CN1158202A - 采用智能卡的安全性改进的存取控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种包括用于解密资格信息和数据的解密器的智能卡，通过控制数据流的资格信息部分经过该智能卡的方式形成改进的存取控制。以加密的形式将被解密并用在智能卡中作为诸如密钥生成一类的功能的资格数据再插入来自智能卡的高速输出数据信号中。一种可变延迟器件包括在智能卡中用于在加密的资格数据再次插入到数据流中时进行控制。改变该延迟允许建立再插入数据与数据流中从智能卡输出的其它数据之间的所需定时关系。例如，可使输出数据流中加密的资格数据与输入数据流中存在的其它数据基本上呈现相同的定时关系。

Description

采用智能卡的安全性改 进的存取控制系统
本发明涉及存取控制系统，该系统有一个集成电路(IC)卡，或“灵巧”卡，用来限制对信号处理应用中的信息的存取。诸如付费电视系统之类的系统包括存取控制子系统，限制对某些节目或频道的访问。只有被授权(即付了费)的用户才允许观赏节目。限制访问的一种方法是通过例如对信号扰频或加密来修改信号。扰频通常包括采用诸如移去同步脉冲的方法来修改信号的形式。加密包括根据特定的密码算法修改信号中包括的数据分量。只有授权访问的个人才给予去扰频或解密信号所需要的“密匙”。下面将采用加密和解密来总体代表存取控制技术，包括密码术和扰频。
存取控制系统可能包括一个集成电路(IC)卡或“智能”卡。智能卡是大小与信用卡相同的一种塑料卡，在塑料内嵌入了一个信号处理IC。智能卡插在将信号与卡内的IC相耦合的一个读卡机中。国际标准组织(ISO)的标准7816对IC卡接口作出了规定。ISO标准7816-2特别指出，将通过如图2A所示置于卡表面的八个触点来实现与卡的电接口。触点处的八个信号中的其中六个被定义为VCC(电源电压)、RST(复位信号)、CLK(时钟信号)、GND(接地)、VPP(卡IC中程序设计存储器的程序设计电压)、I/O(串行数据输入/输出)。保留两个触点供将来使用。对智能卡触点分配信号被示于图2B。
智能卡中的IC处理的数据如作为存取控制协议一部分的保密控制信息。IC包括一个控制微机，如摩托罗拉半导体公司的6805处理器，它包括ROM、EEPROM和RAM存储器。该处理器执行各种保密控制功能，包括资格管理和为信号中的加密数据分量的解密产生密钥。
资格管理包括修改存储在卡中说明卡所有人的资格(即用户有权访问的节目和服务)的信息。处理器根据包括在输入信号的资格管理信息(EMM)中的资格信息来加入和删除资格。EMM数据通常指示对某项特定服务的资格，如一个特定频道中的所有节目，或由一项服务提供的特定节目(例如一个特定频道上的电影)。由于EMM涉及相对而言较长的资格，因此EMM通常不频繁出现在信号中。
一旦授权使用一项服务或节目，对该服务或节目的解密只能在产生了解密密钥后发生。密钥是根据也包括在输入信号中的资格控制信息(ECM)来产生的。ECM为处理器执行的密钥产生子程序提供初始数据。当服务提供方每次改变加密密钥时，ECM数据就包括在信号中，使得有资格存取的系统可以产生相应的新解密密钥。为了阻止对加密信号的未授权存取，密钥频繁改变，如每两秒钟改变一次。因此，ECM数据在信号中频繁出现。
EMM和ECM数据通过ISO标准7816接口的串行I/O端传送到智能卡进行处理。串行I/O端也用于将产生的密钥由卡送到视频信号处理通道中的解密单元。解密器对输入信号的数据分量(例如视频和音频数据)解密，采用密钥来产生被解密的(或“明文”)输出信号。解密过程是加密过程的逆过程，例如采用密码算法的逆算法来重新插入同步脉冲或解密数据。被解密的数据由信号处理频道作进一步的处理，来产生适合分别耦合到诸如显像管和扬声器之类的输出装置的视频和音频信号。
在视频信号处理通道中加上解密功能包括向系统加入解密硬件。该硬件可以包括在顾客的电子(CE)装置中，如电视机中，也可以放在独立译码单元中，如分线盒中。包括了解密硬件的CE装置或单独的译码单元被专用于特定的存取控制系统。例如，该硬件可能只适合解密特定类型的加密算法。如果例如由于保密的原因，服务提供方决定改变为一个不同的存取控制系统，这时需要改变解密硬件，即修改CE装置和/或替代译码单元，这是一项很费钱且困难的任务。
另外，在智能卡与使用智能卡的系统之间传送数据为黑客提供了攻击保密系统的机会。由于安全性控制IC被嵌入智能卡中，黑客不能直接访问IC，因而无法破坏保密算法。试图对智能卡去分层来访问IC会破坏IC。然而，黑客能够监视数据在智能卡与系统的其它部分之间的传输。通过监视数据传送，黑客可截取传送到外部解密器的密匙数据，从而损害存取控制系统。类似地，黑客能够监视资格数据向智能卡和自智能卡的传送。通过检测输入到智能卡的资格数据与从智能卡输出的资格信息之间的改变，黑客可获得关于在智能卡中所使用的存取控制算法的信息。
