CN106559682B - 一种数字电视指纹水印保护的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数字电视指纹水印保护的方法及装置，其中方法包括如下步骤：在CCK更新过程中，可移除的条件访问模块对主机传递过来的解扰后的音视频数据准备进行二次加扰；将可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中，然后可移除的条件访问模块对增加了指纹信息的音视频数据流进行二次加扰后再传递给主机；所述主机对二次加扰后的音视频数据流进行解扰、解码并输出相应的电视节目。本发明可以在不对原系统进行大规模改造的前提下，实现对二次加解扰的保护，同时满足低功耗需求。

Description

一种数字电视指纹水印保护的方法及装置
技术领域
本发明涉及数字电视各模块之间信号传输保护的装置及方法，尤其涉及当机卡分离时，多媒体广播传输中存在的大容量高清或超高清内容通过指纹来进行知识产权保护的装置及方法。
背景技术
目前典型的机卡分离方案中，条件访问模块被设计成一个独立的模块设备，与接收机/主机进行了合理的功能划分及安全分离，可以更好地方便用户更换相关设备，以及简化用户体验。当前支持CI+功能的条件访问模块可以支持二次加扰保护，能够较好地保护运营商或内容提供商的付费内容安全。
其具体的工作流程为前端CA系统使用控制字对内容提供商的明文内容进行加密，并生成对应的ECM/EMM等PSI信息，复用并调制后在广播网上进行传输；接收机/主机在收到广播信号后，解调并输出相应的节目流给条件访问模块；条件访问模块在收到相应的EMM/ECM信息后，与特定CA提供的智能卡进行交互，获得控制字信息，再计算出控制字，解扰器使用控制字解扰后，对节目进行二次加扰，通过CI流接口输出给接收机或主机，并通过CI+协议把二次加扰使用的密钥相关信息，通过CI另外的命令接口也一并输出给接收或主机；接收机/主机收到后，使用二次加扰密钥对流进行解密，得到明文节目流，通过解复用后，解码成图像并输出给显示接口，最终展现给用户观看。
从上述节目内容的处理流程可以发现，对于目前的CA系统来说，在机卡分离系统上，CA系统的管理域在条件访问模块处结束，即CA系统保护的过程，仅包含前端至接收机/主机，再到条件访问模块这个过程，而对于条件访问模块到接收机/主机这个二次加扰过程，再到接收机/主机进行解复用、二次解扰和解码等过程，不属于CA保护的范围。在明文的节目内容保密上，这个过程是由CI+协议负责实现。目前有个别CA系统也可以提供指纹功能，但仅限于前端至接收机/主机，再到条件访问模块这个过程，无法到达CI+协议所保护的二次加解扰过程，并且需要条件访问模块具有较强的解码能力，需要较大的功耗，然而CI+协议规范没有定义具体的指纹功能，来增强保护这一过程中可能存在的盗版问题。需要特别注意的是，在机卡分离系统上，由于条件访问模块无法提供解码能力或者说具备较低的解码能力，现有大多数CA系统并没有提供相关指纹解决方案，或者说没有适用于机卡分离应用场景的解决方案，目前指纹功能大都是单独设计实现的，这就存在一种很常见的情况，内容提供商的内容并没有指纹保护功能，或者说提供的方案不适合机卡分离应用场景，至少在CI+协议所保护的二次加解扰过程中不存相关保护。因此，在现有的机卡分离的场景中，还是存在相应的安全问题有待本领域技术人员去解决。
发明内容
本发明的目的就是为了在尽可能继承现有的广播付费内容分发模式下，既能兼顾现在的广播内容的二次保护机制，又能丰富并扩展前端系统对于内容在传输及接口上的保护要求，提供更安全的指纹保护机制，追踪盗版内容的分发源头，更好地保护了内容提供商或运营商的利益。
为了达到上述目的，提出一种数字电视指纹水印保护的方法，包括如下步骤：
在CCK更新过程中，可移除的条件访问模块对主机传递过来的解扰后的音视频数据准备进行二次加扰；
将可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中，然后可移除的条件访问模块对增加了指纹信息的音视频数据流进行二次加扰后再传递给主机；
所述主机对二次加扰后的音视频数据流进行解扰、解码并输出相应的电视节目。
同时本发明还提出了一种带指纹水印加密的数字电视接收系统，包括主机和可移除的条件访问模块，还包括远程管理模块；所述远程管理模块控制可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息，针对相应的节目命令可移除的条件访问模块将CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中；
