移動(dòng)視頻服務(wù)的內(nèi)容保護(hù)技術(shù)研究.pdf

1、通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線數(shù)字廣播方式，隨時(shí)隨地向用戶提供移動(dòng)視頻服務(wù)被普遍認(rèn)為是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和廣播運(yùn)營(yíng)商的下一代“殺手級(jí)”數(shù)據(jù)應(yīng)用。隨著數(shù)字視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展，3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持實(shí)時(shí)流媒體能力的提高，以及各種衛(wèi)星和地面移動(dòng)數(shù)字電視廣播技術(shù)的成熟，移動(dòng)視頻服務(wù)由試運(yùn)營(yíng)逐步轉(zhuǎn)向商業(yè)運(yùn)營(yíng)。移動(dòng)視頻服務(wù)的研究熱點(diǎn)也從將逐漸從如何提高視音頻數(shù)據(jù)源的編碼效率和如何有效地傳輸編碼后視音頻數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)移到如何提供更多更好的節(jié)目?jī)?nèi)容，以及如何保護(hù)具有較高商業(yè)

2、價(jià)值節(jié)目的內(nèi)容安全上來(lái)，以此保護(hù)運(yùn)營(yíng)移動(dòng)視頻服務(wù)的合法收益。 不同架構(gòu)的移動(dòng)視頻服務(wù)內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)會(huì)影響移動(dòng)視頻接收設(shè)備的通用性和安全性，而接收設(shè)備的通用性和安全性又是推廣移動(dòng)視頻服務(wù)的關(guān)鍵因素。本文針對(duì)移動(dòng)視頻服務(wù)的內(nèi)容傳輸方式多樣性和內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)多樣性，為提高接收設(shè)備的通用性和安全性以及視頻內(nèi)容加密算法的靈活性和安全性等展開(kāi)研究。本文的主要工作及研究成果可以歸納如下： 研究了移動(dòng)視頻服務(wù)的OMABCAST和DVB-IP

3、DCSPP內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范所定義的內(nèi)容保護(hù)框架層次結(jié)構(gòu)模型和密鑰層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)這種對(duì)內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)的層次分割，我們將各種不同的內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)分類為：開(kāi)放式和封閉式內(nèi)容保護(hù)框架，并分析了這兩大內(nèi)容保護(hù)框架在通用性和安全性上各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文隨后提出了一種能兼容開(kāi)放式和封閉式內(nèi)容保護(hù)框架的接收端內(nèi)容保護(hù)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法：在移動(dòng)視頻服務(wù)的接收設(shè)備中引入一個(gè)機(jī)卡分離安全平臺(tái)(包含開(kāi)放式和封閉式兩種)，由此得到的接收端內(nèi)容保護(hù)子系統(tǒng)在與上述兩

4、大內(nèi)容保護(hù)技術(shù)規(guī)范兼容的同時(shí)，可以支持移動(dòng)視頻服務(wù)前端采用任何一種內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)。這種兼容接收端子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法彌補(bǔ)了上述兩大內(nèi)容保護(hù)技術(shù)規(guī)范所定義的接收端內(nèi)容保護(hù)子系統(tǒng)彼此之間的兼容性問(wèn)題，并且由于新的高效安全算法的引入也加強(qiáng)了安全性。 給出了機(jī)卡分離安全平臺(tái)的開(kāi)放式和封閉式兩種設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)卡分離安全平臺(tái)所涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。主要工作包括：1)提出了機(jī)卡分離安全平臺(tái)的功能模塊劃分和實(shí)現(xiàn)方法，特別是最復(fù)雜的內(nèi)容保

5、護(hù)系統(tǒng)安全消息的過(guò)濾接收方法；2)設(shè)計(jì)并提出了機(jī)卡分離安全平臺(tái)所需的關(guān)鍵安全算法，以保證機(jī)卡分離安全平臺(tái)不會(huì)成為整個(gè)內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)的安全薄弱環(huán)節(jié)，并且具有更高的計(jì)算效率和更低的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求。機(jī)卡分離安全平臺(tái)所需的關(guān)鍵安全算法包括：機(jī)卡分離安全平臺(tái)的身份認(rèn)證算法，機(jī)卡分離安全平臺(tái)和接收端內(nèi)容保護(hù)子系統(tǒng)的安全模塊(通用集成電路卡UICC)之間的認(rèn)證安全通道(ASC)建立算法。本文設(shè)計(jì)了一種基于增強(qiáng)型NTRU密碼體制的機(jī)卡分離安全平臺(tái)身份認(rèn)證算

