CN101026746A

CN101026746A - 一种在数字电视程序流中实时插入签名和验证签名的方法

Info

Publication number: CN101026746A
Application number: CN 200610008147
Authority: CN
Inventors: 尚铭; 荆继武; 许良玉; 王晶
Original assignee: China National Software & Service Co ltd; University of Chinese Academy of Sciences
Current assignee: China National Software & Service Co ltd; University of Chinese Academy of Sciences
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-08-29

Abstract

本发明公开了一种在MPEG2(运动图像专家组2)程序流里加入数字签名和验证签名的技术。该方法利用程序流中PS(程序流)包和PES(打包基本流)包的格式以及PES包间的关联关系，对程序流分段签名，并将签名插入到程序流中，在程序流播放时验证签名。

Description

一种在数字电视程序流中实时插入签名和验证签名的方法

技术领域

本发明涉及基于MPEG2(运动图像专家组2)PS(程序流)技术，具体涉及一种在基于MPEG2的程序流中加入数字签名和验证签名的技术。

背景技术

MPEG2标准以及该标准的产品的出现及其迅速发展，无疑给人们的生活带来了深刻的影响。根据统计，在我国，DVD-V的品种、数量连续几年大幅增长，2002年，发行品种比上一年增长249.7％，发行数量增长614.4％，达到1809.69万张；2003年，品种比上年增长69.49％，数量增长168.26％，达到4851.92万张。这种爆炸式的发展趋势表明，DVD-V将会迅速取代VCD成为家庭娱乐的主要载体。

DVD-V技术的发展和市场的扩大，使得制造DVD-V的成本大大减少，制作DVD-V的设备唾手可得。于是一些非法的组织趁虚而入，大量发行含有非法内容的DVD-V碟片，极大地破坏了DVD-V市场的健康发展。然而，对于这种非法DVD-V碟片，目前的DVD-V技术并不能很好地防止，而只能通过立法和人工干预的传统方式去规范市场，这无疑浪费了巨大的人力物力。由于市场的分散性，这种传统的方式很难从根本上制止非法DVD-V的制作和从市场上彻底清除DVD-V碟片。即使在市场上查出这种非法的DVD-V碟片，也很难追溯出制作出这些碟片的组织。

另外，一些非法机构未经允许，擅自录制付费电视台提供的节目，制作成DVD-V碟片，大量销售，从而构成对电视节目提供商的版权的侵犯。一些其他形式的转录DVD-V碟片的行为也使得原作品的版权受到侵害。而对于这种行为，也很难追查出侵权的机构。同样，现有的技术和传统的方法很难防止这些违法的行为。

发明内容

本发明致力于提供一种在PS(程序流)流中加入数字签名的方法，并配合DVD-V播放机生产厂商在其产品中加入数字签名验证模块，可以达到阻止非授权机构生产非法DVD-V碟片的目的，并有效地防止数字电视的有偿接收内容被非法复制到DVD-V碟片上而大肆传播。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种在Mpeg2程序流中实时插入签名的方法包含：

A、首先，签名端获取程序流的信息，所述程序流PS由PS包组成，所述PS包由多个打包基本流PES包构成，所述PES包至少包含音频PES包，视频PES包，数据PES包和包含映射表的PES包；然后以包含设定数目基本PES包的程序流为一段，对该段程序流中的基本PES包进行签名，并且把签名插入程序流中并发送。

步骤A中所述插入签名为：一段程序流发送完成后，将对该段程序流的签名结果打包成签名PES包，并紧接在该段程序流之后发送出去，签名PES包发送完成后再继续发送下一段程序流。

所述步骤A包括以下步骤：

A1、签名端由最初始接收到的一段程序流中包含节目映射表的程序流PES包中获取程序流的信息；

A2、以设定数目基本PES包的程序流为一段，把该段中的PES包发送出去，并且发送头PES包作为分段的标识；把该段程序流中的基本PES包放入哈希运算单元；

A3、对哈希运算单元中的基本PES包进行哈希运算，并对哈希运算结果进行签名，把签名结果打包成签名PES包，紧接在该段程序流之后发送出去；

A4、进行下一段程序流处理，步骤同所述步骤A2和步骤A3。

一种在PS流中实时验证签名的方法包含：

B、首先，验证端获取程序流的信息，所述程序流至少包含音频PES包、视频PES包、数据PES包、头PES包、签名PES包和包含节目映射表的PES包；然后提取一段程序流的签名，对该段程序流进行验证。

