Apple FairPlay DRM及其工作原理

翻译、编辑：Alex
技术审校：刘姗
本文来自OTTVerse，作者为Krishna Rao Vijayanagar。

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Easy-Tech #020# —— Apple FairPlay

在本篇文章中，我们将了解Apple推出的FairPlay DRM解决方案（主要用于在iOS、tvOS和macOS设备上安全分发内容）。让我们一起来看下FairPlay DRM的重要构成、基本工作流和一些有趣的功能。

什么是Apple FairPlay？

FairPlay是Apple公司的DRM解决方案，它使用HLS协议安全地传输流媒体。iOS, tvOS和macOS原生支持FairPlay DRM。

Apple的FairPlay DRM向内容提供商提供技术和指导，包括：

1. 对内容编码
2. 安全地存储密钥和对应的密钥ID
3. 使用播放器端的技术，安全地与播放器交换密钥，以及请求DRM密钥、解密视频、解码以及显示内容。

在本篇文章中，我们将聚焦FairPlay DRM，以下是我们将要了解的内容。

1. FairPlay支持的算法
2. FairPlay的重要构成
3. FairPlay的工作原理

FairPlay DRM的重要构成

在深入了解FairPlay以前，让我们先看看在FairPlay DRM讨论中反复提到的主要模块。

1. HLS打包器

在加密视频之前，必须先使用HLS协议打包视频。HLS是Apple公司开发的流媒体协议，用于ABR转码技术，并且支持MPEG-TS（ts）或者分段mp4（fmp4）容器格式的文件存储。

2. 使用SAMPLE-AES和AES-128加密

在打包后，必须使用AES-128 CBC模式加密内容（CBC代表Cipher Block Chaining，即密文分组链接）。

CBC模式通过上一个分组加密输出影响当前分组。

• 使用初始化向量（Initialization Vector或IV），可以确保即使同一明文（输入）用同一密钥被独立加密数次，也能生成不同的密文（加密过程中的输出）。
• IV是随机的，这样可以阻止黑客通过观察密文，识别重复模式并获取密钥。

通过Apple FairPlay，你可以使用SAMPLE-AES或AES-128加密视频。

在我们了解SAMPLE-AES和AES-128的区别之前，请记住这两种技术都使用了AES-128（请阅读构建DRM系统的重要基石——EME、CDM、AES、CENC和密钥）加密，只是应用在视频上的方式不同。让我们看看它们是如何实现的。

2.1. SAMPLE-AES

在SAMPLE-AES技术中，你无需加密整个视频，只需使用AES-128的CBC模式加密音频数据包和视频帧的sample，这样一来，就可以节省加密和解密过程中的功耗（尤其在视频分辨率增加的情况下）。

比如，FairPlay协议规定，在H.264/AVC码流中，如果NAL单元类型是1或5，那么NAL就会被加密；其他情况则不会被加密。

为什么？因为单元类型为1和5的时候，NAL包含了非IDR和IDR帧信息。在视频编解码器的码流中，IDR帧代表了新的视频切片的开始。没有IDR帧，其他帧就无法被解码（直到下一个IDR或者I帧到达）。

这说明了SAMPLE-AES的目标是加密一小部分有价值的音视频内容，以节省处理资源和电池电量。

想要了解更多细节，请参考Apple的_MPEG-2 Stream Encryption Format for HTTP Live Streaming_规范：https://developer.apple.com/l...\_Sample\_Encryption/Intro/Intro.html#//apple\_ref/doc/uid/TP40012862-CH5-SW1

下面是m3u8播放清单中SAMPLE-AES的表示方式：

• EXT-X-KEY显示：SAMPLE-AES
• 后接内容密钥（Content Key）的URI
• IV（初始化向量）和密钥一起使用

#EXTM3U
#EXT-X-TARGETDURATION:10
#EXT-X-VERSION:3
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:0
#EXT-X-PLAYLIST-TYPE:VOD
#EXTINF:9.96,
#EXT-X-KEY:METHOD=SAMPLE-AES,URI="https://dummyurl/test.key",IV=0x73fbe3277bdf0bfc5217125bde4ca589
test_0.ts
#EXTINF:10,
test_1.ts
#EXTINF:10,

注意： 给不了解m3u8的朋友科普一下，m3u8用于HLS视频流，描述了可用码率-分辨率组合数量、视频切片数量、每个切片长度以及切片播放顺序、加密细节、广告插入点等。请查看

https://datatracker.ietf.org/... 了解更多细节。

2.2. AES-128

在AES-128技术中，切片（包括音频和视频）通过AES-128、CBC模式和PKCS7填充（Public-Key Cryptography Standards，公钥密码标准）完全加密。通过IV或者媒体序列号（代替IV），CBC在每个切片边界处重新启动。

下面是AES-128在m3u8文件中的表示方式：

• EXT-X-KEY显示：AES-128
• 后接内容密钥的URI
• IV（初始化向量）和密钥一起使用

#EXTM3U
#EXT-X-TARGETDURATION:10
#EXT-X-VERSION:3
#EXT-X-MEDIA-SEQUENCE:0
#EXT-X-PLAYLIST-TYPE:VOD
#EXTINF:9.96,
#EXT-X-KEY:METHOD=AES-128,URI="https://dummyurl/test.key",IV=0x73fbe3277bdf0bfc5217125bde4ca589
test_0.ts
#EXTINF:10,
test_1.ts
#EXTINF:10,

3. 客户端应用

客户端应用是指用来在Apple操作系统（比如iOS、tvOS和macOS）上播放视频的应用或者播放器。

• 它负责向许可证服务器发送请求信息以获取解密密钥。
• 内容服务提供商可以使用Apple的示例代码开发自己的FairPlay客户端应用或者使用由DRM解决方案供应商提供FairPlay SDK。

