CN101442656B

CN101442656B - 一种机卡间安全通信的方法及系统

Info

Publication number: CN101442656B
Application number: CN 200810148066
Authority: CN
Inventors: 肖红跃; 王孙谷; 周明权
Original assignee: Chengdu Westone Information Industry Inc
Current assignee: Chengdu Westone Information Industry Inc
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: CN101442656A

Abstract

本发明适用于数字电视领域，提供了一种机卡间安全通信的方法及系统，所述方法将终端设备与用户卡之间的安全通信分为两个阶段完成：第一阶段机卡通信双方之间相互认证和建立安全通道，第二阶段是利用安全通道进行密钥等机密数据的传输，从而可以有效地保证机卡之间通信的安全性。

Description

一种机卡间安全通信的方法及系统

技术领域

本发明属于数字电视领域，尤其涉及一种机卡间安全通信的方法及系统。

背景技术

在目前数字电视系统或手机电视系统中，机卡(即终端设备和用户卡)分离是CA系统主要推广模式，采用接收设备与授权卡分离不仅有利于数字电视产业长期发展，对于运营商和用户来说在选择系统和设备也更加具有灵活性和自主性，所以采用机卡分离代表数字电视未来绝对发展方向。

无论是基于大卡方式还是基于小卡方式分离，都涉及机卡之间传输一些敏感数据，所以需要有一种安全措施来保护机卡之间数据传输的安全。如果是大卡方式，机卡之间需要保护实时传输的节目流；如果是小卡方式，机卡之间需要保护机卡之间传输的控制字(CW)。

由于目前机卡之间缺乏有效的保护措施，使得目前针对机卡之间通信的攻击和破解较多，非法用户很容易在机卡之间窃取节目流或CW等敏感数据，然后将他们实时在网络上共享，使得没有授权的用户也能够方便接收到这些节目，严重损害运营商的合法利益。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种机卡间安全通信的方法，旨在解决现有对机卡间机密数据的传输缺乏有效的保护机制，解决机卡间的通信得不到安全保障的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种机卡间安全通信的方法，所述方法包括下述步骤：

A、用户卡产生随机数，并使用预存的服务运营商分发的通信共享密钥CSK对所述随机数加密后，发送给终端设备，或终端设备产生随机数，并使用预存的服务运营商分发的通信共享密钥CSK对所述随机数加密后，发送给用户卡；

B、终端设备使用预存的服务运营商分发的通信共享密钥CSK解密获得所述随机数明文，并将所述随机数明文经散列运算后所得的数据发送给用户卡，或用户卡使用预存的服务运营商分发的通信共享密钥CSK解密获得所述随机数明文，并将所述随机数明文经散列运算后所得的数据发送给终端设备；

C、用户卡将所述产生的随机数经散列运算所得值与接收的数据比较，相同时，则将所述随机数作为机卡之间数据安全传输的通道保护密钥CPK，并建立机卡间通信的安全通道，并向终端设备发送通道建立消息，或终端设备将所述产生的随机数经散列运算所得值与接收的数据比较，相同时，则将所述随机数作为机卡之间数据安全传输的通道保护密钥CPK，并建立机卡间通信的安全通道，并向用户卡发送通道建立消息，所述安全通道的参数至少包括机卡通信双方的身份ID、与所述安全通道对应的通道保护密钥CPK、通道状态、通道生命周期及通道建立时间信息，所述消息携带有所述安全通道的参数信息；

D、终端设备和用户卡采用所述安全通道传输机密数据，并采用所述通道保护密钥CPK保护机密数据。

所述随机数的个数为1个或多个。

所述随机数的个数为2个。

设所述2个随机数分别为R1和R2，则：

所述步骤A中，用户卡采用分组密钥算法，以CSK为密钥，对R1和R2级联后的数据(R1‖R2)加密后，发送给终端设备，或终端设备采用分组密钥算法，以CSK为密钥，对R1和R2级联后的数据加密后，发送给用户卡；

所述步骤B中，终端设备采用HASH算法对解密后获得的(R1‖R2)进行散列运算，得RH＝H(R1‖R2)＝RH1‖RH2，并将RH2发送给用户卡，或用户卡采用HASH算法对解密后获得的(R1‖R2)进行散列运算，得RH＝H(R1‖R2)＝RH1‖RH2，并将RH2发送给终端设备；

