基于TMS320C6416T的IP視頻電話加密引擎

　　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(chǎn)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(luò)中，視頻和音頻數(shù)據(jù)是分類打包、分段傳輸?shù)?，因而對它們?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/加密">加密處理也需單獨進(jìn)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(jié)構(gòu)，對視頻流中的部分?jǐn)?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(jié)構(gòu)，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(jī)制和數(shù)據(jù)格式

　　2.2.1 通信機(jī)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(dá)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(shè)備，DSP配置為從設(shè)備。

　　采用中斷方式接收或發(fā)送數(shù)據(jù)會增加CPU的負(fù)擔(dān)。將增強(qiáng)型存儲器直接訪問EDMA[3]與McBSP結(jié)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(jìn)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(nèi)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(biāo)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(shè)計要點

　　根據(jù)DSP系統(tǒng)架構(gòu)，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(shè)計的重點。

　　2.3.1 AES算法優(yōu)化設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)特點，大大降低了算法復(fù)雜度。

　　2.3.2 使用軟件流水技術(shù)

　　AES是迭代分組密碼，共Nr輪迭代，一般采用C循環(huán)程序?qū)崿F(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(shù)用于設(shè)置循環(huán)內(nèi)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(yīng)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(jìn)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(jìn)流水編排，提升循環(huán)性能。同時應(yīng)該正確使用pragma指示和-ms、-mh等編譯選項。

　　2.3.3 合理設(shè)置CCS編譯器選項

　　使用const關(guān)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(jìn)行程序級優(yōu)化并有效地消除相關(guān)性；-mt選項有利于消除存儲器相關(guān)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(guān)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(kuò)展