KR100523061B1 - 고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법 - Google Patents

고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 디지털 유료 TV 방송 서비스를 제공하기 위해 요구되는 규격과 데이터 전송률을 지원하고, 높은 방송 데이터 전송률을 요구하는 방송 시스템 하에서도 고속의 스크램블링 구현을 위해 유용하게 사용할 수 있는, 고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법을 제공하고자 함.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 고속 데이터 스크램블링 장치에 있어서, 외부기기로부터 입력되는 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하기 위한 제 1 저장수단; 외부의 제한 수신 시스템으로부터 제어단어(Control Word)를 입력받아 공통키(Common Key)를 생성하기 위한 공통키 생성수단; 상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 입력받아 소정 개수의 키(KK)를 생성하기 위한 키 스케쥴링 수단; 상기 키 스케쥴링 수단에서 생성한 상기 소정 개수의 키와 상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 사용하여 상기 제 1 저장 수단으로부터의 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하기 위한 다수의 암호화수단; 상기 다수의 암호화수단에서 암호화한 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 출력하기 위한 제 2 저장수단; 및 상기 다수의 암호화수단을 제어하기 위한 제어수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 방송 시스템 등에 이용됨.

Description

고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Scrambling of High Data}
본 발명은 디지털 방송 서비스를 위한 고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하기는 디지털 케이블 TV 방송 서비스 등을 제공하기 위해 요구되는 고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
현재까지 케이블 TV 방송은 기존의 아날로그 방송에서 기본적인 오디오/비디오 서비스만을 제공해왔다. 그러나, 방송의 디지털화에 따라 케이블 방송 또한 멀티미디어 서비스뿐만 아니라 양방향 TV 시청이 가능한 서비스를 제공하기에 이르렀다. 특히, 국내 디지털 케이블 방송은 국제 규격인 오픈케이블(OpenCable)TM 표준을 따르고 있으며, 곧 서비스가 제공될 예정에 있다.
그리고, 미디어 산업이 발달함에 따라 디지털 방송 서비스는 다채널·고화질화되고 있다. 특히, 디지털 지상파 및 위성 TV 방송과 달리 디지털 케이블 TV 방송 환경에서는 전송 오류가 거의 없기 때문에 고속의 방송 데이터 전송에 가장 유리하다고 할 수 있다. 다시 말하면, 디지털 지상파 및 위성 TV 방송에서는 전송 오류를 보정하기 위해 사용하는 부가 데이터량을 더 전송해야 하지만, 디지털 케이블 TV 방송 환경에서는 그 부가 데이터량을 상당히 줄일 수 있기 때문에 동시에 더 많은 양의 방송 데이터를 전송할 수 있다는 것이다.
국내 디지털 케이블 TV 방송 표준으로 제정한 오픈케이블(OpenCable)TM 규격에서 제시하고 있는 방송 데이터 전송률은 변조방식에 따라 64 QAM(Quadrature Amplitude Modulation : 구상 진폭 변조)일 경우 약 27Mbps(Mega bit per second), 256 QAM일 경우 약 39Mbps로 비교적 높은 데이터 전송률을 가진다. 그리고, 앞으로 펼쳐질 디지털 방송 산업에서는 더욱 높은 데이터 전송률을 요구하게 될 것이다.
한편, 유료 방송 서비스에 있어서 가장 중요한 것은 서비스 가입자에게만 방송 서비스를 제공하는 것이다. 즉, 기존의 아날로그 유료 방송에서와 마찬가지로 디지털 방송에서도 스크램블링을 통해 서비스 가입자만이 시청할 수 있도록 하는 장치가 필요하게 되었다. 또한, 상기한 바와 같이 점점 더 높은 데이터 전송률을 요구하는 방송 환경에서 실시간으로 고속의 데이터를 처리하기 위한 스크램블링 시스템의 개발이 요구되고 있다.
이를 도 1 내지 도 3 을 참조하여 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 1 은 일반적인 DVB-CSA(Digital Video Broadcasting-Common Scrambling Algorithm) 스크램블링 장치의 구성예시도이다.
먼저, 디지털 케이블 TV 방송 환경에 대해 설명하면 다음과 같다.