所述条件访问模块包括：指纹管理模块，接收所述远程管理模块的指纹加密命令；
指纹操作模块，在密钥生效的一个周期内，根据所述指纹加密命令向解扰后的音视频数据流中相应的节目追加指纹信息；二次加扰模块，对追加了指纹信息的音视频数据流进行二次加扰，并传递给所述主机；所述主机包括协助所述远程管理模块与可移除的条件访问模块之间通讯的无线通讯模块。
本发明进一步在CA系统管理域的边界上，在条件访问模块上定义本地指纹保护功能，为条件访问模块和主机之间的通讯进行保护，利用CI+协议保护条件访问模块与主机之间的二次加解扰过程，同时能够满足相应的低功耗要求，也能够在一定程度上增强保护运营商或内容提供商的利益，无缝衔接现在的产品安全机制。本发明在不需要大规模改造系统的前提下，就可以提供相应的指纹功能嵌入到现有的CI+产品及设备中，降低了实施成本，具有较强的可实施性。
附图说明
图1为现有技术的数字电视系统结构框图；
图2为本发明的数字电视结构框图；
图3为本发明的方法的流程简图；
图4为本发明带PES帧的TS包拷贝示意图；
图5为本发明二次加扰后的TS流的部分结构示意图；
图6为密钥更新及生效的示意图；
图7为不同接收机/主机二次解扰后可视的TS流示意图；
图8为另一种方案下不同接收机/主机二次解扰后可视的TS流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理及方法进行详细说明。
如图1所示，主机/接收机通过互联网接收经CA系统加扰过的音视频数据流，这些音视频数据流需要传递给可移除的条件访问模块进行解扰，然后可移除的条件访问模块进行解扰并二次加扰后传递给主机/接收机，最终主机/接收机进行解扰解码后输出相应的电视节目。在可移除的条件访问模块与主机/接收机进行通讯的过程中，会基于CI+协议动态更新内容控制密钥（Content Control Key内容控制密钥）。
主机（接收机）和可移除的条件访问模块在指定的更新时间段内更新密钥CCK，CCK分为奇偶两个CCK：CCKo, CCKe。一般解扰器/加扰器上至少有两个密钥寄存器保存了当前TS加扰用密钥，分别称之为奇/偶密钥寄存器。在每个时间间隔内（标准默认时间间隔为10秒），奇、偶密钥寄存器交替更新，但在同一时刻，奇、偶密钥寄存器中只有一个生效的加/解密密钥，由TS包头中的TSC标志位指示解扰器/加扰器当前使用哪个密钥对TS包进行二次加扰或解密。
具体的在现有技术中密钥的生成过程为可移除的条件访问模块选取一个256bit随机数，并通过SHA256运算后得到256bit kp，然后通过安全通道发送kp、奇偶状态属性和其它附加信息（如条件访问模块ID）给接收机/主机；然后，接收机/主机回复接收机/主机ID和同步接收成功的附加信息给可移除的条件访问模块；最后，接收机/主机和CAM（可移除的条件访问模块）都基于kp，使用fcc操作生成相同的CCK，并根据奇偶状态位同步更新各自的奇偶密钥寄存器。其中，fcc操作主要包含AES加密及异或运算等操作，不同产品类别定义不同，取决于产品类型。
本发明基于上述这个过程，对主机/接收机与可移除的条件访问模块之间的二次加扰过程进行保护。本发明的工作原理一是增加密钥的复杂度，同时借助CI+协议的动态更新CCK（Content Control Key内容控制密钥）密钥机制生成与CCK相关的指纹信息，并插入到数字电视的音视频数据流中，从而实现对二次加扰的保护。
如图2、图3所示，本发明的指纹水印加密的方法对密钥的生成进行了相应的改进，选取两个或两个以上随机数来生成更多的密钥生成索引，然后根据主机的唯一标识符当前轮询到的位数的取值，从中挑选出当前采用的密钥生成索引，并传递给主机，主机再和可移除的条件访问模块基于该密钥生成索引生成相应的密钥。
相应的，本发明实现指纹水印加密的装置在现有技术的基础上增加了远程管理模块，在可移除的条件访问模块中增加了指纹管理模块和指纹操作模块。在CCK更新过程中，可移除的条件访问模块将主机传递过来的已经解扰的音视频数据流进行二次加扰，在二次加扰之前，远程管理模块将可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中，然后可移除的条件访问模块再进行二次加扰传递给主机，主机对二次加扰后的音视频数据流进行解扰、解码并输出相应的电视节目。
远程管理模块通过主机的无线通讯模块与可移除的条件访问模块进行相应的通讯；可移除的条件访问模块除了常规的CA系统解扰器、CA系统密钥计算模块、二次加扰模块、二次加扰密码工具集等以外，还具有接收远程管理模块指纹加密命令的指纹管理模块，以及根据指纹管理模块接收到的命令，去进行相应指纹操作的指纹操作模块，指纹操作模块，在密钥生效的一个周期内，会根据指纹加密命令向解扰后的音视频数据流中相应的节目追加指纹信息，然后二次加扰模块对追加了指纹信息的音视频数据流进行二次加扰，并传递给主机。
