引言
隨著數字電視網絡雙向化改造的快速發展，傳統單向廣播網絡環境下的條件接收體系已不能適應于新的雙向網絡環境和業務模式。為進一步推進數字電視產業的快速發展，迫切需要研發出適應于雙向DTV網絡環境和業務模式的安全解決方案，滿足數字電視雙向DTV業務的運營需求和安全需求。
在雙向DTV網絡環境中，內容發布者和終端用戶之間存在兩條傳輸信道，一條傳輸信道是傳統的單向廣播HFC信道，另一條是數字電視網絡雙向化改造后增加的雙向IP信道，如圖1所示。雙向DTV的業務實現中，節目內容打包成MPEG TS流以廣播方式發送給終端用戶，終端用戶與內容提供者之間通過IP通道完成認證授權及許可證申請。
本文基于數字版權管理(DRM)技術提出了一種雙向DTV安全解決方案，可以實現對雙向DTV數字內容端到端的安全傳輸和存儲，并能實現對數字內容權限的使用控制。
圖1 雙向DTV網絡結構
DRM簡介
DRM技術可以實現對數字內容進行描述、識別、保護、監控和跟蹤，以達到在數字內容知識產權的整個生命周期內對其進行保護，可以實現對數字內容端到端的安全傳輸和存儲，并能實現對數字內容權限的使用控制。
實現DRM主要有兩類技術：一類是數字水印技術，另一類是數據加密技術。數字水印技術尚不成熟，并且只能在發現盜版后用于取證或追蹤，不能在事前防止盜版。以數據加密為核心的DRM 技術，核心思想是把數字內容進行加密，只有授權用戶才能得到內容解密的密鑰。
當前國內外多數公司和研究結構的DRM系統都采用基于數據加密的技術。本文也基于數據加密技術，結合數字簽名和證書認證等技術，提出了一種有效地雙向DTV業務的版權保護安全解決方案，可以實現對雙向DTV業務數字內容的管理控制和版權保護。
解決方案
本文提出的雙向DTV DRM安全解決方案，結合證書認證系統(PKI/CA)，通過為終端設備和前端服務器簽發數字證書，并使用數字證書標識和認證系統中各實體身份，在運營商和用戶之間，以及用戶與用戶之間建立可信的信任體系;并設計實現多層密鑰體系，使用非對稱密碼算法進行身份認證、內容密鑰的安全分發和協商，使用對稱密碼算法把數字內容加密為媒體文件密文，并通過直播、點播等業務模式，分發給終端用戶，并控制保障數字內容在終端的合理使用。
系統結構
本文提出的雙向DTV DRM安全方案的系統架構如圖2所示：
圖2 雙向DTV DRM系統架構
本文提出的雙向DTV DRM安全方案由下列模塊組成：
證書中心(CA)：為前端授權管理系統和終端簽發數字證書，建立基于PKI的信任體系;終端和授權管理系統通過證書交換和密鑰協商完成雙向身份認證和安全通道建立;
授權管理系統：為終端生成許可證，并認證終端的身份，并為終端安全授權;
密碼管理系統：生成各種密鑰，并實現內容加密;對于直播內容在線實時加密;對于點播內容，實現離線預加密;
DRM代理：設備中的可信實體，實施對內容的許可和限制，控制內容使用。嚴格按照權限對數字內容進行操作;
內容分發服務器：存儲并管理加密的數字內容，并按照不同業務模式分發內容;
密鑰體系
本文提出的雙向DTV DRM安全解決方案結合PKI非對稱密碼體系，建立了多層密鑰體系。
密鑰體系的最上面兩層是設備公私鑰對和用戶密鑰。對于諸如機頂盒的終端設備，在初始化時生成公私鑰對，私鑰在終端安全存儲，公鑰通過安全通道送到前端CA中心申請終端證書，這樣服務端就維護著終端的設備公鑰或證書。在為用戶分發智能卡時需要初始化智能卡，并在智能卡內寫入用戶密鑰或域密鑰，并且服務端也維護用戶密鑰/域密鑰和智能卡的對應關系。
對于直接加密內容的密鑰，根據內容類型的不同，采用不同的密鑰體系：
當數據內容是TS流或流文件時，密鑰方案采用類CAS的實時加擾的密鑰體系：首先使用控制字(CW)加擾內容，再使用業務密鑰(SK)加密傳輸CW，加密的CW和節目控制數據被封裝在ECM中，隨內容數據一起廣播。業務密鑰被用戶密鑰(PK)/域密鑰(DK)加密，可以封裝在EMM中廣播下發，或者通過雙向IP信道端對端下發，如圖3所示。
圖3 流媒體的密鑰體系
