Bài tập lớn truyền hình số

Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang LỜI NÓI ĐẦU Số hóa trở thành xu hướng tất yếu ngành truyền hình giới Đã có nhiều nước giới hoàn tất chuyển đổi truyền hình analog sang truyền hình số như: Hà Lan, Phần Lan, Đức, Thụy Sĩ, Thụy Điển, Mỹ.Còn lại đa phần nước khác trình chuyển đổi, có Việt Nam ta Việc chuyển đổi truyền hình analog sang truyền hình số trình thay công nghệ truyền hình analog có tuổi đời đến 60 năm công nghệ truyền hình số phát triển tảng công nghệ với nhiều ưu điểm Trong tập lớn này, em xin trình bày khía cạnh nhỏ truyền hình số là: Hệ thống truy nhập có điều kiện CA(Conditional Access) Hệ thống truy nhập có điều kiện đóng vai trò quan trọng việc phân phối dịch vụ truyền hình trả tiền Mục đích hệ thống cung cấp chế kiểm tra để đảm bảo khách hàng truy cập nội dung trả tiền Bài trình bày tổng quan hệ thống truy cập có điều kiện sử dụng hệ thống truyền hình số, nội dung tổng hợp thành hai chương sau: Chương I: Giới thiệu tổng quan truyền hình số Chương II: Hệ thống truy nhập có điều kiện truyền hình số SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang MỤC LỤC SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang DANH MỤC HÌNH VẼ SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN HÌNH SỐ 1.1 Giới thiệu Truyền hình đen trắng đời từ năm đầu thập kỷ XX với nhiều tiêu chuẩn khác nhau: L, M, N, B, G, H, I, D, K Truyền hình màu với ba hệ: NTSC, PAL, SECAM xuất vào thập kỷ 50 tạo nên bước ngoặt trình phát triển công nghệ truyền hình Cả ba hệ sử dụng tín hiệu thành phần tín hiệu chói hai tín hiệu hiệu màu (Y, R-Y, B-Y) Điều khác phương pháp điều chế tín hiệu hiệu màu, tần số sóng mang màu phương pháp ghép kênh Do phát triển nhanh chóng công nghệ điện tử với đời vi mạch cỡ lớn, xử lý tín hiệu với tốc độ cao, nhớ với dung lượng lớn bùng nổ công nghệ thông tin năm gần đây, video số, truyền hình số hoàn toàn mang tính khả thi bước trở thành thực Số hoá tín hiệu video thực tế biến đổi tín hiệu video tương tự (Analog) sang dạng số (Digital) Công nghệ truyền hình số bộc lộ mạnh tuyệt đối so với công nghệ tương tự nhiều lĩnh vực Tuy nhiên việc chuyển đổi tín hiệu video từ tương tự sang số có nhiều vấn đề cần xem xét nghiên cứu Tín hiệu video, theo tiêu chuẩn OIRT có tần số ≤ 6MHz theo tiêu chuẩn Nyquist để đảm bảo chất lượng, tần số lấy mẫu phải lớn 12MHz; với số hoá bít, để truyền tải đầy đủ thông tin tín hiệu video thành phần có độ phân giải tiêu chuẩn, tốc độ phải lớn 200Mbit/s Đối với truyền hình độ phân giải cao, tốc độ bit lớn 1Gbit/s Dung lượng lớn, kênh truyền hình thông thường khả truyền tải Các vấn đề mấu chốt cần xem xét trình số hoá tín hiệu video bao gồm: • Tần số lấy mẫu • Phương thức lấy mẫu SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số • GVHD: Dương Tuấn Quang Tỷ lệ tần số lấy mẫu tín hiệu chói tín hiệu hiệu màu (trong trường hợp số hoá tín hiệu thành phần) • Nén tín hiệu video để truyền tín hiệu truyền hình số kênh truyền hình thông thường đảm bảo chất lượng tín hiệu theo mục đích sử dụng 1.2 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống truyền hình số Sơ đồ khối hệ thống truyền hình số có dạng hình 1.1 Đầu vào thiết bị tiếp nhận tín hiệu truyền hình tương tự Trong thiết bị mã hoá (biến đổi AD), tín hiệu hình biến đổi thành tín hiệu số, tham số đặc trưng tín hiệu xác định từ hệ thống truyền hình lựa chọn Tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị phát Sau qua kênh thông tin, tín hiệu truyền hình số đưa tới