AES算法在PVR機頂盒中的應(yīng)用研究
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AES解密變換是加密變換的逆變換，它們結(jié)構(gòu)類似，只需將操作逆序進行。操作SubBytes，ShiftRows和Mixcolumns均需使用它們的逆操作InvSubBytes，InvShiftRows和InvMixcolumns代替，而操作AddRounkey的逆操作就是其本身。
解密變換的第一步只需進行AddRounkey，Inv-ShiftRows和InvSubBytes變換得到下一級輸入。最后一輪僅需AddRounkey即可得到明文，完成解密。中間的解密操作重復(fù)以下步驟：
(1)InvGetNewEncrypt：生成新的解密密鑰；
(2)AddRounkey：將該輪的密文同該輪的密鑰相異或；
(3)InvMixcolumns：逆列變換；
(4)InvShiftRows：逆行移位變換；
(5)InvSubBytes：逆S-盒變換。
AES算法是一個非對稱密碼體制，所以盡管解密算法與加密算法結(jié)構(gòu)相近，但是它的解密過程要比加密過程復(fù)雜和費時。主要原因在于InvMixcolumns變換中運算的固定多項式變?yōu)镃(x)=0Bx3+0Dx2+09x+0E。同樣將逆列變換改進為簡單的移位和異或操作。設(shè)1個字節(jié)為(b7b6b5b4b3b2b1b0)，則：
本文引用地址：http://www.104case.com/article/155672.htm
3 PVR功能介紹及內(nèi)容保護關(guān)鍵技術(shù)
具有PVR功能的機頂盒除具有收看數(shù)字電視等的基本功能外，還具有增強的手動錄放像功能、時移播放、智能錄像、邊看邊錄、畫中畫等新功能，是數(shù)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實現(xiàn)高清晰度數(shù)字電視解碼，其內(nèi)嵌的ATAPI接口實現(xiàn)了與SATA硬盤的無縫連接，為機頂盒實現(xiàn)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QAM解調(diào)后，以TS流的形式傳人STi7109，通過PID濾波器選出指定的一路節(jié)目。由于硬盤的讀寫速度較慢，在系統(tǒng)中開辟一個BUFFER來緩沖數(shù)據(jù)。當BUFFER中的數(shù)據(jù)達到門限時，將其所存的數(shù)據(jù)寫入硬盤。
記錄方式有2種：可以只使用1個TS緩存器，將緩存器中的數(shù)據(jù)存入硬盤，并反饋回STi7109，經(jīng)過解復(fù)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個不同的緩存器，一個存放將要存入硬盤的TS數(shù)據(jù)，一個存放即將被解碼的PES包。
PVR機頂盒將高清的節(jié)目流存儲在通用硬盤中，將錄制的能力賦予用戶，這就使得對節(jié)目的非法復(fù)制、傳播成為可能。由此，對于節(jié)目著作權(quán)的保護形成挑戰(zhàn)。而且節(jié)目是以數(shù)字格式被錄制于硬盤之上。而硬盤有可能并且很容易被拆下來，連接到通用PC機上，節(jié)目就很容易被復(fù)制并廣泛傳播，而且還保持原來的高清晰質(zhì)量。無疑，這將給提供商帶來巨大的經(jīng)濟損失。
本文所采用的方法是在TS緩存器和硬盤之間增加AES模塊。對即將存儲的節(jié)目流先進行AES加密再保存。相應(yīng)的，在播放存儲節(jié)目時，先對節(jié)目流進行解密，再送人下一級操作。
數(shù)字電視系統(tǒng)中視音頻數(shù)據(jù)流的比特傳輸率要比其他的數(shù)據(jù)類型高出許多，而且在傳輸時要求較高的實時性，對延時、抖動極其敏感。這意味著對視音頻數(shù)據(jù)進行加密時，應(yīng)該考慮加密算法的速度問題，以保證加解密所耗費的時間較少，滿足觀眾對所收看節(jié)目的同步性要求。為了平衡多方面的性能，并且考慮到實際系統(tǒng)的需要，這里選擇AES-128作為實際使用的算法。
在完成AES分組加／解密算法的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用到PVR機頂盒硬盤文件管理的加／解密模塊中，操作步驟如下：
(1)讀取待處理數(shù)據(jù)存放到大小為64 kB的TS緩存器1中；
(2)根據(jù)用戶操作對TS緩存器中的數(shù)據(jù)進行加密或解密；
(3)用密鑰擴展程序?qū)γ荑€加以擴展；
(4)從緩存器中取出16個字節(jié)作為中間變量STATE；
(5)對STATE中的數(shù)據(jù)進行加密／解密。并寫入緩存器2；
(6)如果讀取到TS緩存器1中最后一個數(shù)據(jù)，將緩存器2中的全部內(nèi)容存入硬盤并回到操作(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(jié)束，則關(guān)閉文件。
上述步驟實現(xiàn)對錄制視音頻數(shù)據(jù)流的加密／解密操作。
4 AES加密／解密算法在PVR機頂盒上的實驗仿真
本設(shè)計使用的是ST公司的Sti7109芯片，基于ST21嵌入式操作系統(tǒng)完成。下表是AES模塊分別在ST21和Windows XP兩個平臺下對視音頻數(shù)據(jù)流進行加／解密操作所使用的時間。
由上表可以求出在資源相對有限的嵌入式環(huán)境中，本設(shè)計的加密速率約為6.0 Mb／s，解密速率約為5.2 Mb／s。可以滿足視音頻數(shù)據(jù)流的應(yīng)用需求。
5 結(jié)語
AES高級數(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)加密算法，而且AES算法對內(nèi)存的要求低，很適合應(yīng)用于計算資源有限的領(lǐng)域，比如嵌入式產(chǎn)品和手持設(shè)備，具有很高的應(yīng)用潛力。
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