步骤B中所述提取一段程序流的签名并对该签名进行验证为：一段程序流发送出去后，用随后接收到的所述程序流段签名PES包中的签名数据对该段程序流进行验证，如果验证通过，继续发送一下段程序流；如果验证没有通过，下一段程序流段不再发送。

所述步骤B包括以下步骤：

B1、验证端由最初始接收到的一段程序流中包含节目映射表的PES包获取程序流的信息；

B2、获取头PES包，然后以包含设定数目PES包的程序流为一段，把该程序流的PES包发送出去，并把该段程序流的基本PES包放入哈希运算单元，并进行哈希运算；然后查看下一个包是否是签名PES包，如果是签名PES包，接收签名PES包并且验证哈希运算单元中的哈希运算结果是否正确，如果不是签名PES包，清空哈希运算单元，重新获取标志一段程序流起始的头PES包，然后接收设定数目的基本PES包等待验证，所述基本PES包不发送出去，直到基本PES包验证通过，才继续发送后续收到的基本PES包。

所述步骤B之后进一步包括：验证端获取标志一段程序流起始的头PES包，然后接收设定数目的基本PES包等待验证，所述基本PES包不发送出去，直到基本PES包验证通过，才继续发送后续收到的基本PES包。

综上，本发明实现了一种在PS流中加入数字签名和验证签名的方法。

该方法利用了MPEG2标准的可扩展性，核心思想是在原PS流中增加一路自定义基本流来传输数字签名和证书。这种方法安全、难以攻破，因为非法机构无法制造能在改进的DVD-V播放机上使用的DVD-V碟片，也无法在合法的DVD-V碟片上做修改和加入非法内容。

在DVD-V碟片中加入数字签名后，没有经过改进的DVD-V播放机仍能播放。这是为了保护已经购买了原有DVD-V播放机的大量用户的投资。很显然，对于改进的DVD-V播放机来说，加入了合法数字签名的DVD-V碟片应该能毫无影响地播放。新型的DVD-V播放机不能继续播放原有没有加入数字签名的DVD-V碟片。

另外，加入和验证数字签名只需要利用PS包和PES的结构和关系，在程序流中加入一种新的基本PES包——签名PES包，而不需要对程序流做其他改动，所以实现简单。DVD-V碟片制作端，只需要增加一台签名设备，在程序流写入碟片之前进入签名设备进行签名；DVD-V碟片播放端，只需要在DVD-V碟片播放机中增加数字签名验证模块，DVD-V碟片中程序流播放之前先在数字签名验证模块中进行验证，所以对现有设备和技术做的改动很少，成本低。

附图说明

图1是根据本发明的在程序流中加入签名的方案图。

图2是根据本发明的对程序流验证签名的方案图。

图3是根据本发明的在程序流中加入签名的实施例图。

图4是根据本发明的对程序流验证签名的实施例图。

图5是根据本发明的签名PES包的格式图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

为了实现在DVD-V碟片中插入签名以及验证签名的方法，本发明提出，在全国建立一套用于DVD-V的CA(证书认证机构)系统，以及在现有的DVD-V制作设备和播放设备中做少许的改进。在全国建立一套DVD-V CA系统，由政府部门掌握根CA，该根CA向各个合法注册的DVD-V制作厂商颁发数字证书，当然根据效率的需要，也可以建立多级CA的机制。持有合法数字证书的DVD-V制作厂商在制作DVD-V碟片时，使用私钥对程序流分段进行签名，并且在碟片中插入数字证书和数字签名。插入的方法为，把数字证书和数字签名打包成标准的程序流PES包——签名PES包，在一段被签名的程序流发送出去之后发送该段程序流的签名PES包。该插入方法对于现有播放机是无扰的，也就是说，该碟片在未经过改进的DVD-V播放机上仍然能够使用。制作DVD-V播放机的厂商需要改进现有的DVD-V播放机。在改进的DVD播放机中，加入了数字签名验证模块，对于未经过签名或签名错误的碟片，播放机拒绝播放。所述数字签名验证模块可位于DVD播放机的播放模块之前，即数字签名模块先接收程序流，对其进行验证，程序流通过验证后，才会被发送至播放模块。通过迅速建立全国DVD-V CA系统、强制DVD-V制作厂商在碟片中加入数字签名和证书、强制DVD-V播放机生产厂商加入数字签名验证模块，从而逐步形成规范、健康的DVD-V市场。

