同密架構下ECMG的設計與實現

吳 琳，楊秀芝

(福州大學福建省數字電視工程研究中心，福建 福州 350002)

隨著數字電視產業的快速發展，各種增值業務不斷出現。條件接收系統(Conditional Access System，CAS)是實現節目付費和個性化增值業務的基礎，同密技術的實現為數字電視網絡運營商檢驗條件接收系統的優劣提供了一種技術手段［1］。典型的條件接收系統由用戶管理系統、節目信息管理系統、加密/解密系統和加擾/解擾系統等構成［2］。其中的加密/解密系統存在兩種加密單元，分別是對ECM與EMM的加密處理。本文研究的授權控制信息發生器(ECMG)，其功能主要是與加擾器中同密同步器(SCS)通信，對加擾控制字(CW)進行加密，將加密后的數據與訪問準則(AC)信息組合生成ECM包，將ECM包交給SOPC系統，通過網絡接口返回給加擾器。

1 設計方案

ECMG總體設計框圖如圖1所示。

圖1 ECMG設計框圖

加擾器中的控制字發生器(CWG)產生CW;SCS獲得CW，與ECMG建立TCP連接，為每個連接建立通道，在通道內建立所需要的流，通過相關的流向ECMG提供CW和相關信息;ECMG接收CW，用DES算法將其加密，加密后的數據與相關信息組成ECM包，返回給加擾器［3］。

2 ECMG硬件設計

ECMG硬件設計又可稱為ECMG加密機，該部分主要完成兩大模塊:加密模塊與ECM包生成模塊。采用硬件實現加密，安全度增加、加密速度加快，因此運用高效快速的FPGA來實現這兩大模塊是一個理想的選擇。

ECMG加密機結構框圖如圖2所示。

圖2 ECMG加密機結構圖

SKG:密鑰生成器。當SKG接收到網絡傳來的SK_rdy有效信號時，則產生本輪加密CW的密鑰SK。

CW接收:當接收到網絡傳來的CW_rdy有效信號時，讀取CW_men內的數據，讀取完成產生CWrv_rdy脈沖信號。

相關信息接收:相關信息主要是AC信息。當接收到SCS通過網絡傳來的AC_rdy有效信號時，讀取暫存于片內RAM中的訪問準則，也可以直接從網絡傳輸的消息中獲取，這樣就需要與加擾器約定傳輸的信息格式。

DES加密:當收到CWrv_rdy信號，即CW讀取完畢時，用SK對取出的CW進行DES加密運算。

CRC校驗:對組成的ECM密文進行CRC運算，產生4 byte的CRC字段，并添加于ECM包。

ECM組包存入RAM:在運用SK加密CW后，將加密后的數據與訪問準則信息按照制定的ECM數據格式組成ECM包，再將該數據存入RAM。

3 ECMG軟件控制實現

SOPC是Altera公司推出的一種高效靈活的片上系統解決方案，開創了嵌入式系統設計的新理念［4］。Nios II是32位RISC嵌入式處理器，它是SOPC的核心［5］。Altera將μC/OS-II實時操作系統、NicheStack TCP/IP協議棧內嵌到Nios II IDE中，軟件的設計可以方便靈活地使用該系統。該軟件控制的設計利用以上工具完成。

3.1 SOPC系統定制

該SOPC系統硬件定制如圖3所示。

圖3 SOPC系統定制圖(截圖)

本系統在SOPC Builder上定制了Nios II軟核CPU、SDRAM、ext_flash、網絡處理芯片 LAN91C111、Timer以及包含控制CW，ECM讀寫的PIO口。

3.2 網絡通信的實現

在同密機制下，AC信息是由各個CA廠商將其傳遞給SCS，SCS則負責將AC信息和從CWG取得的CW傳送給ECMG，ECMG將相關的節目信息和CW的密文組成ECM包并返回給SCS，SCS將收到的ECM包存儲在RAM里進行播發，SCS還控制ECM與CW之間的同步［6］。

ECMG主要與加擾器中SCS進行通信。ECMG作為服務器，SCS作為客戶端。SCS事先知道ECMG的IP地址與端口號，并向ECMG提出連接請求，建立TCP連接。

3.2.1 同密同步器

SCS工作流程可總結如下:

