Discret 11: Bí mật đằng sau hệ thống mã hóa truyền hình Pháp thập niên 80

Tôi lớn lên ở Pháp trong thập niên 80, thời kỳ mà bóng đá và truyền hình là hai thú vui giải trí chính. Khi đó, chỉ có ba kênh truyền hình available. Trong đó, Antenne 2 và FR3 do nhà nước tài trợ và khá nhàm chán, trong khi TF1 được tư nhân hóa và chiếu rất nhiều phim hoạt hình Nhật Bản. Thế hệ tôi lớn lên cùng với những bộ phim như Đội trưởng Tsubasa, Saint Seiya, Đội trưởng Harlock và Grendizer.

Hoạt hình minh họa kênh Canal+

Lúc đó chưa có cáp hay Internet, tín hiệu TV được phát sóng qua đường không và mỗi ngôi nhà đều có một ăng-ten trên mái để bắt những làn sóng chứa đầy những cú Kame-hame-has.

Mọi thứ thay đổi vào năm 1984 với sự ra mắt của kênh thứ tư. Canal Plus (Kênh Cộng) đã cách mạng hóa bối cảnh truyền hình với các bộ phim mới, thể thao quốc tế và không quảng cáo. Để duy trì tham vọng này, Canal được tài trợ bởi phí hàng tháng do người đăng ký trả.

Vấn đề kỹ thuật đặt ra là rất đơn giản: Làm thế nào để đảm bảo chỉ những người trả tiền mới xem được khi tín hiệu được phát sóng cho tất cả mọi người? Câu trả lời là mã hóa nó bằng một công nghệ gọi là "Discret 11".

Hệ thống truyền hình SECAM và độ phân giải

Hệ thống truyền hình Pháp không dùng NTSC mà dùng SECAM, tương tự như PAL. Phần video bao gồm một luồng khung hình được truyền ở tần số 25Hz. Mỗi khung hình gồm 625 khối (tức là mỗi khối được cấp 64µs). Luồng âm thanh được xen kẽ ở cuối các khối.

Mỗi khối chứa dữ liệu cho súng điện tử của TV vẽ một dòng quét (scanline). Quá trình này diễn ra từ trên xuống dưới, từ trái sang phải. Vì súng điện tử cần định vị lại theo phương thẳng đứng (VSYNC) và tín hiệu cần siêu dữ liệu, nên chỉ có 576 dòng trong số 625 dòng tạo ra hình ảnh hiển thị được.

Độ phân giải dọc hoàn toàn rời rạc, nhưng độ phân giải ngang lại là tương tự. Do quá trình đặt lại ngang (HSYNC), chỉ có 52µs trong số 64µs của một dòng được sử dụng, dẫn đến độ phân giải 704 điểm.

Một chi tiết quan trọng cần nhớ là không phải TV nào cũng có chất lượng cao nhất. Một số TV cắt bớt hình ảnh và không hiển thị toàn bộ 704x576. Có khái niệm về vùng vô hình (không bao giờ hiển thị), vùng an toàn hành động (có thể hiển thị) và vùng an toàn tiêu đề (được đảm bảo hiển thị bởi tất cả TV).

Vùng an toàn trên màn hình TV

Cơ chế mã hóa Discret 11

Discret 11 không mã hóa ở cấp độ khung hình mà ở cấp độ dòng quét. Thực tế, nó thậm chí không mã hóa theo nghĩa đen, mà chỉ làm chậm một dòng bằng cách dịch chuyển nó sang phải và đệm phần bên trái bằng màu đen. Điều này được thực hiện bằng cách khai thác tính chất tương tự của tín hiệu: làm chậm dữ liệu dòng và thay thế nó bằng khoảng trống.

Vẻ đẹp của quy trình này là nó có thể đạt được bằng phần cứng tương tự giá rẻ mà không cần hệ thống số liệu đắt tiền.

Để quyết định dịch chuyển một dòng bao nhiêu, Discret 11 sử dụng một khóa bí mật 11 bit (do đó có tên gọi này). Khóa này được dùng làm hạt giống (seed) trong Thanh ghi dịch phản hồi tuyến tính (LFSR) — cùng kỹ thuật được dùng trong Wolfenstein 3D cho hiệu ứng Fizzlefade — để tạo ra một chuỗi số giả ngẫu nhiên.

Với mỗi dòng trong số 576 dòng, một số được lấy từ LFSR. Phép toán Modulo 3 sẽ đưa giá trị từ phạm vi 0-2047 về 0-2. Nó cho biết độ dịch chuyển (đệm) một dòng sang phải bao nhiêu (0, 13, hoặc 26 "pixel").

Đó là tất cả. Nó đơn giản nhưng cực kỳ hiệu quả.