디지털 케이블 TV 방송 환경은 고속의 방송 데이터를 전송하기에 적합하다. 그리고, 향후에는 더욱 높은 데이터 전송률을 요구할 것이 예상된다. 또한 케이블 방송과 같은 유료 방송 서비스에서 필수적인 것은 가입자 관리와 제한 수신이다. 즉, 방송 서비스에 가입한 가입자들에 대한 인적 정보, 서비스 신청 내역 및 과금 정보 등과 같은 가입자 정보를 관리하며, 각 가입자에게 각자 신청한 유료 방송 서비스가 제공될 수 있도록 하는 것이다.
스크램블링 시스템은 서비스 가입자만이 방송을 시청할 수 있도록 하기 위한 것으로, 제한 수신 시스템에서 필수적인 서브 시스템이다. 방송 환경에서 데이터의 스크램블링은 실시간으로 수행되어져야 하므로 고속으로 전송되는 방송 데이터를 스크램블링하기 위해서는 고속의 스크램블링 장치가 요구되어 진다.
도 1에 도시된 DVB-CSA 스크램블링 장치에 대해 설명하면 다음과 같다.
DVB(Digital Video Broadcasting)-CSA(Common Scrambling Algorithm)(이하, "DVB-CSA"라 함) 스크램블링 장치(100)는 제한 수신 시스템으로부터 제어단어(Control Word : 이하, "CW"라 함)를 입력받아 공통키(Common Key : 이하, "CK"라 함)를 생성하는 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(101)과, 상기 컨포먼스 메카니즘 블럭(101)으로부터 CK를 입력받아 블럭 암호화기(Block Cipher)(103)에서 사용될 56개의 키(이하, "KK"라 함)를 생성하는 키 스케쥴러(Key Scheduler)(102), 상기 키 스케쥴러(Key Scheduler)(102)에서 생성한 56개의 KK를 사용하여 입력 버퍼(105)를 통하여 입력되는 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS)을 암호화하는 블럭 암호화기(Block Cipher)(103), 상기 블럭 암호화기(Block Cipher)(103)에서 암호화한 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림을 상기 컨포먼스 메카니즘 블럭(101)으로부터 의 CK를 가지고 한번 더 암호화하여 출력 버퍼(106)를 통하여 출력하는 스트림 암화화기(Stream Cipher)(104), 그리고 입출력 트랜스포트 스트림(TS) 데이터를 저장하는 입력 버퍼(Input Buffer)(105) 및 출력 버퍼(Out Buffer)(106)를 포함한다.
여기서, 스크램블링의 기본 단위는 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS) 패킷, 즉 188 바이트 길이의 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에서 헤더 정보 4바이트를 제외한 184 바이트이다. 물론, 어떤 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 적응 필드(Adaptation Field)를 포함하거나 188 바이트보다 적은 길이일 경우에는 스크램블링하는 바이트 수가 다를 수 있지만 기본적으로는 184 바이트에 대해 스크램블링을 수행한다. 다시 말하면, 하나의 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대해 스크램블링을 수행한 후 다음에 입력되는 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대해서 같은 과정을 반복한다는 것이다.
그러면, 하나의 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력되어 스크램블링된 패킷을 출력하기까지 얼마나 많은 연산이 요구되는지를 파악할 필요가 있다. 이것을 파악하는 것은 실시간 스크램블링 장치를 구현함에 있어 매우 중요한 것이다.
도 2 는 상기 도 1의 일반적인 DVB-CSA 스크램블링 장치의 블럭 암호화기에 대한 일실시예 상세 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 블럭 암호화기(200)는 23개의 인사이퍼(Encipher)(201)로 구성된다.
상기 블럭 암호화기(Block Cipher)(200)로 입력되는 PB[n](n = 1, 2,..., 23)은 트랜스포트 스트림(TS) 패킷의 페이로드를 나타내고 있다. PB[n]은 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에서 헤더 정보 4 바이트를 제외한 나머지 데이터, 즉 184 바이트의 트랜스포트 스트림(TS) 패킷 페이로드를 순서대로 8바이트씩 나누었을 때의 23개의 8 바이트 데이터 블럭을 나타낸다.
23개의 인사이퍼(Encipher)(201)를 포함하고 있는 블럭 암호화기(Block Cipher)(200)의 동작은 PB[23]을 입력으로 받는 인사이퍼(Encipher) 블럭이 실행된 후, 그 출력 IB[23]이 PB[22]와 배타적논리합(XOR) 연산된 후 그 결과가 다음의 인사이퍼(Encipher) 블럭으로 입력되는 방식으로, PB[1]의 입력이 수행되는 마지막 인사이퍼(Encipher)의 출력 IB[1]이 나올 때까지 진행된다.
