數(shù)字電視雙向加密體系結(jié)構(gòu)解決方案＊

魏振鋼，邢 靜，林喜軍，劉秀燕

（中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 ，山東 青島266100）

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)的普及，數(shù)字電視以個性化服務(wù)的優(yōu)勢越來越受到廣大用戶的青睞。數(shù)字電視是1個將節(jié)目從采集、編輯、制作、播出、傳輸、接收全過程都采用數(shù)字方式處理信號的端到端的系統(tǒng)[1]，然而數(shù)字信號傳輸安全問題也就成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。數(shù)字電視的條件接收系統(tǒng)（CA）實(shí)現(xiàn)了增值服務(wù)、擴(kuò)展服務(wù)等有償服務(wù)。條件接收就是通常所說的加密認(rèn)證系統(tǒng)，是數(shù)字電視的核心技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)前端數(shù)據(jù)安全的傳給用戶。

目前國際上主要的條件接收系統(tǒng)有Irdeto公司M－Crypt系統(tǒng)，F(xiàn)rance Telecom 公司的 Vi－access系統(tǒng)，NDS公司的NDS系統(tǒng)，Canal＋的 Mediaguard系統(tǒng)，以及永新同方條件接收系統(tǒng)（TFCAS）等[2]，這些條件接收系統(tǒng)均有相應(yīng)的市場應(yīng)用和各自的特色。在條件接收系統(tǒng)的密碼體系中加密的只是由服務(wù)器到客戶端的數(shù)據(jù)，即單向密碼體系。在條件接收系統(tǒng)單向密碼體系中前端無法獲取用戶端的信息，這就為密碼體系的安全性造成了極大的隱患，可能出現(xiàn)偽造用戶智能卡的情況，導(dǎo)致未經(jīng)授權(quán)的用戶非法觀看電視節(jié)目。為解決這些問題，本文提出了使用基于橢圓曲線的多對一加密認(rèn)證方案的方法實(shí)現(xiàn)回傳數(shù)據(jù)的安全，構(gòu)成了數(shù)字電視雙向密碼體系。基于橢圓曲線的多對一加密認(rèn)證方案具有身份認(rèn)證的功能，因此將其用于數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)構(gòu)成雙向密碼體系能夠有效的防止非法用戶偽造智能卡，保證合法用戶的權(quán)益。

1 數(shù)字電視安全體系分析

隨著數(shù)字電視系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字電視用戶可以按照自己的需求獲取各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括電視購物、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等新業(yè)務(wù)，使電視機(jī)成為名副其實(shí)的信息家電。數(shù)字電視的新功能使廣播業(yè)者投資成本增加，需要向用戶收取一定的費(fèi)用。數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)（CA）能夠使被授權(quán)的用戶獲取付費(fèi)節(jié)目、進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)交互。數(shù)字電視中條件接收系統(tǒng)的加密原理[2－5]（見圖1）。（注：圖中服務(wù)器端到客戶端加密解密過程是為數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)原理，整個圖構(gòu)成了數(shù)字電視的雙向密碼體系，其中（IDA，EKA，S）為提出的使用基于橢圓曲線的多對一加密認(rèn)證算法確定用戶身份及加密過程使用的密鑰。）

圖1 條件接收系統(tǒng)加密原理Fig.1 Conditional access system encryption principle

從服務(wù)器端到客戶端傳送信息的過程如下：

（1）服務(wù)器端加密流程

①控制字（CW）激活加擾器中的偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列對節(jié)目加擾；

②用戶解擾節(jié)目，需要將CW正確無誤的傳送給用戶。使用業(yè)務(wù)密鑰（SK）對CW進(jìn)行加密，加密后的內(nèi)容作為授權(quán)控制信息（ECM）傳送到客戶；

③使用個人分配密鑰（PDK）對SK加密，加密后的內(nèi)容作為授權(quán)管理信息（EMM）傳送到客戶端。

（2）用戶端的解密流程

①首先，用戶端智能卡從接收到的數(shù)據(jù)流中過濾出ECM和EMM；

②然后，智能卡使用PDK對EMM進(jìn)行解密，解密得到SK；

③使用SK對ECM解密，取出CW；

④使用CW對節(jié)目進(jìn)行解擾，經(jīng)授權(quán)的合法用戶可以正常收看經(jīng)過解擾后的節(jié)目。

目前的數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)的單向密碼體系能夠使授權(quán)用戶享受到相應(yīng)的交互業(yè)務(wù)如付費(fèi)節(jié)目、視頻點(diǎn)播等。若用戶需要通過該系統(tǒng)向前端傳送信息，如何保證用戶傳送信息的安全，這就是該密碼體系存在的安全隱患。鑒于數(shù)字電視條件收系統(tǒng)的這種單向密碼體系存在的以上問題，下文中將詳細(xì)介紹使用基于橢圓曲線的多對一加密認(rèn)證算法實(shí)現(xiàn)由客戶端向服務(wù)器端傳送數(shù)據(jù)的過程，即構(gòu)成數(shù)字電視雙向加密系統(tǒng)。

