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當前，IP網絡百兆甚至千兆的速率已經成為可能，帶寬的提升為、在IP網絡上傳輸語音、視頻提供了有力的前提條件。IP視頻電話越來越多地得到廣泛應用并將引領現代通信的潮流。但由于IP網絡的開放性，敏感信息可能被輕易地竊取、篡改、非法復制和傳播，因此對IP視頻通信的保密性和可靠性提出了更高的要求。為了確保IP視頻電話端到端的通信安全，必須對SIP信令和RTP音視頻數據進行加密處理。 全球最大IP電話提供商Skype在其軟件中內嵌了加密系統，安全專家Phil Zimmermann提出了ZRTP密鑰協商協議并開發了IP電話安全軟件Zfone，這些均采用軟件方式實現加密，當處理器性能較低時，這種方式必然會影響到通話質量。為此本文設計了一種適合于IP視頻電話的高速硬件加密引擎。 IP視頻電話通信具有以下特點： (1) 占用帶寬大。目前常用音頻算法編碼速率約為10 Kb/s，視頻算法編碼速率約為1 Mb/s（視不同圖像質量和算法而有不同）。 (2)實時性要求高。人的聽覺對時延超過400 ms的語音信號比較敏感。 (3) SIP信令和RTP音視頻數據采用UDP方式傳輸，UDP協議是面向非連接的協議，數據包在網絡繁忙的情況下可能被丟棄。 針對這些特點,設計加密引擎協助IP視頻電話終端完成各類數據加密功能，密鑰協商和密鑰管理由IP視頻電話終端處理，兩者之間通過SPI總線通信。 1 硬件設計 1.1 處理器選擇 針對IP視頻電話通信的特點處理器可以選擇專用密碼算法芯片，但在使用上缺乏靈活性，如果需要更改密碼算法或者相關參數，需重新設計，因此本系統選用TI公司的DSP處理器TMS320C6416T。TMS320C6416T是基于VelociTI.2TM構架的32位定點高性能DSP處理器,主頻高達1GHz，處理能力可達8 000 MIPS。它采用超長指令字結構(VLIW),每個時鐘周期可以執行8條指令。TMS320C6416T內部集成大容量存儲器，采用兩級緩存結構，即一級緩存(L1)和二級緩存(L2)。 TMS320C6416T強大的計算、數據存儲能力大大縮短了實現各種算法的時間，迎合了IP視頻電話通信的實時性要求。它既可用于IP視頻電話終端加密，也可擴展用于其他大流量數據加密(如流媒體服務器)。在處理更改加密算法、系統參數和通信接口方面，相對于專用處理器，DSP更具靈活性和可擴展性。 1.2 硬件結構及注意事項 加密引擎以TMS320C6416T為核心，包括SDRAM、Flash、電源、JTAG接口、看門狗等。加密引擎和IP視頻電話終端通過SPI總線通信，硬件總體結構如圖1所示。 DSP作為系統的核心，在完成數據加解密運算的同時，還要與IP視頻電話終端實時通信，交互SIP信令、音視頻數據、種子密鑰及控制命令等。 SDRAM采用HY57V283220T(4 M×32 bit)，工作時鐘為133 MHz，用于數據存儲。Flash采用39VF800A(8 M×16 bit），存取速度為70 ns，100 000次可擦寫，用于程序存儲和DSP上電自舉。電源為整個系統供電，看門狗用于監視系統的正常運行，JTAG接口用于DSP仿真調試。 IP視頻電話終端除了向加密引擎發送待處理數據和命令外，還需具備密鑰協商和管理、用戶權限控制、網絡傳輸等多種功能。在設計過程中，應重點注意以下問題： (1) DSP、SDRAM等芯片的功耗較大，需根據具體功耗參數設置合理的電源和地線的布線寬度，注意電路板在物理空間的散熱問題；考慮DSP為BGA封裝，PCB應采用多層板設計（8層或更多層），設置單獨的電源層和地層，以提高系統的可靠性。 (2) DSP工作在1 GHz主頻下、SDRAM工作在133 MHz時鐘頻率下，布局布線時要充分考慮信號的完整性。在實際設計中采用合適的總線拓撲結構、合理的疊層結構，對高速數字信號線在仿真的基礎上加入適當的端接消除信號反射，以解決高速信號完整性問題。 2 軟件設計 2.1 算法選擇及加密方式 2.1.1 AES算法和工作模式 IP視頻電話數據流量大，SIP信令和音視頻數據采用UDP方式傳輸，不可避免地存在數據丟包問題，因而使用分組密碼算法較為合適。考慮密碼算法的速度和安全性等因素，本系統采用AES分組密碼算法實現各種數據端到端加密。 AES算法作為迭代分組密碼算法其分組長度和密鑰長度均可改變，在使用上更加靈活安全。論證表明，它能夠抵抗所有目前技術水平下的已知和潛在的密碼攻擊，是更加安全可靠的加密算法。AES使用長為32×Nk(Nk=4、6、8)的比特流作為密鑰，每次對長為32×Nb(Nb=4、6、8)比特的明文組進行加密，得到的密文組長為32×Nb比特，迭代輪數Nr=Max(Nb,Nk)+6。 AES算法有5種基本工作模式：ECB、CBC、OFB、CFB、CTR。考慮到IP數據包丟失問題，如采用反饋模式需考慮數據同步問題，因而降低了數據處理效率。而ECB模式簡單易操作，不存在數據丟失產生的通信同步問題SIP信令中的會話描述符SDP和音視頻數據都沒有固定的格式，攻擊者也難以通過統計特性分析密文，因而采用ECB模式是安全易行的。 2.1.2 數據加密方式 在IP網絡中，視頻和音頻數據是分類打包、分段傳輸的，因而對它們的加密處理也需單獨進行。目前針對視頻數據主要有選擇性加密和完全加密2種方式。選擇性加密利用視頻數據的數據結構，對視頻流中的部分數據(如I幀)加密，這有利于減小系統開銷，但安全性較差。而完全加密不考慮視頻數據結構，加密所有視頻碼流，雖然系統開銷較大，但安全性較高。本系統對視頻、音頻數據、SIP信令均采用完全加密方式。 2.2 通信機制和數據格式 2.2.1 通信機制 DSP和IP視頻電話終端通過SPI總線通信，SPI作為一種串行同步通信方式，通信速率可達到4 Mb/s或者更高，適合音視頻數據傳輸。在本系統中，將DSP的多通道緩沖串行口McBSP配置為SPI模式，IP視頻電話終端配置為主設備，DSP配置為從設備。 采用中斷方式接收或發送數據會增加CPU的負擔。將增強型存儲器直接訪問EDMA與McBSP結合使用，使得CPU加解密數據與EDMA數據接收或發送并行進行，將大大提高DSP的運行效率。具體流程為：(1)DSP通過McBSP接收待處理數據，將數據保存在指定映射的存儲器中，隨后EDMA通道搬運數據至片內L2緩存以供CPU提取并處理；(2)CPU加解密處理完成后，通過相反的路徑發送給IP視頻電話終端。為確保CPU數據處理和EDMA數據傳輸同步,在L2緩存開辟一對乒乓緩存(Ping-Pong Buffer)，分別用于接收和發送數據。 2.2.2 數據格式 為了便于處理器之間的數據交互，定義通信數據格式如下： 數據頭標志：長度為2 B，表示一個數據包的起始。 數據類型：長度為2 B，定義0x0001為IP視頻電話終端發送的待加密數據，0x0010表示IP視頻電話終端發送的待解密數據，0x0100表示DSP回送給IP視頻電話終端的已加密數據，0x1000表示DSP回送給IP視頻電話終端的已解密數據，0x0101表示IP視頻電話終端發送的種子密鑰，0x1010表示其他控制數據。 數據長度：長度為2 B，表示待處理數據的有效字節數。以太網幀的最大長度是1 500 B，因此不能超過這個長度。 