thiết bị thu cấu tạo từ thiết bị biến đổi tín hiệu ngược lại với trình xử lý phía phát Giải mã tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá giải mã tín hiệu truyền hình Mã hoá kênh đảm bảo chống sai sót cho tín hiệu kênh thông tin Thiết bị mã hoá kênh phối hợp đặc tính tín hiệu số với kênh thông tin Khi SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang tín hiệu truyền hình số truyền theo kênh thông tin, thiết bị biến đổi gọi điều chế giải điều chế 1.3 Đặc điểm truyền hình số Đặc điểm truyền hình số xem xét thông qua ưu nhược điểm nó, giải thích lý việc cần thiết phải thay truyền hình Analog sang truyền hình số, đặc điểm tính ưu việt truyền hình số so với truyền hình tương tự, bao gồm: + Có thể tiến hành nhiều trình xử lý Studio (trung tâm truyền hình) mà tỷ số S/N không giảm Trong truyền hình tương tự việc gây méo tích luỹ (mỗi khâu xử lý gây méo) + Thuận lợi cho trình ghi, đọc: ghi đọc vô hạn lần mà chất lượng không bị giảm + Dễ sử dụng thiết bị tự động kiểm tra điều khiển nhờ máy tính + Có khả lưu tín hiệu số nhớ có cấu trúc đơn giản sau đọc với tốc độ tuỳ ý + Khả truyền cự ly lớn: tính chống nhiễu cao (do việc cài mã sửa lỗi, chống lỗi, bảo vệ…) + Dễ tạo dạng lấy mẫu tín hiệu, dễ thực việc chuyển đổi hệ truyền hình, đồng từ nhiều nguồn khác dễ thực kỹ xảo truyền hình + Các thiết bị số làm việc ổn định, vận hành dễ dàng không cần điều chỉnh thiết bị khai thác + Có khả xử lý nhiều lần đồng thời số tín hiệu (nhờ ghép kênh phân chia theo thời gian) + Có khả thu tốt truyền sóng đa đường Hiện tượng bóng ma thường xảy hệ thống truyền hình tương tự tín hiệu truyền đến máy thu theo nhiều đường Việc tránh nhiễu đồng kênh hệ thống thông tin số làm giảm tượng truyền hình quảng bá + Tiết kiệm phổ tần nhờ sử dụng kỹ thuật nén băng tần, tỉ lệ nén lên đến 40 lần mà người xem không nhận biết suy giảm SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang chất lượng Từ thấy nhiều chương trình kênh sóng, truyền hình tương tự chương trình phải dùng kênh sóng riêng + Có khả truyền hình đa phương tiện, tạo loại hình thông tin hai chiều, dịch vụ tương tác, thông tin giao dịch điểm điểm Do phát triển công nghệ truyền hình số, dịch vụ tương tác ngày phong phú đa dạng ngày mở rộng Trong có kết hợp máy thu hình hệ thống máy tính, truyền hình từ phương tiện thông tin đại chúng trở thành thông tin cá nhân Tuy nhiên truyền hình số có nhược điểm đáng quan tâm: + Dải thông tín hiệu chưa nén tăng độ rộng băng tần thiết bị nhiều so với tín hiệu tương tự + Việc kiểm tra chất lượng tín hiệu số điểm kênh truyền thường phức tạp (phải hệ thống truyền lớn dùng mạch chuyển đổi số – tương tự) SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang CHƯƠNG II: HỆ THỐNG TRUY NHẬP CÓ ĐIỀU KIỆN TRONG TRUYỀN HÌNH SỐ Giới thiệu: - Quá trình truyền nội dung kênh chương trình truyền hình số qua mạng viễn thông hay mạng quảng bá gồm giai đoạn: - Từng chương trình truyền hình số hóa (hiện phổ biến sử dụng MPEG-4) Các nội dung số mật mã hóa, nhằm bảo vệ quyền sở hữu nội dung nhà cung cấp nội dung (bằng DRM) không mật mã hóa (nội dung không bảo vệ) - Các nội dung số chương trình ghép với thành luồng số chung (Sử dụng MPEG-2) Các nội dung số mật mã hóa trước (cho kênh) sau ghép luồng mật mã hóa để đảm bảo thuê bao phép xem nội dung Đây giai đoạn bảo vệ nội dung truyền hình số truy cập có điều kiện (CA) - Truyền luồng số mã hóa qua mạng viễn thông quảng bá: Có thể bảo vệ truyền dẫn mạng 3G-sử dụng an ninh mạng 3G để bảo vệ truy cập mạng, truyền