여기서, 각각의 인사이퍼(Encipher)(201)는 8개의 8비트 시프트 레지스터로 구성되며, 입력되는 8바이트 데이터 블럭 PB[n]이 각 레지스터에 최초 입력되었다가 입력되는 56개의 키 KK를 순서대로 사용하여 총 56 스텝(Step) 동안 각 레지스트의 값을 변화시킨 후 최종 레지스터들의 값이 8바이트 데이터 블럭 IB[n]으로 출력된다. 그래서, 하나의 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력되어 블럭 암호화기(Block Cipher)(200)를 통과하는데 소요되는 연산량은 "56 스텝×23 = 1,288 스텝"이다.
도 3 은 상기 도 1의 일반적인 DVB-CSA 스크램블링 장치의 스트림 암호화기에 대한 일실시예 상세 구성도로서, 스트림 암호화기(Stream Cipher)의 연산량을 계산하기 위해 기능적으로 좀 더 상세하게 나타내었다.
상기 도 2에서 설명한 바과 같이, 총 23개의 8 바이트 데이터 블럭 IB[n]이 블럭 암호화기(Block Cipher)(200)로부터 출력되면 IB[1]부터 순차적으로 IB[23]까지 스트림 암호화기(Stream Cipher)(300)로 입력된다.
도 3의 스트림 암호화기(Stream Cipher)(300)는 기능적으로 초기화 블럭(301)과 22개의 CB[n] 생성 블럭(302)으로 구성된다.
하드웨어적으로는 107개의 상태 비트를 가지는 유한 상태 기계(Finite State Machine)로 표현된다.
먼저, 초기화 블럭(301)에서는 상기 도 1의 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(101)에서 생성한 CK와 블럭 암호화기(200)로부터 입력되는 IB[1]을 이용하여 107개의 상태 비트에 대한 초기화를 수행한다.
초기화 단계에서 32 스텝이 소요되며, 각 스텝마다 상태 비트들의 값이 변화된다. 이때, 입력된 IB[1]은 초기화에만 사용될 뿐 변하지 않고 SB[1]으로 출력된다. 다음 CB[n] 생성 블럭(302)에서는 마찬가지로 32 스텝을 수행하며 각 스텝마다 2 비트씩 생성하여 32 스텝이 되었을 때 "2×32 = 64" 비트, 즉 8 바이트의 CB[n](n = 2, 3,...,23)을 생성한다.
상기 생성한 8바이트의 CB[n]은 입력되는 IB[n]과 배타적논리합(XOR) 연산되어 그 결과로 SB[n]을 출력한다. 따라서, 입력되는 23개의 8 바이트 데이터 블럭 IB[n]이 모두 스트림 암호화기(Stream Cipher)(300)를 거처 스크램블링된 23개의 8 바이트 데이터 블럭 SB[n]가 출력되는데 필요한 연산량은 초기화 32 스텝에 22개의 CB[n]을 생성하는 "22×32 = 704" 스텝, 총 "32 + 704 = 736" 스텝이 요구된다.
이상에서 간략하게 188 바이트의 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력되어 스크램블링될 때까지의 연산량을 살펴보았다. 상기 계산에 따르면 하나의 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 스크램블링되기 위해 요구되는 연산량은 블럭 암호화기(Block Cipher)에서 1,288 스텝과 스트림 암호화기(Stream Cipher)에서 736 스텝, 총 2,024 스텝이 요구된다. 그 외도 입/출력되는 트랜스포트 스트림(TS) 패킷의 버퍼링 및 기타 블럭들 간의 인터페이스에 소요되는 연산량을 모두 감안한다면 약 2,300 정도의 스텝이 소요된다.
위의 계산에서 연산량을 스텝으로 표현한 것은 상기 스크램블링 알고리즘을 클럭(Clock) 동기에 의해 작동하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)로 구현할 때 하나의 스텝이 하나의 클럭 주기로 표현될 수 있다. 즉, 1 클럭 주기 동안 1 스텝의 프로세스를 처리한다는 것이다. 이 경우에 연산 속도를 높이기 위해서 빠른 클럭 주기를 사용하면 된다. 하지만, 무작정 클럭 속도를 높일 수는 없는 것이다. 왜냐하면, 각 스텝마다 발생하는 프로세스를 처리하는데 걸리는 시간, 즉 FPGA 특성상 발생되는 전파지연시간(Propagation delay time)이 고려되어야 하기 때문이다. 하지만, 이러한 지연시간은 각각의 FPGA 특성에 따라 모두 다르기 때문에 정확하게 얼마의 시간이 지연되는지는 전용 시뮬레이션 프로그램이나 직접 FPGA에 포팅하여 특성을 파악하는 것이 가장 정확한 판단이 될 것이다.