2 多對一加密認(rèn)證算法

多對一加密認(rèn)證，顧名思義就是指1個接收者服務(wù)于多個發(fā)送者，相比于發(fā)送者，服務(wù)器數(shù)量是很少的，每一臺服務(wù)器可以接受來自上百萬發(fā)送者的信息，服務(wù)器只需要保存主密鑰就能解密根據(jù)用戶身份和密鑰生成中心（KGC）發(fā)布的加密密鑰加密的密文。該算法的優(yōu)點(diǎn)[6]有：服務(wù)器的密鑰管理變得簡單，減輕了密鑰管理的負(fù)擔(dān)，且每一個合法的發(fā)送者都擁有1個獨(dú)立的密鑰來構(gòu)造密文，非常容易實(shí)現(xiàn)撤銷發(fā)送者發(fā)送的信息，且不會影響服務(wù)器和其他發(fā)送者的計(jì)算復(fù)雜性。

基于多對一加密認(rèn)證算法的上述優(yōu)點(diǎn)，將多對一加密認(rèn)證算法應(yīng)用到分布式系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價值。當(dāng)涉及需要保密的私密信息，比如在線軟件的注冊和升級，數(shù)字電視付費(fèi)用戶可以進(jìn)行視頻點(diǎn)播或者視頻購物等，在授權(quán)的過程中需要進(jìn)行身份認(rèn)證。利用多對一加密認(rèn)證算法實(shí)現(xiàn)授權(quán)，在保證安全的基礎(chǔ)上還會使過程簡化，節(jié)省資源。

通常，多對一加密認(rèn)證算法由6個函數(shù)描述，圖2展示了用戶與服務(wù)器端安全通信的過程，其中參數(shù)的產(chǎn)生是使用了多對一加密算法中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。分布式系統(tǒng)中的每一個用戶都可以根據(jù)自己的身份信息使用相應(yīng)函數(shù)計(jì)算出自己的加密密鑰EKA，S，使用Encryption函數(shù)將需要加密的信息進(jìn)行加密。而服務(wù)器端根據(jù)自己的身份信息IDs和主密鑰MK即可解密用戶端發(fā)送的信息。多對一加密認(rèn)證算法詳細(xì)介紹[7－11]：

圖2 多對一加密認(rèn)證算法實(shí)現(xiàn)過程Fig.2 Many－to－one encryption and authentication algorithm iplementation process

（1）Setup：該算法把安全參數(shù)K作為輸入，并返回系統(tǒng)參數(shù)Params和MK。Params包括消息空間M和密文空間C的描述。此算法由密鑰生成中心（KGC）執(zhí)行。Params是公開的并且授權(quán)可用，MK被KGC保留為主密鑰。

（2）Private－Key－Extract：該算法以Params和接收者的身份IDs作為輸入，返回1個私鑰SKs。SKs被用來解密和認(rèn)證密文，這個算法由接收者執(zhí)行。

（3）Information－Extract：該函數(shù)以系統(tǒng)參數(shù) Params，私鑰SKs、接收者的身份IDs（可選）作為輸入，返回與該密鑰相關(guān)的信息Infos。該算法由接收者執(zhí)行，并且將Infos在認(rèn)證的通道傳送給KGC。

（4）Encryption－Key－Generation：以定系統(tǒng)參數(shù) K、系統(tǒng)主密鑰 MK、發(fā)送者身份IDA和接收者身份IDS（可選）、與密鑰相關(guān)信息Infos作為輸入，KGC輸出合法發(fā)送者的加密密鑰EKA，S。

（5）Encrypt：以系統(tǒng)參數(shù)Params、發(fā)送者的加密密鑰EKA，S和明文作為輸入，執(zhí)行函數(shù)后輸出密文C。

（6）Decrypt：給定系統(tǒng)參數(shù) Params、私鑰SKs、發(fā)送者身份IDA、接收者身份IDs（可選）和密文作為輸入，接收者輸出相應(yīng)明文或當(dāng)密文不合法時解密錯誤信息。

3 多對一加密認(rèn)證算法實(shí)現(xiàn)雙向密碼體系

數(shù)字電視機(jī)頂盒條件接收功能使合法用戶、付費(fèi)用戶能夠收看或者點(diǎn)播節(jié)目。但是如何保證用戶端向服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)的安全是存在的安全問題。下面以在數(shù)字電視上購物為例，詳細(xì)闡述如何使用多對一加密認(rèn)證算法在條件接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶端傳送數(shù)據(jù)的安全。