dẫn qua mạng xDSL yêu cầu xác thực Có thể không bảo vệ phát quảng bá Hình Tổng quan trình truyền nội dung truyền hình số Cấu trúc chung cho hệ thống CA Hệ thống truy cập có điều kiện sử dụng xáo trộn mật mã để ngăn chặn truy cập không nhận dạng, để bảo vệ nội dung dịch vụ Sự xáo trộn sử dụng để bảo vệ tín hiệu chương trình với thuật toán xác định, SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang thuật toán xáo trộn chung CSA (Common Scrambling Algorithm) Thực tế, thuật toán xáo trộn sử dụng hầu hết hệ thống quảng bá số CA toàn giới, mật mã hướng vào việc bảo vệ khóa xáo trộn thường gọi khoá điều khiển CW (Control Word), nhằm cho phép xáo trộn máy phát giải xáo trộn máy thu Do quản lý khóa để đảm bảo CW trao an toàn cho người sử dụng nhận dạng, yếu tố cần thiết hệ thống CA Hình Các thành phần hệ thống CA DVB chung Hình đưa mô hình tổng thể hệ thống CA cho truyền hình số nói chung Một hệ thống CA bao gồm thành phần quan trọng: * Hệ thống quản lý thuê bao SMS, * Hệ thống xác thực thuê bao (SAS), * Bộ xáo trộn, * Bộ giải xáo trộn * thẻ thông minh Ba thành phần đầu bên máy phát thành phần sau máy thu (thường set-top-box) Hệ thống quản lý thuê bao (SMS – Subscriber Management System ) SMS trung tâm kinh doanh, “phát hành thẻ thông minh, gửi hóa đơn nhận tiền trả từ thuê bao” Một tài nguyên quan trọng SMS sở SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang liệu khách hàng, bao gồm thông tin nhạy cảm cao kinh doanh, thông tin cá nhân thuê bao, số seri set-top box thông tin dịch vụ, từ NSD đặt hàng Đầu tiên, sở liệu sử dụng để quản lý quyền truy cập thuê bao bảo vệ nội dung dịch vụ Nếu người vận hành dịch vụ cần thay đổi thông tin khách hàng, sở liệu cập nhật cách thêm vào tham số với ý định thay đổi quyền truy cập thuê bao để bảo vệ dịch vụ nội dung Và SMS gửi yêu cầu cập nhật với thông tin tới SAS Hệ thống nhận dạng thuê bao (SAS – Subscriber Authorization System) Hệ thống nhận dạng thuê bao có trách nhiệm tạo, tổ chức phân phối luồng liệu điều khiển, ví dụ tin quản lý quyền hạn EMM (Entitlement Management Message) tin điều khiển quyền hạn ECM (Entitlement Control Message), dựa SMS Một EMM tin nhận dạng người dùng để giải xáo trộn dịch vụ, ECM tài liệu mật mã khoá điều khiển thông tin quyền hạn Bộ xáo trộn Thiết bị sử dụng thuật toán mạnh để xáo trộn nội dung (hay gọi luồng truyền tải TS-Transport Stream) Trong hệ thống DVB, xáo trộn sử dụng CSA để xáo trộn Bộ giải xáo trộn Thiết bị sử dụng thuật toán mạnh để giải xáo trộn luồng liệu xáo trộn Trong hệ thống DVB, giải xáo trộn sử dụng hệ thống giải xáo trộn (CDS) chung để giải xáo trộn Thẻ thông minh Thẻ thông minh sử dụng “một dấu hiệu quyền hạn để giải xáo trộn tín hiệu quảng bá” SMS phát hành thẻ thông minh xác nhận tính hợp lệ thông qua việc lập trình chúng trước với khóa để nhận dạng truy cập tới nội dung chương trình hay dịch vụ, hai SVTH: Phan Thành Định 10 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang 2.1 Xáo trộn giải xáo trộn Một TS mật mã xáo trộn với thuật toán đủ mạnh, nhằm giảm tối thiểu khả công tin tặc Bộ xáo trộn CW chìa khóa mật mã, tạo CW sử dụng để đặt cho trạng thái đầu tạo mã giả ngẫu nhiên để đưa khoá mật mã Đầu trộn phân phối đến NSD qua mạng quảng bá CW lấy lại từ TS bị trộn sử dụng để trả lại nội dung gốc với thuật toán giải xáo trộn tương ứng Tổ chức DVB châu Âu phát triển chuẩn cho xáo trộn giải xáo trộn, ví dụ CSA: - CSA bao gồm hai phần: hệ thống giải xáo trộn (CDS) công nghệ xáo trộn (ST), có giấy phép phân phối