1)從加擾配置界面獲得Ecm_Pid，Scg_Id，AC，ECMG_IP，ECMG_Port信息。SCS根據Scg_Id提取相應的CW，并將CW，Ecm_Pid，AC組合構造成CW_provision消息。SCS根據ECMG_IP，ECMG_Port信息與ECMG建立TCP連接。

2)SCS依據Scg_Id和加擾周期來控制ECM與CW之間的同步。

3)SCS根據Scg_Id建立多個流，將CW_provision消息循環地傳給ECMG，ECMG返回ECM_response，SCS將返回的ECM信息進行分析并存儲。

3.2.2 ECMG與SCS的接口通信

對于接口來說，消息具有以下結構:

Generic_message

{ protocol_version 1B //協議版本的8比特域，0x01

message_type 2B //消息類型

message_length 2B//消息中的字節數

for(i=0;i＜n;i++)

{parameter_type 2B//參數類型

parameter_length 2B//參數長度

parameter_value ＜parameer_length＞B//參數實際值 }

}

根據數字電視廣播條件接受系統規范，ECMG與SCS接口的消息類型值如表1所示。

表1 消息類型值

ECMG與SCS通信過程如下:

1)SCS根據ECMG_IP，ECMG_Port向ECMG提出連接請求，雙方建立TCP連接。

2)SCS發起建立通道請求，消息類型為Channel_setup;ECMG開始建立通道，若成功則返回通道狀態，消息類型為Channel_status;若失敗則返回通道建立錯誤消息，類型為Channel_error，并關閉TCP連接。

3)SCS收到Channel_status后發起建立流請求，消息類型為Stream_setup;ECMG開始建立流，若成功則返回流狀態，消息類型為Stream_status;若失敗則返回流建立錯誤消息，類型為Stream_error，并關閉通道和TCP連接。

4)SCS收到Stream_status后，從CWG中取出CW，與收到的配置信息Ecm_Pid，AC一起構造成CW_provision，將該消息傳送給ECMG;ECMG分析收到的CW_provision消息，將控制字CW存儲，交給加密機進行硬件加密;將密文與分析出的Ecm_Pid，AC等信息按制定的ECM組包格式，組成ECM包。將ECM包與包頭組合構造ECM_response消息返回給SCS。

5)SCS收到ECM_response后，分析消息，將ECM包進行存儲并同步播發。

6)當不再需要ECM或出錯時，SCS發送流關閉請求，消息類型為Stream_close_request;ECMG返回流關閉消息，類型為Stream_close_response。

4 系統測試與結果分析

ECMG與加擾器中的SCS進行網絡通信，加擾器是采用研究中心自主研發的加擾器。

將本文設計的ECMG系統通過JTAG口下載到Stratix II開發板上。進行加擾系統配置，設置Ecm_Pid，Scg_Id，AC，ECMG_IP，ECMG_Port信息。再將本 ECMG系統與加擾器進行連接測試。打開Nios II IDE中的console界面打印出消息并分析，如圖4所示。

測試結果顯示，加擾器的IP為192.168.0.129，ECMG監聽端口為6001，從加擾器的IP接收數據。首先ECMG收到Channel_setup消息，返回Channel_status消息;然后收到Stream_setup消息，返回Stream_status消息;接著收到CW_provision消息，返回ECM_response消息;最后循環接收CW_provision，返回ECM_response。測試結果符合廣電標準與設計要求。

圖4 測試結果分析圖(截圖)

［1］李紅艷，沈士洲，吳國威.同密技術在數字電視系統中的應用［J］.電視技術，2004，28(9):38-40.

［2］GY/Z175—2001，數字電視廣播條件接收系統規范［S］.2001.

［3］魏軍，楊秀芝.基于SOPC的ECMG的設計與硬件實現［J］.中國有線電視，2010(1):51-53.

［4］江國強.SOPC技術與應用［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］Altera corporation.Using the NicheStack TCP/IP stack—Nios II edition tutorial［EB/OL］. ［2012-05-20］.http://www.docin.com/p-391338883.html.

［6］滕旭，李懷宇，鄭世寶.DVB同密技術與應用［J］.電視技術，2004，28(6):27-29.