DisplayPort接口標準是由視頻電子標準協會（VESA）批準的，一個開放的、可擴展的標準。其為降低PC平臺和元件的成本及推動通用數字接口而開發。DisplayPort實現了顯示設備用一條電纜與數字視頻信號連通的高清數字音頻，并實現真正即插即用的強大的互操作性，這些使現有的數字顯示互連非常具有成本效益。為了提高其與現有數字接口的互通性，DisplayPort的1.1版本增加了兼容支持高帶寬數字內容保護（HDCP）來支持HDMI和DVI采用的HDCP技術。
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圖1 DisplayPort數據傳輸通道
DisplayPort
1 DisplayPort接口
DisplayPort體積小，傳輸結構利用了類似PCI Express的電氣層，采用“Micro-Packet Architecture(微封包架構)”傳輸架構，使視頻內容以封包方式傳送。傳輸數據最高可支持10.8Gb/s的傳輸帶寬。
2 DisplayPort鏈路
DisplayPort鏈路由一個主鏈路、一個輔助通道（AUX CH）、一個熱插拔檢測（HPD）信號線組成。，主鏈路是一條單向、高帶寬并且低延時的通道，用于傳輸未經壓縮的視頻和音頻等同步數據流。輔助通道是一條用于鏈路管理和設備控制的、半雙工的雙向通道。HPD信號用作終端設備的中斷請求信號。
HDCP
HDCP技術由好萊塢與Intel合作開發，保護未經壓縮的數字音視頻內容，適用于高速的數字視頻接口（DisplayPort、HDMI、DVI），其最新版本HDCP 1.3已經支持DisplayPort接口采用源設備和顯示設備間直接認證，內容加擾實現保護。HDCP設計為內容消費鏈中的最后一個環節，從內容源設備到顯示設備，HDCP不允許完全內容拷貝行為，即拷貝控制信息CCI 只有禁止拷貝狀態。在系統更新方面，HDCP采用吊銷列表來屏蔽已經被竊取的設備私鑰。
HDCP與DisplayPort
1 HDCP在DisplayPort上應用機制
HDCP應用于DisplayPort接口的保護機制包括以下三個元素。
①HDCP發送器，能立即識別下游接收器的拓撲連接結構，認證協議會確保HDCP發送器發出的信號是HDCP接收器所授權接受的。
②DCP LLC會撤銷授權無效的HDCP接收器的授權。
③在有HDCP保護的信號下發送與接收的同時，不斷對加密視頻傳輸的完整性進行驗證。
2 HDCP結構以及算法實現
①HDCP結構
HDCP在DisplayPort接口內容保護中采用了樹狀的拓撲結構，為了使得完成認證的時間在容許范圍之內，HDCP規定了一個拓撲結構最多允許有7層結點、128個接收設備。圖2顯示了一個設備深度為2、設備數為4的拓撲結構。
圖2 HDCP拓撲結構圖
②結合硬件采用軟件實現HDCP
軟件實現HDCP過程中，需要芯片內部硬件加密系統的支持，如偽隨機數的產生等。硬件加密系統結構。
圖3 硬件加密系統結構
● BKSV檢驗
HDCP由發送端（Tx）發起，Tx系統初始化時內部首先產生偽隨機數An，并將其與自身的KSV一并發給接收端（Rx），同時Tx讀取Rx的BKSV，BKSV存儲在接收端的DPCD（DisplayPort Configuration Data)地址0x68000～0x68004內，共40比特。HDCP采用了嚴密的校驗方式，每一步都有必要的驗證協議。當讀取到BKSV后，先對BKSV進行完整性驗證和黑名單檢測。
HDCP的“撤銷密鑰”機制用來應對密鑰泄漏。每個設備的密鑰集KSV值都是唯一的，HDCP系統會在收到KSV值后在撤銷列表中進行比較和查找，出現在列表中的KSV將被認做非法，導致認證過程的失敗。這里的撤銷密鑰列表將包含在HDCP對應的多媒體數據中并將自動更新。
● 協議第一步：R0（R0’）驗證
當KSV檢測和驗證成功后，系統將進入算法認證的第一步。其認證協議結構。
圖4 密鑰交換認證協議圖
