基于DVD-ROM應(yīng)用的內(nèi)容加擾系統(tǒng)的VLSI設(shè)計(jì)

　　摘　要：本文介紹了一種基于DVD-ROM應(yīng)用的內(nèi)容干擾系統(tǒng)(CSS)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可有效防止對(duì)DVD盤(pán)片的非法拷貝。文中通過(guò)對(duì)其工作原理和實(shí)際應(yīng)用的分析，給出其最終實(shí)現(xiàn)方案，并用Verilog HDL完整整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。功能仿真和FPGA驗(yàn)證表明，設(shè)計(jì)成功。

　　關(guān)鍵詞：內(nèi)容加擾系統(tǒng);DVD;Verilog HDL;FPGA驗(yàn)證

　　引 言

　　DVD-ROM的視頻和音頻數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)加密編碼的，加擾的源是標(biāo)題密鑰(Tittle Key)，同時(shí)標(biāo)題密鑰被光盤(pán)密鑰(光盤(pán)密鑰)加密，主機(jī)在播放影碟的時(shí)候必須拿到這兩個(gè)密鑰才能順利播放。在密鑰從DVD驅(qū)動(dòng)器傳送到主機(jī)的過(guò)程中，為了保證數(shù)據(jù)傳輸通道的安全性，即保證光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰能夠被安全地傳輸，CSS建立了一道認(rèn)證機(jī)制(Authentication Mechanism)，通過(guò)總線密鑰(BUSKEY)對(duì)光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰進(jìn)行加擾。由于能夠有效地防止對(duì)DVD光盤(pán)的非法拷貝，CSS幾乎被所有的商業(yè)DVD設(shè)備所使用。

　　當(dāng)DVD播放機(jī)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，伺服控制芯片中的CSS將進(jìn)行復(fù)雜的密碼校驗(yàn)。如果密碼校驗(yàn)成功，數(shù)據(jù)才可以還原成MPEG-2格式和轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)和音頻信號(hào)。本文介紹了一種完成認(rèn)證過(guò)程、光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰的加擾和傳輸?shù)腃SS的設(shè)計(jì)，它用于DVD伺服控制芯片中。

　　CSS 的原理及系統(tǒng)分析

　　根據(jù)DVD標(biāo)準(zhǔn)以及CSS的相關(guān)的規(guī)范，CSS主要包含兩部分：

　　(1)DVD驅(qū)動(dòng)器和主機(jī)之間的授權(quán)認(rèn)證。

　　其認(rèn)證流程為：主機(jī)發(fā)送一個(gè)隨機(jī)碼流到驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器對(duì)其加密后返回主機(jī)，主機(jī)解密后確認(rèn)是否和原碼流相同，如果相同則驅(qū)動(dòng)器被授權(quán)。主機(jī)的授權(quán)過(guò)程與驅(qū)動(dòng)器的授權(quán)過(guò)程相同。交互授權(quán)的結(jié)果是產(chǎn)生總線密鑰用于對(duì)在主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密。只有主機(jī)和驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生用于解密的密鑰。

　　(2)光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰的加擾。加擾過(guò)程為：

　?、衮?qū)動(dòng)器用總線密鑰對(duì)光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰加擾。CSS對(duì)密鑰的加擾開(kāi)始于伺服控制芯片從DVD 光盤(pán)讀取包含光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰的扇區(qū)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)先讀入U(xiǎn)PI(微處理器接口)寄存器然后傳送到存儲(chǔ)區(qū)管理模塊(BM-Buffer Manager)并生成CSS內(nèi)存指針以用于CSS讀取數(shù)據(jù)。CSS 從BM 中一次讀取一個(gè)字節(jié)的密鑰，加擾后儲(chǔ)存到BM 中由微處理器內(nèi)存指針?biāo)赶虻膮^(qū)域。密鑰加擾完成后，CSS發(fā)出CSS DONE中斷。

　　②通過(guò)微處理器內(nèi)存指針，UPI寄存器讀取加擾后的密鑰并傳送至主機(jī)。

　?、壑鳈C(jī)接收到加擾后的光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰用其進(jìn)行解擾。采用正確的光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰主機(jī)可對(duì)光盤(pán)上的音頻、視頻數(shù)據(jù)解擾。

　　圖1 　CSS結(jié)構(gòu)圖

　　CSS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要模塊硬件實(shí)現(xiàn)

　　圖1表示CSS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，它由四個(gè)模塊組成：

　　① CSS_PROC：處理CSS數(shù)據(jù)輸入輸出，它是CSS與DVD伺服控制芯片中BM和UPI的接口;

　　② CSS_RAND_GEN ：產(chǎn)生80-bit偽隨機(jī)數(shù)用于DVD驅(qū)動(dòng)器對(duì)主機(jī)的認(rèn)證，偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生用到了42位線性反饋移位寄存器(LFSR-LinearFeedback Shift Register);

