專利名稱：下一代媒體播放器的雙虛擬機(jī)以及信任平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及開(kāi)發(fā)新的安全系統(tǒng)和方法，包括對(duì)可拆卸媒體播放器的拷貝保護(hù)。
背景技術(shù)：
虛擬機(jī)(VM)是用于說(shuō)明充當(dāng)編譯器和微處理器(或“硬件平臺(tái)“)之間的接口、并實(shí)際執(zhí)行程序指令的軟件的術(shù)語(yǔ)。編譯器是處理按照特定編程語(yǔ)言寫(xiě)出的陳述并且將其變?yōu)槎M(jìn)制機(jī)器語(yǔ)言的特殊程序或計(jì)算機(jī)處理器所使用的“代碼”。
Java編程語(yǔ)言和運(yùn)行環(huán)境的開(kāi)發(fā)者，Sun Microsystems，因?yàn)槠銳ava虛擬機(jī)的開(kāi)發(fā)而著名。Java虛擬機(jī)為計(jì)算機(jī)處理器(或“硬件平臺(tái)”)解釋編譯的Java二進(jìn)制代碼(稱為字節(jié)代碼)，以便其可以執(zhí)行Java程序指令。
Java被設(shè)計(jì)為允許構(gòu)建應(yīng)用程序，應(yīng)用程序可以在任意平臺(tái)上運(yùn)行而不需要程序員針對(duì)每一個(gè)獨(dú)立平臺(tái)重寫(xiě)或重新編譯。當(dāng)給平臺(tái)提供Java虛擬機(jī)時(shí)，任何Java程序可以在該平臺(tái)上運(yùn)行。Java虛擬機(jī)使這成為可能，因?yàn)樗紤]到特定指令長(zhǎng)度和平臺(tái)的其它特性。
虛擬機(jī)是一種抽象的運(yùn)算機(jī)器。與真實(shí)的運(yùn)算機(jī)器一樣，它具有指令設(shè)置并且在運(yùn)行時(shí)操作各種存儲(chǔ)區(qū)域。使用虛擬機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)編程語(yǔ)言是相當(dāng)普遍的；最著名的虛擬機(jī)也許是UCSD Pascal的P-Code機(jī)器。
另外，更一般地，可以將虛擬機(jī)描述為操作系統(tǒng)或運(yùn)行計(jì)算機(jī)的任何程序。
在下一代媒體播放器中，例如DVD或CD播放器，長(zhǎng)期需要發(fā)展拷貝保護(hù)的改進(jìn)方法。
一個(gè)公知的用于DVD的內(nèi)容安全系統(tǒng)是內(nèi)容加擾系統(tǒng)(CSS)，其中DVD上的數(shù)據(jù)被加密。然后當(dāng)讀盤(pán)時(shí)，DVD播放器使用40比特解密密鑰來(lái)解密數(shù)據(jù)。然而，CSS的嚴(yán)重缺陷在于其密鑰和算法是固定的。反向設(shè)計(jì)加密算法，并且播放現(xiàn)有DVD盤(pán)的每一個(gè)可能解密密鑰是可用的。當(dāng)泄漏秘密時(shí)，系統(tǒng)將受到永遠(yuǎn)威脅，這是因?yàn)闆](méi)有辦法更新安全算法或密鑰?，F(xiàn)在，存在多個(gè)消費(fèi)者可用的程序，其利用單個(gè)“點(diǎn)擊”從DVD內(nèi)容中去除所有安全性。
內(nèi)容所有者不希望再次發(fā)生這種情況，尤其隨著內(nèi)容的逼真度增加。因此，下一代內(nèi)容安全系統(tǒng)不應(yīng)該這樣易受攻擊。
軟件零售商也面臨盜版問(wèn)題，然而由于計(jì)算機(jī)的本質(zhì)，他們采取不同于DVD娛樂(lè)公司所使用的方式。歷史上，打包軟件程序(例如計(jì)算機(jī)游戲)制造商利用“程序安全”來(lái)保護(hù)其內(nèi)容。即，不存在用于保護(hù)程序的固定的預(yù)定方法，而是每一個(gè)軟件廠商編寫(xiě)或獲得“安全代碼”來(lái)保護(hù)其內(nèi)容。這種程序安全代碼在復(fù)雜度和技術(shù)上根據(jù)程序不同而變化，但是最重要地，因?yàn)槊恳粋€(gè)程序具有不同的安全軟件實(shí)施方式，不可能寫(xiě)出通用“去除安全”程序，就像寫(xiě)出用于攻擊DVD安全的程序。
另一種公知的拷貝保護(hù)的方法是寫(xiě)硬件特殊指令。該方法的問(wèn)題在于它是極其有限的。利用這種方法，對(duì)于每一個(gè)硬件配置，必須呈現(xiàn)不同組的指令。這有點(diǎn)不切實(shí)際。
因此，需要一種向例如媒體播放器(不是專用硬件)的硬件提供拷貝保護(hù)的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，向媒體播放器提供了一種與平臺(tái)無(wú)關(guān)的程序拷貝保護(hù)的系統(tǒng)和方法。本公開(kāi)提出一種解決方法，其中給下一代媒體播放器提供雙虛擬機(jī)架構(gòu)。本公開(kāi)還提出使用基于硬件的嵌入式安全子系統(tǒng)，例如信任平臺(tái)模塊(TPM)，來(lái)連接虛擬機(jī)架構(gòu)的特定方面。