所述步骤C中，用户卡将采用HASH算法对本地产生的(R1‖R2)运算所得的RH2与接收终端设备发送的RH2进行比较，如果相同，则将R1作为CPK，或终端设备采用HASH算法对本地产生的(R1‖R2)运算所得的RH2与接收用户卡发送的RH2进行比较，如果相同，则将R1作为CPK。

在所述步骤C中，当比较的结果为不相同时，用户卡或终端设备停止与对方的通信，或者进行下述步骤；

用户卡或终端设备产生注册请求消息，并由终端设备发送给服务运营商，所述消息包括终端设备和用户卡双方的身份ID信息；

运营商根据所述ID信息对终端设备和用户卡进行验证，并在验证通过后，产生新的CSK，并分别使用所述终端设备的终端设备密钥TDK和所述用户卡的公钥加密后，一起发送给所述终端设备；

终端设备使用预存的终端设备密钥TDK解密获得所述CSK，并将接收的数据中使用用户卡的公钥加密的数据部分传送给用户卡，用户卡采用预存的私钥解密获得CSK，或者，终端设备将接收的数据均传送给用户卡，用户卡采用预存的私钥解密获得CSK后，将其中使用所述终端设备密钥TDK加密的数据部分传送给终端设备，终端设备再使用预存的终端设备密钥TDK解密获得CSK；

用户卡或终端设备返回进行所述步骤A；

所述终端设备密钥TDK由所述服务运营商在对终端设备初始化时写入终端设备。

所述方法还包括：

终端设备和/或用户卡根据所述安全通道的参数及双方通信的状况对安全通道实时监控；

当安全通道受到成胁或安全通道生命周期结束时，终端设备和用户卡之间将重新协商建立新的安全通道，并在建立新的安全通道前停止传输机密数据。

终端设备每次开机时，或者终端设备更换用户卡或用户卡更换终端设备后，终端设备或用户卡均要进行所述步骤A、B、C；用户卡和终端设备中只保存当前有效的CSK。

本发明的另一目的在于：提供一种机卡间安全通信的系统，所述系统包括：

随机数生成单元，用于产生1个或多个随机数并输出；

密钥存储单元，用于存储通信共享密钥CSK及通道保护密钥CPK；

数据处理及控制单元，用于控制所述随机数生成单元产生随机数，接收其产生的随机数并输出，及计算所述1个或多个随机数级联后的散列运算结果并输出，及将接收的散列运算结果与本地计算的散列运算结果进行比较，若二者相同，则设置所述1个随机数或多个随机数中的1个或多个作为通道保护密钥CPK，并存入所述密钥存储单元，及建立通信安全通道，生成包括有所述安全通道的参数信息的安全通道建立消息并输出，及从接收的安全通道建立消息中获取安全通道的参数信息，将其中的通道保护密钥CPK信息存入所述密钥存储单元；

加/解密单元，用于根据所述密钥存储单元中的通信共享密钥CSK对所述数据处理及控制单元输出的随机数进行加密后输出，及使用所述通信共享密钥CSK对接收的加密过的随机数数据进行解密后输出给所述数据处理及控制单元；以及

数据收发单元，用于将所述加/解密单元输出的加密后的随机数数据、所述数据处理及控制单元输出的安全通道建立消息及散列运算结果发送给通信对方，及接收通信对方发送的加密过的随机数数据输出给所述加/解密单元，及接收通信对方发送的安全通道建立消息及散列运算结果输出给所述数据处理及控制单元；

所述安全通道的参数信息包括机卡通信双方的身份ID、对应的通道保护密钥CPK、通道状态、通道生命周期及通道建立时间。

所述随机数的个数为2个；所述散列运算具体为HASH运算。

本发明的另一目的在于：提供一种包含如上所述的机卡间安全通信系统的终端设备。

本发明的突出优点是：本发明通过将终端设备与用户卡之间的安全通信分为两个阶段完成：第一阶段机卡通信双方之间相互认证和建立安全通道，第二阶段是利用安全通道进行密钥等机密数据的传输，从而可以有效地保证机卡之间通信的安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机卡间安全通信的方法的实现流程图；

图2是本发明实施例提供的机卡间安全通信系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的机卡间安全通信的方法及系统将终端设备与用户卡之间的安全通信分为两个阶段完成：第一阶段机卡通信双方之间相互认证和建立安全通道，第二阶段是利用安全通道进行密钥等机密数据的传输，从而可以有效地保证机卡之间通信的安全性。

