HDCP 2.x Overview

Granite River Labs, GRL
Peter Lee 李清宇

HDCP (High-Bandwidth Digital Content Protection) 是由 Intel 制訂的加密技術，可運用在 HDMI 或是 DisplayPort 等數位介面傳輸高解析度影音時，進行數位內容加密以防止影音資訊被盜錄。各家廠商如果要讓多媒體晶片具有上述功能，則需先向 Intel 的子公司 DCP LLC 購賣 HDCP 金鑰授權，之後才能將該技術實作於晶片上。而消費者如果要觀賞具有 HDCP 保護的影音資訊：如藍光光碟、Netflix 影片，播放端（Blu-Ray Player）以及接受端（TV）均須購買有 HDCP 授權的產品，才能觀賞到最高解析度畫質。如果有一方不支援，則會導致影片畫質下降，或甚至無法撥放。

目前在於 HDMI 介面中，可支援的 HDCP 協定分為 HDCP 1.4 以及最新的 HDCP 2.3（註解一），分別對應於 FHD（1920x1080p）, UHD 4K（3840×2160 or 4096×2160）不同解析度的影音保護。以當前消費市場的趨勢，4K 影片以及顯示器逐漸普及，甚至近期各家廠商推出的支援 8K 解析度的 HDMI 2.1 消費性電子產品，可預期將有越來越多的產品將採用 HDCP 2.3 協議，因此本文將著重於 HDCP 2.3 協議的介紹。

HDCP 2.3 介紹

圖 1：HDCP 系統樹狀圖（取自 HDCP 2.3 on HDMI Specification）

首先介紹 HDCP 2.3 實體架構，請參考圖一，HDCP Transmitter 可透過輸出口與下游裝置連接：這些下游裝置可為 HDCP Receiver 或 HDCP Repeater，而該連接的 HDCP Repeater 還能透過其下行輸出口再連接其餘裝置，形成裝置連結的樹狀圖。但此樹狀圖並非無限延伸，HDCP 2.3 規範最多只能下接 4 層 HDCP Repeater，且下接裝置數量上限為 32 台。

接著再看 HDCP 2.3 協議層，其核心理念可分為三個部分。第一為認證（Authentication），傳送裝置會透過認證協議，確認下游是否為 HDCP 合法接受裝置。第二，確認完雙方的合法性後，再透過雙方共享的密鑰對影音進行加密/解密，避免外界被盜錄。第三，由於 HDCP 裝置中的密鑰有可能被破解，因此傳送裝置會更新（Renewability）遭撤銷的 HDCP 裝置名單，確保不會傳送 HDCP 加密資訊給不合法的裝置。

HDCP 2.3 協議介紹

第二章節提到的認證(Authentication)，將細分為幾個步驟進行介紹，包含 Authentication and key exchange (AKE)、Pairing、Locality check、Session key exchange、Authentication with repeater，以下內容僅介紹協議的名詞以及概念，加密演算法並不在本文討論範圍。

– Authentication and key exchange(AKE)

此流程（可參考圖 2、圖 3）目的是 Tx 確認 Rx 是否為合格 HDCP 裝置，其中資訊皆使用 HDMI 中的 I2C 介面傳輸，以下為流程介紹：

1. 當雙方裝置連結後，Tx 會傳送 AKE_Init，內容包含一組 64bit 的偽隨機碼 rtx 以及 TxCaps（Tx HDCP 版本資訊）給 Rx，代表開始進行 HDCP 認證流程。
2. Tx 在發送完 AKE_Init 後，Rx 需在 100ms 內回傳 AKE_Send_Cert，如果超出時間則認證失敗。
   AKE_Send_Cert 內容由 certrx（包含 Receiver ID, Public Key, DCP LLC Signature）、一組 64bit 的偽隨機碼 rrx 、RxCaps（Rx HDCP 版本資訊、Repeater bit）組成。
3. Tx 確認 certrx 內的 Receiver ID（相當於 Rx 的身分證）後，會產生兩種分歧流程：如果 Tx 端沒有儲存對應該 Receiver ID 的 Master Key（km），則進行（圖 2）流程-AKE Without stored km，若有則進行（圖 3）流程。
4. 如果雙方裝置為第一次連結，會進行（圖 2）流程，Tx 除了檢查 Receiver ID 外，還會使用 Tx 的 Public Key 確認 certrx 內 DCP LLC Signature 是否合法，如為非法將導致認證失敗。
5. Tx 產生一組 128bit 的偽隨機碼作為 Master Key（km），使用 Rx 的 Public Key 對其加密產生 Ekpub（km），並傳送包含 Ekpub（km）的 AKE_No_Stored_km 給 Rx。
6. Rx 使用自己的 private key （kprivrx）對 Ekpub（km）解碼還原出 km。
7. Tx 檢查 System Renewability Message （註解二）的合法性，同樣是藉由 Tx 的 Public Key 確認 SRM 內的 Signature 是否合法。
8. 確認完 SRM 合法性後，再確認下游裝置的 Receiver ID 是否合法。（以上 SRM、Receiver ID 確認只會由最上游 Tx 進行）
9. Tx 與 Rx 進行 Key derivation，將獲得的 Master Key（km） 運算後得到 kd。
10. Tx 與 Rx 將雙方交換過的資訊（rtx、RxCaps、TxCaps） 以及 kd 再次運算後分別得到 H 與 H’。
11. Tx 讀取 Rx 端發送的 AKE_Send_H_Prime，如果 H 與 H’值不相等，或是未在規定時間（1 秒）內收到，將會導致認證失敗。