本发明的目的部分在于认识上述问题，部分在于提供解决这些问题的手段。根据本发明的一方面，智能卡处理输入信号的第一和第二信号分量以产生对应的第一和第二处理信号。将第二处理信号与输入信号的第一信号分量组合产生来自智能卡的输出信号。
根据本发明的另一方面，将输入信号的第一信号分量与第二处理信号组合以产生第一信号分量与输出信号中的第二处理分量之间的预定定时关系。
根据本发明的另一方面，在将输入信号的第一信号分量与第二处理信号组合之前将其延迟使得输出信号呈现预定定时关系。
根据本发明的另一方面，预定定时关系基本上与输入信号的第一和第二信号分量间存在的定时关系相同。
根据本发明的另一方面，在与第二处理信号组合之前，输入信号的第一信号分量通过一先进先出存储器延迟，该先进先出存储器包括在智能卡中。
根据本发明的另一方面，输入信号的第一和第二信号分量包括加密信息。第一和第二处理信号包括对应于输入信号的第一和第二信号分量中的加密信息的解密信息。
根据本发明的另一方面，输入信号的第一信号分量包含访问付费服务的加密资格数据，例如付费电视频道，输入信号的第二信号分量包含由访问付费服务提供者提供的加密数据，例如加密的视频或音频数据。
参考附图可以更好地理解本发明：
图1以方框图的形式示出了一个信号处理系统，它包括同时提供资格处理和解密的一个智能卡；
图2A示出了根据ISO标准7816-2在智能卡表面的信号触点的位置；
图2B示出了根据ISO标准7816-2将智能卡接口信号分配给图2A所示的信号触点的情况；
图3示出了包括在由图1所示的系统处理的信号中的数据所呈现的格式；
图4以方框图的形式示出了包括在适合与图1所示的系统一起使用的智能卡中的信号处理功能的一个实施例；
图5至图8示出了在图1所示系统的各种操作模式中信号经过图4所示的智能卡的路径；
包括本发明的一个智能卡存取控制系统的实施例将参考图1方框图所示的示例性视频信号处理系统来进行描述。图1中所示的系统包括可以在各种信号处理系统中发现的信号处理功能。一个特别的例子是由汤姆森消费电子公司研制的DSS直播卫星电视系统。
对包括基于智能卡的存取控制系统的收费电视服务来说，希望获得该服务的用户与服务提供方联系，支付服务费并得到一张智能卡。发给用户的卡中带有初始资格信息，存储在卡的EEPROM中。资格信息可以包括识别用户的数据和指定初始存取资格范围的数据(例如用户付费的持续时间和/或特定节目)。另外，在卡存储器中存储了特定应用密钥产生软件。
存储在卡中的资格信息可以由服务提供方采用插在信号某些部分的资格管理信息(EMM)和资格控制信息(ECM)在远程进行修改。EMM包括指示用户已经付费的预订(长期访问)和现付现看(单个节目访问)服务的信息。通过在EMM数据中包括与存储在特定智能卡中的识别信息相应的识别信息，可以将EMM指示给一个特定的智能卡。ECM包括的数据如产生解密密钥所需要的初始数据。因此，一个特定节目的信号包括含有视频和音频数据的加密数据分量以及含有EMM和ECM的控制信息分量。
当用户希望访问收费电视服务时，图1中的智能卡180被插入读卡机190。读卡机190耦合智能卡180和包括图1中单元100至170的信号处理通道之间的信号。详细地说，读卡机190连接到如ISO标准7816-2所述位于智能卡180表面的8个端子(见图2)。由读卡机190建立的连接在智能卡180和信号处理通道之间产生了接口187。根据下面将要描述的本发明的一个方面，接口187中的八个信号包括信号184，即智能卡180的一个高速数据输入/输出(I/O)端口，和信号182，ISO标准IC卡接口信号的子集。
采用调谐器100将接收器调到适当的频道，可以选择需要的节目或服务。调谐器100由微控制器160根据用户的输入进行控制。例如，微控制器160可以从用户操纵的一个遥控器(图1中没有示出)接收频道选择信号。响应该频道选择信号，微控制器160产生控制信号，使调谐器100调到选择的频道。
调谐器100的输出被耦合到前向纠错器(FEC)110。FEC110监控错误控制信息，如已调谐信号中的奇偶校验位，来发现错误，并根据错误控制协议纠错。微控制器160被耦合到FEC110来监控信号中错误的发生，并控制对错误的处理。FEC110也执行模/数转换(ADC)功能，将调谐器100的模拟输出转换为FEC110输出端的一个数字信号。
