基于TMS320C6416T的IP视频电话加密引擎

2 软件设计

2.1 算法选择及加密方式

2.1.1 AES算法和工作模式

IP视频电话数据流量大，SIP信令和音视频数据采用UDP方式传输，不可避免地存在数据丢包问题，因而使用分组密码算法较为合适。考虑密码算法的速度和安全性等因素，本系统采用AES分组密码算法实现各种数据端到端加密。

AES算法作为迭代分组密码算法其分组长度和密钥长度均可改变，在使用上更加灵活安全。论证表明，它能够抵抗所有目前技术水平下的已知和潜在的密码攻击，是更加安全可靠的加密算法。AES使用长为32×Nk(Nk=4、6、8)的比特流作为密钥，每次对长为32×Nb(Nb=4、6、8)比特的明文组进行加密，得到的密文组长为32×Nb比特，迭代轮数Nr=Max(Nb,Nk)+6。

AES算法有5种基本工作模式：ECB、CBC、OFB、CFB、CTR。考虑到IP数据包丢失问题，如采用反馈模式需考虑数据同步问题，因而降低了数据处理效率。而ECB模式简单易操作，不存在数据丢失产生的通信同步问题SIP信令中的会话描述符SDP和音视频数据都没有固定的格式，攻击者也难以通过统计特性分析密文，因而采用ECB模式是安全易行的。

2.1.2 数据加密方式

在IP网络中，视频和音频数据是分类打包、分段传输的，因而对它们的加密处理也需单独进行。目前针对视频数据主要有选择性加密和完全加密2种方式[4]。选择性加密利用视频数据的数据结构，对视频流中的部分数据(如I帧)加密，这有利于减小系统开销，但安全性较差。而完全加密不考虑视频数据结构，加密所有视频码流，虽然系统开销较大，但安全性较高。本系统对视频、音频数据、SIP信令均采用完全加密方式。

2.2 通信机制和数据格式

2.2.1 通信机制

DSP和IP视频电话终端通过SPI总线通信，SPI作为一种串行同步通信方式，通信速率可达到4 Mb/s或者更高，适合音视频数据传输。在本系统中，将DSP的多通道缓冲串行口McBSP[2]配置为SPI模式，IP视频电话终端配置为主设备，DSP配置为从设备。

采用中断方式接收或发送数据会增加CPU的负担。将增强型存储器直接访问EDMA[3]与McBSP结合使用，使得CPU加解密数据与EDMA数据接收或发送并行进行，将大大提高DSP的运行效率。具体流程为：(1)DSP通过McBSP接收待处理数据，将数据保存在指定映射的存储器中，随后EDMA通道搬运数据至片内L2缓存以供CPU提取并处理；(2)CPU加解密处理完成后，通过相反的路径发送给IP视频电话终端。为确保CPU数据处理和EDMA数据传输同步,在L2缓存开辟一对乒乓缓存(Ping-Pong Buffer)，分别用于接收和发送数据。

2.2.2 数据格式

为了便于处理器之间的数据交互，定义通信数据格式如下：

数据头标志：长度为2 B，表示一个数据包的起始。

数据类型：长度为2 B，定义0x0001为IP视频电话终端发送的待加密数据，0x0010表示IP视频电话终端发送的待解密数据，0x0100表示DSP回送给IP视频电话终端的已加密数据，0x1000表示DSP回送给IP视频电话终端的已解密数据，0x0101表示IP视频电话终端发送的种子密钥，0x1010表示其他控制数据。

数据长度：长度为2 B，表示待处理数据的有效字节数。以太网帧的最大长度是1 500 B，因此不能超过这个长度。

数据头校验和：长度为2 B，防止头部因传输错误而执行误操作。

RTP数据载荷：小于1 500 B，表示加/解密数据、种子密钥、控制数据等。

2.3 软件设计要点

根据DSP系统架构，考虑AES算法和通信数据的特点,充分发挥DSP的数据处理能力是软件设计的重点。

2.3.1 AES算法优化设计

AES的轮函数由字节变换、行位移、列混合、密钥加4个部件组成[5]。(1)字节变换是非线性变换，独立地对状态的每个字节进行变换，可用代换表（S盒）的方式实现；(2)行移位是将状态阵列的各行进行循环移位；(3)列混合使用有限域上的矩阵乘法，可以用查表操作实现;(4)密钥加可以通过执行一个32位"异或"运算来实现。通过算法优化，可将有限域矩阵乘法和S盒简化为查表和"异或"两种基本运算，并充分利用DSP处理器32位总线结构特点，大大降低了算法复杂度。

2.3.2 使用软件流水技术

AES是迭代分组密码，共Nr轮迭代，一般采用C循环程序实现，循环是影响系统实时性的一个重要因素。软件流水技术用于设置循环内指令的运行方式，使循环的多次迭代能够并行执行。程序应该考虑合理的循环迭代次数，以保证软件流水能够顺利进行。将循环展开可以增加及并行执行指令数，从而改进流水编排，提升循环性能。同时应该正确使用pragma指示和-ms、-mh等编译选项。

2.3.3 合理设置CCS编译器选项

使用const关键字定义变量可提高代码性能和稳定性；联合使用-pm与-o3选项可进行程序级优化并有效地消除相关性；-mt选项有利于消除存储器相关性；这些选项都能大大提升代码的执行速度[6]。测试表明，选择C代码优化选项,可使AES算法的执行速度提高近一倍。

系统关键代码如下：

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);

//密钥扩展

KeyExpansion(CipherKey,ExpandedKey);

while(1)

{                //EDMA传输完成后对数据加解密密处理

if（EDMAFlag）

DataProcessing();

}

}

来源：维库开发网