이하의 본 발명에서는 상기한 바와 같이 FPGA 특성에 따라 발생하는 지연시간을 고려해야겠지만 이러한 지연시간에 관계없이 스크램블링 속도를 높이는 방법에 대해 더 중점을 두었다. 그리고, 이하의 본 발명에서 사용한 클럭 주기는 20ns(nano-second)로 한 스텝의 프로세스를 처리하는데 걸리는 지연 시간을 감안하여 가장 안정되게 동작할 수 있는 시간을 선택하였다. 그러면, 20ns의 클럭 주기로 위에서 계산된 하나의 188 바이트 TS 패킷의 스크램블링을 위해 요구되는 연산량을 처리하는데 걸리는 시간은 2,300 * 20ns = 46,000ns = 46㎲(micro-second)가 소요된다. 이 계산에 따르면 20ns의 클럭을 사용할 경우에 초당 처리할 수 있는 데이터량(비트 수)은 (188 × 8 bit)/(46 10-6 second) = 32.7 × 106 bps(bit per second) = 32.7Mbps(Mega-bit per second)이다. 하지만, 이 처리 속도로는 앞에서 말한 것과 같이 오픈케이블(OpenCable)TM 규격에서 요구하는 256 QAM 변조방식을 사용할 경우의 데이터 전송률 39Mbps를 지원할 수가 없다.
따라서, 더욱 빠르게 동작할 수 있는 스크램블링 시스템의 구현이 요구된다.
또한, 향후 더 높은 전송률을 가지는 방송 환경에 대처할 수 있도록 구현하는 방법이 필요하다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 디지털 유료 TV 방송 서비스를 제공하기 위해 요구되는 규격과 데이터 전송률을 지원하고, 높은 방송 데이터 전송률을 요구하는 방송 시스템 하에서도 고속의 스크램블링 구현을 위해 유용하게 사용할 수 있는, 고속 데이터 스크램블링 장치 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 고속 데이터 스크램블링 장치에 있어서, 외부기기로부터 입력되는 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하기 위한 제 1 저장수단; 외부의 제한 수신 시스템으로부터 제어단어(Control Word)를 입력받아 공통키(Common Key)를 생성하기 위한 공통키 생성수단; 상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 입력받아 소정 개수의 키(KK)를 생성하기 위한 키 스케쥴링 수단; 상기 키 스케쥴링 수단에서 생성한 상기 소정 개수의 키와 상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 사용하여 상기 제 1 저장 수단으로부터의 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하기 위한 다수의 암호화수단; 상기 다수의 암호화수단에서 암호화한 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 출력하기 위한 제 2 저장수단; 및 상기 다수의 암호화수단을 제어하기 위한 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 방법은, 고속 데이터 스크램블링 방법에 있어서, 입력되는 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하는 저장 단계; 상기 전송 스트림(TS) 데이터에서 패킷 식별자(PID) 정보를 추출하여 스크램블링 여부와 사용될 제어단어를 결정하는 결정 단계; 다수의 암호화기 중 유휴상태인 암호화기를 선택하는 선택 단계; 상기 결정 단계에서 결정한 제어단어로 공통키와 암호화에 필요한 소정 개수의 키를 발생하여 저장하는 키 발생 및 저장 단계; 상기 키 발생 및 저장 단계에서 저장한 상기 공통키와 암호화에 필요한 소정 개수의 키를 사용하여 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하는 암호화 단계; 및 상기 암호화 단계에서 암호화한 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 출력하는 저장 및 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 4 는 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 장치의 일실시예 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 장치는, 제한 수신 시스템으로부터 제어단어(Control Word)를 입력받아 공통키(Common Key)를 생성하는 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410)과, 상기 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410)으로부터 CK를 입력받아 다수의 암호화기(Cipher)(450, 460, 470)에서 사용될 56개의 키(KK)를 생성하는 키 스케쥴러(Key Scheduler)(420), 상기 키 스케쥴러(Key Scheduler)(420)에서 생성한 56개의 키(KK)와 상기 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410)에서 생성한 CK를 사용하여 입력 버퍼(430)를 통하여 입력되는 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS)을 암호화하여 출력 버퍼(480)로 전달하는 다수의 암호화기(450, 460, 470), 외부로부터 입력되는 트랜스포트 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 상기 다수의 암호화기(450, 460, 470)로 전달하는 입력 버퍼(Input Buffer)(430), 상기 다수의 암호화기(450, 460, 470)로부터 전달받은 트랜스포트 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 출력하는 출력 버퍼(Out Buffer)(480), 그리고 상기 다수의 암호화기(450, 460, 470)를 제어하는 제어기(440)를 포함한다.