數據頭校驗和：長度為2 B，防止頭部因傳輸錯誤而執行誤操作。 RTP數據載荷：小于1 500 B，表示加/解密數據、種子密鑰、控制數據等。 2.3 軟件設計要點 根據DSP系統架構，考慮AES算法和通信數據的特點,充分發揮DSP的數據處理能力是軟件設計的重點。 2.3.1 AES算法優化設計 AES的輪函數由字節變換、行位移、列混合、密鑰加4個部件組成。(1)字節變換是非線性變換，獨立地對狀態的每個字節進行變換，可用代換表（S盒）的方式實現；(2)行移位是將狀態陣列的各行進行循環移位；(3)列混合使用有限域上的矩陣乘法，可以用查表操作實現;(4)密鑰加可以通過執行一個32位“異或”運算來實現。通過算法優化，可將有限域矩陣乘法和S盒簡化為查表和“異或”兩種基本運算，并充分利用DSP處理器32位總線結構特點，大大降低了算法復雜度。 2.3.2 使用軟件流水技術 AES是迭代分組密碼，共Nr輪迭代，一般采用C循環程序實現，循環是影響系統實時性的一個重要因素。軟件流水技術用于設置循環內指令的運行方式，使循環的多次迭代能夠并行執行。程序應該考慮合理的循環迭代次數，以保證軟件流水能夠順利進行。將循環展開可以增加及并行執行指令數，從而改進流水編排，提升循環性能。同時應該正確使用pragma指示和-ms、-mh等編譯選項。 2.3.3 合理設置CCS編譯器選項 使用const關鍵字定義變量可提高代碼性能和穩定性；聯合使用-pm與-o3選項可進行程序級優化并有效地消除相關性；-mt選項有利于消除存儲器相關性；這些選項都能大大提升代碼的執行速度。測試表明，選擇C代碼優化選項,可使AES算法的執行速度提高近一倍。 系統關鍵代碼如下： void main() { //初始化CSL CSL_init(); //SPI配置 McBSP_config(&McBSPConfig); //乒乓方式EDMA配置 EDMA_config(hEDMAPing, &EDMAConfigRcv); EDMA_config(hEDMAPong, &EDMAConfigSnd); //密鑰擴展 KeyExpansion(CipherKey,ExpandedKey); while(1) { //EDMA傳輸完成后對數據加解密密處理 if（EDMAFlag） DataProcessing(); } } 3 測試結果 3.1 加密速率 表1是CCS軟件Profile對各函數指令開銷的評估結果。 在該測試中,取Nb=Nk=4，Nr=10。經過DataProcessing運算加密1 536字節數據，總指令開銷128600。取DSP速率8 000 MIPS，則運行時間為128 600/8 000=16.075 μs,加密運算速率為1 536×8/16.075=765.41 Mb/s。該數據吞吐量完全滿足了IP視頻電話的實時性要求。 3.2 效率對比 參考文獻在TMS320C54x DSP上實現了AES算法，表2給出兩種實現方式的對比。 兩種處理器的架構和處理速度是不同的，在軟件設計上會有不同的處理方法，若僅考慮DSP速率對算法速率的影響，本系統加密效率更高。另外，本測試僅考慮了AES加密算法代碼的指令開銷，實際中還要考慮DSP存取數據、中斷處理等其他任務。 系統首次采用DSP TMS320C6416T處理器，合理的硬件設計確保了系統的可靠性，EDMA與McBSP相結合的通信機制提高了通信效率，優化的軟件設計提升了加解密速率。本系統已成功應用于IP視頻電話保密通信，經擴展設計，也可以應用于多媒體服務器，實現多通道數據加密。本方案對VOIP、視頻監控、視頻會議等領域具有很高的參考價值。 |
