Granite River Labs, GRL
Ray Yang 楊昕叡
High-Bandwidth Digital Content Protection，簡稱 HDCP，為高清數位內容保護，是 2003 年由 Intel 所制訂的一種針對數位內容保護機制的技術規範，主要用於防止透過 DVI、HDMI 及 DisplayPort 等數位介面傳輸的高清影片內容被非法錄製。這種技術是將影音內容進行加密，讓非法錄製者無法還原到原本的高清影音內容。
假設撥放器（Transmitter）、顯示器（Receiver）或是中繼器（Repeater）其中一端沒有 HDCP 功能，即無法撥放高清的影音內容，畫質就會降低為 480p 甚至無法撥放。隨著高清傳輸內容的需求越發普遍，這種對數位內容加密的技術也越來越普及，目前市面上消費性多媒體影音與娛樂產品例如撥放器、螢幕或是電視遊戲機等，大都將 HDCP 視為其基本支援的功能。
而廠商若要運用這樣的保護技術，首先必須加入 Digital Content Protection （DCP）成為會員，並繳納年費（US$ 15,000），此外再向 DCP 協會購買內容加密所使用的金鑰（Key），Key 的費用端看購買的數量而決定。請參考表 1。
表 1
這個購買的 ”KEY” 包含一組特別的金鑰 Key Selection Vector（KSV），為 HDCP 加密裡面最重要的一個環節，為 20 個 ”0” 以及 20 個 ”1” 所組成二進位值，Transmitter 以及 Receiver 會核對對方的 KSV 以確保連線為合法的，每一個設備都會有一組獨一無二的金鑰，每一個 Key 都會被記錄在 DCP 協會裡的一個清單裡。
為了防範 Key 被破解或是洩漏，HDCP 建立了一個”撤銷列表”，這個表會列上所有被破解過或是洩漏出去的 KSV，Transmitter 會檢查 Receiver 的 KSV 是否在列表上，若在列表上則連線為非法會立即中止連線，無法正常撥放影音內容。
Transmitter、Receiver、Repeater 是 HDCP 系統裡的三大主角，根據 HDCP 1.x 規格其系統層級最多可以下接到 7 層 Repeater，最多可連接 128 個裝置。各產品類型連接方式如圖 1 所示。
圖 1：HDCP 系統樹狀圖（取自 HDCP Specification Rev1_4）
授權認證協定（Authentication Protocol）是 Transmitter 以及 Receiver 進行金鑰的交換，讓 Transmitter 去確認 Receiver 是有被授權的裝置，可以接收有 HDCP 加密的數位影音內容。這種認證協定金鑰交換的方法，主要是雙方使用由 DCP 協會所授權的 Device Private Keys 去做加密計算出一個 shared secret value，有了這個值即可確認雙方是否為授權的 Device。
授權認證主要會有三個步驟如下：
1. First part of Authentication Protocol
2. Second part of Authentication Protocol
3. Third part of Authentication Protocol
此步驟是在 Transmitter 及 Receiver/Repeater 間進行金鑰 Key 交換並加以計算來確保雙方連線為合法。
圖 2：1st part of authentication protocol
－步驟：
1. Transmitter 可以在任何時間發起 HDCP 驗證。
2. Transmitter 傳送 Aksv 及 An 給 Receiver（AKsv：Transmitter 的 KSV，An：隨機的 64bit 值）。
3. Receiver 回應傳送 Bksv 及 REPEATER bit（Bksv：Receiver 的 KSV，REPEATER bit：表示 Receiver 是否為 Repeater）。
4. Transmitter 與下接裝置回傳的 KSV 對應的 Secret device key，經由 56 bit 的二進位加法計算出 Km（shared secret value）。下接裝置亦使用相同的演算法計算出 Km’（shared secret value）。
HDCP 密碼單元會用 Km, repeater||An 繼續計算 Ks, M0, R0。
Ks：Session key, 為 HDCP 密碼單元裡一個 56-bit secret key
