CN102111681A - 一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其包括五层密钥，所述的五层密钥为四层对称密钥及一层非对称密钥，所述的四层对称密钥包括控制字CW、业务密钥SK、分发密钥DK及个人密钥PK，所述的一层非对称密钥为ECC密钥对。本发明中的密码算法全部采用国家密码管理局指定的密码算法，符合国家商用密码管理政策的要求。密码算法的强度高，能有效抵御基于数字电视广播网络的暴力攻击。
Description
技术领域
本发明涉及一种密钥体系，特别涉及一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系。
背景技术
近年来，数字电视成为全球高新技术产业竞争的一个重点。随着数字电视技术的成熟，许多运营商开始考虑或者着手建设数字化的广播电视网络。数字网络提供了丰富的增值服务机会，为传统广电行业带来新的发展机会。而数字电视发展的出路是以多元化的收费方式来促进电视的发展，这其中条件接收(CA，conditional access)***在数字电视的应用平台中扮演了很重要的角色。
数字电视广播条件接收***的主要工作原理是：在数字电视前端***对音视频信息和广播数据进行加密传输，同时对用户终端的解密密钥和解密过程进行控制，从而确保只有付费用户才能收看所选节目。
密钥是数字电视条件接收***安全的关键因素，其有效性和安全性直接决定了整个条件接收***的安全性。传统的条件接收***采用三密钥体系：最底层为用于加扰节目内容的控制字CW(Control Word)；中间层为业务密钥SK(Service Key)，用于对控制字CW进行加密形成授权控制信息ECM(EntitlementControl Message)；最上层为个人分配密钥PDK(Personal Distributed Key)，用于加密SK形成授权管理信息EMM(Entitlement Management Message)。授权管理信息EMM、授权控制信息ECM和节目内容密文数据经过复用形成传输流TS，它通过单向广播的方式传送给用户终端，用户终端按照相反的顺序进行解密，最终取出控制字CW完成对节目内容的解扰。
近年来，计算机技术与数字技术的迅猛发展，为数字电视产业的发展带来机遇的同时，数字电视***的安全性和业务的多样性也向条件接收***提出了更高的要求，传统的基于三层密钥体系的条件接收***逐渐变得不能适应数字电视产业的发展。
因此，如何将上述问题加以解决，即为本领域技术人员所欲研究的方向所在。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，以解决现有技术中所存在的问题，适应数字电视产业的发展。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其包括五层密钥，所述的五层密钥为四层对称密钥及一层非对称密钥，所述的四层对称密钥包括控制字CW、业务密钥SK、分发密钥DK及个人密钥PK，所述的一层非对称密钥为ECC密钥对。
较佳的实施方式中，所述的控制字CW为最底层密钥，用于加扰节目内容。
较佳的实施方式中，所述的控制字CW采用国密SM5序列对称加密算法，密钥长度采用128Bit。
较佳的实施方式中，所述控制字CW采用快变策略，按不到2秒的周期更新，并随授权控制信息ECM发送到用户终端。
较佳的实施方式中，所述的业务密钥SK为第二层密钥，用于加密保护所述控制字CW，还用于控制业务使用权限。
较佳的实施方式中，所述的业务密钥SK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit，所述的业务密钥SK随授权管理信息EMM发送到用户终端。
较佳的实施方式中，所述的业务密钥SK用于针对一个节目或针对一组具有共同授权信息的多个节目。
较佳的实施方式中，当针对多个节目时，不同的节目或节目组有着不同的业务密钥，所述的业务密钥SK的有效期与节目播放的时间一致，相关节目的业务密钥SK只有在节目播放周期内才起作用，节目播放结束后自动失效。
较佳的实施方式中，所述的分发密钥DK为第三层密钥，用于加密保护业务密钥SK。
较佳的实施方式中，所述的分发密钥DK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit，所述的分发密钥DK随授权管理信息EMM发送到用户终端，并可以在不同的运营商之间进行漫游。
较佳的实施方式中，所述的分发密钥DK与用户申请的业务使用周期密切相关，用来控制用户的节目收视权限，即实现授权控制。
较佳的实施方式中，所述的个人密钥PK为第四层密钥，用于加密保护所述分发密钥DK的分发。
较佳的实施方式中，所述的个人密钥PK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit，所述的个人密钥PK的更新间隔时间要求为1至2年，或与所述分发密钥DK同时更换。
