實時高清多媒體監(jiān)控系統(tǒng)的安全實現(xiàn)

陳敏超，李麗斯，何 虎，麻軍平，許 杰

（清華大學 微電子學研究所，北京100084）

0 引 言

多媒體監(jiān)控系統(tǒng)涉及了商業(yè)秘密或者私人信息等，因此監(jiān)控系統(tǒng)中音視頻數(shù)據(jù)在傳輸中的保密性非常重要，需要對音視頻碼流進行加解密。

本文基于LILY DSP［2］處理器，添加了安全認證的專用指令，并對各類算法進行了軟件編碼加速，實現(xiàn)了AES128／192／256和 DES／3DES的加解密，SHA1和 MD5的認證以及RSA數(shù)字簽名算法。該款數(shù)字信號處理器采用了超長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，每個時鐘周期可以并行處理6條指令，指令集采用了單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）技術(shù)，具有矢量操作等特性，適用于各類安全認證算法。

該密碼處理芯片（EDSP）首次實現(xiàn)符合安全防范監(jiān)控數(shù)字音視頻編碼技術(shù)標準的可伸縮音視頻編碼（SVAC）碼流的安全認證處理，具有高吞吐率，算法靈活等特點。

1 系統(tǒng)中各個模塊結(jié)構(gòu)簡介

圖1所示為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。本系統(tǒng)中主處理器ARM負責系統(tǒng)的總體控制，音頻處理器（ADSP）／視頻處理器（VDSP）負責音視頻編解碼，密碼處理器（EDSP）負責音視頻碼流的加解密、認證和數(shù)字簽名。

1.1 密碼處理器（EDSP）的硬件介紹

密碼處理器（EDSP）是一款6發(fā)射超長指令字數(shù)字信號處理器，圖2為EDSP的結(jié)構(gòu)圖。EDSP分為六部分：指令獲取模塊，指令分發(fā)模塊，指令執(zhí)行模塊，通用寄存器堆，控制寄存器堆和中斷模塊。EDSP含有6個平行的功能單元XA／YA，XM／YM，XD／YD。XA／YA是算術(shù)邏輯運算單元；XM／YM是乘法單元；XD／YD是存儲器訪問和分支控制單元。EDSP采用了分簇的結(jié)構(gòu)，6個功能單元對稱的放在了X簇和Y簇。寄存器堆分為X，Y和G三組，X，Y寄存器分別由X簇和Y簇功能單元訪問，G寄存器為全局寄存器，可以由所有單元訪問。該處理器主要應用于多媒體監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)對音視頻數(shù)據(jù)流的加解密與認證，從而確保數(shù)據(jù)的安全性、完整性和可鑒別性。

1.2 DMA介紹

1.2.1 DMA控制器的設計介紹

DMA控制器接口遵循AMBA2.0總線規(guī)范［3］，能同時配置8個參數(shù)集（兩個通道參數(shù)集和6個鏈接參數(shù)集）；支持雙通道傳輸，每個通道支持多個方向的數(shù)據(jù)傳輸；單個參數(shù)集能支持二維的參數(shù)配置和不連續(xù)地址的數(shù)據(jù)傳輸；支持連接操作，連接是一個通道參數(shù)集可以連接到其它的6個鏈接參數(shù)集，實現(xiàn)不連續(xù)區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸；連接操作也可以應用于PING－PONG傳輸中不規(guī)則區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸；支持傳輸完成中斷、傳輸錯誤中斷以及參數(shù)集配置錯誤中斷。

1.2.2 DMA在系統(tǒng)中實現(xiàn)的功能

DMA控制器的工作主要受主處理器ARM和EDSP的控制。DMA受主處理器ARM控制時，完成EDSP程序的搬運；DMA受EDSP控制時，完成音視頻碼流搬運、AES算法表格載入、RSA密鑰的載入。