根據(jù)本公開(kāi)的雙虛擬機(jī)架構(gòu)由高級(jí)虛擬機(jī)和低級(jí)虛擬機(jī)組成。低級(jí)虛擬機(jī)被設(shè)計(jì)用于支持低級(jí)媒體解密和解碼功能，而高級(jí)虛擬機(jī)被設(shè)計(jì)用于處理應(yīng)用層的行為。因此，這種架構(gòu)從應(yīng)用軟件中分離出安全軟件。
通常，最適于程序安全的虛擬機(jī)更近似于實(shí)際硬件CPU的指令組。即，其支持指針，并且在可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)之間存在根本區(qū)別。因此，這種第一類虛擬機(jī)被稱為“低級(jí)VM”，或“安全VM”。低級(jí)虛擬機(jī)被設(shè)計(jì)為與支持抗篡改(tamper resistant)軟件技術(shù)的傳統(tǒng)CPU類似。
類似這種的虛擬機(jī)的不利方面在于編程錯(cuò)誤或意外的運(yùn)行條件是嚴(yán)重的。對(duì)于安全系統(tǒng)，這可以認(rèn)為是強(qiáng)項(xiàng)，但是對(duì)于應(yīng)用(更為復(fù)雜，并且通常具有強(qiáng)度較低的測(cè)試覆蓋)，這是缺點(diǎn)。
對(duì)于應(yīng)用，“在后臺(tái)”管理大部分運(yùn)算細(xì)節(jié)的“高級(jí)VM”允許開(kāi)發(fā)按照更加可預(yù)測(cè)和魯棒方式運(yùn)轉(zhuǎn)的更可靠的應(yīng)用程序?！案呒?jí)”虛擬機(jī)的典型范例是Java。例如，Java不需要支持“指針”的概念或明確的存儲(chǔ)管理(編程錯(cuò)誤的一般來(lái)源)，然而支持“例外處理”，按照可預(yù)測(cè)方式幫助程序和程序員處理意外運(yùn)行條件。
高級(jí)或應(yīng)用級(jí)虛擬機(jī)被設(shè)計(jì)具有所有特點(diǎn)，并且提供豐富的應(yīng)用接口。
因此，理想的是組合低級(jí)VM和高級(jí)VM的優(yōu)點(diǎn)，以便提供與其它應(yīng)用結(jié)合進(jìn)行工作的平臺(tái)無(wú)關(guān)安全功能。此外，信任平臺(tái)模塊通過(guò)安全地詢問(wèn)和驗(yàn)證執(zhí)行環(huán)境，提供基于硬件的信任基礎(chǔ)。
在典型實(shí)施例中，本公開(kāi)被用于DVD和CD播放器中的可更新安全和拷貝保護(hù)的目的。然而，這種架構(gòu)還支持存儲(chǔ)在硬盤(pán)、固態(tài)存儲(chǔ)器中或在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的媒體的回放。
如上所述，低級(jí)虛擬機(jī)被設(shè)計(jì)用于支持低級(jí)媒體解密和解碼功能。在下一代媒體(NGM)應(yīng)用中，這種低級(jí)虛擬機(jī)還負(fù)責(zé)引導(dǎo)高級(jí)VM。高級(jí)VM處理應(yīng)用層的行為，例如高級(jí)用戶接口、misc、IO和網(wǎng)絡(luò)行為。
本公開(kāi)的雙VM架構(gòu)是新型的。雙VM架構(gòu)提供“對(duì)等”關(guān)系而不像傳統(tǒng)的“堆疊(stacked)VM”關(guān)系。一個(gè)VM在另一個(gè)之上運(yùn)行的堆疊關(guān)系的一個(gè)范例是運(yùn)行窗口仿真程序(x86仿真程序或VM)的PowerPC(如在Mac中一樣)，窗口仿真程序依次執(zhí)行JavaVM。
此外，這種雙VM架構(gòu)與基于硬件的信任運(yùn)算模塊的結(jié)合是創(chuàng)新的。
本公開(kāi)將程序安全的使用擴(kuò)展到例如CD和DVD的媒體。此外，程序安全還允許內(nèi)容持有者具有比公布的系統(tǒng)更靈活的版權(quán)管理。與現(xiàn)有技術(shù)固定安全系統(tǒng)(類似CSS)所提供的簡(jiǎn)單拷貝保護(hù)(CP)相對(duì)，這種靈活性可以被用于實(shí)現(xiàn)完備的數(shù)字版權(quán)管理(DRM)系統(tǒng)。