较佳的实施方式中，当前端需要发送个人密钥PK时，前端个人密钥PK发生器运行密钥协商发送方算法产生个人密钥PK、个人密钥PK的动态参数R1和验证参数S1，后两个参数随授权管理信息EMM发送到用户终端。
较佳的实施方式中，所述ECC密钥对为第五层密钥，用于参与用户基于ECC的个人密钥PK的协商，必要时可用于在用户注册期间实现终端同前端***之间的相互认证，并可在今后条件接收***扩展到双向***时用于双向身份认证。
较佳的实施方式中，用户的ECC公私钥对在终端解密模块初始化时写入，采用国密SM2-2密钥协商算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中，密码算法全部采用国家密码管理局指定的密码算法，符合国家商用密码管理政策的要求。密码算法的强度高，能有效抵御基于数字电视广播网络的暴力攻击。
本发明提出的密钥体系中的四层对称密钥，控制字CW与加扰数据相关联，业务密钥SK与受保护的节目(业务)相关联，分发密钥DK与用户对节目(业务)的使用权限相关联，个人密钥PK与用户相关联，这四层密钥通过高层密钥对低层密钥(节目数据)加密的层层保护机制，保护节目数据和密钥的安全性，实现有条件接收；一层非对称密钥，用于基于ECC的PK协商，提高了PK使用的安全性。这样的层次划分，不仅增加了***的安全性，还为运营商开展多样性业务和进行***的双向改造提供了技术支撑。
附图说明
图1为本发明密钥体系结构框图；
图2为本发明条件接收***的示意框图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
如图1所示，为本发明密钥体系结构框图，本发明提供一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其包括五层密钥，所述的五层密钥为四层对称密钥及一层非对称密钥，所述的四层对称密钥包括控制字CW(Control Word)、业务密钥SK(Service Key)、分发密钥DK(Distribution Key)及个人密钥PK(Personal Key)，所述的一层非对称密钥为ECC密钥对。
其中，控制字CW用来加扰节目内容，业务密钥SK用来加密保护所述的控制字CW，所述的分发密钥DK用来加密保护所述的业务密钥SK，所述的个人密钥PK用来加密保护所述的分发密钥DK，所述的ECC密钥对用于所述个人密钥PK的密钥协商。
由图1可以得知，所述的控制字CW为最底层密钥，即第一层密钥，用于加扰节目内容。所述的控制字CW采用国密SM5序列对称加密算法，密钥长度采用128Bit，控制字CW采用快变策略，按不到2秒的周期更新，并随授权控制信息ECM(Entitlement Control Message)发送到用户终端。
所述的业务密钥SK为第二层密钥，用于加密保护所述控制字CW，还用于控制业务使用权限。业务密钥SK可以针对一个节目，也可以针对一组具有共同授权信息的多个节目，不同的节目或节目组有着不同的业务密钥，业务密钥SK的有效期与节目播放的时间一致，相关节目的业务密钥SK只有在节目播放周期内才起作用，节目播放结束后自动失效。业务密钥SK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit。业务密钥SK随授权管理信息EMM发送到用户终端。
所述分发密钥DK为第三层密钥，用于加密保护所述业务密钥SK。所述的分发密钥DK与用户申请的业务使用周期密切相关，用来控制用户的节目收视权限，即实现授权控制。分发密钥DK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit。分发密钥DK随授权管理信息EMM发送到用户终端，并可以在不同的运营商之间进行漫游。
所述个人密钥PK为第四层密钥，用于加密保护分发密钥DK的分发。个人密钥PK的更新间隔时间要求为1至2年，或与分发密钥DK同时更换。个人密钥PK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit。前端需要发送个人密钥PK时，前端个人密钥PK发生器运行密钥协商发送方算法产生个人密钥PK、个人密钥PK的动态参数R1和验证参数S1，后两个参数随EMM发送到用户终端。
所述ECC密钥对为第五层密钥，用于参与用户基于ECC的个人密钥(PK)协商，必要时可用于在用户注册期间实现终端同前端***之间的相互认证，并可在今后条件接收***扩展到双向***时用于双向身份认证。用户的ECC公私钥对在终端解密模块初始化时写入，采用国密SM2-2密钥协商算法。
本发明在具体实施的时候，对于对称密钥，要求完全以硬件形式实现SM5和SM1的完整算法，在保障满足应用性能的同时，可以抵抗目前已知的针对对称密码硬件实现的所有攻击。SM5的实现要考虑与加解扰模块的接口，保障SM5模块调用的方便性和安全性。考虑到技术发展和各种***的性能要求，要求SM5实现的速度要达到100-200Mbps。SM1可以用硬件形式完全实现ECB(ElectronicCodebook Mode)、CBC(Cipher Block Chaining Mode)和CTR(Counter Mode)三种模式，也可以只用硬件形式实现ECB模式，但必须考虑对CBC和CTR模式的支持。SM1实现要考虑与其他模块的接口，保障SM1模块调用的方便性和安全性。要求SM1在前端实现的加密速率≥200Mbps，在终端实现的解密速率≥30Kbps。
