫智能卡里面的CA用戶的信息。EMM任務(wù)模塊流程如圖4所示。

圖4 EMM任務(wù)模塊流程

在EMM任務(wù)模塊中，通過CAS＿EMM＿TASK（）函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，在CAS＿EMM＿TASK（）中調(diào)用CAS＿EMM＿ReceiveMessage（）函數(shù)來接收EMM filter發(fā)送過來的CA信息。在沒有EMM流時(shí)，EMM任務(wù)一直掛起，而一旦filter發(fā)現(xiàn)EMM表，就會(huì)把EMM的CA信息發(fā)送到EMM任務(wù)中，同時(shí)關(guān)掉filter，避免其未處理完此EMM，而又接收新的EMM。此時(shí)EMM任務(wù)從掛起進(jìn)入就緒態(tài)，從而處理來自filter的EMM信息，處理完之后，再次分配EMM的filter。

2.2 ECM任務(wù)模塊

通過解讀CAT表可知，此節(jié)目表是否加密，如果加密則設(shè)置相應(yīng)ECM的filter過濾出對(duì)應(yīng)的ECM表，此時(shí)結(jié)合智能卡中存儲(chǔ)的EMM的CA信息，就可以判斷出用戶是否對(duì)此節(jié)目授權(quán)，若授權(quán)則取出智能卡中的SK業(yè)務(wù)密鑰，找出對(duì)應(yīng)的奇偶控制字（CW），送入到智能卡中，通過智能卡系統(tǒng)解密出CW，送入到STB中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、音頻的解碼。整個(gè)過程如圖5所示。

圖5 ECM任務(wù)模塊流程

在ECM任務(wù)模塊中，通過CAS＿ECM＿TASK（）創(chuàng)建線程任務(wù)，在其內(nèi)部調(diào)用CAS＿ECM＿ReceiveMessage（）函數(shù)接收來自ECM的filter過濾出的CA信息；此時(shí)通過CAS＿CARD＿ReadMessage（）讀取智能卡內(nèi)部用戶授權(quán)信息，來判斷ECM是否有效且取出對(duì)應(yīng)的密文的CW；而用CAS＿ECM＿SendToCard（）函數(shù)把密文CW送入到智能卡中解密，解密出明文CW；用CAS＿CW＿SendToSTB（）函數(shù)送入到機(jī)頂盒，此時(shí)解復(fù)用模塊接收到明文CW就可以得到解碼加密流了。

2.3 智能卡任務(wù)模塊

智能卡的通信標(biāo)準(zhǔn)有T0和T1兩種，T0按字節(jié)傳送，T1按塊傳送，而在設(shè)計(jì)過程中通常支持兩種協(xié)議。一般采用I2C總線通信，而智能卡內(nèi)部一般沒有上拉電阻，所以在電路設(shè)計(jì)過程中，SCL和SDA的引腳處必須加上拉電阻，否則無法正常通信。根據(jù)通信協(xié)議，如果要對(duì)智能卡數(shù)據(jù)讀寫操作，首先要發(fā)送5字節(jié)的命令字，這5字節(jié)命令字依次為CLA、INS、P1、P2、P3，其中CLA為指令類型，INS為命令符，P1、P2為操作文件位置，P3為后續(xù)字符數(shù)。智能卡接收到命令符就可以根據(jù)命令種類對(duì)其后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，同時(shí)智能卡就可以發(fā)出兩個(gè)字節(jié)W1、W2的應(yīng)答符。如果成功，W1、W2分別為0x90、0x00；如果不成功則會(huì)返回相應(yīng)的代碼，以便給開發(fā)者提供調(diào)試。因?yàn)橹悄芸▋?nèi)部十分復(fù)雜，篇幅有限，所以想深入了解原理的話可以參考智能卡標(biāo)準(zhǔn)，這里僅介紹機(jī)頂盒操作智能卡過程的設(shè)計(jì)。

如圖6所示，在智能卡任務(wù)模塊中，在系統(tǒng)啟動(dòng)之初，未進(jìn)入文件系統(tǒng)之前，就要對(duì)智能卡進(jìn)行初始化，分配內(nèi)存池，強(qiáng)制為智能卡復(fù)位，從而選擇通信類型（T0或T1），全部完成之后就可以進(jìn)入文件系統(tǒng)。通過CAS＿CARD＿TASK（）為智能卡建立線程，在其線程內(nèi)部使用CAS＿CARD＿ReceiveMessage（）接收來自EMM或者ECM的命令字。如果合法，通過CAS＿CARD＿SendMessage（）可以把應(yīng)答字給其兩個(gè)模塊，同時(shí)通知其他兩個(gè)模塊發(fā)送操作數(shù)，若是EMM則到此結(jié)束，若為ECM則智能卡會(huì)把解密的CW 通過CAS＿CARD＿SendMessage（）發(fā)送給機(jī)頂盒。

圖6 智能卡任務(wù)模塊流程

2.4 其他細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

CAS系統(tǒng)除了最重要的解擾以外，還有其他重要的附屬功能，如郵件、在線付費(fèi)、在線充值、節(jié)目點(diǎn)播、區(qū)域限制、用戶管理。這些信息都存儲(chǔ)在EMM表中，所以EMM和ECM表的解析也是一個(gè)十分重要的步驟，只有正確地提取出EMM中的CA信息，才能順利地進(jìn)行下一步的操作。根據(jù)MPEG－2標(biāo)準(zhǔn)和PSI／SI協(xié)議，以及智能卡廠商的提供功能表，就能設(shè)計(jì)出EMM和ECM的解析函數(shù)。