图1是根据本发明的在程序流中加入签名的方案图。

在DVD-V碟片制作端中的签名设备中，初始接收程序流时，通过分析最初始接收到的包含映射表的程序流PES包，获取程序流的信息：由包含映射表的程序流PES包得知程序流中音频PES包、视频PES包和数据PES包的stream id(包标识)。stream id是同一种类型基本PES包的唯一标识。例如在一个节目的PS流中，所有视频数据的PES包都具有相同的stream id。

然后以特定数目基本PES包为一段程序流，把该段程序流中的包发送出去；并且通过发送头PES包作为对程序流分段的标记；将该段程序流的基本PES包放入哈希运算单元。

一段程序流发送完成后，对哈希运算单元中的基本PES包进行哈希运算，并且对哈希运算结果进行签名。

最后，把签名打包成签名PES包，发送出去。

图2是根据本发明的对程序流验证签名的方案图。

在DVD-V碟片播放机的数字签名验证模块中，首先由最初始接收到的一段程序流中包含映射表的程序流PES包，获取程序流的信息，具体获取方式与图1中所描述的相同，因此不再赘述；

然后获取标志一段程序流起始的头PES包；

接下来以包含特定数目基本PES包的程序流为一段，把一段程序流的包发送出去，并把该段程序流的基本PES包放入哈希运算单元；

一段程序流发送完成后，对哈希运算单元中的基本PES包进行哈希运算。然后查看下一个包是否是签名PES包；如果是签名PES包，接收签名PES包，并且用签名PES包内的签名验证哈希运算单元中的哈希运算结果是否正确，如果正确，继续获取标志一段程序流起始的头PES包，并进行后续处理，如果不正确，清空哈希运算单元，重新获取标志一段程序流起始的头PES包，然后接收特定数目的基本PES包等待验证，所述基本PES包不发送出去，直到基本PES包验证通过，才继续发送后续收到的基本PES包；如果不是签名PES包，清空哈希运算单元，重新获取标志一段程序流起始的头PES包，然后接收特定数目的基本PES包等待验证，所述基本PES包不发送出去，直到基本PES包验证通过，才继续发送后续收到的基本PES包。

图3是根据本发明的在程序流中加入签名的实施例图。

在DVD-V碟片制作端中的签名设备中，首先根据各PES包的识别字段stream id，查看收到的包是否为包含映射表的程序流PES包。如果不是包含映射表的程序流PES包，丢弃该包；如果是，读取包中的内容，然后把所述包含映射表的程序流PES包发送出去。通过读取映射表中的信息得知所述程序流中音频、视频以及数据的PES包的stream id。

继续接收程序流，对收到的包进行分析，收到的包如果是一段程序流中的第一个基本PES包(音频PES包、视频PES包、数据PES包之一或任意的组合)，则发送一个标志起始签名位置的头PES包，然后把所述基本PES包输入哈希运算单元，并且把所述基本PES包发送出去。收到的基本PES包如果不是一段程序流中的第一个基本PES包，则把所述基本PES包输入哈希运算单元，并且把所述基本PES包发送出去。如果收到的是包含映射表的程序流PES包则修改映射表，在映射表里除了音频、数据、视频数据类型外再增加一项——附加数据类型及其stream id记录。签名PES包和头PES包的stream id都为映射表中记录的附加包stream id，通过该stream id可以在程序流中找到签名PES包和头PES包。至于签名PES包和头PES包的区分，可以通过包内的其他字段来实现，具体描述可参见图5的说明。将修改完的包含映射表的程序流PES包发送出去。如果接收到的包是除包含映射表的程序流PES包和音频、视频以及数据之外的PES包，直接发送出去。重复上述步骤，直到接收到一定数目(可以为150个、200个等)的基本PES包为止。然后把所述输入哈希运算单元的特定数目的基本PES包进行哈希运算，得到的结果再进行签名，可以使用RSA(一种非对称加密算法)算法。把签名结果连同DVD-V碟片制作商的证书打包成标准的程序流PES包作为签名PES包，然后发送出去。