下面的實(shí)施例示出了本公開(kāi)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，從閱讀典型實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中，顯而易見(jiàn)本發(fā)明的上述及其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)典型實(shí)施例在運(yùn)算環(huán)境中的媒體播放器架構(gòu)的圖。
圖2是示出了根據(jù)典型實(shí)施例的低級(jí)虛擬管理器和高級(jí)虛擬管理器的交互和功能性的方框圖。
需要理解，為了演示的簡(jiǎn)化和清楚，不必按比例繪制圖中所示的單元。例如，為了清楚，相對(duì)于彼此，放大一些單元的尺寸。此外，適當(dāng)考慮時(shí)，在附圖中重復(fù)參考數(shù)字來(lái)表示相應(yīng)的單元。
具體實(shí)施例方式
在此公開(kāi)詳細(xì)的說(shuō)明；然而，要理解到，公開(kāi)的實(shí)施例只是本發(fā)明的范例，本發(fā)明可以按照各種形式實(shí)現(xiàn)。因此，在此公開(kāi)的特殊結(jié)構(gòu)和功能的細(xì)節(jié)不應(yīng)該被理解為限制，而只是作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)并作為代表基礎(chǔ)，教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)際按照任意適當(dāng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)來(lái)不同地使用本公開(kāi)。詳細(xì)參考在附圖(圖1-2)中所示的本公開(kāi)。
本公開(kāi)的系統(tǒng)和方法提供使用媒體播放器的雙虛擬機(jī)架構(gòu)。一個(gè)VM被設(shè)計(jì)用于支持安全功能，例如媒體解密和解碼。在下一代媒體應(yīng)用中，低級(jí)VM也許負(fù)責(zé)引導(dǎo)應(yīng)用級(jí)VM。高級(jí)或應(yīng)用級(jí)VM處理應(yīng)用層的行為，例如高級(jí)用戶界面、misc、IO和網(wǎng)絡(luò)行為。
圖1和2示出了根據(jù)典型實(shí)施例的運(yùn)算環(huán)境10中的媒體播放器架構(gòu)。具體地，示出了包括媒體數(shù)據(jù)或內(nèi)容18的媒體源(例如DVD、光盤(pán)、固態(tài)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò))、用于允許在媒體播放器上回放媒體的安全代碼12以及導(dǎo)入代碼16。
根據(jù)本公開(kāi)的媒體回放設(shè)備包含能夠運(yùn)行至少一個(gè)虛擬機(jī)(VM)的中央處理單元25。在典型實(shí)施例中，虛擬機(jī)是雙虛擬機(jī)架構(gòu)，包括在CPU26上運(yùn)行的低級(jí)VM(例如安全VM)22和高級(jí)VM(例如應(yīng)用VM)24。在VM中運(yùn)行的程序可以執(zhí)行并且實(shí)施使用規(guī)則，以及更新加密算法。運(yùn)算環(huán)境10還可以包括應(yīng)用程序接口(API)40-44，40-44是用于允許各種程序互相進(jìn)行通信的一組例程或協(xié)議。
在一個(gè)方案中，VM之一(22或24)控制另一個(gè)VM。在另一個(gè)方案中，高級(jí)和低級(jí)虛擬機(jī)作為對(duì)等虛擬機(jī)，按照非等級(jí)方式在其之間傳遞消息。可以以“外部功能調(diào)用”來(lái)實(shí)現(xiàn)這些消息，其中一個(gè)虛擬機(jī)調(diào)用另一個(gè)虛擬機(jī)中的例程，或者以沿通信信道傳遞的傳統(tǒng)消息來(lái)實(shí)現(xiàn)。
例如，應(yīng)用VM(或高級(jí)VM)24可以調(diào)用安全VM(或低級(jí)VM)22，以便開(kāi)始媒體內(nèi)容18的回放(并因此透明解碼)。
類似地，安全VM22中的代碼可以調(diào)用應(yīng)用VM22，使其了解同步事件或解碼問(wèn)題(例如，安全或許可問(wèn)題)。
例如，在已經(jīng)從其原始光學(xué)媒體上拷貝媒體的情況下，安全VM22通知應(yīng)用VM24需要密鑰以便繼續(xù)播放。響應(yīng)之，應(yīng)用VM24經(jīng)由應(yīng)用級(jí)功能25顯示消息，通知用戶他們可以通過(guò)用戶接口27“租賃”該電影特定時(shí)間長(zhǎng)度。如果用戶選擇這么做，用戶必須與工作室服務(wù)器進(jìn)行交易，以便獲得包含密鑰的“不透明消息”(只由VM可理解)。然后，應(yīng)用VM24將包含密鑰的消息傳遞給安全VM22以及拷貝保護(hù)算法23，以便認(rèn)證。