传送单元120处理来自FEC110的信号，以便检查和分离已调谐信号中的各类数据。信号中的数据可以被排列成各种格式。图3示出了一个数据格式范例，用作下面描述的基础。图3中所示的信号包括以数据字节包的形式安排的数据流，即“包”数据。每个包相关于已调谐频道的数据流中的一类特定信息或信息子流。例如，信号包括节目指南信息包、控制信息(例如ECM或EMM)包、视频信息包和音频信息包。一个特定的包所相关的子流由包括在每个包的标题部分的数据定义。每个包的有效负载部分包括包数据。图3中所示的示例性数据格式包括标题中的两个字节(16位)数据和在有效负载中的186个字节数据。
在每个包中标题的第一个十二位是节目识别(PID)数据位。PID数据识别与有效负载数据相关的数据子流。由PID数据提供的信息的一个例子如下：
表1
    PID值     有效负载内容
    1     节目指南信息
    4     EMM
    10     频道101的视频数据
    11     频道101的音频数据
其它PID值识别其它频道的视频和音频数据。
作为调谐过程的一部分，微控制器160参考存储在微控制器的存储器中的PID“映像”，来确定与调谐的频道相关的PID值。该适当的PID值被装入传送单元120的PID寄存器。例如，当选择频道101时，微控制器160访问存储的PID映像，确定频道101的视频和音频数据分别关于PID值10和11，并将值10和11装入传送单元120中的相应视频和音频PID寄存器。将输入包中的PID值与存储在PID寄存器中的PID值进行比较，来确定每个包的有效负载内容。微控制器160可以根据“节目指南”包(PID值为1)中PID与频道相关的信息来更新PID映像数据。
每个包的标题的最后四位对有效负载内容作进一步的定义如下：
表2
 标题位     命名         功能
   13    ECM标志 指示有效负载是否为ECM
   14      -         保留
   15     ENC标志 指示有效负载是否被加密
   16     密钥标志   指示有效负载密钥是密钥A还是密钥B
ECM标志在例如逻辑1是有效的，指示有效负载包括诸如产生密钥的初始数据之类的ECM数据。ENC标志有效指示有效负载被加密，因此必须予以解密。密钥标志确定两个密钥A和B中的哪个密钥要用来对有效负载解密(如逻辑0指示密钥A，逻辑1指示密钥B)。密钥标志的使用将在下面参考图7进行描述。
图1中的传送单元120响应图3中所示的包时钟信号来抽取并处理标题数据。由FEC110产生包时钟信号并与数据流同步。包时钟信号的每次转变指示一个包的开始。传送单元120在每次包时钟信号转变之后处理标题数据的16位，来确定包有效负载的目的地。例如，传送单元120将包含EMM(PID值为4)和ECM的有效负载经由微控制器160传送到智能卡180中的保密控制器183。视频和音频数据被导向信号分离器/解密器130，以便解密并分离为视频和音频信号。节目指南数据(PID值为1)被导向微控制器160，用于PID映像更新。
保密控制器183处理EMM和ECM数据。来提供包括资格管理和密钥生成的访问控制功能。保密控制器183被包括在集成电路(IC)181中，而且包括一个微处理器，如摩托罗拉公司的6805处理器。资格管理包括处理EMM数据，来确定如何和何时更新存储在IC181中的资格信息，即加上或删除资格。ECM数据提供保密控制器183产生解密密钥所需要的初始值。当保密控制器183产生密钥之后，该密钥被经由微控制器160传送到解密器130，在此对来自调谐频道的输入信号的加密数据分量，如视频和音频节目数据，进行解密。根据下面将要进一步描述的本发明的原理，解密功能也可以由IC181中包括的解密器185来提供。
解密的视频和音频数据分别在视频解压缩器140和音频解压缩器145中予以解压缩，节目数据采用众多公知的数据压缩算法中的任意一个在节目源中进行压缩。解压缩器140和145是压缩算法的逆作用。
视频和音频解压缩器140和145的输出被耦合到相应的视频和音频信号处理器150和155。音频信号处理器155包括的功能如立体声信号的产生和数/模转换，用于将解压缩器145中的数字输出信号转换为能够耦合到扬声器(图1中没有示出)的来自处理器155的模拟音频输出信号AOUT。视频信号处理器150还包括数/模转换功能，能够将解压缩器140的数字输出转换为适合显示在显像管之类的显示器上的模拟视频输出信号VOUT。视频处理器150还提供需要在信号VOUT中包括由OSD处理器170产生的屏幕显示(OSD)信号的信号转换。OSD信号代表例如图形信息，如要被包括在显示的图像中的频道号显示。视频处理器150中的视频开关将OSD信号多路转换为产生要求的显示所需要的信号VOUT。OSD处理器170的操作由微控制器160控制。
