基于Android的機頂盒CAS系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：詳細闡述了機頂盒CAS終端子系統(tǒng)的設(shè)計過程，提出一種CAS子系統(tǒng)軟件框架，并介紹了Android系統(tǒng)的NDK環(huán)境搭建以及上層應(yīng)用(JAVA)與底層(C語言)的無縫銜接，并成功地把CAS子系統(tǒng)移植到Android系統(tǒng)中。實驗證明，此CAS子系統(tǒng)可以穩(wěn)定地在華為H3716C平臺(Android平臺)上運行。
關(guān)鍵詞：Android；機頂盒；CAS；NDK

引言
    CAS(Conditional Access System，條件接收系統(tǒng))是一種加密系統(tǒng)方法總稱，通過這個系統(tǒng)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、收費、加密、管理等諸多功能，廣泛應(yīng)用于視頻點播、電子銀行、網(wǎng)上超市、遠程教育等諸多環(huán)境。其與數(shù)字廣播系統(tǒng)獨立，但對商業(yè)的數(shù)字廣播系統(tǒng)來說，是其成功運營的基礎(chǔ)、增值服務(wù)的命脈，CAS系統(tǒng)須保證未授權(quán)用戶不能收看加密節(jié)目，而授權(quán)的用戶可以收看加密節(jié)目，同時可以對單用戶進行識別、控制，消除傳統(tǒng)網(wǎng)路電視的盲目性，是我國數(shù)字網(wǎng)絡(luò)改造的核心部分。CAS系統(tǒng)由兩部分組成：前端加擾管理系統(tǒng)和終端解擾子系統(tǒng)。機頂盒屬于終端設(shè)備，本文介紹的CAS系統(tǒng)屬于終端解擾子系統(tǒng)。
    任何一款復(fù)雜電子設(shè)備，都離不開一款強大的操作系統(tǒng)支持，而 Android系統(tǒng)起初是Google公司為移動設(shè)備開發(fā)的一套操作系統(tǒng)，但由于其開源、擁有OHA聯(lián)盟強大的后盾，而且具有獨特的系統(tǒng)架構(gòu)以及Linux內(nèi)核底層的穩(wěn)定支撐，很快有許多其他產(chǎn)品廠商都紛紛開發(fā)出 And roid平臺，使其成為目前在大型嵌入式設(shè)備上最流行的操作系統(tǒng)。目前華為、中必等為代表的機頂盒廠商都在紛紛推出基于Android平臺的機頂盒。本文詳細介紹了機頂盒CAS終端子系統(tǒng)的設(shè)計過程和移植到Android平臺上的過程。

1 終端解擾子系統(tǒng)解擾過程
    數(shù)字電視節(jié)目都是通過介質(zhì)(地面、電纜、衛(wèi)星)以TS流的形式傳播的。TS流依據(jù)MPEG-2協(xié)議被分成長度188字節(jié)的ES包，每一個ES包都有自身識別的PID號，根據(jù)PID號的不同分成各種功能不同的表，其中對CAS系統(tǒng)有用的是ECM表和EMM表。EMM(Entitle Manager Message)表為授權(quán)管理信息表，里面主要包含每個用戶授權(quán)的節(jié)目數(shù)和對應(yīng)的SK(Service Key)業(yè)務(wù)密鑰信息。ECM(Entitle Control Message)表為授權(quán)控制信息表，里面含有對解擾最重要的CW(Control Word)控制字，取得對應(yīng)節(jié)目的CW之后，就可以交給安全模塊解擾，解擾后的明文CW就可以用來解擾加密節(jié)目，整個解密過程也就完成了。
    CA解擾的過程如圖1所示。

2 終端子系統(tǒng)設(shè)計
    考慮到應(yīng)用設(shè)計與底層硬件智能卡進行交互，且Android系統(tǒng)提供有NDK套件工具，使得底層的其他語言的API與Android應(yīng)用層JAVA語言無縫對接，所以可以把CAS以庫的形式存放到Android中間層，供Android上層GUI調(diào)用。CAS系統(tǒng)的設(shè)計用到上述的ECM表和EMM表，但EMM表和ECM表要從PSI中的PMT、CAT表獲得其PID號。圖2、圖3是用專用工具截取的一段PMT和CAT表里面的CA信息。