下面以生成两个随机数来进行举例说明本发明方法的详细步骤和装置各部件的作用，在CCK密钥更新阶段，条件访问模块随机选取两个256bit的随机数nonce：r0和r1，并分别通过SHA256运算后得到两个256bit的密钥生成索引kp：kp0和kp1，并计算生成对应的CCK密钥：CCK0和CCK1，根据当前CI+认证所获得的主机的唯一的标识符（HOST_ID）的位码表示（总共64bit），对标识符进行按位读取，如果当前读取的第i（0 <= i <= 63）位为0，则发送kp0给接收机/主机，否则发送kp1（从接到管理模块插入指纹的指示时刻开始，从HOST_ID的第0位开始扫描HOST_ID，扫描完64bit后，下一次重新从第0位开始扫描），双方同步生成对应的密钥CCK（即CCK0或CCK1）。
如图6所示，假定之前生成的为CCK0，则接下来的这个时间间隔内CCK0有效，若此时指纹管理模块受远程管理模块的指示，需要加入指纹操作时，指纹操作模块根据指纹管理模块所指示的节目信息，缓存当前接收机/主机传递过来的音视频数据流，在密钥CCK0生效的这个周期内，可移除的条件访问模块将音视频数据流中的节目视频码流过滤出来，并进行PES帧级解码成多个TS包，分两种方案：
1）找出一个PES帧所在的所有TS包，并复制一份，按顺序排列插在原始版本的TS包后面，如附图4所示。在所有TS包中插入指纹信息，同时调整被复制的TS包（即原始TS包）或复制的TS包，使得当前没有被选取发送的密钥生成索引所对应的被复制的TS包（即原始TS包）或复制的TS包无效。（见图7），图7中为了便于说明，这里假设了一个PES帧占用一个加扰周期，实际情况可以类推，图中右边条纹色为无效空包，里面为随机值。
2）直接在TS包中插入与被选取发送的密钥生成索引所对应的相关指纹信息。（见图8）
最后对新的节目视频码流，利用密钥进行二次加扰。
具体的，条件访问模块是针对图像编码扩展后的user_data进行填充，填充利用私有算法对当前使用的密钥CCK进行计算生成的加密字节，或直接填充加密过的密钥生成索引kp作为指纹信息，而无论是CCK还是kp本身都是与当前主机的唯一的标识符相关联的，因此实现了向音视频数据流中插入了与当前主机相关联的且与密钥相关联的指纹信息。可以说指纹信息是通过不同的二次加扰密钥CCK（content control key，内容控制密钥）序列或其变形序列，对不同的接收机/主机标识符进行标识。此外，除了拷贝相应的TS包来插入指纹信息，还可以采用插入新包的方式来插入指纹信息。
由于条件访问模块已知接收机/主机将使用哪个密钥CCK（本实施例为CCK0或CCK1）进行二次解扰，也就知道最终原始TS包和拷贝TS包两者哪个能够被接收机/主机正确解扰出来，如有必要，继续调整不能被接收机/主机正确解扰的TS包所对应的CC，并置其PID为0x1FFF，进行复用并调整PCR，再传送给接收机/主机，最终加扰后的码流如附图5所示，图5中假设HOST_ID = 010110b，一幅PES帧只占用两个TS包。
最终，条件访问模块把对应的CAM_ID（条件访问模块标识符）、HOST_ID、节目信息，视频原始流PID号，以及变化的CCK作为一个记录加密发送到远程管理模块，远程管理模块以64个记录为一组进行保存备份，以备后续出现版权纠纷时进行核查。对于原始控制字解扰后的二次加扰内容，不但能够继承原有的CI+强大内容保护功能，实现内容的机密保护，还能较好地实现数字指纹功能，能够有效地识别接收机/主机二次解扰后盗版输出的节目内容。
为了减少信息的存储量及通信量，可以随机开启插入指纹，或者说以固定的间隔插入，或者说在解扰新节目时随机开启指纹功能若干次，这些都可以通过远程管理模块进行控制。
不同接收机/主机二次解扰后可视的数据表现如下附图7、图8所示，其中图7二次加扰前的TS流为拷贝了PES帧的TS包，同时调整了原始包或拷贝包，使得当前没有被选取发送的kp0/1所对应的原始/拷贝TS包无效，即置成空包;图8二次加扰前的TS流则是调整了相应的包头（或适配字段），为了便于说明，这里假设一个PES帧刚好占用了一个加扰周期，实际情况可以类推，一个周期可以包含很多PES帧，但它们的原始TS包和拷贝TS包加扰状态一致（要么原始TS包都能够被接收机/主机正确解扰，要么拷贝TS包都能够被接收机/主机正确解扰），我们把一个周期内的这种加扰状态表示成一个64bit指纹中的一位，因此总共需要连续64个周期的加扰状态才能完整表示一个指纹。
