基于TMS320C6416T的IP視頻電話(huà)加密引擎

摘 要： 采用DSP處理器TMS320C6416T,基于AES分組密碼算法和SPI總線(xiàn)實(shí)現IP視頻電話(huà)加密通信。設計了系統硬件結構，選擇了合理的加密算法和加密方式，提出了高效的通信機制和數據格式，分析了軟硬件設計關(guān)鍵環(huán)節。

　　當前，IP網(wǎng)絡(luò )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(luò )上傳輸語(yǔ)音、視頻提供了有力的前提條件。IP視頻電話(huà)越來(lái)越多地得到廣泛應用并將引領(lǐng)現代通信的潮流。但由于IP網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)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(huà)端到端的通信安全，必須對SIP信令和RTP音視頻數據進(jìn)行加密處理。

　　全球最大IP電話(huà)提供商Skype在其軟件中內嵌了加密系統，安全專(zhuān)家Phil Zimmermann提出了ZRTP密鑰協(xié)商協(xié)議并開(kāi)發(fā)了IP電話(huà)安全軟件Zfone，這些均采用軟件方式實(shí)現加密，當處理器性能較低時(shí)，這種方式必然會(huì )影響到通話(huà)質(zhì)量。為此本文設計了一種適合于IP視頻電話(huà)的高速硬件加密引擎。

　　IP視頻電話(huà)通信具有以下特點(diǎn)：

　　(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(zhì)量和算法而有不同）。

　　(2)實(shí)時(shí)性要求高。人的聽(tīng)覺(jué)對時(shí)延超過(guò)400 ms的語(yǔ)音信號比較敏感。

　　(3) SIP信令和RTP音視頻數據采用UDP方式傳輸，UDP協(xié)議是面向非連接的協(xié)議，數據包在網(wǎng)絡(luò )繁忙的情況下可能被丟棄。

　　針對這些特點(diǎn),設計加密引擎協(xié)助IP視頻電話(huà)終端完成各類(lèi)數據加密功能，密鑰協(xié)商和密鑰管理由IP視頻電話(huà)終端處理，兩者之間通過(guò)SPI總線(xiàn)通信。

　　1 硬件設計

　　1.1 處理器選擇

　　針對IP視頻電話(huà)通信的特點(diǎn)處理器可以選擇專(zhuān)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(guān)參數，需重新設計，因此本系統選用TI公司的DSP處理器TMS320C6416T。TMS320C6416T是基于VelociTI.2TM構架的32位定點(diǎn)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(cháng)指令字結構(VLIW),每個(gè)時(shí)鐘周期可以執行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、數據存儲能力大大縮短了實(shí)現各種算法的時(shí)間，迎合了IP視頻電話(huà)通信的實(shí)時(shí)性要求。它既可用于IP視頻電話(huà)終端加密，也可擴展用于其他大流量數據加密(如流媒體服務(wù)器)。在處理更改加密算法、系統參數和通信接口方面，相對于專(zhuān)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(mén)狗等。加密引擎和IP視頻電話(huà)終端通過(guò)SPI總線(xiàn)通信，硬件總體結構如圖1所示。

　　DSP作為系統的核心，在完成數據加解密運算的同時(shí)，還要與IP視頻電話(huà)終端實(shí)時(shí)通信，交互SIP信令、音視頻數據、種子密鑰及控制命令等。

　　SDRAM采用HY57V283220T(4 M×32 bit)，工作時(shí)鐘為133 MHz，用于數據存儲。Flash采用39VF800A(8 M×16 bit），存取速度為70 ns，100 000次可擦寫(xiě)，用于程序存儲和DSP上電自舉。電源為整個(gè)系統供電，看門(mén)狗用于監視系統的正常運行，JTAG接口用于DSP仿真調試。

　　IP視頻電話(huà)終端除了向加密引擎發(fā)送待處理數據和命令外，還需具備密鑰協(xié)商和管理、用戶(hù)權限控制、網(wǎng)絡(luò )傳輸等多種功能。在設計過(guò)程中，應重點(diǎn)注意以下問(wèn)題：

　　(1) DSP、SDRAM等芯片的功耗較大，需根據具體功耗參數設置合理的電源和地線(xiàn)的布線(xiàn)寬度，注意電路板在物理空間的散熱問(wèn)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，以提高系統的可靠性。

　　(2) DSP工作在1 GHz主頻下、SDRAM工作在133 MHz時(shí)鐘頻率下，布局布線(xiàn)時(shí)要充分考慮信號的完整性。在實(shí)際設計中采用合適的總線(xiàn)拓撲結構、合理的疊層結構，對高速數字信號線(xiàn)在仿真的基礎上加入適當的端接消除信號反射，以解決高速信號完整性問(wèn)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(huà)數據流量大，SIP信令和音視頻數據采用UDP方式傳輸，不可避免地存在數據丟包問(wèn)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，本系統采用AES分組密碼算法實(shí)現各種數據端到端加密。

　　AES算法作為迭代分組密碼算法其分組長(cháng)度和密鑰長(cháng)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(shù)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(cháng)為32×Nk(Nk=4、6、8)的比特流作為密鑰，每次對長(cháng)為32×Nb(Nb=4、6、8)比特的明文組進(jìn)行加密，得到的密文組長(cháng)為32×Nb比特，迭代輪數Nr=Max(Nb,Nk)+6。