然后继续接收下一段程序流，按照与前一段程序流相同的方式进行处理。

图4是根据本发明的对程序流验证签名的实施例图。

在DVD-V碟片播放机的数字签名验证模块中，首先根据各PES包的识别字段stream id，查看收到的包是否为包含映射表的程序流PES包。如果不是，丢弃该包；如果是包含映射表的程序流PES包，读取包中的内容，然后把所述包含映射表的程序流PES包发送出去。通过读取包中的内容，得知音频PES包、视频PES包、数据PES包以及签名PES包和头PES包的stream id。继续接收程序流，如果接收到的是包含映射表的程序流PES包，则发送出去；接收到的是该路节目的音频PES包、视频PES包、数据PES包以及签名PES包则丢弃；一直接收包，直到接收到一个头PES包为止，把接收到的头PES包发送出去。然后继续接收包，如果接收到的是该路节目的音频PES包、视频PES包或数据PES包，放入哈希运算单元，并且把所述包发送出去；如果接收到的是包含映射表的程序流PES包，直接发送出去。直到接收到所述节目特定数目的基本PES包为止，对哈希运算单元中的基本PES包进行哈希运算。继续接收包，如果收到的是签名PES包，则把签名PES包中的签名结果和DVD-V碟片制作商的证书提取出来，对所述证书和哈希运算结果进行验证。如果验证通过，则继续接收程序流按照上述步骤进行后续操作；如果验证不通过，则后续接收到的一定数量的基本数据PES包只做哈希运算，而不发送出去，直到哈希运算结果验证通过，再开始后续操作，把后续收到的程序流发送出去。如果接收到的包不是签名PES包，则把接收到的包丢弃，直到接收到一个头PES包为止。然后把头PES包发送出去，后续接收到的该路节目一段程序流的基本PES包做哈希运算但是不再发送出去，直到哈希运算结果验证正确，再开始后续操作，把后续收到的程序流发送出去。

图5是根据本发明的签名PES包的格式图。

最开始的24bits为PES包的start prefix(前缀)。stream id是在修改PS流映射表时确定的。PES_pack_length(包长度)表示从该字段到该PES包结束的字节数。type(包类型)为了区分数字证书和签名PES包，另外，为了在验证签名时能同步地正确地按加入签名时的顺序，每200个进行一次验证，需要引入另外一种包，称为附加头PES包。因此附加基本流共有三种PES包：头包，签名包，证书包。type可以如下规定：

type值	附加PES包类型
type值	附加PES包类型	0x00	头包
0x01	签名包	0x00	头包
0x01	签名包	0x02	证书包
0x03～0xFF	保留	0x02	证书包

data bytes(数据)为包的内容，如果为头包，可以填入若干字节0xFF。如果为签名包，即把签名的结果依次填入该字段，如果为证书，则把证书字节依次填入该字段。CRC32(循环冗余校正码)是从type开始到data bytes结束的CRC32校验值，加入该校验的目的是为了保证这些关键包的正确性。

上面介绍了一种利用程序流中PS包和PES包的格式以及PES包间的关联关系在DVD-V碟片中的PS流里插入数字签名的方法。可以广泛的使用在所有需要对程序流进行签名插入和验证的系统中。持有合法数字证书的DVD-V制作厂商在制作DVD-V碟片时，在碟片中插入数字证书和数字签名。在改进的DVD播放机中，加入了数字签名验证模块，对于未经过签名或签名错误的碟片，播放机拒绝播放。通过建立全国DVD-V CA系统、强制DVD-V制作厂商在碟片中加入数字签名和证书、强制DVD-V播放机生产厂商加入数字签名验证模块，从而逐步形成规范、健康的DVD-V市场。

因此可以理解，上述仅仅是对本发明精神的展示，而不是限制。

Claims

1、一种在运动图像专家组Mpeg2程序流中实时插入签名的方法，其特征在于，该方法包含：

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A中所述插入签名为：一段程序流发送完成后，将对该段程序流的签名结果打包成签名PES包，并紧接在该段程序流之后发送出去，签名PES包发送完成后再继续发送下一段程序流。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤A包括以下步骤：

A4、进行下一段程序流处理，步骤同所述步骤A2和步骤A3。

4、一种在PS流中实时验证签名的方法，其特征在于，该方法进包括：

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤B中所述提取一段程序流的签名并对该签名进行验证为：一段程序流发送出去后，用随后接收到的所述程序流段签名PES包中的签名数据对该段程序流进行验证，如果验证通过，继续发送一下段程序流；如果验证没有通过，下一段程序流段不再发送。

6、根据权利要求5所述的方法，所述步骤B包括以下步骤：

7、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述步骤B之后进一步包括：验证端获取标志一段程序流起始的头PES包，然后接收设定数目的基本PES包等待验证，所述基本PES包不发送出去，直到基本PES包验证通过，才继续发送后续收到的基本PES包。