对于非对称密钥，考虑到其算法实现的复杂性和实现环境的资源约束，可以用硬件形式完全实现SM2-2，但也可以只用硬件形式实现SM2-2所基于的基础运算(如：大整数运算、点加、点倍和点乘)，SM2-2协议部分用软件实现。要求SM2-2在前端实现的PK生成速率≥1000次/秒；在终端实现的PK生成速率≥8次/秒。
参阅图2，为本发明条件接收***的示意框图，通过此***来介绍密钥体系中各密钥的使用情况，首先将所用到的符号定义如下：
1、IDT表示用户卡的唯一标识号；
2、“·”表示椭圆曲线上的点乘运算；
3、椭圆曲线参数、P、y·P和s·P都是***可公开的参数；
4、C1、C2为***对用户的控制因子(如用户信息、卡的有效期、运营商控制信息、本次分发专用控制信息等，均应可量化为字母数字串)；
5、“||”表示两个串的组合，组合方式应使得组合后的结果可满足椭圆曲线密码体制的计算需要；
6、EK(X)/DK(X)分别表示用密钥K对X进行加密/解密。
7、HMAC(X)表示对X计算无密钥的消息验证码(MAC)，在这里采用国密SM3计算MAC，即HMAC(X)＝SM3(X)的低128位。
下面，通过条件接收***的工作流程来介绍密钥体系中各密钥的使用情况。
1)发用户卡时
A.用户卡生成用户的ECC密钥对s和s·P。
B.用户卡与运营商交换公钥。
2)当用户注册时
A.用户持用户卡向运营商申请注册。
B.运营商审查用户资料，为用户卡产生用户控制信息C1(包含用户个人信息和有效期等)，用前端私钥y对C1签名，并将C1及其签名写入用户卡。
C.用户卡以前端公钥y·P验证运营商对C1签名的有效性，如签名无效则注册以失败结束，如签名有效则用户卡向运营商返回IDT||C1以及用用户卡私钥s对IDT||C1的签名。
D.运营商根据IDT从数据库中提取用户卡公钥s·P验证用户卡对IDT||C1签名的有效性，如签名无效则注册以失败结束，如签名有效则将IDT||C1及用户卡对IDT||C1的签名记录入数据库，注册成功。
3)前端***在需要发布个人密钥PK时
A.针对指定用户(通过用户卡的IDT标识)产生运营商控制信息C2(如运营商代号、授权机构等)。
B.前端PK发生器运行密钥协商发送方算法产生PK、PK的动态参数R1＝H(r||C2)·P和PK的验证参数S1，r为随机数。
C.将R1||S1随EMM发送到用户终端。
4)用户终端接收PK时
用户终端接收到R1||S1后，其PK发生器运行密钥协商接收方算法验证R1||S1的有效性，如有效则计算PK，无效则不计算PK(协商失败)。
5)前端***在需要发布分发密钥DK时
A.前端产生DK并记录入数据库。
B.用PK对DK进行加密，得C＝EPK(DK)||MAC(DK)。
C.将C随EMM发送到用户终端
6)用户终端接收DK时
A.用PK解密：DK＝DPK(EPK(DK))。
B.计算HMAC(DK)并与C中的HMAC值比较，相等则接受DK，否则拒绝接受DK。
7)在发布和接收业务密钥SK时
A.前端产生SK。
B.用DK对SK进行加密，得C＝EDK(SK)||MAC(SK)，C随EMM发送到用户终端。
C.用户终端用DK解密出SK，计算HMAC(SK)，并与C中的MAC值比较，相等则接受SK，否则拒绝接受SK。
若一个用户申请了N种业务并拥有这N项业务的收视权利时，可以：
A.前端：C＝EDK(SK1||SK2||......SKN)||MAC(SK1||SK2||......SKN)。
B.用户终端：对于某一业务，只用做与之对应的解密和校验操作。
8)在发布和接收CW时
A.前端产生CW。
B.用SK对CW进行加密，得C＝ESK(CW)||HMAC(CW)，C随EMM发送到用户终端。
C.用户终端用SK解密出CW，计算HMAC(CW)并与C中的HMAC值比较，相等则接受CW，否则拒绝接受CW。
9)在播放节目时
用户终端用CW对节目内容密文数据解扰。
上述密钥流程中PK协商采用国家SM2-2密钥协商算法标准。这里，PK协商参数加入了运营商控制信息C2，实现时可按需要选择确定是否要加进该参数。
根据***需求，上述流程中步骤3)和步骤5)可以合并进行，如此则步骤4)和步骤6)也应相应合并。
根据需要，用户注册过程可以与发卡过程合并，则工作流程中的步骤1)和步骤2)可以合并进行，这样就可以简化注册过程。
综上所述，本发明的密钥体系具有如下优点：
本发明中，所述的密码算法全部采用国家密码管理局指定的密码算法，符合国家商用密码管理政策的要求。密码算法的强度高，能有效抵御基于数字电视广播网络的暴力攻击。