图1示出了本发明实施例提供的机卡间安全通信的方法的实现流程，以用户卡先发起安全通道协商为例，详述如下：

1、用户卡产生两个随机数R1和R2。

2、用户卡采用预存于卡中的通信共享密钥(Communicate Share Key，CSK)加密R1和R2的级联数据，得R’＝E_CSK(R1‖R2)。

3、用户卡将加密后的数据R’传输给终端设备。

4、终端设备利用预存于设备中的CSK解密数据R’，获得明文(R1‖R2)。

5、终端设备对(R1‖R2)进行散列运算，在本发明实施例中，终端设备采用HASH算法对(R1‖R2)进行运算，得RH＝H(R1‖R2)＝RH1‖RH2。

6、终端设备将散列运算结果回传给用户卡，在本发明实施例中，是将RH2回传给用户卡。

7、用户卡处也会计算(R1‖R2)的散列值，并将本地计算所得的散列运算结果与接收终端设备回传的散列运算结果比较是否相同，在本发明实施例中，则是比较本地计算的RH2与接收的RH2是否相同。

8、如果相同，用户卡即可判定其与终端设备的CSK是相同的，也即可判定该终端设备属于有效和合法的设备，从而，用户卡便可将数据R1作为机卡之间数据安全传输的通道保护密钥(Channels Protection Key，CPK)，即CPK＝R1。

9、在确定了CPK后，用户卡便可在机卡间建立安全通道，所述安全通道的参数包括通信双方的身份ID、对应的CPK、通道状态、通道生命周期及通道建立时间等，用户卡向终端设备发送安全通道建立消息，该消息包括所述安全通道的参数信息。

在第二阶段中，基于机卡通信双方成功建立的安全通道，终端设备可以向用户卡请求机密数据(如实时节目流保护密钥(TEK)、下载或点播节目保护密钥(CEK)等)，用户卡也可以主动向终端设备发送机密数据(包括更新TEK或CEK等)。双方必须是基于建立的安全通道来传输机密数据，并且要使用CPK保护传输的内容。在安全通道建立后，终端设备和/或用户卡将根据所述安全通道的参数、通信情况等实时监控安全通道的到期时间、通道状态及通道是否受到威胁等。

上述第二个阶段的数据通信必须是在第一个阶段完成后才能进行，但不必在第一阶段结束后立即启动第二个阶段。第一阶段既可以是由用户卡发起，也可以是由终端设备主动发起，而何时启动第一个阶段则是由终端设备或用户卡本地策略决定，但要求在以下两种情况下必须重新建立安全通道：一种情况是双方认为当前安全通道已经受到威胁；另一种情况是当前安全通道生命周期结束。当前安全通道生命周期结束后新的安全通道未建立之前，可以终止第二阶段的数据通信。机卡之间在同一时刻只有一条安全通信通道。

在本发明实施例中，上述R1、R2均为128bit二进制随机数，R’为256bit的密文随机数，RH1、RH2均为128bit散列值，RH为256bit散列值。

在本发明的另一个实施例中，在上述第一阶段中，用于验证双方的CSK是否相同的随机数个数也可以为1个或2个或更多。当发起方只产生1个随机数时，则在验证通过后即将该随机数作为CPK；当发起方产生多个随机数时，则在验证通过后可选择其中的1个或多个作为CPK。

终端设备每次开机时，设备/用户卡都需要用预存的CSK验证用户卡/设备是否处于有效和合法的状态。如果处于有效、合法状态，便在双方之间协商CPK，并建立一条安全通道用于内容解密密钥的传输。当更换用户卡或更换终端设备后，也需要重新验证终端设备或用户卡的有效性。用户卡和终端设备中只需要保存当前有效的CSK，一旦更换卡或更换设备后，原有的CSK将自动失效。

如果发起方发现对方处于无效状态，则发起方需要向服务运营商重新注册申请CSK，然后用户卡或终端设备再次验证对方的状态，或者发起方拒绝再与对方协商。

服务运营商在给用户卡初始化时，服务端系统将为用户卡加载密码算法，包括：用于授权信息解密和保护机卡通信数据传输的分组密码算法(用符号E表示)、用于保护机卡通信共享密钥CSK分发或用于数字签名的非对称密码算法(用符号PE表示)，以及HASH算法(用符号H表示)。

系统会为每张用户卡产生和分配唯一的TID，并向卡中写入服务端标志SID和终端标志TID；用户卡则将产生终端非对称密钥对(包括私钥TIK_pub和公钥TIK_pub)，并将TIK_pub录入服务端系统的数据库。

服务运营商在给终端设备初始化时，服务端系统将为终端设备加载机卡通信保护使用的分组密码算法以及用于数字媒体解密(扰)用的序列密码算法。服务端系统将产生终端设备密钥(TDK)，并写入到终端设备中。