再看图1所示系统的存取控制特性，通过参考图4所示的智能卡IC181的方框图，可以更好地理解智能卡180的特性和功能。图4中与图1相同的标号代表相同或相似的特征。在图4中，集成电路181包括保密控制器183，它包含中央处理单元(CPU)421、RAM426、ROM425、EPROM423和串行I/O单元424。CPU421可以是摩托罗拉公司制造的6805处理器。密钥产生和资格管理软件被存储在ROM425和EFPROM423中。
指示当前资格的数据也存储在EEPROM423中，并根据收到的信号中的资格管理信息(EMM)的内容来进行修改。当图1中的传送处理器120检测到EMM包(包PID值为4)时，图1中的微控制器160经由串行I/O单元424将包有效负载传送到保密控制器183。CPU421传送有效负载中的EMM数据到RAM426，CPU421处理EMM数据并相应地修改存储在EEPROM423中的资格数据。
包括资格控制信息(ECM)-由包标题中ECM标志有效来指示-的包有效负载经由微控制器160和串行I/O单元424从传送单元120传送到保密控制器183。任何类型的包，如EMM、视频或音频，都可以包括ECM。ECM数据用来为一特定类型数据产生解密密钥。例如，在一个EMM包中的ECM数据被用来产生一个EMM解密密钥。当传送到保密控制器183时，ECM数据被存储在RAM426中，直到由CPU421处理为止。存储在EEPROM423和ROM425中的密钥产生软件由CPU421采用RAM426中的ECM数据进行处理来产生一个特定的密钥。ECM数据提供密钥产生算法需要的初始值之类的信息。产生的密钥被存储在RAM426中，直到由CPU421经串行I/O单元324和微控制器160传送到解密器130为止。
EMM和ECM数据可以被加密，如由包标题中有效的加密标志ENC所指示的那样。加密数据在被传送到用于资格管理或密钥产生过程的保密控制器183之前，从传送单元120送到解密器130进行解密。
已描述的IC181的特征和操作是公知智能卡系统所具有的。然而，如上所述，使用智能卡外部的解密单元(如解密器130)会大大降低系统保密性，并使改变解密硬件不方便。图1和图4中所示的结构包括相比于公知的智能卡系统能显著改进保密性的特征。详细地说，智能卡180的IC181包括解密单元185和高数据速率同步接口184，后者包括单独的串行数据输入和串行数据输出线路。解密器185和接口184的组合使得在智能卡180内进行各种存取控制处理成为可能。
图1中，读卡机190经由标号分别为182和184的智能卡接口187的端口将来自微控制器160的ISO标准接口信号165和来自传送单元120的高速接口信号125耦合到智能卡180。图4示出了包括在接口187中的信号。ISO标准信号182包括图4中的电源、接地、复位和串行I/O信号(相应于图2B中的VCC、GND、RST和I/O)。高速接口信号184包括高速数据输入和数据输出信号、包时钟信号和高频(如50兆赫)时钟信号。ISO标准信号VPP(程序设计电压)由包时钟信号取代，使得接口187(包括高速和低速接口)可以采用图2A所示的8个触点的ISO标准结构来实现。
去除信号VPP不妨碍图1所示的系统与不包括解密器185和高速数据接口184的现有的ISO标准智能卡一起运行。现有的智能卡通常包括不需要单独的程序设计电压的EEPROM电路。当需要编制程序时，“供给泵”特征从卡电源电压产生需要的程序设计电压，因此，对大多数现有的ISO标准智能卡来说，由ISO标准所规定的VPP信号是一个“未使用”端子。将系统与现有的智能卡一起使用需要修改系统的操作，因此，不会用到高速接口184和解密器185。只需改变控制器160的控制软件就可以实现所需要的修改。
解密器185响应高频时钟信号在高数据速率下操作，而保密控制器183需要低频时钟信号。IC181中的分频器422对50兆赫时钟信号分频，产生适合保密控制器183的低频时钟信号。因此，单一的高频时钟信号起定信号的作用，用于控制保密控制器183和解密器185的操作。采用分频器422避免了将8个智能卡接口信号中的2个专用于分离高频和低频时钟信号。
解密器185包括传送译码单元472、PID&ECM滤波单元474和EMM地址滤波单元476，用于提供与上面描述的图1所示的传送单元120相似的功能。接口187的高速数据输入和数据输出信号将输入信号的高速数据流耦合在传送单元120和解密器185之间。在智能卡180内包括传送单元120的功能，使得智能卡180能以输入信号的高数据速率来处理输入的数据包。数据输入和包时钟信号都被耦合到单元472。