媒體播放器設(shè)備還包含處理模塊(例如信任處理模塊或TPM)32。TPM規(guī)范是由信任運(yùn)算組織(TCG)創(chuàng)造的信任運(yùn)算平臺(tái)聯(lián)盟(TCPA)規(guī)范的一部分(http//www.trustedcomputinggroup.org)。TPM32包含解密密鑰，并且處理安全密碼運(yùn)算。媒體回放設(shè)備還包含API40、42，允許在虛擬機(jī)中運(yùn)行的任何程序詢問(wèn)設(shè)備IO硬件和TPM。這使在VM中執(zhí)行的程序?qū)τ谑褂靡?guī)則做出智能選擇。還提供附加在CPU26上的解碼模塊34，用于分解解碼音頻/視頻流。
通常，信任平臺(tái)使實(shí)體能夠確定該平臺(tái)中的軟件狀態(tài)或運(yùn)算環(huán)境10并且能夠?qū)?shù)據(jù)密封在該平臺(tái)的特定軟件環(huán)境中。實(shí)體推斷運(yùn)算環(huán)境的狀態(tài)是否是可接受的并且與平臺(tái)進(jìn)行一些交易。如果交易涉及必須存儲(chǔ)在該平臺(tái)上的敏感數(shù)據(jù)，實(shí)體確保按照秘密格式處理該數(shù)據(jù)，除非該平臺(tái)中的運(yùn)算環(huán)境的狀態(tài)對(duì)于實(shí)體是可接受的。
為了實(shí)現(xiàn)該條件，信任平臺(tái)提供信息，使實(shí)體能夠推斷出信任平臺(tái)中的軟件環(huán)境?？煽康販y(cè)量該信息并且告知實(shí)體。同時(shí)，信任平臺(tái)提供了一種裝置，用于加密密碼并且描述在解密密鑰之前必須進(jìn)入的軟件環(huán)境。
“信任測(cè)量根基(root)”測(cè)量特定平臺(tái)特征，將測(cè)量數(shù)據(jù)記入測(cè)量庫(kù)，并且將最終結(jié)果存儲(chǔ)在TPM(包含用于存儲(chǔ)和告知完整測(cè)量的信任根基)。因此，TPM是所有解密密鑰的安全存儲(chǔ)位置。TPM還處理大多數(shù)密碼運(yùn)算和功能。
此外，媒體回放設(shè)備具有安全、受保護(hù)的輸入和輸出28、與其它播放器30聯(lián)網(wǎng)的能力以及存儲(chǔ)設(shè)備(例如RAM36和ROM38)。
因此，根據(jù)典型實(shí)施例，獨(dú)立虛擬機(jī)(VM)運(yùn)行于包括CPU的相同運(yùn)算環(huán)境中。該架構(gòu)分離兩個(gè)虛擬機(jī)(即高級(jí)或應(yīng)用級(jí)VM和低級(jí)或安全VM)，其中應(yīng)用和安全虛擬管理器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)API進(jìn)行通信。應(yīng)用虛擬管理器的功能性包括給正在安全虛擬管理器中執(zhí)行的安全代碼提供為了服務(wù)，而安全VM協(xié)調(diào)媒體存取和解碼功能，以使內(nèi)容安全對(duì)于應(yīng)用作者是透明的。
對(duì)于運(yùn)算復(fù)雜度，安全VM對(duì)系統(tǒng)資源具有較低的影響，是簡(jiǎn)單、輕量、低級(jí)、并且安全的，并且可以由安全零售商為該VM提供適當(dāng)?shù)能浖?yīng)用VM具有相對(duì)較大的CPU以及存儲(chǔ)影響，并且負(fù)責(zé)用戶接口和輸入/輸出功能。
本公開(kāi)不局限于在例如傳統(tǒng)CD和DVD播放器的媒體播放器中使用，而是可以擴(kuò)展到在PC上運(yùn)行，或者推廣為包括播放可拆卸媒體的功能性的硬件系統(tǒng)。
為了演示和說(shuō)明，呈現(xiàn)了本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例的上述說(shuō)明。從閱讀下面的附錄中，顯而易見(jiàn)本公開(kāi)的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。并不是意欲成為詳盡的或者將本公開(kāi)限制于公開(kāi)的精確形式。在上述教導(dǎo)下，各種修改和變化是可能的。
權(quán)利要求