M0：是一個 64-bit secret value,會在 2nd part of authentication protocol 使用。
R0：是一個 16-bit 的回傳值，是 Receiver 回傳給 Transmitter 說這次的 authentication 交換成功。
5. 若 R0= R0’ 則完成 Authentication 便會開始進行 HDCP 解密。
6. Transmitter 在完成寫入 Aksv100ms 之後才可讀取 R0’。
此步驟是當下級裝置為 Repeater 時，蒐集所有下接 Device 的 KSV 並回報上游裝置，只有當下接 Device 為 Repeater 才會進行此步驟。
圖 3：2nd part of authentication protocol
－步驟：
1. Transmitter 設 5 秒等待時間機制確保此步驟 5 秒內完成，並詢問下級 KSV 清單及 Ready bit 狀態。
2. 下級 Repeater 傳送 Ready bit=1 以及蒐集到的 KSV 清單給 Transmitter。
3. 下級 Repeater 用蒐集到的 KSV 清單, Bstatus 以及在 1st part of authentication protocol 所計算出的 M0’，運用 SHA-1 的運算方式算出 V’ 。
4. 上級 Repeater 運用相同的方式計算出 V，並且與下級 Repeater 回傳的 V’做比對，若 V≠V’則無法傳送 READY status bit=1 給 Transmitter，表示 KSV 清單完整性有問題，最後 5 秒等待時間將會過時。
5. 若 V=V’，Transmitter 再次檢查 KSV list 以及 V, V’，若：
a. KSV list 大小超過 Transmitter 的容量
b. V≠V’
c. Transmitter 在五秒內沒有收到 Ready bit =1
則終止連線，並嘗試重新 1st part of authentication。
除了蒐集 KSV 完整清單之外，Repeater 也會回報 Bstatus 裡的 DEVICE_COUNT 和 DEPTH 給 Transmitter，讓 Transmitter 檢查整個 HDCP 系統裡的階層數以及下接 Device 數量是否超過 HDCP 系統的上限。
這步驟系統會確認兩台 HDCP 裝置的加密頻率、順序是否一致與同步，並同時產生額外的驗證機制。
圖 4：3rd part of authentication protocol
－步驟：
1. 雙方計算 Ki, Mi, Ri。
Ki : 56 位元的值去初始化 HDCP 密碼單元的解密以及加密
Mi: 64 位元的值去初始化 HDCP 密碼單元
Ri: 16 位元的值來確認 Transmitter 及 Receiver 是否合法
2. i 為 frame number，當完成 1st part of Authentication Protocol 後第一個 encrypted frame 開始後計算 i，每一個 frame 或是每一個加密的 frame 往上遞增。
3. Ri 及 Ri’每 128 個 frame 會重新計算一次。
4. Transmitter 每兩秒會比對 Ri 和 Ri’一次。
5. Transmitter 需在 1ms 內讀取 Ri’ 。
6. 若設備支援 1.1_FEATURES 則會檢查 Pj，每 16 個 frame 檢查一次 Pj，若連續三個 Pj 檢查錯誤則判定 pixel transmission error。
消費者若想觀看有 HDCP 保護的數位多媒體影音內容如藍光光碟時，訊號發送端（DVD player）及接收端（TV、Monitor）都得具備內建金鑰以及上述驗證步驟的能力，否則將無法觀賞高解析度數位影像內容。除了HDCP 1.4 外，為了因應 HDMI 2.0 的更新（現為 HDMI 2.1），DPC 協會也在 2013 年發表了 HDCP 2.2 的保護機制來保護更高解析度的內容，並在 2018 年更新為 HDCP 2.3。
參考文獻
文章下載
作者
GRL 台灣技術工程師 楊昕叡 Ray Yang
畢業於國立台灣科技大學化學工程學系。
在 GRL 累積三年多的 HDMI 相關測試經驗，熟悉 HDMI、MIPI、V by One 等測試規範。目前在 GRL 台灣主要負責HDMI 測試，樂於協助客戶釐清 HDMI 方面的問題，以順利取得認證。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2021/05/20 AN-210520-TW