4. AVFoundation

AVFoundation的最佳定义来自Apple：

AVFoundation是一个全功能框架，用于处理iOS、macOS、watchOS和tvOS上基于时间的音视频媒体。通过AVFoundation，你可以轻松播放、创建和编辑QuickTime电影以及MPEG-4文件、播放HLS视频流并为你的App构建强大的媒体功能。

5. App Delegate

App Delegate是应用的根对象，充当应用程序的“控制器”。当其连接的对象达到某种状态或者发生某个事件时，App Delegate会获得通知。在FairPlay中，App Delegate负责播放器、AVFoundation框架和密钥服务器之间的协调和通信。

6. 密钥服务器和密钥安全模块

• 密钥服务器管理用于加密和解密FairPlay所保护内容的密钥。
• 密钥安全模块（Key Security Module，KSM）:

1. 接收和解密来自播放器的许可证请求。来自播放器的请求被称为SPC（Server Playback Context，服务器播放上下文）。
2. 将内容密钥（由密钥服务器返回）装入CKC（Content Key Context，内容密钥上下文）信息中，发送回给播放器。

• Apple允许你使用它们的示例参考代码实现自己的KSM
• Apple同时提供测试向量来测试KSM实现。你可以使用这些测试向量检查你的KSM实现是否能够：

1. 妥善处理到来的SPC信息，然后
2. 将其正确格式化并返回给播放器有效的CKC信息。

FairPlay DRM工作原理

让我们来看下Fairplay的重要组成部分如何相互交互，从而实现FairPlay加密内容的播放。

第1步： 用户打开内容提供商的App，然后按下“播放键”，开始观看某部电影。

第2步： 应用通知AVFoundation它需要播放视频，并向HLS视频流提供m3u8播放列表的详细信息。

第3步： AVFoundation下载并解析m3u8文件。

第4步： AVFoundation在m3u8中搜索#EXT-X-KEY，以检查视频是否被加密。如果内容已被加密，AVFoundation将向AVFoundation App Delegate请求内容密钥并解密内容。

第5步： 作为回应，App Delegate向AVFoundation框架请求生成SPC信息。

第6步： 收到来自AVFoundation的SPC后，App Delegate将其发送给密钥服务器。

• 密钥服务器中的KSM打开SPC
• 密钥服务器使用SPC中的信息查找内容密钥
• 发送内容密钥至KSM，KSM将其放入CKC（内容密钥上下文）中

第7步： KSM向AVFoundation App Delegate发送CKC。App Delegate将CKC推送至AVFoundation中。

第8步： AVFoundation使用CKC中的内容密钥解密、解码，然后向用户安全地播放内容。

以上就是FairPlay DRM的基本工作流程。接下来，我们一起来了解FairPlay中几个有趣的功能。

获取加密密钥的AVContentKeySession

AVContentKeySession是AVFoundation中处理解密密钥的工具，于WWDC 2017宣布推出。它提供了对内容密钥加载和生命周期的更多控制，目标是将密钥加载与媒体播放生命周期解耦。

为什么AVContentKeySession如此重要？

在基本的FairPlay工作流中，播放开始后才加载内容密钥。在用户体验方面，这意味着用户需要等待SPC-CKC工作流完成之后才开始播放视频。这种等待增加了“首屏延迟（Startup Delay）”和 “延迟（Latency）”，对终端用户很不友好。

然而，使用AVContentKeySession,，应用程序就可以在用户按下播放键之前请求内容密钥（被称为“密钥预加载”）。

通过预加载密钥，内容提供商可以减少首屏延迟（延迟）并提升用户体验。

视频租赁的双到期时间窗口

Apple FairPlay还拥有“双到期时间窗口（Dual Expiry Windows）”，这一功能可以和持久密钥（Persistent Key）结合使用实现离线播放。持久密钥是指密钥可以：

• 安全地存储在设备上。
• 在预定义时间段播放租赁内容，而无需联系许可证服务器（离线播放）。

在租赁商业模式中，需要这样定义两个到期窗口：

• 第一个窗口： 当用户租借电影时，电影可以在30天的时间窗口内观看（举例）。
• 第二个窗口： 用户一按下播放键，电影必须在48小时内观看。第二个时间窗口到期后，30天的时间窗口也会到期。

为了说明这种租赁模式，FairPlay推出了“双到期时间窗口”这一功能，其中：

• 来自许可证服务器中的第一个密钥确立了更长的租赁期（存储期）。
• 第二个密钥在用户开始播放视频时获得，它取代了第一个密钥（播放期）。当超过第二个密钥的过期窗口，用户就无法访问或者播放视频内容了。
• 假设用户在租赁电影后，从来没有观看过。在这种情况下，电影的第一个密钥成为系统上的唯一密钥，超过有效期后它会自动失效。

哪些平台支持FairPlay?

以下平台都支持FairPlay：

• 使用EME（加密媒体扩展，Encrypted Media Extensions）的Safari浏览器
• iOS设备
• Apple TV
• Airplay（Apple的无线内容传输协议）

结语

我希望本篇对FairPlay的介绍能够对你有帮助。Apple开发者网页（https://developer.apple.com/）上有大量信息（开发指南和示例代码等）可以帮助你实现FairPlay DRM。

我们很快就会再见，保重！

致谢：

本文已获得作者Krishna Rao Vijayanagar授权翻译和发布，特此感谢。

原文链接：

https://ottverse.com/apple-fairplay-drm-how-does-it-work/

延伸阅读：

构建DRM系统的重要基石——EME、CDM、AES、CENC和密钥

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