riêng để sử dụng yêu cầu kỹ thuật cho phần - ETSI quản lý bốn công ty phát triển CSA Các hãng sản xuất STB trả tiền giấy phép công nghệ xáo trộn tiếp tục trả tiền giấy phép cho người mua xáo trộn 2.2 Hệ thống phân cấp khoá Nói chung, hệ thống CA sử dụng hệ phân cấp khoá ba lớp CW thay đổi ngẫu nhiên lớp hệ phân cấp khoá Nó sử dụng hạt giống tạo mã giả ngẫu nhiên PRG (Pseudo Random Generator) để tạo chuỗi giả ngẫu nhiên, chuỗi dùng để xáo trộn TS CW khoá bí mật, hầu hết hệ thống truyền hình trả tiền sử dụng mật mã đối xứng, tức CW vừa khoá xáo trộn vừa khoá giải xáo trộn Xem xét đến tính bảo mật CW nên làm khoảng đến 20 giây Sự liên kết lớp hệ thống phân cấp khoá sử dụng khoá nhận dạng AK (Authorization Key) để mật mã CW sau tạo ECM Khoá nhận dạng AK cho kênh gọi chìa khóa dịch vụ cho nhà cung cấp CA Nó thường xuyên cập nhật chu kỳ nạp tiền, điều phụ thuộc vào sách dịch vụ nạp tiền nhà kinh doanh, tuần hay tháng Mỗi CW làm mới, phát quảng bá SVTH: Phan Thành Định 11 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang ECM nhất, giúp tiết kiệm băng thông hiệu giảm tải trao đổi với hệ thống phân cấp khoá hai lớp Lớp sử dụng khoá riêng MPK (Master Private Key) để mật mã AK với thông tin quyền truy cập khác Đoạn mật mã tạo EMM MPK cho thuê bao Nó lưu thẻ thông minh, thẻ SMS phát hành đảm bảo an ninh Hình Cấu trúc ba tầng khoá ECM, EMM TS xáo trộn ghép vào TS phân phối tới thuê bao qua kênh quảng bá Máy thu chèn thẻ nhớ vào STB, giải mã EMM đến ECM, cuối nhận lại CW để giải xáo trộn TS bảo mật Cần ý phía máy thu phải sử dụng PRG giống với chuỗi giả ngẫu nhiên máy phát để giải xáo trộn 2.3 So sánh mật mã hoá dựa thuật toán dựa khoá: Phần thảo luận đặc tính khác biệt hệ thống CA Như đề cập trên, ECM EMM sử dụng để truyền tải thông tin CW quyền mà thuê bao phép nhận CW chương trình bảo vệ Có hai phương thức mật mã hoá để tạo CW cho thuê bao là: * Các phương thức mật mã hoá dựa thuật toán * Và mật mã khoá dựa khoá Trong phương thức dựa thuật toán, EMM chứa tham số dịch vụ, SVTH: Phan Thành Định 12 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang ký hiệu nhất, thay cho khoá dịch vụ hay gọi AK hệ thống CA mật mã hoá dựa khoá Mỗi thẻ thông minh chứa thuật toán khác Một dùng để giải mã CW, thuật toán khác sử dụng để dự phòng trường hợp bị ăn trộm ECM chứa chương trình mô tả cho việc kiểm tra quyền truy cập Thẻ thông minh so sánh thông tin quyền truy cập bên với thông tin chứa ECM EMM Nếu thẩm tra thành công, thuật toán thiết kế SMC đặt vào để giải mã CW cần thiết cho việc giải xáo trộn Trong phương thức dựa khoá, hệ thống phân cấp khoá sử dụng hệ thống phân cấp khoá mức phần trước Trong phương pháp dựa thuật toán, thuật toán lưu thẻ thông minh bí mật Khi thuật toán tạo WC bị xâm hại, hệ thống bị rạn nứt Đối với phương pháp dựa khoá, tính bảo mật phụ thuộc vào độ tin cậy khoá, việc làm khoá (CW, AK, MPK) thời gian định vấn đề cốt yếu Tiêu đề EMC EMM nhạy hệ thống lớn có số lượng thuê bao lớn Phương thức dựa thuật toán có tiêu đề lớn phương thức dựa khoá Với hệ thống phân cấp ba tầng, AK chứa EMM phân phối trực tiếp thông qua MPK cho thuê bao lần làm Giả sử có S thuê bao T kênh truyền, có xấp xỉ SxT gói mật mã truyền Điều tốn nhiều thời gian đặc biệt rắc rối hệ thống lớn Có vài phương thức mật mã hoá quảng bá để giảm bớt tải trọng cho lần làm truyền lại AK Khả liên kết CA An ninh hệ thống CA phụ thuộc chủ yếu vào bí mật chế sở hữu người bán hàng để phân phối CW, liên quan đến quyền sở hữu trí tuệ người bán hàng, liên