本发明提出的密钥体系中的四层对称密钥，控制字CW与加扰数据相关联，业务密钥SK与受保护的节目(业务)相关联，分发密钥DK与用户对节目(业务)的使用权限相关联，个人密钥PK与用户相关联，这四层密钥通过高层密钥对低层密钥(节目数据)加密的层层保护机制，保护节目数据和密钥的安全性，实现有条件接收；一层非对称密钥，用于基于ECC的PK协商，提高了PK使用的安全性。这样的层次划分，不仅增加了***的安全性，还为运营商开展多样性业务和进行***的双向改造提供了技术支撑。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (16)
1.一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，其包括五层密钥，所述的五层密钥为四层对称密钥及一层非对称密钥，所述的四层对称密钥包括控制字CW、业务密钥SK、分发密钥DK及个人密钥PK，所述的一层非对称密钥为ECC密钥对。
2.根据权利要求1所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的控制字CW为最底层密钥，用于加扰节目内容。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的控制字CW采用国密SM5序列对称加密算法，密钥长度采用128Bit。
4.根据权利要求3所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述控制字CW采用快变策略，按不到2秒的周期更新，并随授权控制信息ECM发送到用户终端。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的业务密钥SK为第二层密钥，用于加密保护所述控制字CW，还用于控制业务使用权限。
6.根据权利要求5所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的业务密钥SK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit，所述的业务密钥SK随授权管理信息EMM发送到用户终端。
7.根据权利要求5所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的业务密钥SK用于针对一个节目或针对一组具有共同授权信息的多个节目。
8.根据权利要求7所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，当针对多个节目时，不同的节目或节目组有着不同的业务密钥，所述的业务密钥SK的有效期与节目播放的时间一致，相关节目的业务密钥SK只有在节目播放周期内才起作用，节目播放结束后自动失效。
9.根据权利要求1所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的分发密钥DK为第三层密钥，用于加密保护业务密钥SK。
10.根据权利要求9所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的分发密钥DK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit，所述的分发密钥DK随授权管理信息EMM发送到用户终端，并可以在不同的运营商之间进行漫游。
11.根据权利要求1或9所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的分发密钥DK与用户申请的业务使用周期密切相关，用来控制用户的节目收视权限，即实现授权控制。
12.根据权利要求1所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的个人密钥PK为第四层密钥，用于加密保护所述分发密钥DK的分发。
13.根据权利要求1或12所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述的个人密钥PK采用国密SM1分组对称加密算法，分组长度为128Bit，密钥长度为128Bit，所述的个人密钥PK的更新间隔时间要求为1至2年，或与所述分发密钥DK同时更换。
14.根据权利要求1所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，当前端需要发送个人密钥PK时，前端个人密钥PK发生器运行密钥协商发送方算法产生个人密钥PK、个人密钥PK的动态参数R1和验证参数S1，后两个参数随授权管理信息EMM发送到用户终端。
15.根据权利要求1所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，所述ECC密钥对为第五层密钥，用于参与用户基于ECC的个人密钥PK的协商，必要时可用于在用户注册期间实现终端同前端***之间的相互认证，并可在今后条件接收***扩展到双向***时用于双向身份认证。
16.根据权利要求1或15所述的一种用于数字电视广播条件接收***的密钥体系，其特征在于，用户的ECC公私钥对在终端解密模块初始化时写入，采用国密SM2-2密钥协商算法。
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