한편, 각 암호화기(450, 460, 470)는 상기 컨포먼스 메카니즘 블럭(410)에서 생성한 CK를 저장하는 CK 메모리(452), 상기 키 스케쥴러(420)에서 생성한 56개의 키(KK)를 저장하는 KK 메모리(451), 상기 KK 메모리(451)에 저장되어 있는 56개의 키(KK)를 사용하여 상기 입력 버퍼(430)로부터 출력되는 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS)를 암호화하는 블럭 암호화기(Block Cipher)(453), 및 상기 블럭 암호화기(Block Cipher)(453)에서 암호화한 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림을 상기 CK 메모리(452)에 저장되어 있는 CK를 사용하여 암호화하여 출력 버퍼(480)로 전달하는 스트림 암화화기(Stream Cipher)(454)를 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 높은 전송률을 요구하는 방송 환경을 지원할 수 있도록 하기 위해 하나의 트랜스포트 스트림(TS)이 입력되어 처리되는 동안 다른 트랜스포트 스트림(TS)이 입력될 경우에도 지연없이 처리할 수 있도록 블럭 암호화기(Cipher)(450, 460, 470)를 여러 개 두는 구조이다. 여기서, 블럭 암호화기(Cipher)의 수는 원하는 성능을 가질 수 있도록 결정하면 된다.
한편, 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410), 키 스케쥴러(Key Scheduler)(420)는 상기 도 1에서와 동일한 프로세스를 수행한다. 또한, 각 암호화기(Cipher)(450, 460, 470) 내의 블럭 암호화기(Block Cipher)(453)와 스트림 암호화기(Stream Cipher)(454) 및 입력 버퍼(Input Buffer)(430)와 출력 버퍼(Output Buffer)(480)도 동일한 동작을 수행하게 된다.
한편, 추가된 제어기(Controller)(440)는 각 암호화기(Cipher)(450, 460, 470)의 제어를 담당한다. 제어기(Controller)(440)는 각 암호화기(Cipher)(450, 460, 470)가 동작할 수 있도록 각 암호화기(Cipher)(450, 460, 470)에 인에이블(Enable) 신호를 제공한다. 즉, 각 암호화기(Cipher)(450, 460, 470)는 제어기(Controller)(440)로부터 인에이블(Enable) 신호를 받은 이후에 입력 버퍼(Input Buffer)(430) 및 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410)과 키 스케쥴러(Key Scheduler)(420)로부터 각각 트랜스포터 스트림(TS) 데이터 및 CK와 KK를 받을 수 있다.
이때, 데이터 전송률이 하나 이상의 암호화기(Cipher)의 처리 속도보다 빠른 경우, 제어기(Controller)(440)는 또다른 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력될 때 쉬고 있는 암호화기(Cipher)에게 인에이블(Enable) 신호를 주어 지연없이 실시간 처리가 되도록 한다.
그리고, KK 메모리(Memory)(451) 및 CK 메모리(Memory)(452)는 블럭 암호화기(Block Cipher)(453)와 스트림 암호화기(Stream Cipher)(454)에서 각각 사용하게 될 KK 및 CK를 저장하게 된다. 상기에서 언급한 바 있지만, 스크램블링의 기본 단위는 엠펙-2(MPEG-2) 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이다. 따라서, 스크램블링에 사용되는 CW는 각 트랜스포트 스트림(TS) 패킷의 패킷 식별자(PID)에 따라 달라질 수 있다. 또한, 빈도를 높이기 위해 정해진 시간에 따라 변경된다. 따라서, 현재 입력된 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대한 스크램블링을 수행하기 위해서는 현재 트랜스포트 스트림(TS) 패킷의 패킷 식별자(PID)에 해당하는 CW를 사용해야 한다는 것이다. 물론, 스크램블링 처리를 하지않는 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대해서는 인사이퍼(Encipher) 블럭을 통과하되 데이터에 변경 없이 통과 시간만 스크램블링된 트랜스포트 스트림(TS) 패킷과 동일하게 처리함으로 동기를 맞추어 준다.