表1列出了一個(gè)通用CA的描述符。

表1 一個(gè)通用CA的描述符

由于每個(gè)智能卡廠商的填充數(shù)據(jù)不一樣，所以必須根據(jù)廠商的定義再去提取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。由于筆者參與設(shè)計(jì)的是某公司提供的智能卡，所以數(shù)據(jù)的格式也都以它為標(biāo)準(zhǔn)。最終設(shè)計(jì)包括12個(gè)源文件、5個(gè)頭文件。

3 CAS子系統(tǒng)Android的移植

CAS終端子系統(tǒng)起初設(shè)計(jì)由于涉及到與底層交互，采用的是C語言。如果想要使上層的JAVA環(huán)境調(diào)用其API，就要遵循JNI規(guī)范添加新的頭文件，使其應(yīng)用層能夠方便地調(diào)用。同時(shí)Google在設(shè)計(jì)Android之初就提供了NDK套件，有著獨(dú)有的交叉編譯器，使得原有的許多C語言編寫的驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序可十分方便地移植到Android系統(tǒng)中。

3.1 搭建Android的NDK開發(fā)環(huán)境

由于是在 Windows下進(jìn)行開發(fā)，所以要在 Windows下模擬Linux的開發(fā)環(huán)境，需要下載cygwin工具，下載地址為 http：／／www.cygwin.com／setup.exe。安裝方法請(qǐng)參考相關(guān)文檔，這里就不贅述了。同樣也需要Android的NDK套件，下載地址為 http：／／developer.android.com／sdk／ndk／index.html；可以選擇最新的版本下載，下載完畢，直接解壓到同一路徑下。然后在cygwin的安裝目錄home／Administrator下的.／bash＿profile文件添加 NDK的路徑，就可以使用NDK下的ndk－build命令了，進(jìn)入samples／hello－jni。在cygwin中調(diào)用ndk－build，如果出現(xiàn)如圖7所示的結(jié)果，則NDK的環(huán)境已經(jīng)搭建成功。

3.2 編寫CAS子系統(tǒng)的makefile

筆者使用的是android－ndk－r7b版本，也是目前最新版本，其交叉編譯器位于其toolchains／arm－linux－androideabi－4.4.3／prebuilt／windows／arm－linux－android／bin中，庫的頭文件位于／platforms／android－xx／arch－arm／usr／include中，庫位于 platform／android－xx／arch－arm／usr／lib中。知道了編譯器和C庫的頭文件，就可以容易地編寫出makefile。在編寫makefile時(shí)需要注意，若用到了posix的pthread庫，則需要添加“LDFLAGS＋＝－lpthread”，否則在執(zhí)行鏈接的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。編譯完成之后如圖8所示。

圖7 搭建成功后的顯示內(nèi)容

圖8 編譯完成后的顯示結(jié)果

3.3 實(shí)現(xiàn)CAS子系統(tǒng)的JNI接口函數(shù)

因?yàn)镃AS子系統(tǒng)提供給外部使用的API達(dá)20多個(gè)，這里以CASTB＿GetVersion（）函數(shù)為例，其他都是如此實(shí)現(xiàn)。新建一個(gè)文件夾，命名為STBCA，在文件下建立兩個(gè)文件夾分別命名為JNI和SRC。JNI存放為CAS的JNI本地 API，源文件為castb＿api＿jni.c；SRC存放的是上層JAVA應(yīng)用程序，根據(jù)JNI標(biāo)準(zhǔn)則需把CASTB＿GetVersion（）定義為“Java＿com＿jpf＿stbca＿STBCA＿CASTB＿Get－Version（）；”。只要調(diào)用3.2小節(jié)的中l(wèi)ibCAS.a庫中的源函數(shù)就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原函數(shù)的包裝，在同一目錄下添加android.mk，內(nèi)容如下所示：

通過3.1小節(jié)的步驟就可以生成cas＿jni.so庫，上層如果要調(diào)用cas＿jni.so庫中的函數(shù)只要在JAVA文件中聲明 public native CASTB＿GetVersion（）函數(shù)，且使用“static｛system.loadlibrary（"cas＿jni"）；｝”把動(dòng)態(tài)庫加載到連接器中，就完成了全部的設(shè)計(jì)。通過實(shí)踐，負(fù)責(zé)上層軟件編寫的同時(shí)能夠無縫地實(shí)現(xiàn)CAS系統(tǒng)API的調(diào)用。

結(jié) 語

本文詳細(xì)闡述了CAS子系統(tǒng)的開發(fā)過程和Android系統(tǒng)移植。在Android機(jī)頂盒的開發(fā)過程中，使用的是華為的H3716C平臺(tái)，筆者承擔(dān)了CAS系統(tǒng)和PSI／SI節(jié)目表解析的開發(fā)與移植。使用此CAS子系統(tǒng)播放加密節(jié)目，持續(xù)穩(wěn)定地播放一周而且沒有出現(xiàn)馬賽克或卡現(xiàn)象，說明此CAS子系統(tǒng)比較穩(wěn)定。但CAS是一套功能完整的獨(dú)立系統(tǒng)，而筆者只是重點(diǎn)探討解密的過程，許多其他功能未有涉及，若想深入了解CAS系統(tǒng)，請(qǐng)參考CAS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ANSI ISO／IEC 13818－1－2000信息技術(shù).移動(dòng)畫面和相關(guān)音頻信息的通用編碼系統(tǒng)［S］.

［2］Download the Android NDK［OL］.［2012－03］.http：／／developer.android.com／sdk／ndk／index.html.

［3］韓超，梁泉.Android系統(tǒng)原理及開發(fā)要點(diǎn)詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.