　　③ CSS_AUTH：CSS中最為關(guān)鍵的認(rèn)證運(yùn)算模塊;

　?、蹸SS_SM：控制CSS_AUTH模塊的認(rèn)證過(guò)程，并且在CSS_PROC中開(kāi)啟密鑰傳輸。

　　由以上這些模塊構(gòu)成的CSS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)DVD驅(qū)動(dòng)器和主機(jī)之間的交互授權(quán)認(rèn)證以及光盤(pán)密鑰和標(biāo)題密鑰的加擾兩大功能，系統(tǒng)時(shí)鐘為100MHZ 。

　　數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)

　　CSS最關(guān)鍵的地方在于主機(jī)和DVD驅(qū)動(dòng)器之間的認(rèn)證，因而認(rèn)證運(yùn)算模塊CSS_AUTH成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。根據(jù)圖1的認(rèn)證過(guò)程，它由5個(gè)子模塊來(lái)完成，如圖2所示：

　　圖2 　CSS_AUTH結(jié)構(gòu)圖

　　在圖2中，DRV_AUTH得到驅(qū)動(dòng)器對(duì)主機(jī)的響應(yīng)值DRV_RES，返回到主機(jī)以完成主機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的認(rèn)證并產(chǎn)生總線密鑰，而DEC_AUTH則和KEY_SHARE 共同完成驅(qū)動(dòng)器對(duì)主機(jī)的認(rèn)證;DEC_AUTH 取回主機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)值以后，通過(guò)和主機(jī)相反的過(guò)程得到一個(gè)參考值，將它和DEC_RES比較后驗(yàn)證主機(jī)，驗(yàn)證成功產(chǎn)生連接數(shù)，送給KEY_SHARE 最終產(chǎn)生用以加密的總線密鑰。為了使CSS_AUTH的面積最優(yōu)，如圖2所示，將CSS_DRV_AUTH、CSS_DEC_AUTH和CSS_KEY_SHARE 三個(gè)模塊中共同包含的邏輯部分抽出形成一個(gè)單獨(dú)的模塊CSS_AUTH_COMMON ，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)多路選擇模塊AUTH_MUX_COMMON 來(lái)選擇到AUTH_COMMON的數(shù)據(jù)源。這種模塊多路復(fù)用結(jié)構(gòu)很好的節(jié)省了電路面積，提高了運(yùn)算速度。

　　在這些模塊中，被復(fù)用的模塊AUTH_COMMON 包含著最復(fù)雜的數(shù)據(jù)路徑，設(shè)計(jì)時(shí)劃分為四個(gè)子模塊，如圖3所示：

　　圖3　AUTH_COMMON結(jié)構(gòu)圖

　　在圖3中，KEY模塊中存放通過(guò)L ICENSE 得到的AK，通過(guò)XOR 模塊與PCD[79:40] (對(duì)于DRV_AUTH)來(lái)說(shuō)PCD為從主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的80bit 隨機(jī)碼流;對(duì)于DEC_AUTH 來(lái)說(shuō)PCD為驅(qū)動(dòng)器自身產(chǎn)生的用以對(duì)主機(jī)進(jìn)行認(rèn)證的80_bit 隨機(jī)數(shù);而對(duì)于KEY_SHARE PCD來(lái)說(shuō)則為DEC_AUTH模塊的運(yùn)算結(jié)果，即驅(qū)動(dòng)器對(duì)主機(jī)認(rèn)證過(guò)程產(chǎn)生的中間連接數(shù))進(jìn)行異或，然后經(jīng)過(guò)SCHEDULER模塊(由兩個(gè)LFSR、一個(gè)一位全加器和一些XOR門(mén)及寄存器組成)得到IAK，最后送到SUBSTITU TOR模塊得到AUTH三個(gè)子模塊各自的運(yùn)算結(jié)果。

　　設(shè)計(jì)中最困難的部分在于SUBSTITUTOR的設(shè)計(jì)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，由30個(gè)SBOX、10個(gè)TBOX 和一系列XOR門(mén)組成。它是基于CSS加擾算法的，采用5X6運(yùn)算陣列實(shí)現(xiàn)。整個(gè)運(yùn)算按列進(jìn)行，即先在第0列從第0行開(kāi)始一直算到第4行，再在第1列從第0行開(kāi)始一直算到第4行，這樣一直運(yùn)算到第5列。運(yùn)算時(shí)SBOX的行列地址由專(zhuān)門(mén)的控制電路來(lái)選擇。

　　圖4 　SUBSTITUTOR硬件結(jié)構(gòu)圖

　　其中，T代表T_BOX ，只在5X6結(jié)構(gòu)的第三四列出現(xiàn)，主要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行XOR 運(yùn)算及相應(yīng)的置位;SBOX硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示：