响应包时钟信号的每次转变，单元472处理标题数据的16位。标题的前12位是指派给PID&ECM滤波单元474的节目识别(PID)数据。对包括在调谐频道中的每类包，单元474将包的PID数据与存储在单元474中的PID值进行比较。类似于上面描述的传送单元120的操作(见上面的表1及其相关的描述)，单元474中的PID比较确定有效负载包括哪类数据，如节目指南、EMM、视频或音频。识别当前调谐信号中的包类型的PID值被存储在单元474的寄存器中。作为上面描述的对图1所示系统进行调谐处理的一部分，寄存器被装载。详细地说，微控制器160访问如上所述被存储的PID“映像”，并将与当前调谐频道相关的PID值经由信号182和智能卡180中的保密控制器183传送到单元474中的寄存器。在保密控制器183和解密器185的功能(如单元474)之间传送数据是经由图4中没有示出的IC181内部的一条数据总线进行的。
智能卡180如何处理有效负载数据是由单元474中PID比较的结果和由单元472抽取的包标题的13-16位的内容共同决定的。采用上面相关于频道101的例子(见表1)，PID数据识别：微控制器160进行处理以更新PID映像的节目指南数据(PID＝1)，保密控制器183进行处理以修改资格的EMM数据(PID＝4)、视频数据(PID＝10)和音频数据(PID＝11)。标题的13-16位控制智能卡180中与保密相关的操作(见表2及其描述)。如果第13位(ECM标志)有效，那么有效负载包括需要由保密控制器183进行密钥产生处理的ECM数据。如果第15位(ENC标志)有效，那么有效负载被加密并且在解密器185中的解密单元478中解密。第16位确定是密钥A还是密钥B被用于单元478中进行解密。
加密状态位ENC确定解密单元478如何对有效负载数据进行处理。没有加密的有效负载数据不加改变地从智能卡180的高速数据输入端经由解密单元478到高速数据输出端。被加密的数据由单元478以数据速率解密。被解密的视频和音频数据被传送到智能卡180的高速数据输出端。在每个被解密的音频或视频包中，包标题中的ENC位被设置为逻辑“0”，指示包被“清除”，即被解密。
为了保证未被授权的用户不访问与解密的资格或密匙相关的数据，被解密的EMM或ECM数据不经由高速数据输出端送到智能卡180外部。对于智能卡而言一种方法是在智能卡的输出端从数据流简单地除去EMM或ECM数据分量。然而，通过监视在智能卡180数据输入端和输出端之间的数据流中数据发生的变化，黑客能获得关于在智能卡180中发生的处理的有用信息。例如，黑客可以假定由智能卡从数据流中除去的信息属于与智能卡相关的服务。
这一问题是这样来克服的，将ENC位设定为逻辑1，使原始加密的EMM或ECM控制信息分量从高速数据输入端通过智能卡180到高速数据输出端。更具体地说，用一个解密器478处理(例如，解密)输入信号的第一信号分量，诸如加密的ECM或EMM控制信息等，以产生诸如密钥生成所需的解密数据的第一处理信号。诸如第一处理信号中密钥信息一类的信息被解密器478用来处理输入信号的第二分量，以产生代表例如解密的视频或音频数据的第二处理信号。将输入信号的第一信号分量与第二处理信号组合以产生来自智能卡180的输出数据流。因此，例如，在输入信号中的加密资格信息可被解密并被智能卡180所采用，但是输出端的相应数据未改变，从而减少了可能被监视该数据流的黑客获得的信息。
为了进一步使智能卡180中发生的处理的特性模糊不清，在再次插入到输出数据流中之前将输入信号的原始分量延迟。该延迟确保加密控制信息(例如EMM和/或ECM)与智能卡180数据输出信号中的解密数据(例如视频和/或音频数据)之间的定时关系基本上与加密控制信息和智能卡180中数据输入信号中加密数据之间的定时关系相同。结果，黑客更难于通过监视数据流确定诸如内部解密延迟一类的智能卡180的特性。
在图4中原始加密数据经先进先出(FIFO)存储器477和路由器479被延迟并再次插入数据流中。至FIFO477的输入数据信号是在解密器478数据输入端的信号。通过FIFO477的延迟能够由控制处理器183调节以通过FIFO477提供对应于在解密器478中执行的特定解密算法的延迟。例如，在开始从FIFO读出数据之前，通过分别在FIFO中存储更多或更少数据可增加或减少通过FIFO477的延迟。路由器479在控制处理器183的控制下将来自FIFO477的延迟数据与来自解密器478的解密数据组合以产生来自智能卡180的数据输出信号。路由器479可包含一个多路复用器，用于响应控制处理器183提供的控制信号有选择地将FIFO的输出或解密器的输出耦合到智能卡180的数据输出端。