그리고, KK 메모리(Memory)(451) 및 CK 메모리(Memory)(452)가 필요한 이유는 현재 입력된 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 처리되기 전에 또다른 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력된다면 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410)과 키 스케쥴러(Key Scheduler)(420)에서는 현재 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대해 사용되고 있는 CK와 KK 값을 또다른 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대한 값으로 변화시키기 때문에 현재 트랜스포트 스트림(TS) 패킷에 대해 사용되는 CK 및 KK 값을 유지하기 위함이다.
도 5 는 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 입력되는 트랜스포트 스트림(TS)을 저장하고, 상기 트랜스포트 스트림(TS)에서 패킷 식별자(PID) 정보를 추출하여 스크램블링 여부 및 사용될 CW를 결정한다(501). 그리고, 유휴 상태인 암호화기를 선택한다(502).
다음으로, 상기 결정한 CW로 CK 및 KK를 발생하여 저장한다(503).
이어서, 저장되어 있는 CK 및 KK를 이용하여 상기 트랜스포트 스트림(TS)를 암호화하고(504), 암호화한 상기 트랜스포트 스트림(TS)을 저장한다(505).
한편, 본 발명에서 암호화기(Cipher)가 2개, 즉 제 1 암호화기(Cipher)(450)와 제2 암호화기(Cipher)(460)로 구성된 시스템의 경우를 예로 들어 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력되면 입력 버퍼(Input Buffer)(430)에서는 트랜스포트 스트림(TS)을 저장하게 되고, 제어기(Controller)(440)에서는 입력되는 트랜스포트 스트림(TS) 패킷 데이터 중에서 패킷 식별자(PID) 정보를 추출하여 스크램블링 여부 및 사용될 CW를 결정한다. 이는 상기 도 4에는 표시하지 않았지만 패킷 식별자(PID)와 CW가 쌍으로 저장되어 있는 CW 메모리에 현재 패킷 식별자(PID)와 매칭되는 "PID-CW" 쌍이 저장되어 있는지를 검사하여 결정한다.
또한, 제어기(Controller)(440)에서는 현재 쉬고 있는 암호화기(Cipher)로 인에이블(Enable) 신호를 발생한다. 여기서는, 2개의 암호화기(Cipher)를 가정하였으므로 신호는 1비트로 표현될 수 있으며 '1'일 경우 제 1 암호화기(Cipher)(450)가, '0'일 경우 제 2 암호화기(Cipher)(460)가 동작한다고 가정한다.
다음으로, 제 1 암호화기(Cipher)(450)가 선택되었다고 하면 상기 과정에서 결정된 CW는 컨포먼스 메카니즘(Conformance Mechanism) 블럭(410)과 키 스케쥴러(Key Scheduler)(420)를 거쳐 각각 CK 및 KK를 발생하게 되고, 이 값들은 제 1 암호화기(Cipher)(450)의 CK 메모리 및 KK 메모리에 저장된다. 이때, 제어기(Controller)(440)에서는 인에이블(Enable) 신호가 '1'을 유지하고 있어야 한다.
다음으로, 제 1 암호화기(Cipher)(450)의 CK 메모리 및 KK 메모리에 CK 및 KK가 모두 저장되면 제 1 암호화기(Cipher)(450)가 동작을 수행하게 된다. 이때, 제 1 암호화기(450)가 인에이블(Enable)되었다는 신호를 제어기(Controller)(440)로 보내준다.
이어서, 또다른 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 입력되면 마찬가지로 상기 과정을 수행하고 이번에는 제어기(Controller)(440)에서 제 1 암호화기(Cipher)(450)가 아직 동작하고 있으므로 인에이블 신호로 '0'을 발생하게 된다.
즉, 이번에는 제어기(Controller)(440)에서 인에이블(Enable) 신호가 '0'을 유지하고 있어야 한다.
그에 따라, 이번에는 제 2 암호화기(Cipher)(460)에서 상기 과정을 처리한다. 제 2 암호화기(Cipher)(460)의 CK 메모리 및 KK 메모리에 CK 및 KK가 모두 저장되면 제 2 암호화기(460)가 동작을 수행하게 된다. 이때, 제 2 암호화기(460)가 인에이블(Enable)되었다는 신호를 제어기(Controller)(440)로 보내준다.
