條件接收系統中智能卡的設計與實現

文章出處：http://www.nyfzw.net 作者：中國一卡通網 收編   人氣： 發表時間：2011年09月27日

    1、什么是條件接收系統(CAS)

    條件接收系統(CAS)指對數字電視節目的內容進行數字加擾(或稱數字加密)以建立有效的收費體系，被譽為數字電視健康發展的技術保障系統。

    按位置分CAS由前端(發送端)和終端(用戶接收部分組成。前端主要完成節目數據流的加擾、CW的加密、EMM的生成、用戶信息的管理以及相應眼務；終端主要完成解擾與解密，相關的硬件設備解擾器外加1個智能卡。

    目前的技術主流是：解復用部分與CW相關的解擾部戍在終端STB(機頂盒)的主芯片中；智能卡作為全性的最重要設備，在用戶端完成所有的解密功比，作為CA開發商，需要提供能夠完成解密功能智能卡，并能為STB軟件開發商提供移植技術。

    2、智能卡硬件電路的設計

    在研發的條件接收系統中，依據硬件設計的原理和CAS高安全性的特點，主芯片選用ATMEL公司生產的AT90SCl616C。他以高性能、低功耗的AVR 8位CPU為核心，內嵌16k的Flash可編程內存，16 k的E2PROM以及1 k的RAM，配合一個16位的協處理器(SCl6)完成高速的保密和認證功能。 

    3、 解密與收費功能的實現

    在CAS的用戶接收端，智能卡解析用戶的授權并完成所有的解密功能。與之相關的用戶基本信息、授權信息、個人分配密鑰等都以二進制數據的形式存儲在智能卡 的文件中。這些數據的存儲過程，是在終端與卡的接口函數的平臺上，使用APDU命令，在E2PROM內建立文件，并進行相關操作。開發使用的計算機語言可 以是VB，VC，VFP，C語言等。筆者選用VB進行開發。

    3．1 CA信息的獲取 

    在本條件接收系統中，EMM是以全局尋址Global，組尋址Shared，惟一尋址Unique 3種不同尋址策略發送到用戶接收端的，用戶端STB在接收EMM前，需要先從智能卡中讀取一個惟一的用戶ID號，再對STB中的寄存器做相應設置，然后接 收EMM。因此，用戶ID作為智能卡的惟一尋址地址，需要建立基本信息文件并加以存儲。另外，根據MPEG-2標 準的規定，在接收CAT表和PMT表的過程中，對EMMPID，ECMPID解析前，都要先對CA_system_ID進行判斷，因 此，CA_system_ID也應該存儲在智能卡的基本信息文件中。此外，根據各CA開發商對CA信息在接收前的不同處理方式，加密算法的類型與版本也可 作為必要信息存儲于智能卡的文件中。所有這些基本信息，可以放人同一文件中，也可以根據需要，采用不同的文件類型(如二進制文件、定長紀錄文件等)加以存儲。

    3．2 解密功能的實現

    本系統采用RSA算法，結合硬件電路來實現對ECM的所有解密過程。Kerckhoff原理指出：一個加密算法的全部秘密僅立足于密鑰的秘密性之上。因 此，一個根密鑰的泄露對智能卡、對整個CA系統而言都將是毀滅性的，他迫使應用供應商關閉使用的CA系統，而卡的發行商將更換所有的卡。出于保密的需要， 本文在這里僅就密鑰的生成、保護與訪問權限做簡要介紹。

    (1)密鑰的生成

    對于投入市場、發送到用戶手中的智能卡，一律不寫入根密鑰；對于每張卡內的主控密鑰，其實都是由芯片編號生成的導出密鑰。并且，卡內的密鑰有數10種之 多，且用法各不相同，即使將卡內密鑰悉數破解，也只是妨礙同類卡的安全，即一個組的安全，而一個組的最大用戶僅有256個，這對整個系統并沒有多大妨礙， 本系統在前端部分可以通過對用戶智能卡的芯片編號(具有惟一性)進行跟蹤，一旦發現，可以通過相應手段剔除黑卡，使非法用戶無法取得商業利益。

    (2)密鑰的保護

    密鑰是放在密鑰文件中，作為內部EF文件存儲于E2PROM中的，內部EF文件本身一旦建立，不允許從終端讀出內部數據的特點，最大程度上保證了密鑰的安 全性。此外，為了進一步提高密鑰的安全性，我們對自己的智能卡內部密鑰文件采用了"線路加密保?quot;方式，即對傳輸的密鑰數據進行RSA加密并附加 4B的MAC(報文鑒別碼)，智能卡收到后首先進行校驗，只有校驗正確的數據才予以接受，從而將密鑰泄露的可能性將至最低。

    (3)密鑰的訪問 

    對于投入市場的智能卡，無論采用何種方式，都不可能從智能卡中讀出密鑰數據，這是由智能卡本身硬件電路的安全性特點決定的。對STB移植來說，只要使用專用的智能卡命令，將獲得的ECM，EMM寫入智能卡，就可以得到解擾所需的控制字CW了。

    3．3 收費功能的實現

    本系統在前端采用與銀行和代理收費點聯網的方式，在終端通過在智能卡內建立文件存儲授權信息，并建立電子錢包文件和普通錢包文件，來實現收費功能。獲得何 種授權和扣款多少由EMM寫入智能卡后分析獲取，對錢包文件的建立也采用了"線路加密保護"方式，以保護消費者的權益。

    4、移植結果分析

    系統已在ST和NEC方案上進行了移植，并獲得成功，目前正在某機頂盒公司投入生產。從移植結果來看，對智能卡的驅動和讀寫成為移植能否成功的關鍵。

    例如，現在在對某方案的移植過程中，STB中的程序在調用讀卡寫卡函數時，會偶爾出現傳輸數據的丟失(主要是首字節的丟失)，其實，這是由于智能卡默認數據傳輸速率過高造成的。解決的辦法就是在讀卡函數和寫卡函數前加一個延時函數。

    5、未來CAS中智能卡的發展方向

    雖然智能卡的應用和制作技術已相當成熟，但由于智能卡是CAS安全的最重要的設備，同時，他與機頂盒之間數據的交換和CW的讀出，都可以被用戶帶回家中進行各種分析和破解，因此，為了增強整個CA系統的安全性，未來CAS中智能卡的發展方向為：可以將解擾模塊集成在智能卡主芯片中，甚至將接收端整個CA模 塊都考慮集成在智能卡中，同時使智能卡具有中間件的部分功能。當然，這樣的設計在目前來看是有技術困難的。首先，集成壓縮后的主芯片要像現在的智能卡那 樣，僅有幾個毫米的厚度，是不太現實的；其次，雖然中間件作為機頂盒軟件結構的核心已經有成熟的應用，但在智能卡中如何實現，也是需要考慮的問題。不過， 隨著社會的發展，一方面會對CAS的安全性提出更高的要求，一方面會推動微電子技術和電子數據處理技術的進一步發展，那么，CAS中智能卡的發展方向，也就可想而知了。

    6 、結語

    當前，隨著我國數字電視的普及推動和條件接收技術的日臻成熟，已經有越來越多的廠商將目光投向CAS的開發上；同時，眾多的機頂盒開發商也都在自己的產品上移植CA，以適應激烈的市場競爭。因此，研究CAS中的智能卡，無論是對于CAS的研發，還是對于機頂盒的移植，都有借鑒意義。