[!--empirenews.page--]
    從圖2可以看出此TS流中的CAT表中含有ca_descriptor描述符，并可以得出ECM的ca_pid為0x0562。而從圖3中可以看出，PMT表中含有的EMM表的ca_pid為0xoffe。此時就可以設(shè)置操作demod來分配filter通道，過濾出EMM、ECM表的section_descriptor_table，來取得CA有關(guān)的信息。如果用戶要流暢地播放節(jié)目，機頂盒(Set_Top Box，STB)就要不斷地獲得密文CW送入智能卡中，從整個解碼過程中可以把整個CAS終端子系統(tǒng)分為3個模塊：EMM解析模塊、ECM解析模塊、智能卡任務(wù)模塊。Android系統(tǒng)采用的是Linux內(nèi)核，保留了posix的pthread、message、memory pool等通用的API，所以在設(shè)計3個模塊時，可以使用pthread_create()創(chuàng)建任務(wù)模塊；使用msgget()創(chuàng)建消息，實現(xiàn)3個任務(wù)模塊的通信與同步。
2．1 EMM任務(wù)模塊
    由圖1可知，TS流經(jīng)tuner調(diào)諧，把高頻載波去掉，再經(jīng)過demod解調(diào)，就可以根據(jù)PES包的PID號和TABLEID號設(shè)置其里面的filter。一般來說一個demod含有多個filter，在系統(tǒng)啟動開始就會分配PAT表的filter，有PAT表的setction descriptor的描述就可以得到PMT表的PID，此時同樣分配PMT表的filter。如果此節(jié)目是加密節(jié)目，在其段描述符中就會含有EMM表的PID號，一旦找到EMM的PID號，就可以為EMM表分配filter。如果EMM里面的CA信息版本號和智能卡存儲的CA信息版本號一致，就舍棄此EMM；如果不一致，就重新改寫智能卡里面的CA用戶的信息。EMM任務(wù)模塊流程如圖4所示。

    在EMM任務(wù)模塊中，通過CAS_EMM_TASK()函數(shù)創(chuàng)建任務(wù)，在CAS_EMM_TASK()中調(diào)用CAS_EMM_ReceiveMessage()函數(shù)來接收EMM filter發(fā)送過來的CA信息。在沒有EMM流時，EMM任務(wù)一直掛起，而一旦filter發(fā)現(xiàn)EMM表，就會把EMM的CA信息發(fā)送到EMM任務(wù)中，同時關(guān)掉filter，避免其未處理完此EMM，而又接收新的EMM。此時EMM任務(wù)從掛起進入就緒態(tài)，從而處理來自filter的EMM信息，處理完之后再次分配EMM的filter。
2．2 ECM任務(wù)模塊
    通過解瀆CAT表可知，此節(jié)目表是否加密，如果加密則設(shè)置相應(yīng)ECM的filter過濾出對應(yīng)的ECM表，此時結(jié)合智能卡中存儲的EMM的CA信息，就可以判斷出用戶是否對此節(jié)目授權(quán)，若授權(quán)則取出智能卡中的SK業(yè)務(wù)密鑰，找出對應(yīng)的奇偶控制字(CW)，送入到智能卡中，通過智能卡系統(tǒng)解密出CW，送入到STB中實現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、音頻的解碼。整個過程如圖5所示。

