分析基于TMS320C6416T的IP視頻電話加密引擎
蔣華 賈永興 楊亞濤 楊建喜 2010/09/19
當前，IP網(wǎng)絡百兆甚至千兆的速率已經(jīng)成為可能，帶寬的提升為、在IP網(wǎng)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(xiàn)代通信的潮流。但由于IP網(wǎng)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(shù)據(jù)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(tǒng)，安全專家Phil Zimmermann提出了ZRTP密鑰協(xié)商協(xié)議并開發(fā)了IP電話安全軟件Zfone，這些均采用軟件方式實現(xiàn)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(shù)據(jù)采用UDP方式傳輸，UDP協(xié)議是面向非連接的協(xié)議，數(shù)據(jù)包在網(wǎng)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(xié)助IP視頻電話終端完成各類數(shù)據(jù)加密功能，密鑰協(xié)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(shù)，需重新設計，因此本系統(tǒng)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[1]。它采用超長指令字結構(VLIW),每個時鐘周期可以執(zhí)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(shù)據(jù)存儲能力大大縮短了實現(xiàn)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(shù)據(jù)加密(如流媒體服務器)。在處理更改加密算法、系統(tǒng)參數(shù)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(tǒng)的核心，在完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)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(tǒng)供電，看門狗用于監(jiān)視系統(tǒng)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(fā)送待處理數(shù)據(jù)和命令外，還需具備密鑰協(xié)商和管理、用戶權限控制、網(wǎng)絡傳輸?shù)榷喾N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(jù)具體功耗參數(shù)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(tǒng)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(shù)字信號線在仿真的基礎上加入適當?shù)亩私酉盘柗瓷�，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(shù)據(jù)流量大，SIP信令和音視頻數(shù)據(jù)采用UDP方式傳輸，不可避免地存在數(shù)據(jù)丟包問題，因而使用分組密碼算法較為合適�？紤]密碼算法的速度和安全性等因素，本系統(tǒng)采用AES分組密碼算法實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)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(shù)Nr=Max(Nb,Nk)+6。
AES算法有5種基本工作模式：ECB、CBC、OFB、CFB、CTR�？紤]到IP數(shù)據(jù)包丟失問題，如采用反饋模式需考慮數(shù)據(jù)同步問題，因而降低了數(shù)據(jù)處理效率。而ECB模式簡單易操作，不存在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都沒有固定的格式，攻擊者也難以通過統(tǒng)計特性分析密文，因而采用ECB模式是安全易行的。
2.1.2 數(shù)據(jù)加密方式
在IP網(wǎng)絡中，視頻和音頻數(shù)據(jù)是分類打包、分段傳輸?shù)模蚨鴮λ鼈兊募用芴幚硪残鑶为氝M行。目前針對視頻數(shù)據(jù)主要有選擇性加密和完全加密2種方式[4]。選擇性加密利用視頻數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構，對視頻流中的部分數(shù)據(jù)(如I幀)加密，這有利于減小系統(tǒng)開銷，但安全性較差。而完全加密不考慮視頻數(shù)據(jù)結構，加密所有視頻碼流，雖然系統(tǒng)開銷較大，但安全性較高。本系統(tǒng)對視頻、音頻數(shù)據(jù)、SIP信令均采用完全加密方式。
2.2 通信機制和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，將DSP的多通道緩沖串行口McBSP[2]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(fā)送數(shù)據(jù)會增加CPU的負擔。將增強型存儲器直接訪問EDMA[3]與McBSP結合使用，使得CPU加解密數(shù)據(jù)與EDMA數(shù)據(jù)接收或發(fā)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(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在指定映射的存儲器中，隨后EDMA通道搬運數(shù)據(jù)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(fā)送給IP視頻電話終端。為確保CPU數(shù)據(jù)處理和EDMA數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)。
2.2.2 數(shù)據(jù)格式
為了便于處理器之間的數(shù)據(jù)交互，定義通信數(shù)據(jù)格式如下：
數(shù)據(jù)頭標志：長度為2 B，表示一個數(shù)據(jù)包的起始。
數(shù)據(jù)類型：長度為2 B，定義0x0001為IP視頻電話終端發(fā)送的待加密數(shù)據(jù)，0x0010表示IP視頻電話終端發(fā)送的待解密數(shù)據(jù)，0x0100表示DSP回送給IP視頻電話終端的已加密數(shù)據(jù)，0x1000表示DSP回送給IP視頻電話終端的已解密數(shù)據(jù)，0x0101表示IP視頻電話終端發(fā)送的種子密鑰，0x1010表示其他控制數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)長度：長度為2 B，表示待處理數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)。以太網(wǎng)幀的最大長度是1 500 B，因此不能超過這個長度。
數(shù)據(jù)頭校驗和：長度為2 B，防止頭部因傳輸錯誤而執(zhí)行誤操作。
RTP數(shù)據(jù)載荷：小于1 500 B，表示加/解密數(shù)據(jù)、種子密鑰、控制數(shù)據(jù)等。
2.3 軟件設計要點
根據(jù)DSP系統(tǒng)架構，考慮AES算法和通信數(shù)據(jù)的特點,充分發(fā)揮DSP的數(shù)據(jù)處理能力是軟件設計的重點。
2.3.1 AES算法優(yōu)化設計
AES的輪函數(shù)由字節(jié)變換、行位移、列混合、密鑰加4個部件組成[5]。(1)字節(jié)變換是非線性變換，獨立地對狀態(tài)的每個字節(jié)進行變換，可用代換表（S盒）的方式實現(xiàn)；(2)行移位是將狀態(tài)陣列的各行進行循環(huán)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(xiàn);(4)密鑰加可以通過執(zhí)行一個32位“異或”運算來實現(xiàn)。通過算法優(yōu)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(huán)程序實現(xiàn)，循環(huán)是影響系統(tǒng)實時性的一個重要因素。軟件流水技術用于設置循環(huán)內指令的運行方式，使循環(huán)的多次迭代能夠并行執(zhí)行。程序應該考慮合理的循環(huán)迭代次數(shù)，以保證軟件流水能夠順利進行。將循環(huán)展開可以增加及并行執(zhí)行指令數(shù)，從而改進流水編排，提升循環(huán)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(wěn)定性；聯(lián)合使用-pm與-o3選項可進行程序級優(yōu)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(zhí)行速度[6]。測試表明，選擇C代碼優(yōu)化選項,可使AES算法的執(zhí)行速度提高近一倍。
系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)指令開銷的評估結果。
在該測試中,取Nb=Nk=4，Nr=10。經(jīng)過DataProcessing運算加密1 536字節(jié)數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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[5]在TMS320C54x DSP上實現(xiàn)了AES算法，表2給出兩種實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)、中斷處理等其他任務。
系統(tǒng)首次采用DSP TMS320C6416T處理器，合理的硬件設計確保了系統(tǒng)的可靠性，EDMA與McBSP相結合的通信機制提高了通信效率，優(yōu)化的軟件設計提升了加解密速率。本系統(tǒng)已成功應用于IP視頻電話保密通信，經(jīng)擴展設計，也可以應用于多媒體服務器，實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)加密。本方案對VOIP、視頻監(jiān)控、視頻會議等領域具有很高的參考價值。
電子技術應用
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