1.3 DMMU／PMMU介紹

DMMU是數(shù)據(jù)存儲管理單元，主要管理EDSP與各個模塊之間的接口，如圖3所示。EDSP與APB之間的接口主要是配置碼流的通道信息，SVAC參數(shù)集，加解密算法選擇，加解密分組模式，加解密分組長度r，認證算法選擇等；EDSP與DMA之間的接口信號主要是EDSP配置DMA參數(shù)集；EDSP與bitstuff模塊（偽包頭處理）之間的接口寄存器主要是配置bitstuff開關(guān)，bitstuff的原始數(shù)據(jù)長度，bitstuff完成后的數(shù)據(jù)長度等。

圖3 DMMU地址映射

PMMU是程序存儲器管理單元，主要管理程序存儲器與EDSP、DMA等之間的接口。

2 系統(tǒng)工作流程以及EDSP處理碼流介紹

2.1 總體介紹

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)包含64個通道（8個用于音頻加解密，56個用于視頻加解密）。每個通道有兩個BUFFER（PING BUFFER和PONG BUFFER），ADSP／VDSP對音視頻數(shù)據(jù)進行編碼，并且傳輸?shù)酵ǖ繠UFFER中。ARM負責總體控制，EDSP根據(jù)ARM配置信號完成相應通道的數(shù)據(jù)處理。如果有多個通道數(shù)據(jù)同時準備好時，EDSP通過查詢方式逐一對各個準備好的通道進行處理。每個通道中兩個BUFFER的數(shù)據(jù)，采用PING－PONG的方式進行處理。工作流程如下：

（1）系統(tǒng)初始化，ARM查詢EDSP，ADSP／VDSP是否準備好；

（2）ADSP／VDSP將音頻／視頻編碼數(shù)據(jù)寫入相應通道的PING BUFFER；

（3）EDSP配置DMA，DMA將需要EDSP處理的數(shù)據(jù)流從PING BUFFER傳入DRAM；

（4）DMA傳輸完成后，EDSP根據(jù)ARM配置信息選擇工作模式，處理傳入的碼流；

（5）EDSP處理完成后，配置DMA，將處理后的數(shù)據(jù)從DRAM傳到目的BUFFER，EDSP配置另一個DMA通道，將下一步要處理的碼流從PONG BUFFER傳入DRAM；

（6）等待PONG BUFFER碼流傳輸完成信號，然后繼續(xù)處理碼流，周而復始，直到所有的碼流處理完成。

2.2 密碼處理器（EDSP）實現(xiàn)的算法介紹以及工作模式

2.2.1 密碼處理器EDSP實現(xiàn)的主要加解密認證算法介紹

（1）加解密算法介紹以及硬件指令設計

1）DES／3DES［4］，DES是一種明文分組為64位、有效密鑰長度56位、輸出密文64位的，具有16輪迭代的分組對稱密碼算法。DES由初始置換、16輪迭代和逆置換組成。3DES是DES的多重加密算法。多重加密算法使用同一算法，在多重密鑰的作用下，多次加密同一個明文分組。該算法具有較高的安全性，算法的安全性依賴于密鑰，不依賴于算法，算法完全確定，易于理解。

2）AES（128／192／256）［5］，AES是一個迭代型密碼算法，加密輪數(shù)Nr依賴于密鑰的長度，密鑰長度為128位，則Nr＝10；密鑰長度為192位，則Nr＝12；密鑰長度為256位，則Nr＝14；

以上加解密算法主要是保證數(shù)據(jù)的保密性。對于上述算法，為了取得更好的性能，EDSP針對算法主要采取的方法是：①內(nèi)部設計了8個64位寄存器，DES／3DES每次的處理單元為64位，AES每次的處理單元為128位。設計的64位寄存器能存放一個DES／3DES的處理單元，寄存器對能存放一個AES的處理單元。②設計了針對算法的專用指令。針對DES，設計了專用指令DESIP實現(xiàn)初始置換，DESROUND實現(xiàn)輪變換，DESIIP實現(xiàn)逆置換；針對AES設計的專用指令有，查表指令AES＿SubByes、AES＿ISubByes、AES＿SubMix、AES＿ISubMix，分別實現(xiàn)字節(jié)代換，字節(jié)代換反演，字節(jié)代換加列混合，字節(jié)代換反演加列混合反演，用專用指令AES＿SHF、AES＿ISHF實現(xiàn)行移位和行移位反演。

