基于TMS320C6416T的IP视频电话加密引擎
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2020-10-25
23:16:42
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基于基于TMS320C6416T的的IP视频电话加密引擎视频电话加密引擎
采用DSP处理器TMS320C6416T,基于AES分组密码算法和SPI总线实现IP视频电话加密通信。设计了系统硬件
结构，选择了合理的加密算法和加密方式，提出了高效的通信机制和数据格式，分析了软硬件设计关键环节。
当前，IP网络百兆甚至千兆的速率已经成为可能，带宽的提升为、在IP网络上传输语音、视频提供了有力的前提条件。
全球最大IP电话提供商Skype在其软件中内嵌了加密系统，安全专家Phil Zimmermann提出了ZRTP密钥协商协议并开发了
IP电话安全软件Zfone，这些均采用软件方式实现加密，当处理器性能较低时，这种方式必然会影响到通话质量。为此本文设
计了一种适合于IP视频电话的高速硬件加密引擎。
IP视频电话通信具有以下特点：
(1) 占用带宽大。目前常用音频算法编码速率约为10 Kb/s，视频算法编码速率约为1 Mb/s（视不同图像质量和算法而有不
同）。
(2)实时性要求高。人的听觉对时延超过400 ms的语音信号比较敏感。
(3) SIP信令和RTP音视频数据采用UDP方式传输，UDP协议是面向非连接的协议，数据包在网络繁忙的情况下可能被丢
弃。
针对这些特点,设计加密引擎协助IP视频电话终端完成各类数据加密功能，密钥协商和密钥管理由IP视频电话终端处理，两
者之间通过
1 硬件设计硬件设计
1.1 处理器选择处理器选择
针对IP视频电话通信的特点处理器可以选择专用密码算法芯片，但在使用上缺乏灵活性，如果需要更改密码算法或者相关参
数，需重新设计，因此本系统选用TI公司的
TMS320C6416T强大的计算、数据存储能力大大缩短了实现各种算法的时间，迎合了IP视频电话通信的实时性要求。它既
可用于IP视频电话终端加密，也可扩展用于其他大流量数据加密(如流媒体服务器)。在处理更改加密算法、系统参数和通信接
口方面，相对于专用处理器，DSP更具灵活性和可扩展性。
1.2 硬件结构及注意事项硬件结构及注意事项
加密引擎以TMS320C6416T为核心，包括SDRAM、Flash、电源、JTAG接口、看门狗等。加密引擎和IP视频电话终端通过
SPI总线通信，硬件总体结构如图1所示。
DSP作为系统的核心，在完成数据加解密运算的同时，还要与IP视频电话终端实时通信，交互SIP信令、音视频数据、种子
密钥及控制命令等。
SDRAM采用HY57V283220T(4 M×32 bit)，工作时钟为133 MHz，用于数据存储。Flash采用39VF800A(8
M×16 bit），存取速度为70 ns，100 000次可擦写，用于程序存储和DSP上电自举。电源为整个系统供电，看门狗用于
监视系统的正常运行，JTAG接口用于DSP仿真调试。
IP视频电话终端除了向加密引擎发送待处理数据和命令外，还需具备密钥协商和管理、用户权限控制、网络传输等多种功
能。在设计过程中，应重点注意以下问题：
(1) DSP、SDRAM等芯片的功耗较大，需根据具体功耗参数设置合理的电源和地线的布线宽度，注意电路板在物理空间的
散热问题；考虑DSP为BGA封装，PCB应采用多层板设计（8层或更多层），设置单独的电源层和地层，以提高系统的可靠
性。
(2) DSP工作在1 GHz主频下、SDRAM工作在133 MHz时钟频率下，布局布线时要充分考虑信号的完整性。在实际设计中采
用合适的总线拓扑结构、合理的叠层结构，对高速数字信号线在仿真的基础上加入适当的端接消除信号反射，以解决高速信号
完整性问题。
2 软件设计软件设计
2.1 算法选择及加密方式算法选择及加密方式
2.1.1
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。
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