kết hệ thống CA 3.1 Mật mã đồng thời-SimulCrypt SimulCrypt làm cho mang nhiều tin lúc, tin tạo hệ thống CA khác nhau, tất cho phép điều SVTH: Phan Thành Định 13 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang khiển nội dung MPEG xáo trộn Để mã hóa đồng thời thực nội dung MPEG xáo trộn thuật toán xáo trộn chung với khoá chung Mỗi hệ thống CA tạo tin điều khiển riêng (ECM EMM) dựa theo định dạng tin định nghĩa DVB Nội dung xáo trộn tin CA hệ thống ghép kênh vào luồng MPEG-TS quảng bá tới STB STB lọc tin riêng, để tái tạo khoá mã hóa chung giải xáo trộn nội dung 3.2 Đa mật mã-MultiCrypt Mã hóa nhiều mã cho phép hoạt động STB với hệ thống CA khác qua giao diện chung CI (Common Interface) Giao diện chung giao diện chuẩn để kết nối STB với modul tách rời (một modul PCMCIA chung) Modul PCMCIA thực chức riêng hệ thống CA liên quan Để xem chương trình mã hóa hệ thống CA khác mà không cài đặt STB, người dùng chuyển kênh modul tay 3.3 So sánh Sử dụng SimulCrypt đòi hỏi cần phải có thỏa thuận lợi ích nhà cung cấp dịch vụ để liên kết hệ thống CA lại với nhau, trao đổi tin CA Một nhược điểm khác phương pháp tăng mức sử dụng băng thông, tin CA chép cho hệ thống CA trao đổi hệ thống Điều làm nảy sinh thêm nhiều vấn đề khác Ví dụ cần thêm đồng SimulCrypt để giảm tối thiểu xung đột thành phần hệ thống CA sử dụng để điều khiển việc tạo, tập hợp đưa ECM từ nhiều hệ thống CA Ngoài ra, với SimulCrypt tính bảo mật hệ thống yếu Tuy nhiên,ưu điểm phương thức mật mã không tạo thêm chi phí cho NSD Nhược điểm MultiCrypt nằm phần trả thêm tiền NSD Trong năm 2001 thiết bị CI STB tạo có giá 65USD, đắt so với thiết bị STB với hệ thống CA tích hợp, tính giá cho modul CA (60 USD) cộng với giá giao diện CI STB tích hợp (5 USD) Để xem SVTH: Phan Thành Định 14 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang chương trình xáo trộn hệ thống CA khác không cài đặt STB cần phải thêm vào mô đun CA cho hệ thống CA, với giá năm 2001 xấp xỉ 60 USD Một nhược điểm khác giao diện cố định không linh hoạt, điều dẫn đến giới hạn hỗ trợ chức hệ thống CA Về phía nhà cung cấp dịch vụ, không cần thêm thoả thuận thương mại hay tăng thêm chi phí SVTH: Phan Thành Định 15 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang KẾT LUẬN Bài trình bày tổng quan đặc điểm hệ thống truy cập có điều kiện-hệ thống an ninh truyền dẫn cho truyền hình số Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống CA gây khó khăn cho mục tiêu liên kết roaming, làm cho thị trường truyền hình số dễ bị phân đoạn, khó liên kết toàn cầu Ngoài hệ thống truy cập có điều kiện thỏa mãn an ninh cho nhà khai thác mạng, chưa đáp ứng nhu cầu an ninh nhà cung cấp nội dung Vì với sử dụng hệ thống CA, an ninh nội dung truyền hình số người ta sử dụng công nghệ quản lý quyền số (DRM) SVTH: Phan Thành Định 16 Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN SVTH: Phan Thành Định 17 .. .Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang MỤC LỤC SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền hình số GVHD: Dương Tuấn Quang DANH MỤC HÌNH VẼ SVTH: Phan Thành Định Bài tập lớn: Truyền. .. điểm truyền hình số Đặc điểm truyền hình số xem xét thông qua ưu nhược điểm nó, giải thích lý việc cần thiết phải thay truyền hình Analog sang truyền hình số, đặc điểm tính ưu việt truyền hình số. .. mã tín hiệu truyền hình thực biến đổi tín hiệu truyền hình số thành tín hiệu truyền hình tương tự Hệ thống truyền hình số trực tiếp xác định cấu trúc mã hoá giải mã tín hiệu truyền hình Mã hoá