（1）首先，密鑰生成中心KGC產(chǎn)生安全參數(shù)k，然后利用Setup函數(shù)產(chǎn)生系統(tǒng)參數(shù)Params和系統(tǒng)主密鑰MK的過程記錄為（Params，MK）＝Setup（k），并為合法發(fā)送和服務(wù)器分配身份信息，分別記為IDA和IDs。

（2）其次，KGC為服務(wù)器產(chǎn)生解密密鑰SKS，隨機(jī)選取，其中

（3）在智能卡發(fā)布之前，首先為智能卡分配1個身份信息，記為IDA，可以用智能卡的序列號作為身份使用，為智能卡分發(fā)加密密鑰。計(jì)算過程：P為群G的生成元，選擇

（4）將IDA和保存到智能卡中。

（5）用戶在電視購物過程中，在向服務(wù)器發(fā)送信息時，客戶端使用智能卡中保存的（IDS， EKA，S）對所要購買的產(chǎn)品ID（下文用M表示）進(jìn)行加密并得到密文：選擇

（6）服務(wù)器接收到密文C后，使用解密算法對其解密，只有當(dāng)密文格式正確且是合法用戶發(fā)送的信息，才能成功解密，M′即為解密后的信息。計(jì)算過程如下：

M′＝vH（a），。如果，服務(wù)器作為合法明文接收M′。

當(dāng)用戶在數(shù)字電視電視上購物時，需要向前端提供自己購買的產(chǎn)品信息，并提交信用卡密碼等，對于一些隱秘?cái)?shù)據(jù)用戶并不希望自己的數(shù)據(jù)以明文形式傳送，因?yàn)檫@樣很容易被非法用戶截獲或篡改，給合法用戶造成損失，而多對一加密和認(rèn)證算法恰好可以解決此問題，該算法用于電視購物不僅保證了用戶向前

端發(fā)送信息的安全性，而且算法本身的特性并不會給服務(wù)器造成大的負(fù)擔(dān)。因此，將多對一加密認(rèn)證算法用于數(shù)字電視購物上具有很大的實(shí)用性。

4 加解密具體實(shí)現(xiàn)過程

多對一加密認(rèn)證方案是使用橢圓曲線上的雙線性映射作為工具，利用基于配對的密碼系統(tǒng)的快速原型PBC庫實(shí)現(xiàn)。PBC提供了雙線性映射循環(huán)群的抽象接口，使程序和數(shù)學(xué)細(xì)節(jié)分離出來[12]。

下面介紹PBC函數(shù)庫實(shí)現(xiàn)計(jì)算過程，并簡單舉一個例子說明如何實(shí)現(xiàn)，PBC庫中void element＿mul＿zn（element＿t c，element＿t a，element＿t z）函數(shù)表示c＝az即a＋a＋…＋a共z個a相加；

void element＿pairing（element＿t out，element＿t int1，element＿t int2）函數(shù)表示out＝e（int1，int2），即實(shí)現(xiàn)int1與int2的配對，并且out必須在循環(huán)群內(nèi)；

void element＿from＿Hash（element＿t e， void＊data， int len）

表示哈希運(yùn)算，從緩存data中取出len字節(jié)長度的值給e；

加密過程使用Encrypt函數(shù)，函數(shù)具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（注：由于該基于橢圓曲線的多對一加密認(rèn)證算法中函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程源代碼較長，不附在此處。）

對基于橢圓曲線的多對一加密認(rèn)證算法的運(yùn)行時間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖3），從圖3可以看出：用時在0.855～0.875ms范圍內(nèi)浮動，該算法用時少、效率高，用于數(shù)字電視的雙向加密體系不會給服務(wù)器增加太多額外的時間延時。

圖3 算法運(yùn)行時間統(tǒng)計(jì)Fig.3 The algorithm running time statistics

4 結(jié)語

本文闡述了數(shù)字電視條件接收系統(tǒng)中單向密碼體系中存在的無法保證用戶端向服務(wù)器發(fā)送安全信息的弊端，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)成一種雙向密碼體系。在雙向密碼體系中，運(yùn)用了多對一加密認(rèn)證算法，多對一加密認(rèn)證算法能夠有效抵制數(shù)字電視信號被非授權(quán)用戶竊取、偽造等安全問題。隨著云電視、智能電視用戶的增加，解決身份認(rèn)證，保證網(wǎng)上信息傳輸安全和網(wǎng)上行為抗抵賴已刻不容緩！

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