    在ECM任務(wù)模塊中，通過CAS_ECM_TASK()創(chuàng)建線程任務(wù)，在其內(nèi)部調(diào)用CAS_ECM_ReceiveMessage()函數(shù)接收來自ECM的filter過濾出的CA信息；此時通過CAS_CARD_ReadMessage()讀取智能卡內(nèi)部用戶授權(quán)信息，來判斷ECM是否有效且取出對應(yīng)的密文的CW；而用CAS_ECM_Send To Card()函數(shù)把密文CW送入到智能卡中解密，解密出明文CW；用CAS_CW_SendToSTB()函數(shù)送入到機頂盒，此時解復(fù)用模塊接收到明文CW就可以得到解碼加密流了。[!--empirenews.page--]
2．3 智能卡任務(wù)模塊
    智能卡的通信標準有T0和T1兩種，T0按字節(jié)傳送，T1按塊傳送，而在設(shè)計過程中通常支持兩種協(xié)議。一般采用I2C總線通信，而智能卡內(nèi)部一般沒有上拉電阻，所以在電路設(shè)計過程中，SCL和SDA的引腳處必須加上拉電阻，否則無法正常通信。根據(jù)通信協(xié)議，如果要對智能卡數(shù)據(jù)讀寫操作，首先要發(fā)送5字節(jié)的命令字，這5字節(jié)命令字依次為CLA、INS、P1、P2、P3，其中CLA為指令類型，INS為命令符，P1、P2為操作文件位置，P3為后續(xù)字符數(shù)。智能卡接收到命令符就可以根據(jù)命令種類對其后續(xù)數(shù)據(jù)進行操作，同時智能卡就可以發(fā)出兩個字節(jié)W1、W2的應(yīng)答符。如果成功，W1、W2分別為0x90、0x00；如果不成功則會返回相應(yīng)的代碼，以便給開發(fā)者提供調(diào)試。因為智能卡內(nèi)部十分復(fù)雜，篇幅有限，所以想深入了解原理的話可以參考智能卡標準，這里僅介紹機頂盒操作智能卡過程的設(shè)計。

    如圖6所示，在智能卡任務(wù)模塊中，在系統(tǒng)啟動之初，未進入文件系統(tǒng)之前，就要對智能卡進行初始化，分配內(nèi)存池，強制為智能卡復(fù)位，從而選擇通信類型(T0或T1)，全部完成之后就可以進入文件系統(tǒng)。通過CAS_CARD_TASK()為智能卡建立線程，在其線程內(nèi)部使用CAS_CARD _ReceiveMessage()接收來自EMM或者ECM的命令字。如果合法，通過CAS_CARD_SendMessage()可以把應(yīng)答字給其兩個模塊，同時通知其他兩個模塊發(fā)送操作數(shù)，若是EMM則到此結(jié)束，若為ECM則智能卡會把解密的CW通過CAS_CARD_SendMessage()發(fā)送給機頂盒。
2．4 其他細節(jié)設(shè)計
    CAS系統(tǒng)除了最重要的解擾以外，還有其他重要的附屬功能，如郵件、在線付費、在線充值、節(jié)目點播、區(qū)域限制、用戶管理。這些信息都存儲在EMM表中，所以EMM和ECM表的解析也是一個十分重要的步驟，只有正確地提取出 EMM中的CA信息，才能順利地進行下一步的操作。根據(jù)MPEG-2標準和PSI／SI協(xié)議，以及智能卡廠商的提供功能表，就能設(shè)計出EMM和ECM的解析函數(shù)。
    表1列出了一個通用CA的描述符。

    由于每個智能卡廠商的填充數(shù)據(jù)不一樣，所以必須根據(jù)廠商的定義再去提取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)。由于筆者參與設(shè)計的是某公司提供的智能卡，所以數(shù)據(jù)的格式也都以它為標準。最終設(shè)計包括12個源文件、5個頭文件。