用户持用户卡和移动终端设备向服务运营商离线或在线申请注册时，服务端密码系统将向用户卡和终端设备分发机卡通信共享密钥CSK，其中，发给终端设备的CSK将由服务端系统使用该终端的TDK加密保护后再给该终端设备，发给用户卡的CSK则由服务端系统使用该用户的公钥(TIK_pub)加密保护后再给该用户。

当终端设备和用户卡在协商建立安全通道的过程中发现双方的CSK不相同时，以终端设备先发起协商的情形为例，终端设备先获取用户卡的身份ID，再向服务运营商发送注册请求消息，该消息包括终端设备和用户卡双方的身份ID信息。服务端系统将根据终端设备和用户卡的身份ID在本地数据库中验证他们的合法性和有效性，在通过验证后，则产生新的CSK，并分别用该终端的TDK和该用户的公钥加密后，一起发送给该终端设备，再由该终端设备将其中经该用户的公钥加密的CSK数据转发给用户卡。终端设备和用户卡分别使用TDK和私钥解密获得新申请的CSK后，再重新协商建立安全通道。

图2示出了本发明实施例提供的机卡间安全通信系统的结构，所述系统既可以包含在终端设备中，也可以包含在用户卡中，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，这些部分可以是软件、硬件或软硬件结合的单元。

作为发起方，数据处理及控制单元24控制随机数生成单元25产生1个或多个随机数，并一方面将所述随机数发送给加/解密单元22，控制加/解密单元22使用密钥存储单元21中存储的CSK对所述随机数加密后，由数据收发单元23发送给对方，另一方面，数据处理及控制单元24计算所述1个或多个随机数级联后的散列值，在本发明实施例中，是计算其HASH值。

数据收发单元23接收对方发送的散列运算后的数据并发送给数据处理及控制单元24，数据处理及控制单元24则将该数据与本地散列运算所得的数据进行比较，若两者相同，则将所述随机数生成单元25产生的随机数中的1个或多个设置为CPK，同时，建立与对方的通信安全通道，并控制数据收发单元23向对方发送安全通道建立消息，该消息包括通信双方的身份ID、对应的CPK、通道状态、通道生命周期及通道建立时间等所述安全通道的参数信息。

作为发起方的对方，数据收发单元23接收发起方发送的加密后的随机数数据，由加/解密单元22使用密钥存储单元21中存储的CSK对所述加密后的随机数数据进行解密，获得随机数明文，发送给数据处理及控制单元24，数据处理及控制单元24对该随机数进行散列运算，并控制数据收发单元23将计算所得的数据发送给发送方，此外，数据处理及控制单元24还从数据收发单元23接收的安全通道建立消息中获取新建的安全通道的各参数信息，将其中的CPK等信息存入密钥存储单元21。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种机卡间安全通信的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

2.如权利要求1所述的机卡间安全通信的方法，其特征在于，所述随机数的个数为1个或多个。

3.如权利要求2所述的机卡间安全通信的方法，其特征在于，所述随机数的个数为2个。

4.如权利要求3所述的机卡间安全通信的方法，其特征在于，设所述2个随机数分别为R1和R2，则：

5.如权利要求1所述的机卡间安全通信的方法，其特征在于，在所述步骤C中，当比较的结果为不相同时，用户卡或终端设备停止与对方的通信，或者进行下述步骤：

用户卡或终端设备产生注册请求消息，并由终端设备发送给服务运营商，所述消息包括终端设备和用户卡双方的身份1D信息；

用户卡或终端设备返回进行所述步骤A；

6.如权利要求1所述的机卡间安全通信的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当安全通道受到威胁或安全通道生命周期结束时，终端设备和用户卡之间将重新协商建立新的安全通道，并在建立新的安全通道前停止传输机密数据。

7.如权利要求1所述的机卡间安全通信的方法，其特征在于，终端设备每次开机时，或者终端设备更换用户卡或用户卡更换终端设备后，终端设备或用户卡均要进行所述步骤A、B、C；用户卡和终端设备中只保存当前有效的CSK。

8.一种机卡间安全通信的系统、其特征在于，所述系统包括：

随机数生成单元，用于产生1个或多个随机数并输出；

9.如权利要求8所述的机卡间安全通信的系统，其特征在于，所述随机数的个数为2个；所述散列运算具体为HASH运算。

10.一种包含如权利要求8所述的机卡间安全通信系统的终端设备。