在需要验证指纹时，通过盗版标的内容查找出当前的节目信息，再通过节目信息找出数据库中的指纹记录，找出CCK系列二次加扰密钥，并使用私有算法生成填充数据，与盗版标的节目流中的user_data或TS填充数据进行对比，并根据空包排列使用CCK0或CCK1对乱码空包进行解密，再和冗余的另一份数据对比，如果在两种方式对比中，有任何一种基本相同，则基本可以证明使用了CCK1/CCK0进行过二次过扰，通过连续64bit这种CCK1和CCK0排列，即可推算出HOST_ID，再与数据库中备份的HOST_ID进行对比验证，即可以确认出真正盗版的接收机/主机。
以上方案中，为了考虑到CCK的安全不泄露，也可以在备份记录中把CCK0和CCK1更改为保存kp：kp0和kp1，或者nonce：r0和r1。在后续检验盗版标的内容时，直接推导出最终使用的CCK即可。
以上具体实施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种数字电视指纹水印保护的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在CCK更新过程中，可移除的条件访问模块对主机传递过来的解扰后的音视频数据准备进行二次加扰；
将可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中，然后可移除的条件访问模块对增加了指纹信息的音视频数据流进行二次加扰后再传递给主机；
所述主机对二次加扰后的音视频数据流进行解扰、解码并输出相应的电视节目；
所述CCK更新的具体步骤如下：
步骤11：所述可移除的条件访问模块随机选取至少两个随机数，并通过SHA256运算后得到至少2个不同的密钥生成索引；
步骤12：根据主机的唯一的标识符中每一位的取值选取每一次相应的密钥生成索引，并让所述可移除的条件访问模块将密钥生成索引传递给主机；
步骤13：所述可移除的条件访问模块与主机基于相同的密钥生成索引生成相应的密钥。
2.如权利要求1所述的数字电视指纹水印保护的方法，其特征在于，当密钥生成索引为2个时，所述可移除的条件访问模块对获取到的主机的标识符进行逐位扫描，判断标识符的第i位是否为0，0 <= i <= 63，若第i位为0，则发送第一个密钥生成索引给主机，否则发送第二个密钥生成索引给主机；
当扫描到第63位时，所述可移除的条件访问模块重新从第0位开始扫描。
3.如权利要求1所述的数字电视指纹水印保护的方法，其特征在于，所述将可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中具体包括如下步骤：
步骤21：在密钥生效的一个周期内，所述可移除的条件访问模块将音视频数据流中的节目视频码流过滤出来，并进行PES帧级解码成多个TS包；
步骤22：找出一个PES帧所在的所有TS包，并将相应的TS包复制后，将复制后的TS包按顺序插在被复制TS包之后；
步骤23：在被复制的TS包或新包中的user_data中插入指纹信息；调整被复制的TS包或复制的TS包，使得当前没有被选取发送的密钥生成索引所对应的被复制的TS包或复制的TS包无效；或直接在TS包中插入与被选取发送的密钥生成索引所对应的相关指纹信息；
步骤24：对新的节目视频码流，并利用密钥进行二次加扰。
4.如权利要求3所述的数字电视指纹水印保护的方法，其特征在于，所述可移除的条件访问模块将指纹信息填充在TS包针对图像编码扩展后的user_data中。
5.如权利要求1所述的数字电视指纹水印保护的方法，其特征在于，所述指纹信息为通过当前使用的CCK进行计算生成的加密字节，或者为加密过的密钥生成索引。
6.一种带指纹水印加密的数字电视接收系统，包括主机和可移除的条件访问模块，其特征在于，还包括远程管理模块；所述远程管理模块控制可移除的条件访问模块与主机之间的CCK变化的信息，针对相应的节目命令可移除的条件访问模块将CCK变化的信息作为指纹信息扰化在音视频数据流中；
所述条件访问模块包括：
指纹管理模块，接收所述远程管理模块的指纹加密命令；
指纹操作模块，在密钥生效的一个周期内，根据所述指纹加密命令向解扰后的音视频数据流中相应的节目追加指纹信息；
二次加扰模块，对追加了指纹信息的音视频数据流进行二次加扰，并传递给所述主机；
所述主机包括协助所述远程管理模块与可移除的条件访问模块之间通讯的无线通讯模块；
所述指纹信息为通过当前使用的CCK进行计算生成的加密字节，或者为加密过的密钥生成索引。
7.如权利要求6所述的带指纹水印加密的数字电视接收系统，其特征在于，所述加密过的密钥生成索引是由所述远程管理模块根据主机的唯一标识符在至少2个密钥生成索引中选择出来的。
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