　　圖5　SBOX硬件結(jié)構(gòu)圖

　　其中，PRE_TABLE 和POST_TABLE 均為查找表，用8X8ROM 實(shí)現(xiàn)，這樣完成整個(gè)認(rèn)證過(guò)程需要32 個(gè)這樣的ROM。從圖中可以看到，ROM地址由輸入數(shù)據(jù)決定，按址查找后即得到輸出結(jié)果。查找表和AK一樣需向DVD協(xié)會(huì)申請(qǐng)?jiān)S可證才能得到具體數(shù)據(jù)。

　　狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)分析，CSS有6種工作模式，分別為：

　?、儆?jì)算DVD驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)值DRV_RES ;

　　②產(chǎn)生對(duì)主機(jī)認(rèn)證的呼叫DEC_CHAL 用于對(duì)主機(jī)的認(rèn)證;

　?、郛a(chǎn)生主機(jī)的參考值DEC_REF，并與主機(jī)的響應(yīng)值DEC_RES作比較，若相同則主機(jī)通過(guò)DVD驅(qū)動(dòng)器認(rèn)證并產(chǎn)生連接數(shù);

　　④產(chǎn)生總線密鑰：

　?、萦每偩€密鑰對(duì)光盤(pán)密鑰進(jìn)行加擾;

　?、抻每偩€密鑰對(duì)標(biāo)題密鑰進(jìn)行加擾。

　　圖6 　狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

　　CSS中采用MOORE類(lèi)型的狀態(tài)機(jī)，圍繞這些工作模式進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

　　功能仿真和FPGA 驗(yàn)證

　　按照上述設(shè)計(jì)思想，用Verilog HDL對(duì)CSS進(jìn)行RTL描述。使用Synopsys VCS對(duì)其6種模式進(jìn)行仿真，通過(guò)Debussy的PLI接口生成波形文件(.fsdb)，在Debussy中對(duì)波形進(jìn)行分析。光盤(pán)密鑰共有2048 個(gè)字節(jié)，DVD 扇區(qū)中包含光盤(pán)密鑰的數(shù)據(jù)區(qū)在第13個(gè)到2060個(gè)字節(jié)。在測(cè)試腳本里預(yù)先設(shè)定總線密鑰的值并導(dǎo)入2352個(gè)字節(jié)的DVD扇區(qū)數(shù)據(jù)到BM以便對(duì)CSS進(jìn)行功能測(cè)試。在這里只針對(duì)光盤(pán)密鑰加擾模式的仿真波形進(jìn)行說(shuō)明。

　　其中，CSS_BM_RD_REQ_CNT為CSS向BM發(fā)出的讀請(qǐng)求信號(hào)，DISC_KEY_XFER_EN為光盤(pán)密鑰傳輸使能信號(hào)，均為高電平有效。BM_CSS_DATA[7:0]為光盤(pán)密鑰數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于BM的FIFO中。當(dāng)上述兩個(gè)使能信號(hào)都為“1”時(shí)，光盤(pán)密鑰就從BM傳輸至CSS中，每個(gè)時(shí)鐘周期傳送一個(gè)字節(jié)。TOTAL_OFFSET_CNT是從BM傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)的總的字節(jié)偏移量，當(dāng)TOTAL_OFFSET_CNT=11時(shí)DISC_KEY_STARTLOC置位，標(biāo)志著開(kāi)始加擾光盤(pán)密鑰。每傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的光盤(pán)密鑰，就用總線密鑰對(duì)其進(jìn)行異或運(yùn)算，并在下一個(gè)時(shí)鐘周期將加擾的結(jié)果送出并產(chǎn)生數(shù)據(jù)有效標(biāo)志。分析CSS_BM_DATA_OUT[7:0]可知，總線密鑰對(duì)光盤(pán)密鑰進(jìn)行了正確的加擾及傳輸。

　　為了保證CSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，我們選用Xilinx Spartan2的XC2S50器件做FPGA驗(yàn)證。我們?cè)赟ynplify中生成網(wǎng)表文件(.edf)，然后通過(guò)XilinxISE生成單元網(wǎng)表文件(.v)和線延時(shí)文件(.sdf)以用于VCS 進(jìn)行后仿真，最后生成FPGA下載文件(bit)。XC2S50硬件占用情況如表1所示：

　　表1 　FPGA資源分配表

　　結(jié)束語(yǔ)

　　本文介紹了一種內(nèi)容干擾系統(tǒng)(CSS)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在分析了其工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后我們給出了數(shù)據(jù)通路和狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)說(shuō)明了SUBSTITU TOR的設(shè)計(jì)，這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。該系統(tǒng)在DVD伺服控制電路中的應(yīng)用表明，它確保了DVD驅(qū)動(dòng)器到主機(jī)的光盤(pán)數(shù)據(jù)傳輸通道的安全性，可以有效防止對(duì)DVD盤(pán)片的非法拷貝，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。