Nếu các dòng bị dịch chuyển sang phải và đệm bên trái bằng màu đen, thì một số dữ liệu sẽ bị mất. Làm thế nào để hình ảnh được tái tạo hoàn hảo khi giải mã? Đó là nơi các vùng được đề cập ở trên được khai thác. Tín hiệu TV không sử dụng toàn bộ 576x704, nó được đệm bằng viền đen để nằm trong vùng tiêu đề. Do đó, những gì được chèn vào bên trái chính xác là những gì bị mất ở bên phải.

Mannix, nhà phát triển của Cryptimage, đã chia sẻ thêm cái nhìn sâu sắc về nội bộ của Discret 11.

Mã hóa âm thanh và thiết bị giải mã

Có lẽ vì việc bị bẻ khóa ít nghiêm trọng hơn, tín hiệu âm thanh nhận được sự chăm chút ít hơn nhiều so với video. Đây là một ví dụ về bảo mật thông qua sự mơ hồ.

Tín hiệu SECAM bình thường sử dụng điều chế FM trên sóng mang 6MHz. Discret 11 điều chế tín hiệu qua AM sử dụng sóng mang 12,8 kHz (với bộ lọc thấp để tránh hiện tượng aliasing). Ý tưởng là tách âm thanh thành hai dải tần quanh 12,8 kHz và chuyển dải tần cao xuống thấp và dải tần thấp lên cao.

Đây là một quy trình "phần cứng cứng" hoàn toàn có thể đảo ngược, không cần khóa, chỉ cần sự hiểu biết.

Với tín hiệu SECAM đã mã hóa phát ra từ tháp phát sóng, các kỹ sư của Canal+ phải tìm ra cách dễ dàng để người đăng ký tiêu thụ nó.

Giải pháp là cung cấp cho mọi người một thiết bị gọi là "decodeur" (bộ giải mã). Nhận tín hiệu mã hóa từ ăng-ten làm đầu vào, nó có đầu ra SCART để cắm vào TV. Để xem Canal+, khách hàng không chỉnh TV của họ sang kênh bốn mà sang đầu vào SCART.

Thiết bị giải mã decodeur

Quản lý khóa và sự trỗi dậy của nạn vi phạm bản quyền

Bây giờ đến vấn đề ngăn chặn mọi người gian lận. "Vấn đề lớn" là hệ thống "khóa bí mật". Nó chắc chắn sẽ bị rò rỉ, nên nó được thay đổi mỗi tháng. Người dùng phải nhập khóa mới thông qua một bàn phím trên đỉnh bộ "decodeur". Việc xoay khóa được quyết định trước bốn tháng và gửi qua thư.

Với khóa 11 bit, việc để mọi người nhập một số có bốn chữ số có vẻ hợp lý. Nhưng điều đó sẽ tạo ra hai điểm yếu: cho phép tấn công vét cạn (brute-force) và cho phép khách hàng hủy tư cách thành viên để sử dụng khóa của bạn bè.

Thay vào đó, quyết định được đưa ra là cung cấp các mã không phải bốn chữ số mà dài tám chữ số. Số này được đưa vào một con chip và băm (hash) cùng với số sê-ri của bộ giải mã, do đó tránh được cả tấn công vét cạn và tấn công chia sẻ khóa.

Mặc dù đơn giản và hiệu quả, Discret 11 không hoạt động lâu dài. Canal lên sóng vào ngày 4 tháng 11 năm 1984. Hai giờ sau, khi bộ phim mới nhất của Belmondo đang chiếu, người ta phát hiện ra rằng 2% TV không tương thích với hệ thống. Đó là 180.000 người dùng rất không hài lòng.

Vào tháng 12 năm 1984, tạp chí Radio Plans gần như đã in sơ đồ Discret 11 nhưng bị tòa án ngăn cản. Tuy nhiên, các bản vẽ vẫn bị rò rỉ và được sao chép rộng rãi. Cuối cùng, dưới cái danh nghĩa đáng ngờ là cho phép công dân Bỉ, Luxembourg và Monaco tiếp cận nội dung, tạp chí Le quotidien de Paris đã đăng các sơ đồ này.

Nạn vi phạm bản quyền trở nên hoành hành. Việc yêu cầu các chip trễ "TBA 970" trong các cửa hàng điện tử khiến nhân viên tình nguyện cung cấp danh sách đầy đủ các linh kiện cần thiết để xây dựng một "decodeur pirate" (bộ giải mã lậu). Hệ thống mã hóa được cập nhật sang mã hóa Nagravision vào năm 1992 và Discret 11 bị ngừng sử dụng vào năm 1995.

Những vấn đề này không ngăn kênh thứ tư trở nên cực kỳ thành công. Nó cuối cùng đã ra mắt CanalSatellite vào năm 1996 và trở thành một nhà phát sóng vệ tinh lớn ở Châu Âu.