在解密单元478中被解密的EMM和ECM数据被暂时存储在保密控制器183的RAM 426中，直到保密控制器183对其进行资格管理和密钥产生处理为止。图1中的传送单元120从智能卡180的高速数据输出终端接收数据(既可以是没改变的，也可以是被解密的)。对每个包的PID值进行检查，并将有效负载传送到图1的适当功能装置(如微控制器160或解压缩器140和145)作进一步的处理。
智能卡180的操作由图1中微控制器160的命令进行控制，该命令经由ISO标准串行接口传输到智能卡180。实际上，微控制器160是主处理器，而保密控制器183是从属处理器。例如，微控制器160传送PID信息到智能卡180，并指示智能卡解密相应的数据流中的数据。对于适当类型的数据处理，如资格处理、密钥生成和解密，保密控制器183通过核查资格和配置智能卡180来予以响应。此外，微控制器160请求关于解密是否正在进行的状态信息。命令通过串行I/O端传送到智能卡180中的保密控制器183。命令所要求的任何响应经由串行I/O端返回到微控制器160。因此，串行I/O信号在系统和智能卡180之间起控制信号的作用，而高速数据接口在卡和系统之间提供高速输入和输出数据信号。
在微控制器160和智能卡180之间的串行通信是根据ISO标准7816-3中提供的协议来进行的。智能卡通过发送一个协议类型号T到系统来通知系统将要采用的规定协议。详细地说，当卡被插入读卡机时，读卡机给卡供电，并通过启动复位信号来对卡复位。卡用ISO标准7816-3第6节中规定的“复位应答”数据序列来响应复位信号。对复位的应答包括一个接口字节TDi，字节TDi的四个最低有效位定义协议类型号T(参见ISO标准7816-3第6.1.4.3节)。
图1所示系统的协议类型为类型T＝5。该协议在ISO标准中被划分为“保留”，即目前没作定义。对图1所示的系统来说，协议类型5与协议类型0(在ISO标准7816-3第8节定义的异步半双工协议)一样，除了串行I/O的波特率被确定的方式之外。卡接口处的串行I/O以根据表6按ISO标准7816-3确定的速率进行。波特率计算是根据保密控制器183的时钟速率来计算的。对现有的智能卡来说，保密控制器183的时钟频率等于卡的时钟管脚处的时钟频率fs。如图4所示，智能卡180包括分频器422，用于将高速数据输入时钟的速率Fin用因子N来划分，即Fin/N，为保密控制器183建立时钟速率。因此，对协议类型5来说，ISO标准7816-3的表6通过定义fs＝Fin/N来修正。
与协议类型为0时一样，类型为5的协议的所有命令由微控制器160启动。命令由一个5字节的标题开始，该标题包括一个一字节的指令分类标志(CLA)、一个一字节的指令(INS)、一个两字节的参数(P1，P2)(如地址)、以及一个一字节的数字(P3)，后者用于定义作为命令的一部分并跟随在标题之后的数据字节数。对图1所示的系统来说，不需要参数P1，P2，因此这些字节“没有关系”。因而命令具有以下形式：
CLA|INS|-|-|P3|数据(P3字节)
智能卡160识别的命令包括一个状态命令和一个PID传送命令。智能卡160通过提供卡的处理状态，例如该卡是否完成了密钥的生成或卡是否正在解密数据，来响应来自微处理器160的状态命令。微控制器160采用PID传送命令来传送与调谐的频道相关的PID号。其它命令，如传送EMM和ECM数据的命令、与密钥相关的命令和“购货提议”命令，也是可能的，这将在下面进行说明。
下面将参考图5至图8来更详细地描述智能卡180，特别是解密器185的操作。当调到一个新的频道时，微控制器160从PID映像向智能卡180传送新频道的PID值，如图5所示。PID数据传送采用包括N个PID值的一个PID传送命令来进行，其中N在命令标题的字节P3中指定。命令和PID值经智能卡180的串行数据端和串行输入/输出单元424传送。CPU421接收PID值，并将该数据指向解密器185的寄存器474中适当的PID寄存器。
在信号可以被解密前，用户必须有资格访问，并且必须将正确的密钥装入解密器185。在传送PID数据到智能卡180之后，保密控制器183将PID值与存储在EEPROM423中的资格数据进行比较，看用户是否有资格访问调谐的频道。假定用户有资格，那么下一步骤就是密钥生成。密钥生成包括处理ECM数据。因此ECM必须被接收并处理，以便在音频和视频数据可以被解密之前产生密钥。加密ECM数据的目的是为了减少未授权密钥产生的可能性。发行卡时在卡的EEPROM423中存储了解密ECM的密钥。如图6所示。ECM密钥由CPU421从EEPROM423传送到解密单元478中的ECM密钥寄存器。