6、法用于機(jī)卡分離安全平臺(tái)的身份合法性認(rèn)證，該算法繼承了基于NTRU密碼體制的安全算法的計(jì)算高效性的同時(shí)，克服了基于NTRU密碼體制的安全算法存在解碼失敗概率的缺陷。為了保護(hù)機(jī)卡分離安全平臺(tái)和UICC之間在ISO/IEC7816-3/4標(biāo)準(zhǔn)通信接口上交互的安全敏感數(shù)據(jù)的安全，本文在上述機(jī)卡分離安全平臺(tái)身份認(rèn)證算法的基礎(chǔ)上提出了一種將身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商結(jié)合為一體的認(rèn)證安全通道建立算法，該算法同樣繼承了基于NTRU密碼體制的安全算法的計(jì)算高效性

7、，同時(shí)克服了基于NTRU密碼體制的安全算法存在解碼失敗概率的缺陷，同時(shí)由于將身份認(rèn)證和密鑰協(xié)商過(guò)程結(jié)合在一起，省去了諸多冗余過(guò)程，從而大大降低了整個(gè)認(rèn)證安全通道建立協(xié)議的通信量，與在數(shù)字電視接收機(jī)智能卡條件接收接口技術(shù)規(guī)范中所提出的認(rèn)證安全通道建立算法相比較，本文提出的認(rèn)證安全通道建立算法計(jì)算效率更高，同時(shí)對(duì)UICC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的要求也更低。 移動(dòng)視頻服務(wù)的節(jié)目?jī)?nèi)容安全性最終取決于用于加密節(jié)目?jī)?nèi)容的內(nèi)容加密算法的安全性，此外，由

8、于移動(dòng)視頻服務(wù)的商業(yè)模式的多樣性，內(nèi)容加密算法的實(shí)現(xiàn)靈活性和計(jì)算效率也是衡量一種內(nèi)容加密算法的性能的重要指標(biāo)?；谝苿?dòng)視頻服務(wù)所使用的H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了兩種分別結(jié)合了H.264/AVC的CAVLC和CABAC熵編碼器特征的視頻內(nèi)容選擇性加密算法：CIME算法和BACE算法。受限索引映射加密(CIME)算法結(jié)合了CAVLC熵編碼器的特征，該算法在視頻源編碼的熵編碼層次上對(duì)視頻內(nèi)容做選擇性加密，根據(jù)內(nèi)容保護(hù)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)容

9、安全等級(jí)的要求來(lái)調(diào)整需要加密的句法元素的多少，與現(xiàn)有文獻(xiàn)中已有的各種選擇性內(nèi)容加密算法相比，CIME算法可以以一種受控的方式在加密后碼流額外碼率增加和加密后視頻內(nèi)容的安全性之間量化地折衷，并且能保證加密后的碼流的句法結(jié)構(gòu)完全符合H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。二進(jìn)制算術(shù)編碼加密(BACE)算法結(jié)合了CABAC熵編碼器的特征，利用算術(shù)編碼的弱同步特性來(lái)保證加密后視頻內(nèi)容的安全性。BACE算法通過(guò)改變CABAC的二進(jìn)制算術(shù)編碼過(guò)程，可以在進(jìn)

10、行CABAC熵編碼的同時(shí)進(jìn)行加密操作，并且由于沒(méi)有影響CABAC熵編碼的“符號(hào)二進(jìn)制化”和“場(chǎng)景建?！边^(guò)程，不會(huì)改變CABAC熵編碼器的編碼效率(即不會(huì)引入加密后碼流的額外碼率增加)。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，CIME算法和BACE算法都能有效地對(duì)視頻內(nèi)容進(jìn)行選擇性地加密，只需根據(jù)源視頻的統(tǒng)計(jì)特性和編碼幀類型靈活地選擇待加密的句法元素就可以實(shí)現(xiàn)只需加密少量句法元素就能掩蓋大部分源視頻有用信息的目的，并且無(wú)需外置加密模塊。上述兩種結(jié)合了H.

11、264/AVC熵編碼器特征的內(nèi)容選擇性加密算法，由于其加密后的視頻碼流的句法結(jié)構(gòu)完全符合H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)的基于塊數(shù)據(jù)的塊加密算法相比較，本文提出的兩種內(nèi)容加密算法可以使得加密后碼流在無(wú)需解密的情況下，實(shí)現(xiàn)H.264/AVC視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)為移動(dòng)視頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)的諸多特性，如：增強(qiáng)傳輸魯棒性的數(shù)據(jù)分割(DP)技術(shù)和非均衡保護(hù)(UEP)技術(shù)，以及直接做匹配信道帶寬的分級(jí)編碼操作等，具有更高的靈活性和計(jì)算效率，從而可以靈活運(yùn)用