其中Km=∑Akeys over Bksv和Km’=∑Bkeys over Aksv 是一種密鑰選擇機制。接收端的KSV被認為合法后，發送端和接收端都會通過自己的私鑰和相應的KSV計算出一個56比特的公鑰Km，這里把接收端計算出的公鑰記為Km’。制造商從HDCP認證組織Digital Content Protection LLC獲得私鑰和相應的KSV后，會在每一個支持該功能設備中存儲這些數據，Km（Km’）的計算就是通過對這些數據進行處理后得到的。
Km（Km’）是給后續計算的準備，在Km和Km’計算完成后，HDCP的加密系統就會根據產生的Km（Km’）和An以及REPEATER位來計算KS(KS’)、M0(M0’)和R0(R0’)。KS(KS’)是一個56比特的HDCP私鑰，M0(M0’)是64比特的私鑰，在HDCP認證協議的第二步的初始化中需要該參數，R0則是作為HDCP認證協議的計算結果，發送端通過讀取接收端計算出的R0’并且與本地計算的R0比較，如果相同則意味著第一步認證協議的成功。
● 協議第二步：中繼器認證
在第一部分的認證過程中，發送器在讀取接收器的BKSV同時，也讀取了DPCD中的一個REPEATER位，HDCP的第二部分是否執行取決于該位。這一位標志著該接收端是否為中繼器。如果接收端沒有中繼功能，HDCP會跳過該驗證部分，直接執行認證的第三部分鏈路完整性檢測。第二部分的認證協議框圖。
圖5 中繼器認證協議圖
當發送端檢測到下游是中繼器設備時，立即設立起5s的超時定時器。源端設備可以通過抽樣或者等待中斷的方式來獲取中繼器的狀態，而在這5s之內，中繼器就會建立自己的設備KSV列表并且計算V’（哈希算法）。如果5s之內沒有完成這些操作，上游設備會認為該次認證失敗。
在中繼器內部計算V’可以通過兩種方式來完成，由設計在芯片內部的邏輯電路或者驅動部分軟件計算來完成。硬件計算優點在于速度快，驅動程序設計簡單。但是犧牲了一定的硬件電路空間和芯片功耗，不同的客戶對此需求不同，所以芯片的驅動內也需要采用軟件計算哈希算法。
安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）是主要應用于數字簽名標準領域定義的數字簽名算法。SHA1有如下特性：不能從消息摘要中復原信息；兩個不同的消息不會產生同樣的消息摘要。HDCP協議中V（V’）計算如下:V(V’)=SHA1(ksv_list||binfo||M0(M0’))。
KSV list存儲于中繼器DPCD地址0x6802C～0x6803A的FIFO中，FIFO中有15字節，每個設備的KSV是40比特，也就是5字節，所以FIFO中每次讀取出來的是3個設備KSV。DisplayPort的中繼器最多支持下游有127個設備，也就是說FIFO最多需要讀取127/3次。每次讀取完后硬件會自動清掉被讀走的數據，同時用下一組KSV填滿。Binfo是存儲下游設備拓撲結構的16比特數據，包括拓撲深度等。M0（M0’）是64比特的私鑰。也就是說計算V（V’）時，系統傳輸給SHA1的消息長度最大為127×40+16+64=5160（0x1428H）比特，對于長度小于2^64（0x40000000000000H）位的消息，SHA1會產生一個160位的消息摘要。當接收到消息的時候，這個消息摘要可以用來驗證數據的完整性。在傳輸的過程中，數據很可能會發生變化，這時候就會產生不同的消息摘要。 SHA1算法只接受位輸入。字符串“KSV list||Binf||M0”消息摘要需轉換成位字符串如下：01100001 01100010 01100011……010011010（5160位），SHA1根據這個消息來計算MD5。
（a）補位
SHA1對輸入的消息必須進行補位以使其長度在對512取模以后的余數是448。如果長度已經滿足對512取模后余數是448，同樣需要補位。先補一個1，然后再補0，直到長度滿足對512取模后余數是448。至少補一位，最多補512位。
（b） 補長度
將原始數據的長度補到已經進行了補位操作的消息后面，用一個64位的數據來表示原始消息的長度。由于HDCP中的消息程度最大可達到5160位，所以需要對過長的消息進行分塊，SHA1算法中將長度超過512位的原始消息補成512的倍數。然后將整個消息分成一個一個512位的數據塊，分別處理每一個數據塊，從而得到消息摘要。
