AES算法在PVR機頂盒中的應用研究

3 PVR功能介紹及內容保護關(guān)鍵技術(shù)

具有PVR功能的機頂盒除具有收看數字電視等的基本功能外，還具有增強的手動(dòng)錄放像功能、時(shí)移播放、智能錄像、邊看邊錄、畫(huà)中畫(huà)等新功能，是數字電視新的發(fā)展趨勢。

本文采用ST公司的單片信源解碼芯片STi7109實(shí)現高清晰度數字電視解碼，其內嵌的ATAPI接口實(shí)現了與SATA硬盤(pán)的無(wú)縫連接，為機頂盒實(shí)現PVR功能提供了條件。機頂盒PVR功能的原理框圖如圖2所示。信號下TUNER經(jīng)過(guò)QAM解調后，以TS流的形式傳人STi7109，通過(guò)PID濾波器選出指定的一路節目。由于硬盤(pán)的讀寫(xiě)速度較慢，在系統中開(kāi)辟一個(gè)BUFFER來(lái)緩沖數據。當BUFFER中的數據達到門(mén)限時(shí)，將其所存的數據寫(xiě)入硬盤(pán)。

記錄方式有2種：可以只使用1個(gè)TS緩存器，將緩存器中的數據存入硬盤(pán)，并反饋回STi7109，經(jīng)過(guò)解復用將其分解為音、視頻PES包，PES包即可以被送往音／視頻解碼器解碼；也可以使用2個(gè)不同的緩存器，一個(gè)存放將要存入硬盤(pán)的TS數據，一個(gè)存放即將被解碼的PES包。

PVR機頂盒將高清的節目流存儲在通用硬盤(pán)中，將錄制的能力賦予用戶(hù)，這就使得對節目的非法復制、傳播成為可能。由此，對于節目著(zhù)作權的保護形成挑戰。而且節目是以數字格式被錄制于硬盤(pán)之上。而硬盤(pán)有可能并且很容易被拆下來(lái)，連接到通用PC機上，節目就很容易被復制并廣泛傳播，而且還保持原來(lái)的高清晰質(zhì)量。無(wú)疑，這將給提供商帶來(lái)巨大的經(jīng)濟損失。

本文所采用的方法是在TS緩存器和硬盤(pán)之間增加AES模塊。對即將存儲的節目流先進(jìn)行AES加密再保存。相應的，在播放存儲節目時(shí)，先對節目流進(jìn)行解密，再送人下一級操作。

數字電視系統中視音頻數據流的比特傳輸率要比其他的數據類(lèi)型高出許多，而且在傳輸時(shí)要求較高的實(shí)時(shí)性，對延時(shí)、抖動(dòng)極其敏感。這意味著(zhù)對視音頻數據進(jìn)行加密時(shí)，應該考慮加密算法的速度問(wèn)題，以保證加解密所耗費的時(shí)間較少，滿(mǎn)足觀(guān)眾對所收看節目的同步性要求。為了平衡多方面的性能，并且考慮到實(shí)際系統的需要，這里選擇AES-128作為實(shí)際使用的算法。

在完成AES分組加／解密算法的基礎上，將其應用到PVR機頂盒硬盤(pán)文件管理的加／解密模塊中，操作步驟如下：

(1)讀取待處理數據存放到大小為64 kB的TS緩存器1中；

(2)根據用戶(hù)操作對TS緩存器中的數據進(jìn)行加密或解密；

(3)用密鑰擴展程序對密鑰加以擴展；

(4)從緩存器中取出16個(gè)字節作為中間變量STATE；

(5)對STATE中的數據進(jìn)行加密／解密。并寫(xiě)入緩存器2；

(6)如果讀取到TS緩存器1中最后一個(gè)數據，將緩存器2中的全部?jì)热荽嫒胗脖P(pán)并回到操作(1)，否則回到操作(4)；
(7)如果等待加／解密的TS流或文件已經(jīng)結束，則關(guān)閉文件。

上述步驟實(shí)現對錄制視音頻數據流的加密／解密操作。

4 AES加密／解密算法在PVR機頂盒上的實(shí)驗仿真

本設計使用的是ST公司的Sti7109芯片，基于ST21嵌入式操作系統完成。下表是AES模塊分別在ST21和Windows XP兩個(gè)平臺下對視音頻數據流進(jìn)行加／解密操作所使用的時(shí)間。

由上表可以求出在資源相對有限的嵌入式環(huán)境中，本設計的加密速率約為6.0 Mb／s，解密速率約為5.2 Mb／s?？梢詽M(mǎn)足視音頻數據流的應用需求。

5 結語(yǔ)

AES高級數據加密算法不管是從安全性、靈活性還是效率等方面都優(yōu)于傳統數據加密算法，而且AES算法對內存的要求低，很適合應用于計算資源有限的領(lǐng)域，比如嵌入式產(chǎn)品和手持設備，具有很高的應用潛力。