嵌入式平台下的有效的安全媒体传输系

嵌入式平台下的有效的安全媒体传输系统 王立峰 1 2 孟庆磊 3 肖晨 4 马建 2 杜耀刚 1 王文东 2 1 北京电子科技学院 北京 100070 中国 2 网络技术学院 北京邮电大学 北京 100876 中国 3 706 研究所 航天科工集团公司 北京 100854 中国二院 4 计算机科学与技术学院北航大学 北京 100083 中国 摘要 安全视频通信是一项艰巨的任务 尤其是对无线视频应用 一个高效的安 全平台上的多媒体嵌入式系统的设计 通过分析硬件结构和资源 有效的基于 DSP 的 H 264 AVC 编码是由高效的编码技术 实现视频系统的优化研究 为了 保护媒体信息的保密性和完整性 一种新的安全机制 提出包括用户识别身份 验证和感性的视频加密算法利用 H 264 中的熵编码特色为基础 实验结果表明 该硬件架构具有较高的性能 并实现了安全与追求效率更好的平衡 拟议的安 全机制可以实现高安全性和成本的低复杂度 并对压缩比和传输带宽的影响不 大 更重要的是 编码和加密在同一时间 数据处理性能可满足实时应用 关键字 H 264 AVC 标准 编码 优化 加密 识别认证 简介 随着流媒体技术和最新的视频压缩标准 H 264 AVC 标准 各服务网络媒体 正在被更广泛的领域使用 近几年 随着高速 低功耗的嵌入式处理器如数字 信号处理器 DSP FPGA 和 ARM 公司等 嵌入式实时数字视频应用日益增长的 需求已经被 1 2 提出 在同一时间 提高其安全性和速度 已成为流媒体 服务保障 在视频加密研究的最新趋势 已对主要基于 PC 平台压缩过程的联合 加密更多的关注 吴和郭是率先探索这个方向 他们提出要实施熵编码加密 在 4 给合并固定长度编码 联合体 和可变长编码 VLC 的码字加密是通 过使用置换码字和加密的代码在 MPEG 4 表的索引 在 5 使用了多个 Huffman 表对加密的多媒体的安全性问题进行分析 为了解决庞大的数据量和实时安全运行的内在问题 结合上述研究发现 高效的流媒体加密平台的设计成为一个紧迫课题 两个高级别内存基于 ARM 的 安全应用的优化方法 目前应用在移动电话 6 在 7 基于 FPGA 的协处理器 的体系结构被提出了 在 8 为了保护视频与最低开销 在一个紧耦合的加密 和压缩方案中 已提出了一个多核心嵌入式处理器 然而 大多数的嵌入式平 台只将每个任务分配到每个静态处理器中 缺乏灵活更新的能力 另一方面 他们不能充分利用最新的压缩标准 而与 D1 或高清晰度电视相比 只有低分辨 率的图片处理 考虑到安全性和效率 本文设计出了一个基于嵌入式平台的新的安全性的 流媒体系统 其中包括编码算法和安全机制的有效实施 本文的结构如下 第 二节是嵌入式媒体平台的设计 第三节是高效率的 DSP 为基础的编码描述 在 第四节中提出了新的安全机制 具有用户识别认证和加密算法快速永恒 最后 实验结果和结论分别在第五和第六节给出 基于嵌入式系统平台架构的安全媒体系统 在硬件框架如图所示 1 主要有捕获 显示模块 数据处理模块 控制模块 和输入 输出模块 它是基于 数字信号处理器 数字信号处理器 FPGAFPGA 和和 ARMARM 图图 1 硬件系统的多媒体框架硬件系统的多媒体框架 1 捕捉 显示模块 捕捉 显示模块由 A D D A FPGA 和 FIFO 组成的 它把模拟信号经 A D 转换成数字视频信号或把数字视频信号经 D A 转换成模拟信号 FPGA 可以捕捉 视频信号 并以给定的格式存储到 FIFO 中 数字信号处理器通过中断信号来与 EDMA 传输数据 格式转换包括视频分辨率和视频类型 如 4 2 2 YUV 转换为 4 2 0 YUV 格式 2 数据处理模块 数据处理模块包括数字信号处理器 DRAM 和闪存 所有的参考帧帧的重建 和中间结果需要被放入外层 128MByte DRAM 的临时缓冲区 TMS320C6455 数 字信号处理器 这是一个定点的 DSP 处理数字媒体设计 9 它有 1GHz 的频率 2MB 的内存和 8 个并行处理单元 这是该框架的核心和执行数据处理 数字信 号处理器可以读取的输入 输出模块的视频数据 流程与指定 H 264 编码和加密 算法 然后输出到网络 或显示它们 数据处理方案在第三节中会介绍 以及以高效的数字信号处理器为基础的 编码机制是通过分析硬件结构和资源来描述的 第四节呈现的是快速多媒体加 密算法 3 控制模块 基于 Linux 系统的基础上 基于 S3C2410 ARM920T 的核心是该框架的核心 和管理数据 通过 CS8900A LAN 控制 控制模块可以接收或发送 JTAG 端口的视 频数据和测试系统 