對于非TS流數據，如圖像、動畫數據等，本方案采用對稱密鑰加密的密鑰體系，使用內容加密密鑰(CEK)直接加密內容數據，內容加密密鑰被封裝在權限對象中使用用戶密鑰(PK)/域密鑰(DK)加密，通過雙向IP通道端對端下發，如圖4所示。
圖4 非流媒體的密鑰體系
數據封裝
本方案針對不同的內容類型，采用不同的數據加密及封裝方式。對于TS流媒體內容，逐個TS報文加密，并只加密TS報文負荷的184字節，并且直接與其它TS流復用進行廣播分發;對于非TS流文件(如動畫、圖片內容)，應連續加密，打包成TS流循環廣播。
業務流程
文本提出的雙向DTV DRM安全方案可以支持直播、點播等多種業務模式。不同的業務模式，具體的業務流程不同;對于直播業務，加密方式和業務流程皆類似于傳統的單向網絡下的電視廣播業務，其中數字內容實時加擾，加擾控制字CW加密封裝在ECM中，業務密鑰加密封裝EMM中，加擾的數字內容和ECM、EMM一起廣播分發。當然，EMM也可通過雙向IP網絡在線分發。
本文以點播業務為例，簡單說明業務的處理流程：
數字內容在密碼管理系統被預加密，同時把加密密鑰發送給授權管理系統生成權限許可證，并把加密的數字內容發送給內容分發服務器;用戶在終端點播數字內容時，首先向授權管理系統請求此數字內容的權限許可證。此時需要對終端和授權管理系統進行雙向身份認證，并協商會話密鑰，以建立雙方的安全連接;授權管理系統通過連接保護向終端下發點播內容的授權許可證，同時要求內容分發服務器向終端廣播所點播內容;終端DRM代理驗證授權許可證有效性，嚴格按照許可證中的權限許可和限制對內容進行操作，為用戶提供服務。
安全性分析
信任模型
本文提出的雙向DTV DRM安全解決方案采用基于PKI的證書認證體系，每個終端設備初始化時都需要向證書中心申請證書。前端服務器通過驗證終端代理的證書的有效性來認證終端代理的身份，可以實現系統實體之間的可信任性;
內容安全和授權安全
在雙向DTV系統中，數字內容是通過廣播信道下發到終端的，所有終端都可以得到這些數字內容。所以必須保障數字內容不被非授權方訪問，只能被已鑒別和已授權的用戶按照權限適當地訪問。本文提出的方案中，對數字內容進行加密，如流媒體內容使用CW加擾，非流媒體內容使用內容加密密鑰加密，并且加密密鑰對每個內容對象是唯一的，而且版權對象攜帶的加密密鑰也被加密之后進行封裝，只能被指定的終端所訪問。這樣可以實現內容安全和授權安全，有效地防止媒體內容被非授權破解，從而保護內容提供商和用戶的合法權益。
安全連接
在雙向DTV業務中，終端需要在線向授權管理系統請求獲取權限許可證，這就需要避免非法冒充終端或授權管理系統，以避免造成授權給非法終端，或用戶敏感信息丟失。本方案中，終端和授權管理系統建立安全連接，可以實現防止這種攻擊。安全連接的建立過程首先是雙向身份認證，就是通過數字證書交換，雙方分別驗證對方數字證書的有效性，來驗證對方身份的合法性，這樣可以避免冒充終端或授權管理系統的攻擊。然后雙方協商一個臨時會話密鑰，如使用DH密鑰協商協議，這樣權限許可證被加密傳輸到終端，攻擊者不能獲得終端用戶的許可證。這樣保障了終端向授權管理系統在線請求獲取權限許可證的安全性。
結論
本文提出的雙向DTV DRM安全方案，安全性分析表明可以滿足雙向DTV數字內容保護的安全性需求。但隨著雙向DTV系統中業務類型的增加，尤其是大量增值業務的部署運營，雙向DTV系統具有更復雜的安全需求，應該要進一步考慮雙向DTV安全解決方案對全業務的支持，盡可能實現統一的業務安全保障。
隨著三網融合的快速發展，各種互聯網公網業務，如網絡視頻、互聯網電視、視頻化的互聯網服務等，將逐漸滲透到廣電網絡。這些互聯網視音頻業務多是免費提供給廣大用戶，不以內容或節目授權作為獲利手段，所以缺乏完備的業務保護和內容保護，就不能實現對內容的端對端的安全保障。但在廣電網絡下中，數字電視作為重要的宣傳窗口，必須實現對其中的視音頻內容實現全面的安全控制，需要達到NGB所提倡的“可管可控”，所以進入廣電網絡的視音頻業務必須遵循廣電專網下的安全體系，營造安全和諧的電視播放環境。