线性 DVB/IPTV 广播中的内容保护

线性 DVB/IPTV 广播中的内容保护

SimulCrypt 与 BISS 加扰技术：无需 FPGA 的实现原理

引言

在 DVB/IPTV 领域，内容加密通常被称为“加扰”，其作用是限制对付费电视频道和视频服务的访问。

广播运营商（包括卫星、有线电视和 IPTV 服务商）在内容制作与采购方面投入巨大。借助加密技术，他们能够通过销售订阅服务、控制访问权限来实现内容变现。这种技术手段相当于构筑起一道屏障：若无解密密钥，未经授权的信号复制和分发行为变得毫无意义。

如今，加密技术不仅用于 OTT 服务，也广泛用于线性电视广播（DVB 和 IPTV）。在 OTT 领域，内容保护由 Widevine、FairPlay、PlayReady 等数字版权管理 (DRM) 系统负责。这些系统与传统广播中的条件接收系统 (CAS) 功能相同，但内容分发方式略有差异，因此不在本文的讨论范围内。

DVB 和 IPTV 广播主要采用两种内容保护技术：同密 (SimulCrypt) 和基本互操作加扰系统 (BISS)。


SimulCrypt：灵活性与可扩展性兼具

SimulCrypt 是 ETSI TS 103 197 技术规范定义的一种机制，允许同一频道使用一种或多种 CAS。在该机制中，加密密钥动态更新，CAS 负责管理访问权限并向合法订阅用户分发密钥。

SimulCrypt 需要一套先进的基础设施，包含 CAS 服务器、授权控制信息/授权管理信息 (ECM/EMM) 生成模块以及复用器集成组件。它能为广播运营商提供高度可靠性与灵活性：运营商可组合不同的 CAS，并根据具体的业务目标定制系统。
 

BISS：面向专业场景的简易解决方案

BISS 是一种更简单的轻量化解决方案，常用于临时频道或业务专用频道。其最基础的版本 BISS-1 采用静态密钥，在整个广播期间保持不变。这一设计简化了部署过程——只需在收发两端手动输入密钥即可，便于电视台或承包商之间的信号传输，也适用于直播场景。

然而，一旦密钥泄露，保护机制便会失效。因为 BISS-1 本质上是一种“共享密钥”系统，所有参与方均知晓密钥。该方案仅能防止无意的非法观看，无法抵御蓄意攻击。

虽然存在支持动态密钥更新的 BISS-CA 模式，但并未得到广泛应用，因此在实际场景中，“BISS”几乎均指代简化版的 BISS-1。
 

SimulCrypt 与 BISS 的共存

在现代网络中，这两种方案常并行使用：

SimulCrypt 用于保障广播和最终用户订阅的安全；BISS 则用于临时频道和业务专用频道，这类场景的核心需求是快速简易的部署。

有时，BISS-1 也被用于“保护”面向最终用户的内容，但由于其静态密钥最终难免泄露，该方案的可靠性极低。

加扰的主要目的是防止内容被未经授权观看和分发。但需注意的是，加扰无法防范前端站点的内容篡改行为。若篡改发生在未加密信号进入扰码器之前，篡改后的内容会被正常加密并传输给订阅用户。若篡改发生在信号进入加扰器之后，但信号仍以未加密形式存在，也大概率会成功，因为这类信号进入用户接收端时已完成解密。
 

SimulCrypt 的工作原理

SimulCrypt 架构包含三个核心组件——扰码器、复用器和 CAS，三者紧密协作。

图 1 - DVB SimulCrypt 架构 
（源自 ETSI TS 103 197 标准）


系统核心组件（参见图 1）

蓝色模块代表条件接收 (CA) 系统的组件：

  • ACG（接收标准生成器）：判定哪些用户有权观看内容
  • EMMG（授权管理消息生成器）：生成包含用户访问权限的授权管理消息
  • ECMG（授权控制消息生成器）：生成包含解密密钥（控制字 (CW)）的授权控制消息
  • PDG（专用数据生成器）：生成业务数据（可选模块）
  • PDG、CPSIG、CSIG：为 PSI/SI（节目特定信息/业务信息）生成额外的 CA 系统业务信息

黄色模块代表复用器和扰码器的组件：

  • MUXCONFIG：控制复用器 (MUX) 设置，但实际场景中极少部署
  • PSIG（节目特定信息生成器）：生成标准 PSI 表格（如 PAT/PMT）
  • SIG（业务信息生成器）：生成 SI 表格（如 SDT/EIT）
  • SCG（加扰控制组）：定义哪些节目使用哪些密钥加密，以此控制加密流程
  • CWG（控制字生成器）：生成加密密钥（控制字）
  • MUX（复用器）：将所有流（视频、音频、PSI/SI、ECM、EMM）合并为统一的 MPEG-TS 传输流
  • 扰码器：使用 CW 密钥对传输流进行加密（加扰）

CAS 通常包含 ECMG 和 EMMG 服务器，负责密钥生成与分发，以及机顶盒 (STB) 控制。知名 CAS 厂商包括 Verimatrix、Irdeto 和 Secure TV。
需要注意的是，不同厂商的 CAS 实现方式存在差异，并非都支持规范中描述的全部功能。