如果用户没有资格访问调谐的频道，那么必须在密钥生成和解密可以发生之前接收资格。资格可以经由EMM来接收。识别一个特定智能卡的“地址”在卡发行时被存储在卡的EMM地址单元476中。通过在EMM中包括的地址信息，服务提供方可以将EMM指向特定的卡。智能卡将EMM中的地址信息与单元476中存储的卡地址进行比较，来检测指向卡的EMM信息。如果用户没有资格，那么保密控制器183在EMM数据被接收的情况下配置卡，以便进行EMM处理。
在ECM密钥的情况下，发行的卡在EEPROM423中存储了一个EMM密钥。在图6中，EMM密钥由CPU421从EEPROM423传送到解密单元478中的EMM密钥寄存器。图1的传送单元120的加密EMM数据经由高速数据输入端口输入到卡中。在检查了单元476中的EMM地址后，指定给卡的EMM数据在解密单元478中进行解密。被解密的EMM数据被暂时存储在RAM 426中，并由CPU421来处理，以更新存储在EEPROM423中的资格数据。
在当PID值被装入后，资格就存在了，ECM密钥在解密器185的适当位置，卡准备解密ECM数据并产生音频和视频密钥。在图7中，信号中的ECM数据由智能卡180经由高速数据输入端接收，并由传送译码单元472检测。ECM数据指向解密器478，在该处先前装入的ECM密钥被用来解密ECM数据。被解密的ECM数据从解密器478传送到RAM424。当可以得到被解密的ECM数据时，CPU421执行存储在EEPROM423和ROM425中的密钥生成算法，采用RAM424中解密的ECM数据来产生视频和音频密钥，产生的密钥被传送到解密器478中适当的视频和音频密钥寄存器。
如图7所示，解密器478包括用于视频的两个密钥寄存器，视频密钥A和B，和用于音频的两个密钥寄存器，音频密钥A和B。用密钥A还是密钥B来解密特定的包由包标题中的密钥标志位决定(见上面的表2)。采用“多密钥”特征可以在现有的密钥被用于解密数据时允许产生一个新的密钥。在保密控制器183中处理ECM数据来产生一个新密钥以及将该新密钥传送到解密器478中的密钥寄存器需要在CPU421中有足够数量的指令周期。如果在生成和传送新密钥时暂停解密，那么处理延迟会要求收看节目的某人观察被解密的图像，直到新密钥位于解密器478中适当的位置为止。同时具有密钥寄存器A和B，可以允许采用一个密钥寄存器(例如密钥寄存器A)中的密钥来解密数据，同时生成一个新的密钥，并将其装入第二个密钥寄存器(如密钥寄存器B)。在通过发送ECM数据启动密钥生成之后，服务提供方等待一个时间周期，该周期足以保证在加密包采用新密钥B之前在解密器478中产生密钥B。密钥标志通知解密器185何时开始采用新密钥。
在图5、6、7所示操作之后，解密钥478已经被启动。它有处理在调谐频道中被加密的数据所需要的所有密钥信息，包括EMM、ECM、视频和音频数据。图8示出了在进行数据处理时信号流。被加密的数据经由高速串行数据输入端进入智能卡180，该数据采用先前装入的密钥在解密器478中解密。例如，如果传送单元472从一个输入包的标题确定有效负载数据是与视频密钥A相关的视频数据，那么包有效负载采用视频密钥A在解密器478中被解密。被解密的数据经由高速串行数据输出端从智能卡180直接输出。注意图8中的数据处理不需要解密单元185和保密控制单元183之间的交互作用，这使得解密器478可以以输入信号的高数据速率处理数据。
在保密控制器183中与解密单元478的解密特征相结合的密钥生成为智能卡180提供了处理被加密信号的完全可能性，所述加密可以采用多种算法来实现，包括数据加密标准(DES)算法和Rivest-Shamir-Adlemann(RSA)算法。通过提供与智能卡180中的处理相关的各种存取控制，与保密相关的数据(如密钥数据)不必传送到智能卡180之外。结果，与采用智能卡外部的解密器的系统相比，保密性能被显著地提高。
尽管使用智能卡180内的解密器185有优势，外部解密器，如图1中的解密器130，也还是可以使用的。可能需要外部解密器来实现所描述的智能卡与现有的付费电视系统兼容，该付费电视系统在智能卡180中产生密钥并将该密钥传送到解密器130。另一方面，也可以同时采用解密器185和解密器130。例如，可以采用两个不同的密钥两次加密信号来加强保密性。一个被两次加密的信号可以采用图1中所示的系统解密，步骤如下：采用第一密钥在解密器185中对信号解密一次，传送部分译码的数据到解密器130，采用第二密钥在解密器130中对信号第二次解密。第二密钥会在智能卡180中产生并传送到解密器130。