通過設計專用指令，EDSP實現(xiàn)加解密的性能得到了提升，達到了項目中要求的指標。

（2）認證算法：EDSP實現(xiàn)的認證算法主要有 MD5／SHA－1［6］，MD5以512位的分組來處理輸入文本，輸出為128位的散列函數(shù)值；SHA－1是數(shù)字簽名中經(jīng)常使用的散列算法，能夠處理的最大數(shù)據(jù)長度為264位，輸出為160位散列函數(shù)值。認證算法SHA－1／MD5的輸出作為數(shù)字簽名算法的輸入，保證數(shù)據(jù)在傳輸中的完整性和可鑒別性。

（3）公鑰加密算法RSA［7］：EDSP實現(xiàn)了公鑰加密算法RSA，用于數(shù)字簽名。系統(tǒng)中實現(xiàn)的RSA算法密鑰長度支持1024位與2048位。該算法保證數(shù)據(jù)傳輸后的可鑒別性和不可偽造性。

2.2.2 EDSP主要的工作模式

EDSP在系統(tǒng)中主要完成數(shù)據(jù)的加解密、認證以及認證摘要的數(shù)字簽名，工作模式主要有：

（1）僅加密：加密的基本功能是實現(xiàn)音視頻的保密通信，保密通信模型如圖4（a）所示。EDSP實現(xiàn)的加解密主要有 DES，3DES，AES（128／192／256）。DES／3DES支持分組模式ECB／CBC／CFB／OFB，其中CFB，OFB分組長度r可以取8bits，16bits，32bits，64bits；AES支持分組模式 ECB／CBC／CFB／OFB／CTR［8］，其中 CFB，OFB 分組長度r可以取8bits，16bits，32bits，64bits，128bits。ECB模式是最簡單的模式，直接利用加密算法對明文分組進行加密，安全性較差，優(yōu)點是對于大量數(shù)據(jù)的加解密可以并行處理。CBC模式中，加密算法的輸入是當前的明文分組和上一次產(chǎn)生的密文分組的異或，輸出為密文分組。此模式引入了反饋，較ECB模式安全。CFB模式實現(xiàn)有較大的靈活性，引入分組長度參數(shù)r，可以用r指定分組長度。OFB模式中，產(chǎn)生一個密鑰流，可加密任意長度的數(shù)據(jù)，不需要數(shù)據(jù)填充。CTR模式具有隨機訪問性和高效性，適合用于對實時性和速度要求很高的場合。在僅加密的工作模式下，用戶之間只傳輸密文，不帶有摘要、簽名等數(shù)據(jù)，接收方接收到之后只需要將數(shù)據(jù)解密即可。該方法只實現(xiàn)了對消息明文加密保護，可以提供傳輸中的保密性，不能保證傳輸中數(shù)據(jù)的完整性和可鑒別性。