1.一種駐留在運(yùn)算環(huán)境中的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，所述架構(gòu)包括低級(jí)虛擬機(jī)，用于執(zhí)行至少解碼媒體或提供安全功能之一；以及高級(jí)虛擬機(jī)，用于執(zhí)行應(yīng)用級(jí)功能；其中，低級(jí)虛擬機(jī)與高級(jí)虛擬機(jī)具有對(duì)等關(guān)系。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，高級(jí)虛擬機(jī)包括用于與用戶接口的應(yīng)用程序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，應(yīng)用級(jí)功能至少包括提供與用戶的接口或與具有媒體的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，由高級(jí)虛擬管理器將來(lái)自媒體的安全代碼發(fā)送到低級(jí)虛擬管理器，用于解密。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，媒體至少?gòu)腄VD、光盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)或固態(tài)設(shè)備之一是可用的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，還包括處理模塊，處理模塊包括至少一個(gè)解密密鑰。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，處理模塊執(zhí)行安全密碼運(yùn)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，處理模塊被用于監(jiān)控運(yùn)算環(huán)境。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙虛擬機(jī)架構(gòu)，其中，運(yùn)算環(huán)境包括中央處理單元(CPU)。
10.一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，該方法包括步驟設(shè)置低級(jí)虛擬機(jī)，用于執(zhí)行安全功能；設(shè)置高級(jí)虛擬機(jī)，用于執(zhí)行用戶接口和應(yīng)用級(jí)功能；其中，低級(jí)虛擬機(jī)與高級(jí)虛擬機(jī)具有對(duì)等關(guān)系。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，還包括高級(jí)虛擬機(jī)具有用于與用戶接口的應(yīng)用程序。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，其中，應(yīng)用級(jí)功能至少包括提供與用戶的接口或與具有媒體的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，還包括由高級(jí)虛擬管理器將來(lái)自媒體的安全代碼發(fā)送到低級(jí)虛擬管理器，用于解密。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，其中，媒體至少?gòu)腄VD、光盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)或固態(tài)設(shè)備之一是可用的。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，還包括處理模塊，處理模塊提供至少一個(gè)解密密鑰。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，其中，處理模塊執(zhí)行安全密碼運(yùn)算。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，還包括由處理模塊監(jiān)控運(yùn)算環(huán)境。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種與運(yùn)算環(huán)境無(wú)關(guān)的、為媒體播放器提供程序拷貝保護(hù)的方法，其中，運(yùn)算環(huán)境包括中央處理單元(CPU)。
全文摘要
一種基于運(yùn)算環(huán)境的軟件，用于提供從網(wǎng)絡(luò)下載或從媒體播放器載入的媒體的安全認(rèn)證，所述軟件包括兩個(gè)對(duì)等模式操作的虛擬機(jī)。低級(jí)虛擬機(jī)提供解碼和解密功能，而高級(jí)虛擬機(jī)提供應(yīng)用級(jí)功能，例如用戶接口、輸入/輸出。
文檔編號(hào)H04L9/32GK1813244SQ200480018214
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者斯科特·沃森 申請(qǐng)人:迪斯尼實(shí)業(yè)公司