对包括解密器130的应用(即密钥数据被传送到智能卡180之外的应用)来说，提供命令来经由串行I/O接口在控制器160和智能卡180之间传输密钥数据。例如，微控制器160在一个命令中将ECM数据送到智能卡，而用状态命令请求密钥生成的状态。当状态数据指示密钥生成完成之后，另一个命令请求密钥数据，并且卡通过发送密钥数据到控制器160来进行响应。由此，密钥被传送到解密器130。
对所描述的实施例可以进行各种修改。例如，对本领域的技术人员来说，显然可以理解本发明可以适用于所描述那些之外的其它信号和系统。例如，图3中所示以外的视频系统和视频信号协议有上面所述的DSS卫星系统和高清晰度电视(HDTV)。所述类型的存取控制系统也可应用于诸如蜂窝式电话系统一类的信号处理系统中，在这类系统中，处理资格可包括确定用户是否被授权访问一蜂窝式电话系统，如果如此，就处理加密的蜂窝式电话信号。
诸如蜂窝式电话系统一类的应用包括除了处理进入的信号外还产生向外发出的信号。产生向外发出的信号要求加密。如果将适当的加密软件存储在智能卡180的EEPROM和ROM中所述智能卡能够加密数据。因此，本发明可应用于象电话系统或有线电视系统中“头端”应用一类的信号源应用中。这些和其它修改均在所附权利要求书的范围内。

Claims (17)

1、一种智能卡包括：
一个用于接收包括第一和第二信号分量的输入信号的第一端子；
用于提供输出信号的第二端子；
用于处理所述第一信号分量产生第一处理信号并响应所述第一处理信号处理所述第二加密分量以产生第二处理信号的装置；以及
用于组合所述输入信号的所述第一信号分量与所述第二处理信号产生所述输出信号的装置。
2、根据权利要求1所述的智能卡，其中：
用于组合所述输入信号的所述第一信号分量与所述第二处理信号的所述装置产生所述第一信号分量与所述输出信号中的所述第二处理信号之间的一种预定定时关系。
3、根据权利要求2所述的智能卡，其中用于组合所述输入信号的所述第一信号分量与所述第二处理信号的所述装置包含：
用于延迟所述第一信号分量以产生相对于所述第二处理信号实际上呈现所述预定定时关系的延迟信号的装置；以及
用于组合所述延迟信号与所述第二处理信号以产生所述输出信号的装置。
4、根据权利要求3所述的智能卡，其中：
所述输入信号在所述第一信号分量与所述第二信号分量之间呈现一种输入定时关系；以及
所述预定定时关系实际上与所述输入定时关系相同
5、根据权利要求4所述的智能卡，其中所述输入信号的所述第一和第二信号分量包含相应的第一和第二加密信号分量，而所述第一和第二处理信号包含相应的第一和第二解密信号。
6、根据权利要求5所述的智能卡，其中用于延迟所述输入信号的所述第一信号分量的所述装置包含一个先进先出存储器。
7、根据权利要求6所述的智能卡，还包含：响应所述第一解密信号用于产生控制信息的装置；用于产生所述第一和第二解密信号的所述装置响应所述控制信息产生所述第二解密信号。
8、根据权利要求7所述的智能卡，其中：用于产生所述第一和第二解密信号的所述装置、用于产生所述控制信息的所述装置和用于组合所述第一加密信号分量和所述第二解密信号以产生所述输出信号的所述装置被包括在一个安装在所述智能卡中的IC中；以及
所述第一端和第二端被设置在所述智能卡的表面。
9、根据权利要求8所述的智能卡，还包含一个设置在用于接收定时信号的所述智能卡的所述表面上的第三端子；
用于产生所述第一和第二解密信号的所述装置响应所述定时信号以第一数据率处理所述输入信号以便以所述第一数据率产生所述输出信号。
10、根据权利要求9所述的智能卡，其中所述第一数据率超过10兆赫兹。
11、根据权利要求9所述的智能卡，其中用于产生所述控制信息的所述装置以第二数据率处理所述第一解密信号以产生所述控制信息。
12、根据权利要求11所述的智能卡其中所述第一数据率大于所述第二数据率。
13、根据权利要求12所述的智能卡，还包含一个耦合来接收所述定时信号以与所述第二数据率相关的频率产生时钟信号的分频器；用于产生所述控制信息的所述装置响应所述时钟信号产生所述控制信息。
14、根据权利要求5所述的智能卡，其中：所述第一加密信号分量包含访问付费服务的资格管理信息；以及
所述第二加密信号分量包含由所述访问付费服务提供的数据。
15、根据权利要求14所述的智能卡，其中所述访问付费服务包含付费电视服务；所述资格管理信息包含电视节目资格信息；以及由所述访问付费服务提供的所述数据包含电视节目数据。
16、根据权利要求9所述的智能卡，其中所述第一、第二和第三端子包括在按照ISO标准7816-2的所述智能卡的所述表面上设置的多个端子中。
17、根据权利要求16所述的智能卡，其中所述智能卡呈现按照ISO标准7816-1的机械特性。
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