（c）常量定義
計算中需要定義一系列的常量字M0, M1, ... , M79，如果以十六進制給出，定義如下。
（d）函數定義
在SHA1中需要一系列的函數。每個函數ft(0≤t≤79)都操作32位字B，C，D（B,C,D為32位的函數形參）并且產生32位字作為輸出。ft(B,C,D)定義如下。
（e） 計算消息摘要
SHA1使用補位和補長度后的消息來計算消息摘要。計算需要兩個緩沖區，每個都由5個32位的字組成，還需要一個80個32位字的緩沖區。第一個5個字的緩沖區被標識為A，B，C，D，E。第一個5個字的緩沖區被標記為H0, H1, H2, H3, H4。80個字的緩沖區被標記為W0,W1,..., W79，另外還需要一個字的TEMP緩沖區。
為了產生消息摘要，首先處理前面定義的16個字的數據塊M1, M2,..., Mn，處理每個數據塊Mi包含80個步驟。在處理每個數據塊之前，緩沖區被初始化為下面的值（十六進制）：
處理Mi包括以下步驟：
(I)將 Mi分成16個字W0，W1，…， W15,W0是最左邊的字。
(II)對于t=16～79令
。
(III)令A=H0, B=H1, C=H2, D =H3, E=H4。
(IV)對于t=0～79，執行下面的循環
;
E=D; D=C; C=S30(B); B=A; A=TEMP;
(V)令H0=H0+A,H1=H1+B, H2=H2+C, H3=H3+D, H4=H4+E
在處理完所有的Mn后，得到一個160位的字符串，也就是最后得到的V（V’）。中繼器會將V’發送給發送端，發送端通過比較本地計算的V與接收到的V’是否相等來判斷認證結果。
● 協議第三步：加密完整性檢測
在解密過程中，HDCP在HDMI與DisplayPort中的應用所不同。在HDMI的解密過程中，HDCP系統會每2s中進行一次連接確認，同時每128幀畫面進行一次發送端和接受端同步識別碼，確保連接的同步，所有這些都是由發送端發起。而在DisplayPort的解密過程中， DisplayPort的Link Layer負責確認兩臺設備之間的連結效能與正確的溝通，以其參數值(0=完整、1=不完整)作為溝通的語言，該參數是發送端通過輔助通道讀取接收端的DPCD的某一位的值來獲取，也就是說，解密的完整性驗證完全是由接收端來執行的。
DisplayPort實現軟件HDCP的實例
ANX9805是硅谷數模半導體公司設計的DisplayPort發送芯片，其完全符合DisplayPort 1.1a標準，支持HDCP1.3標準和NVIDIA Upstream Protocol。
接收端使用目前市場上唯一的一款帶有DisplayPort接口的Dell顯示器3008WFP，其DP接口支持HDCP。支持HDCP的源端設備ANX9805可以通過黑屏、藍屏或者低畫質圖像的方式使不支持HDCP或者HDCP不合法的設備無法播放音視頻數據,這里采用完全藍屏的方式，。
圖6 軟件HDCP認證成功的圖像
圖7 軟件HDCP認證失敗圖像
實際測試證明通過軟件實現的HDCP占用時間與硬件HDCP在相鄰的數量級，在HDCP規范中規定所有認證時間容許范圍內，所以其對硬件時序無任何影響。
結論
軟件實現認證的優勢在于其節省芯片內部資源，從而使芯片有更高的集成度。現今對IC設計集成度的要求越來越高，所以多數廠商都希望芯片提供商能給出軟件代替硬件認證的方案。本文在充分利用硬件加密系統的基礎上實現了軟件對數字內容的加密協議，使HDCP在實際應用中有更高的靈活性和選擇性，可以根據不同要求來規劃芯片驅動結構。實際測試表明其易于實現，可代替部分硬件認證模塊，整個軟件認證過程對芯片工作流程無時序影響，具有較高的實際應用價值。
芯片內部的硬件認證速度高于外部MCU通過控制寄存器來認證的速度，所以需要通過提高MCU與芯片之間的I2C總線速度和MCU的工作頻率來減少其時序差別，這也是有待于進一步研究的工作。
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