（2）僅認證：EDSP實現(xiàn)的認證和數(shù)字簽名算法主要有MD5，SHA－1，RSA。此種工作模式中不進行加密，因此，認證對象為明文。根據(jù)是否做數(shù)字簽名，認證方式分為兩種。第一，只有摘要，如圖4（b）所示。如果只驗證摘要信息，則摘要隨明文一起傳送到接收端。接收端將明文經(jīng)過SHA－1／MD5處理后生成新摘要，然后新摘要與隨明文一起發(fā)送的摘要對比，驗證數(shù)據(jù)的完整性。第二，摘要加簽名，如圖4（c）所示。如果數(shù)據(jù)既要做認證也要做簽名，則明文通過SHA－1／MD5生成摘要，摘要再用RSA（私鑰）生成簽名，然后將摘要去掉，將簽名數(shù)據(jù)隨明文一起發(fā)送。接收端收到數(shù)據(jù)包后，將明文經(jīng)過SHA－1／MD5處理后生成摘要，與簽名數(shù)據(jù)經(jīng)過RSA（公鑰）生成的摘要進行對比，驗證明文的完整性和簽名的有效性。此種方法不能提供保密性，適合于對消息提供完整性保護，而不要求保密性的場合。

（3）既加密又認證，明文經(jīng)過加解密，認證，數(shù)字簽名的流程如圖4（d）所示，此種方式中，認證的對象可以是明文，也可以是密文，其余的流程跟以上兩種流程相同。此流程保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的保密性，完整性和有效性，適合于對機密性，完整性均有要求的場合。

圖4是EDSP對碼流做加密，認證，數(shù)字簽名的流程，在實際的工作中可以選擇以上3種工作模式中的任意一種。

2.3 EDSP對兩種碼流數(shù)據(jù)的處理

該系統(tǒng)中編碼后的數(shù)據(jù)格式主要分為兩種：第一種為NONSVAC格式的數(shù)據(jù)碼流，如果需要加密，則所有編碼的輸出都是需要加密的數(shù)據(jù)。第二種為SVAC格式的數(shù)據(jù)碼流，此種格式的碼流由一個或者多個NAL UNIT組成。NAL UNIT的數(shù)據(jù)格式如圖5所示。SVAC格式的碼流中，會對分散的單個或者多個NAL UNIT進行加解密，因此需要包頭信息作為標志。一個NAL UNIT包括五部分信息，第一部分是NAL UNIT的起始碼；第二部分，指定了NAL UNIT中有效數(shù)據(jù)負載的長度，數(shù)據(jù)負載距離起始碼的偏移；第三部分，指定了NAL UNIT的類型，比如音頻編碼，視頻P［9－10］幀編碼，視頻B幀編碼，視頻I幀編碼等；第四部分為標志信息，有加密標識位，認證標志位，是否做過簽名，使用哪種加密算法，哪種認證算法等；第五部分為NAL UNIT的數(shù)據(jù)負載，即要加解密，認證的編碼數(shù)據(jù)。SVAC格式碼流由一個或多個具有NAL UNIT結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流構(gòu)成，每個NAL UNIT均帶有包頭，標志一個NAL UNIT的開始。但是EDSP將負載數(shù)據(jù)加密后可能會產(chǎn)生偽包頭。對于此問題，EDSP系統(tǒng)中加入了處理偽包頭的bitstuff模塊，需要把加密后碼流中的偽包頭進行破壞，保證每個NAL UNIT只有一個包頭。同時，在解密之前需要將處理過的偽包頭數(shù)據(jù)恢復，保證解密后數(shù)據(jù)的正確性。偽包頭的處理流程如圖6所示。

圖5 SVAC碼流數(shù)據(jù)格式

圖6 加解密中處理偽包頭流程

待加密的數(shù)據(jù)均是由音頻或者視頻解碼器提供。由于提供數(shù)據(jù)的格式不同，EDSP加密的流程也有不同。以下分別介紹兩種格式碼流的處理流程與方法：

（1）EDSP處理NONSVAC碼流：圖7右半部分為EDSP處理NONSVAC碼流的流程圖。NONSVAC碼流是不帶數(shù)據(jù)包頭的碼流，處理流程比較簡單。ARM通過APB接口配置加解密認證選擇的參數(shù)信息以及通道的選擇，EDSP讀取ARM的配置信息，選擇通道以及通道內(nèi)的BUFFER，選擇EDSP工作模式（僅加解密，僅認證，既加解密又認證），選擇加解密算法（DES，3DES，AES），分組模式以及分組參數(shù)r，認證算法（MD5／SHA－1）等。EDSP會讀取通道BUFFER上的所有碼流，并且處理所有讀入的數(shù)據(jù)，然后存儲到目的BUFFER中。此過程中碼流沒有包頭信息，因此EDSP不需要分析包頭信息，也不需要打開bitstuff模塊。