한편, 제 1 암호화기(Cipher)(450)의 블럭 암호화기(Block Cipher)(453) 및 스트림 암호화기(Stream Cipher)(454)에서 모든 작업을 마치면 출력 버퍼(Output Buffer)(480)로 처리된 데이터를 출력하고, 제어기(Controller)(440)로 작업이 완료되었다는 신호를 보내주고 대기 상태로 들어간다.
상기 제어기(Controller)(440)는 제1 암호화기(Cipher)(450)로부터 작업이 완료되었다는 신호를 받은 후 새로운 트랜스포트 스트림(TS) 데이터가 입력되면 상기 과정을 처리하고 제 1 암호화기(Cipher)(450)에 대한 인에이블(Enable) 신호를 발생한다.
마찬가지로, 제 2 암호화기(Cipher)(460)에서 모든 작업이 완료되면, 상기 제 1 암호화기(Cipher)(450)와 같은 과정을 수행한다.
이후, 트랜스포트 스트림(TS) 패킷이 계속해서 입력되는 한 상기 과정이 제 1 암호화기(Cipher)(450)와 제 2 암호화기(Cipher)(460)에서 반복되어 진행된다.
도 6 은 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 장치의 동작 타이밍을 나타낸 일실시예 타이밍도이다.
입력되는 트랜스포트 스트림(TS) 패킷의 시간에 대해 각 암호화기(Cipher)의 처리속도(인에이블 구간)는 상대적으로 길지만 각 암호화기(Cipher)들이 번갈아가면서 처리하여 지연없이 출력을 내고 있음을 보여준다.
한편, 상기에서 본 발명을 설명하기 위해 2개의 암호화기(Cipher)를 가지는 스크램블 장치에 대한 예를 제시하였다. 실제 오픈케이블(OpenCable) 규격에서 256 QAM 변조되어 전송되는 채널의 전송률 39Mbps를 지원하기 위해 2개의 암호화기(Cipher)를 가지는 스크램블링 시스템을 구현한 경우 약 50Mbps까지의 데이터를 처리할 수 있었다. 물론, 하드웨어의 복잡도는 기존의 스크램블링 시스템보다 2개의 암호화기(Cipher)를 가지는 시스템이 약 60% 더 증가하였다. 하지만, 처리 속도는 약 80%을 증가시킬 수 있었다. 향후 더 빠른 전송률을 요구하는 방송 환경이라면 간단하게 암호화기(Cipher)의 수를 증가시켜 줌으로써 고속의 데이터 스크램블링을 수행할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명은, 디지털 유료 TV 방송 서비스 등을 제공하기 위해 요구되는 방송 데이터 스크램블링 시스템 구현에 있어서, 국제 규격인 ISO/IEC 13818-1(MPEG-2 System)과 DVB(Digital Video Broadcasting)-CSA(Common Scrambling Algorithm)에 기초하여 시스템을 구현하는 과정에서 국제 규격인 오픈케이블(OpenCable)TM 을 따르는 케이블 방송 시스템에서 요구되는 데이터 전송률을 만족시킬 수 있으며, 향후 더욱 높은 방송 데이터 전송률을 요구하는 방송 시스템에도 유연하게 대처할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 오픈케이블(OpenCable)TM 표준에서와 같이 높은 데이터 전송률을 가지는 디지털 케이블 TV 방송 시스템 등에서 유료 방송을 제공하기 위한 제한 수신 시스템의 서브시스템으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 향후 더욱 높은 방송 데이터 전송률을 요구하는 방송 시스템에도 고속의 스크램블링 구현을 위해 유용하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 일반적인 DVB-CSA 스크램블링 장치의 구성예시도.
도 2 는 상기 도 1의 일반적인 DVB-CSA 스크램블링 장치의 블럭 암호화기에 대한 일실시예 상세 구성도.
도 3 은 상기 도 1의 일반적인 DVB-CSA 스크램블링 장치의 스트림 암호화기에 대한 일실시예 상세 구성도.
도 4 는 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 장치의 일실시예 구성도.
도 5 는 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 방법에 대한 일실시예 흐름도.