外层的临时缓冲区有 DRAM 和闪存 可编程逻辑器件提供了 可选择的信号 以及数字物理噪声的 WNG 5 提供了随机信号芯片 还有帧处理子系统 协议处理子系统和管理子系统 帧处理子系统是整个 系统的核心 协议处理子系统负责媒体传输协议 管理子系统分为内容和设备管 理两类 目前 媒体系统可以支持 RTP RTCP 协议 控制信息 如用户 识别 身份验证 可以使用基于 TCP 的 RTCP 协议 实时视频流可以使用基于 UDP 的 RTP 协议 4 输入 输出模块 输入 输出模块由一个 256K 的 18 位双内存构成 数据处理模块可以缓存编 码 加密流进 RAM 和控制模块定期会从共享内存数据输出它们 通过控制模块中 断信号 数据处理模块可以从命令指令共享 RAM 并读取压缩流的和加密的数 据输入共享 RAM 实现的视频编码优化 对应的实时操作和平台的限制 优化实施一些重大问题进行讨论 1 在系统中 我们采用的 H 264 AVC 压缩视频数据编码标准 它是由 变换 量化 运动估计和补偿 可变长度码和速率控制组成 编码帧类型有三种 域内帧 I 远期预测帧 P 和双向预测帧 B 考虑到较高的拖延和更多的 空间 我们只实现 I 和 P 帧 2 由于芯片资源和算法的复杂性的限制 有效的算法和实现是实时应 用所必须的 a 算法优化 为了提高效率 并避免上述缺陷 我们采用改进的算法 从而是我们的研 究小组建议 快速运动估计 10 大钻石和小五角大楼搜索模式与快速亚像素运 动估计算法 11 质量可降低较少 且编码速度的增加 b 资源优化 通常 视频编码器以一帧作为的编码和发送单元 但是 DSP 处理器的内部 存储器是非常有限的 所以 DSP 处理器花费大量的时间在存储器的访问而并不 是数据处理 因此 以 GMBL 集团宏块线 为基础的双缓存方案 在本文中提 出了 每帧分为几个 GMBL 每 GMBL 独立编码的 如图所示 2 图 2 GMBL 平行结构 对于数据存储 所有的帧数据存储在外部存储器 GBML 数据存储在快速的 内部记忆体里 因此 DSP 不需要低速的外部存储器交换数据 因此它可以在 压缩追求效率方面得到提高 外部存储器和内部存储器的数据交换可能会花费大量的时间 还又严重的 影响性能 为了解决这个问题 芯片上的数据存储器被分为两部分 从而实现 双数据的缓冲区 GMBL C 代码级的优化 一般来讲 支出的 20 的程序代码输入法始终占总的执行时间的 80 通 过性能分析工具来检查耗时模块 主要优化方法包括以下部分 1 第一个优化步骤 在 DSP 平台上执行的是使用编译器选项 为了获 得更好的性能 执行的速度和代码大小的增加改善应权衡一下 2 使用内部函数来代替复杂的 C C 代码和打包的数据处理 最 大限度地提高数据通量 并展开循环来提高软件的管道 乘法和除法的更换则 通过逻辑的转变 这些运营商可以转化为高效的汇编代码 提高执行速度 3 用线性汇编重写的关键功能 编译器允许写作 而不考虑管道结构 或寄存器分配线性汇编代码 编译器分配寄存器 并使用循环优化 使高度并 行的组装变成线性汇编 安全机制 A 用户识别认证 动态密码是用于识别用户身份验证 登录过程中不确定性的认证信息可以 更改 以确保每一次降落过程的安全 在我们的认证过程中 重要的是要得到 随机序列 实现 MD5 算法 图 3 中的新用户识别身份验证改进过程如下 第一步 客户端请求与服务器创建窗口 1 第二步 服务器通过 WNG 5 数字化物理芯片将随机序列返回到客户端 第三步 MD5 算法可以在随机序列的基础上创建散列值 而用户名称将被 发送到服务器 第四步 服务器在验证散列值和用户名后 再返回成功值 否则将停止流 媒体的服务 第五步 客户端发送实时流媒体代码和加密技术的参数的要求 直到服务 结束 客户端接收实时视频流媒体 用户识别认证可以有效地保证传输过程的完整性和有效性 随机信号克服 函数和答案的潜在的非安全性 而且 MD5 算法是不可逆的 这两种方法结合可 以有效地防止非法客户端访问验证 图 3 用户识别认证架构 Create Socket1 创建窗口 1 Based MD 5 get new password 根据 MD5 获得新的密码 Create Socket2 创建窗口 2 Logout Socket2 注销窗口 2 Logout Socket1 注销窗口 1 really random signal 真正的随机信号 validation 验证 Code parameters and Encryption parameter 代码参数和加密参数 RTCP protocol RTCP 协议 Real time video stre