3 CAS子系統(tǒng)Android的移植
    CAS終端子系統(tǒng)起初沒計由于涉及到與底層交互，采用的是C語言。如果想要使上層的JAVA環(huán)境調(diào)用其API，就要遵循JNI規(guī)范添加新的頭文件，使其應(yīng)用層能夠方便地調(diào)用。同時Google在設(shè)計Androld之初就提供了NDK套件，有著獨有的交叉編譯器，使得原有的許多C語言編寫的驅(qū)動、應(yīng)用程序可十分方便地移植到Android系統(tǒng)中。[!--empirenews.page--]
3．1 搭建Android的NDK開發(fā)環(huán)境
    由于是在Windows下進行開發(fā)，所以要在Windows下模擬Linux的開發(fā)環(huán)境，需要下載cygwin工具，下載地址為http：／／www．cygw in．com／setup．exe。安裝方法請參考相關(guān)文檔，這里就不贅述了。同樣也需要Android的NDK套件，下載地址為http：／／developer．a(chǎn)n droid．com／sdk／ndk／index．html；可以選擇最新的版本下載，下載完畢，直接解壓到同一路徑下。然后在cygwin的安裝目錄home／Adm inistrator下的．／bash_profile文件添加NDK的路徑，就可以使用NDK下的ndk-build命令了，進入samples／hello-jni。在cygwin中調(diào)用ndk-build，如果出現(xiàn)如圖7所示的結(jié)果，則NDK的環(huán)境已經(jīng)搭建成功。

3．2 編寫CAS子系統(tǒng)的makefile
    筆者使用的是android-ndk-r7b版本，也是目前最新版本，其交叉編譯器位于其toolchains／arm-linux-an-droideabi-4．4．3／pre built／windows／arm-linux-android／bin中，庫的頭文件位于／platforms／android-xx／arch-arm／usr／include中，庫位于platform ／android-xx／arch-arm／usr／lib中。知道了編譯器和C庫的頭文件，就可以容易地編寫出 makefile。在編寫makefile時需要注意，若用到了posix的pthread庫，則需要添加“LDFLAGS+=-lpthread”，否則在執(zhí)行鏈接的時候會出現(xiàn)錯誤。編譯完成之后如圖8所示。
3．3 實現(xiàn)CAS子系統(tǒng)的JNI接口函數(shù)
    因為CAS子系統(tǒng)提供給外部使用的API達20多個，這里以CASTB_GetVersion()函數(shù)為例，其他都是如此實現(xiàn)。新建一個文件夾，命名為STBCA，在文件下建立兩個文件夾分別命名為JNI和SRC。JNI存放為CAS的JNI本地API，源文件為castb_api_jni．c；SRC存放的是上層JAVA應(yīng)用程序，根據(jù)JNI標準則需把CASTB_GetVersion()定義為“Java_com_jpf_stbca_STBCA_CASTB_GetVersion()；”。只要調(diào)用3．2小節(jié)的中l(wèi)iBCAS．a(chǎn)庫中的源函數(shù)就實現(xiàn)了對原函數(shù)的包裝，在同一目錄下添加android．mk，內(nèi)容如下所示：
    LOCAL PATH=$(call my-dir)
    include $(CLEAR_VARS)
    LOCAL_MODULE=casjni
    LOCAL_SRC FILES=castb_api_jni．c
    LOCAL_LDLIBS+=-lcas＼
                  -lpthread
    include $(BUILD_SHARED LIBRARY)
    通過3．1小節(jié)的步驟就可以生成cas_jni．so庫，上層如果曼調(diào)用cas_jni．so庫中的函數(shù)只要在JAVA文件中聲明public native CASTB _GetVersion()函數(shù)，且使用“static{system．loadlibrary(“cas_jni”)；}”把動態(tài)庫加載到連接器中，就完成了全部的設(shè)計。通過實踐，負責(zé)上層軟件編寫的同時能夠無縫地實現(xiàn)CAS系統(tǒng)API的調(diào)用。

結(jié)語
    本文詳細闡述了CAS子系統(tǒng)的開發(fā)過程和Android系統(tǒng)移植。在Android機頂盒的開發(fā)過程中，使用的是華為的H3716C平臺，筆者承擔了CAS系統(tǒng)和PSI／SI節(jié)目表解析的開發(fā)與移植。使用此CAS子系統(tǒng)播放加密節(jié)目，持續(xù)穩(wěn)定地播放一周而且沒有出現(xiàn)馬賽克或卡現(xiàn)象，說明此CAS子系統(tǒng)比較穩(wěn)定。但CAS是一套功能完整的獨立系統(tǒng)，而筆者只是重點探討解密的過程，許多其他功能未有涉及，若想深入了解CAS系統(tǒng)，請參考CAS系統(tǒng)標準。