如果NONSVAC格式碼流不需要進行加解密，則數(shù)據(jù)直接被傳輸?shù)捷敵鯞UFFER中。

圖7 EDSP對兩種格式碼流的處理流程

（2）EDSP處理SVAC碼流：圖7左部分為EDSP處理SVAC碼流的流程圖。SVAC碼流包括包頭信息。EDSP在處理SVAC碼流時較復雜。EDSP的加解密方式類似于NONSVAC，不同的是EDSP在完成加解密時，需要根據(jù)情況打開bitstuff模塊，并且能修改bitstuff前后的數(shù)據(jù)長度。在完成加解密，認證操作后，應將對應的標志位（加密標志位，認證標志位等）置1或者清0。如果整個SVAC碼流均無需加密與認證，則不需要打開bitstuff模塊。

對于SVAC音頻／視頻編碼進行認證和簽名分為兩步，如圖8所示：首先是對每個NAL UNIT進行認證，把生成的摘要數(shù)據(jù)進行緩存；第二步把連續(xù)的多個摘要再進行一次認證，生成二次摘要。對二次摘要進行數(shù)字簽名，生成簽名數(shù)據(jù)。

3 EDSP處理碼流的性能

3.1 EDSP做加解密時的性能

表1是DSP做加密／解密的性能數(shù)據(jù)。分組模式為ECB／CBC／CTR時，周期數(shù)指AES處理128bits數(shù)據(jù)，或者DES／3DES處理64bits數(shù)據(jù)需要的周期數(shù)。分組模式采用CFB／OFB時的加密性能數(shù)據(jù)，周期數(shù)是指算法每次處理r bits數(shù)據(jù)需要的時鐘周期。DES／3DES時r≤64；AES時r≤128。

圖8 SVAC格式音視頻數(shù)據(jù)認證方式

表1 EDSP 做加解密的性能

EDSP做認證時的性能見表2。

表2 EDSP做認證時的性能

DSP通過調(diào)度流程做加解密與認證，當處理NAL UNIT大于10K的碼流時，性能最大損失5%。假設有一幀10Mbit的高清圖像，采用3DES的CBC模式加密，并且采用MD5進行認證。處理結(jié)果發(fā)送到接收端，再進行解密，延時一共為83ms，滿足實時監(jiān)控系統(tǒng)的需求。采用其它加密算法和認證算法組合，延時均小于83ms。CFB／OFB分組模式除外，這兩種分組模式不符合實時性要求，在大吞吐量加解密時，不采用這兩種分組模式。

3.2 面積綜合結(jié)果

EDSP系統(tǒng)的硬件設計在TSMC 55nm工藝下綜合，EDSP的面積為305.1Kgates，DMA面積為9.98Kgates，DMMU面積為95.5Kgates，PMMU面積為1.92Kgates。

4 結(jié)束語

該款密碼芯片處理器（EDSP）首次實現(xiàn)了可伸縮音視頻編碼（SVAC）碼流的安全認證處理，包含AES128／192／256和DES／3DES的加解密，SHA1和 MD5的認證以及RSA數(shù)字簽名等算法，并通過軟件和FPGA對數(shù)據(jù)安全認證進行了大量的評估驗證，實際測試結(jié)果表明，該DSP滿足了監(jiān)控系統(tǒng)安全認證的實時性、正確性、安全性等要求。在這基礎(chǔ)上，希望可以進一步優(yōu)化各種安全算法，提高性能，降低功耗，減小面積。

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