– Pairing

1. 接續上述步驟，Rx 利用 kprivrx 計算出 128bit kh，再將 km 使用 kh 加密得到 Ekh（km）。
2. Rx 將包含 Ekh（km） 的 AKE_Send_Paring_Info 傳給 Tx。
3. Tx 在 200ms 的時間限制內讀取 AKE_Send_Paring_Info，並將對應該次流程的 Receiver ID 的 m， km，Ekh（km）儲存於記憶體內。
4. 經過 Pairing 的雙方設備再次認證時，因為 Tx 有儲存對應該 Receiver ID 的 Master Key（km），會直接進入（圖 3）流程，相較於（圖 2）流程省略部分步驟（如 Master Key 計算），可減少 HDCP 認證時間。
   

圖 2（取自 HDCP 2.3 on HDMI Specification）

圖 3（取自 HDCP 2.3 on HDMI Specification）

– Locality check

此步驟是在 HDCP 2.3 引入的新機制，目的為確保雙方裝置距離在合法範圍內，若連結距離太遠，訊息將不會於時限內收到而導致認證失敗，認證流程如下：

1. Tx 傳送 LC_Init （包含 64bit 偽隨機碼 rn） 給 Rx。
2. Tx 與 Rx 分別計算 L、L’。
3. 如果 L 與 L’不相同, 或是 Tx 在 20ms 內未收到 L’,則導致認證失敗。
4. 認證失敗，協議中規定 Tx 可再產生新的 rn, 並在重新嘗試最多 1023 次。
   

圖 4（取自 HDCP 2.3 on HDMI Specification）

– Session key exchange

完成 AKE 以及 Locality check 後，代表傳輸設備雙方均為合法裝置，可以開始進行影像加密傳輸，此步驟目的為雙方加密/解密鑰匙交換，SKE 流程如下：

1. Tx 產生一個 128bit 的偽隨機碼 Session Key（ks），64bit 偽隨機碼 riv。
2. Tx 進行 Key derivation 產生 128bit dkey2，並對 ks 加密產生 Edkey（ks）。
3. Tx 傳送 SKE_Send_Eks（Edkey（ks）、riv）給 Rx。
4. Rx 進行 Key derivation 產生 128bit dkey2，並將 Edkey（ks） 解譯得到 ks。
5. 使用 Session Key 以及 Secret global constant（lc128，所有設備均為相同值）開始進行影音加密／解密。
   

– Authentication with repeater

在 AKE 流程中，如果 Rx 回傳的 RxCaps 內的 Repeater bit 為 1 時才會進行此流程。目的有兩個：

1. Repeater 將下游資訊，如設備數目、階層、版本、Receiver ID 整理回傳給最上游 Tx，如果有資訊不合法，如下接設備數目、階層超過規範（31 台、四階），或是 Receiver ID 在撤銷名單中，會導致認證失敗。
2. Repeater 將 Tx 要傳送的 HDCP Content type（註解三）資訊傳給下游。
   

註解

• 註解一：HDCP 2.3 設計架構與 HDCP 1.4 不同，因此並不向下相容，但可透過使用 HDCP 2.3 to HDCP 1.4 轉換器，將播放端的 HDCP 2.3 內容顯示於只支援 HDCP 1.4 的接收端。
• 註解二：System Renewability Message 由 Tx 端儲存，內容包含已被撤銷的 Receiver ID。因此 Tx 需確認 SRM的合法性後，才能檢查下游裝置的 Receiver ID。
• 註解三：HDCP 傳輸時可分為 Type0 & Type1 content，Type0 的內容可透過 repeater 傳送給大部分 HDCP 裝置接收，而 Type1 的內容透過 Repeater 後，無法被下游 HDCP 1.x、2.x 設備接收。
  

參考文獻

• HDCP on HDMI Specification Rev2_3

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作者
GRL 台灣技術工程師 李清宇 Peter Lee

國立成功大學材料系碩士畢業。兩年 HDMI 測試經驗，熟悉 HDMI2.1 與 HDCP 技術測試。GRL 技術文章作者及演講講師。

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 2021/05/21 AN-210521-TW