扰码器可作为独立程序或硬件模块部署。尽管不同厂商、不同 CAS 的扰码器的实现方式差异显著，但均会加密 TS 数据包负载，并在 TS 包头的传输加扰控制 (TSC) 字段中设置相应的标识位，告知解码器此数据包已加密，需使用解密密钥才能播放。若用户尝试在无密钥的情况下播放该流，将看到“黑屏”或失真画面。在某些实现方式中，扰码器还负责按照特定规则（SimulCrypt 协议）与 CAS 进行通信，从 CAS 获取密钥并修改 PSI/SI 表格。这种情况下，复用器可能完全不参与这一过程。

复用器通常会与扰码器集成，将从 CAS 接收的 ECM/EMM 插入传输流，并修改 PSI/SI 表格——例如，当存在 EMM 时添加 CAT 表格，在 PMT 中为 ECM、EMM 和 CAT 创建新的 PID。
在加密的 DVB 流中，ECM 始终存在，而是否包含 EMM 则视情况而定。在 IPTV 中，更常见的做法是通过独立的双向 IP 信道（带外）将 EMM 按需下发至机顶盒，因此主媒体流仅传输 ECM。
 

加密算法及其可靠性

DVB 和 IPTV 主要使用以下加密算法：DVB-CSA1、DVB-CSA2、DVB-CSA3、CISSA (AES)。这些算法的密钥长度不同，因此计算复杂度和加密强度也存在差异。使用 DVB-CSA 系列算法需获得授权，这是选择方案时需考虑的因素。下表对上述算法进行了对比：

加密算法

密钥长度（比特）

加密强度

计算复杂度

建议用途

DVB-CSA1

48 (+16)*

低

低

仅用于兼容现有的老旧机顶盒

DVB-CSA2

64

中

低

建议用于新系统

DVB-CSA3

128

高

高

AES

128

高

高

* 实际密钥长度为 48 比特，因为 64 比特中仅 48 比特具有唯一性。从 0 开始计数，密钥的第 3 和第 7 字节为前 3 个字节的模 2 校验和。

在实际应用中，DVB-CSA2 被认为在安全性和性能之间取得了理想的平衡。DVB-CSA1 已过时，不建议使用。有报道称该算法已被破解，其唯一合理用途是支持存量的老旧用户终端设备。DVB-CSA3 计算复杂度过高，却未带来实质性优势；AES 在线性广播中的应用则仅限于 IPTV 系统。


Elecard 扰码器的特性

如前所述，不同厂商的扰码器实现方式各异。Elecard 的解决方案除具备标准加扰功能外，还提供了适用于实际场景的额外功能：

  • 选择性加密：例如，仅对 16 个 TS 数据包中的 1 个进行加密。该模式可大幅降低加密和解密的计算量，这对于兼容算力较低的老旧机顶盒尤为重要，同时在无密钥解码时会造成画质显著下降，从而达到保护效果。

F图 2：选择性加密

  • 灵活的流选择：仅加密音频或仅加密视频。
  • ECMG 连接丢失应对机制：支持备用方案；若未配置备用 ECMG 或备用不可用，可设定应对操作，如继续使用上次的密钥加密，或暂时暂停保护。
  • EMM 代理：支持建立单个 TCP 连接至 EMMG，再通过本地网络组播 EMM。扰码器既可直接通过 TCP 从 EMMG 接收 EMM，也可通过组播接收。这一设计能减少 EMMG 连接数，此类连接通常受授权数量限制。

图 3：EMM 代理


性能表现与 FPGA 的替代方案

Elecard CodecWorks 解决方案完全基于软件实现，无需专用硬件。
现场可编程门阵列 (FPGA) 虽具备高速、高能效的优势，但依赖专用驱动程序，因此限制了平台和操作系统的选择。此外，FPGA 需在服务器中安装物理模块，而模块的生产和供货会增加物流复杂度，降低部署的灵活性。
相比之下，Elecard 的纯软件扰码器可在任意 x86 服务器（包括虚拟机）上运行，并可通过常规软件补丁完成更新。这无疑是一项显著优势：更新软件远比更换硬件设备甚至重刷固件更简便、成本更低。 

为在无硬件加速器的情况下实现高性能，该方案采用 SIMD (AVX2) 向量指令，可同时对多个数据执行同类型操作。如需了解更多细节，可参考我们的文章：

我们使用的 x86 指令集扩展 AVX2，在 Intel Haswell（2013 年起）和 AMD Zen（2017 年起）架构的 CPU 上也受支持。
在不支持 AVX2 的老旧 CPU 上，扰码器仍可运行，但性能会有所下降。

下图为同一文件在启用和禁用优化后的加密耗时对比：

图 4：AVC 文件加密耗时

或将性能换算为每个 CPU 核心的 Mbps

图 5：UDP AVC

在实际应用中，要对 20 路 MPTS（每路平均码率 100 Mbps）进行完整加扰，一台配置普通的服务器即可满足需求（基于 Intel Xeon Silver 4316 CPU，2.3 GHz，20 核/40 线程）：

图 6：Intel 服务器 CPU 配置

也可选择基于 AMD CPU 的系统（可支持 64 路 MPTS，每路平均码率 100 Mbps）：

图 7：AMD 服务器 CPU 配置

 

Evaluate CodecWorks

 

如有任何问题，欢迎发送邮件至： sales@elecard.com

shmakov作者

Dmitriy Shmakov 是 Elecard 首席工程师，自 2021 年起从事视频分析相关工作，负责为 Telstra、Globo、Amagi、Innet 等 Elecard 的大客户提供技术支持。

 

2025年10月28日