도 6 은 본 발명에 따른 고속 데이터 스크램블링 장치의 동작 타이밍을 나타낸 일실시예 타이밍도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
410 : 컨포먼스 메카니즘 블럭 420 : 키 스케쥴러
430 : 입력 버퍼 440 : 제어기
450, 460, 470 : 암호화기
451 : KK 메모리 452 : CK 메모리
453 : 블럭 암호화기 454 : 스트림 암호화기
480 : 출력 버퍼

Claims (8)

  1. 고속 데이터 스크램블링 장치에 있어서,
    외부기기로부터 입력되는 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하기 위한 제 1 저장수단;
    외부의 제한 수신 시스템으로부터 제어단어(Control Word)를 입력받아 공통키(Common Key)를 생성하기 위한 공통키 생성수단;
    상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 입력받아 소정 개수의 키(KK)를 생성하기 위한 키 스케쥴링 수단;
    상기 키 스케쥴링 수단에서 생성한 상기 소정 개수의 키와 상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 사용하여 상기 제 1 저장 수단으로부터의 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하기 위한 다수의 암호화수단;
    상기 다수의 암호화수단에서 암호화한 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 출력하기 위한 제 2 저장수단; 및
    상기 다수의 암호화수단을 제어하기 위한 제어수단
    을 포함하는 고속 데이터 스크램블링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 암호화수단 각각은,
    상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 저장하기 위한 공통키 저장수단;
    상기 키 스케쥴링 수단에서 생성한 소정 개수의 키를 저장하기 위한 키 저장수단;
    상기 키 저장수단에 저장되어 있는 소정 개수의 키를 사용하여 상기 제 1 저장수단으로부터의 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하기 위한 블럭 암호화수단; 및
    상기 블럭 암호화수단에서 암호화한 전송 스트림(TS) 데이터를 상기 공통키 저장수단에 저장되어 있는 공통키를 사용하여 암호화하기 위한 스트림 암호화수단
    을 포함하는 고속 데이터 스크램블링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어수단은,
    상기 다수의 암호화수단에 동작 신호를 제공하되, 현재 처리중인 전송 스트림(TS) 패킷 이후의 또다른 전송 스트림(TS) 패킷이 입력될 때 상기 다수의 암호화수단 중 유휴 상태인 암호화수단으로 동작 신호를 전달하여 지연없이 실시간 처리가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고속 데이터 스크램블링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다수의 암호화수단 중 인에이블된 암호화수단은,
    상기 키 스케쥴링 수단에서 생성한 상기 소정 개수의 키와 상기 공통키 생성수단에서 생성한 공통키를 사용하여 상기 제 1 저장 수단으로부터의 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화한 후에, 암호화한 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 상기 제 2 저장수단으로 전달하고, 상기 제어수단으로 암호화 작업이 완료되었다는 신호를 전달하고 대기 상태로 들어가는 것을 특징으로 하는 고속 데이터 스크램블링 장치.
  5. 고속 데이터 스크램블링 방법에 있어서,
    입력되는 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하는 저장 단계;
    상기 전송 스트림(TS) 데이터에서 패킷 식별자(PID) 정보를 추출하여 스크램블링 여부와 사용될 제어단어를 결정하는 결정 단계;
    다수의 암호화기 중 유휴상태인 암호화기를 선택하는 선택 단계;
    상기 결정 단계에서 결정한 제어단어로 공통키와 암호화에 필요한 소정 개수의 키를 발생하여 저장하는 키 발생 및 저장 단계;
    상기 키 발생 및 저장 단계에서 저장한 상기 공통키와 암호화에 필요한 소정 개수의 키를 사용하여 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하는 암호화 단계; 및
    상기 암호화 단계에서 암호화한 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 저장하였다가 출력하는 저장 및 출력 단계
    를 포함하는 고속 데이터 스크램블링 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 결정 단계는,
    상기 패킷 식별자(PID)와 제어단어가 쌍으로 저장되어 있는 제어단어 메모리에 현재 패킷 식별자(PID)와 매칭되는 패킷 식별자-제어단어 쌍이 저장되어 있는지를 검사하여 결정하는 것을 특징으로 하는 고속 데이터 스크램블링 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 선택 단계는,
    제어기(Controller)가 상기 다수의 암호화기 중 현재 유휴 상태인 암호화기(Cipher)로 인에이블(Enable) 신호를 발생하여 상기 유휴상태인 암호화기를 선택하는 것을 특징으로 하는 고속 데이터 스크램블링 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 암호화 단계는,
    암호화기가 상기 키 발생 및 저장 단계에서 저장한 상기 공통키와 암호화에 필요한 소정 개수의 키를 사용하여 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 암호화하는 암호화 작업을 수행한 후에, 암호화한 상기 전송 스트림(TS) 데이터를 저장 및 출력 단계로 전달하고, 제어기(Controller)로 암호화 작업이 완료되었다는 신호를 전달하고 대기 상태로 들어가는 것을 특징으로 하는 고속 데이터 스크램블링 방법.
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