基于4G 网络的视频加密传输系统设计

吴晓庆，郑 骏

(中科芯集成电路有限公司南京分公司，南京 210000)

1 引言

现代信息技术快速发展，数据通讯技术和多媒体技术在人们的生活中已被广泛应用。当前处于信息大爆炸的时代，各类信息的传输已经可以突破时间和空间的界限，实时进行有效传输。随着移动通信技术的发展和网络直播的兴起，4G 移动网络[1-3]为视频数据的传输提供了更好的传输条件，设备通过4G 无线网络实现现场与远程服务器之间的实时连线，无距离限制，全高清传输。视频类应用[4-5]在国家的一些重要部门和企事业单位，以及对商业秘密和个人隐私有严格保护的特殊领域应用广泛，保证视频数据安全性成其关键。本文设计的传输设备不仅具备视频数据采集编码[6-7]传输功能，而且支持对视频数据、设备指令等所有通信数据进行软件加解密，防护设备及数据安全，最终通过4G 移动网络将加密数据实时发送至服务器。

2 系统方案设计

本方案基于海思3516A 平台进行设计，主要功能是利用HDMI、USB 接口，接收外部视频流输入，系统对视频流数据进行编码，再经过加密处理后，由设备通过4G 移动网络将加密压缩的视频流数据传送到指定服务端平台，系统框图如图1 所示。

3 软件模块设计

3.1 视频采集编码模块

视频采集支持2 种方式：一是HDMI 接口外接摄像机或DV 机；二是USB 接口外接USB 摄像头。

(1) HDMI 接口外接摄像机或DV 机，通过SIL9135A 模块检测到视频输入设备的分辨率，随后进行相应的VPSS 配置。通过SIL9135A 模块接收HDMI数据，再由HI3516A 进行硬编码，通过海思提供的HI_MPI_VENC_GetStream 接口获取已编码数据。采集编码流程见图2。

图1 基于4G 网络的视频加密传输设备系统框图

图2 通过HDMI 接口采集视频数据流程

(2)USB 接口外接USB 摄像头，通过V4L2 框架获取视频数据，数据格式为YUV422 或者YUV420，再进行H264 算法压缩编码。此时，视频设备是设备文件，一般在/dev/video0 下，可以对其进行打开、关闭以及读写操作。打开视频设备后，可以设置该视频设备的裁剪、缩放等属性，使用ioctl 函数来对设备的I/O通道进行管理。采集流程见图3。

图3 USB 摄像头采集流程

3.2 4G 模块

4G 模块选用华为ME909s-821 Mini PCIe 模块，支持中国联通4G、3G、2G，中国移动4G、3G、2G，中国电信4G，不支持中国电信3G、2G。此模块通过Mini PCI Express 接口规范与外部相连接，支持USB2.0 高速接口和ISO7816-3 标准的USIM 卡接口，模块上电后识别为USB 设备，驱动成功后会将USB 设备转为串口设备。插入SIM 卡，通过对串口设备进行写操作发送AT 指令，实现网络连接和信号质量查询等功能，网络连接成功后，通过TCP/IP 协议实现数据收发。4G 模块上电后，初始化以及连接网络的相关打印如图4 所示。

图4 4G 模块初始化打印

3.3 数据加密模块

加密模块采用国家密码管理局发布的SM4 分组密码算法，此算法是一种对称密码算法，主要用于实现对数据信息的加解密。SM4 算法[8]的明文、密钥和密文都是128 bit，加密算法和密钥扩展算法迭代轮数均为32 轮。SM4 加解密过程的算法相同，并且使用相同密钥，但是轮密钥的使用顺序相反。

SM4 算法使用128 位的加密密钥，首先将128 bit密钥按照32 bit 一组分为4 组，然后使用密钥扩展算法生成32 组32 bit 轮密钥，再把输入的128 bit 数据按照32 bit 一组分成4 组进行32 轮迭代加密运算，每一轮加密使用一个32 位的轮密钥。加密算法和密钥扩展算法均通过32 次循环的非线性迭代轮函数来实现。数据加密部分的核心是轮函数，将线性和非线性相结合。SM4 加密流程如图5 所示。

图5 SM4 加密流程

明文X和密文Y均为128 bit，RK0～RK32为32 组轮密钥，轮密钥RK 由密钥扩展算法产生。密钥扩展算法流程如图6 所示。

图6 密钥扩展算法流程

图6 中，MK 为加密密钥（128 bit），MK=(MK0,MK1,MK2,MK3)；FK 为系统参数（128 bit）,FK=(FK0,FK1,FK2,FK3)；CK 为固定参数（128 bit）, CK=(CK0,CK1,...,CK31)；轮密钥生成如下：

3.4 TCP/IP 传输模块

制定与服务端进行通讯的TCP/IP 传输协议[9]，具体协议内容如下。

客户端发送请求发送数据指令，报文内容如表1所示。

表1 客户端发送请求发送直播数据指令

长度单位为字节；报文头内容为0x43455443(CETC)；时间戳单位为毫秒；指令编号为0 时表示请求发送数据；密钥明文是由客户端生成的16 Byte 随机数；校验和为以上32 Byte 全部相加的和。

服务端应答是否允许发送数据，报文内容如表2所示。

表2 服务端应答是否允许发送直播数据

长度单位为字节；报文头内容为0x43455443(CETC)；时间戳单位为毫秒；指令编号为0 时表示回应发送数据请求；报文长度为4 Byte；报文内容为0 表示允许发送数据，为1 表示不允许发送数据；校验和为以上24 Byte 全部相加的和。

客户端发送加密数据，报文内容如表3 所示。

表3 客户端发送加密数据

长度单位为字节；报文头内容为0x43455443(CETC)；时间戳单位为毫秒；指令编号为1 表示发送视频数据；数据长度为加密数据长度。

将设备配置为客户端模式，通过socket 连接远端服务器。建立连接后，采集到数据时，通过TCP/IP 协议发起传输数据申请，待收到服务器允许发送回复后，开始发送加密视频数据。

4 分析与讨论

软件运行环境为海思3516A 平台。基于4G 网络的视频加密传输板卡如图7 所示，板卡CPU 为海思3516A 芯片，集成了4G 模块、USB 和HDMI 接口等。

图7 基于4G 网络的视频加密传输板卡

视频输入格式支持720P 和1080P，支持将视频数据编码为H264 格式。将DV 机通过HDMI 线连接到设备上，启动设备，连接4G 网络成功后，通过socket连接远端服务器，检测到HDMI 接入后，开始采集编码，将编码后的数据利用SM4 算法进行加密处理，同时向服务器发送请求发送数据指令，收到服务器允许发送数据的回应后，开始发送经过编码加密的视频数据。设备启动运行流程如图8 所示。

4G 模块插入联通卡，连接并获取到IP 后，通过输入ping www.baidu.com 命令验证网络是否连通，验证结果如图9 所示。

图9 中：①表示USB0（即4G 模块）IP 地址为10.158.101.137；②表示通过USB0 向www.baidu.com（IP 地址为112.80.248.76） 发送数据包，收到来自112.80.248.76 的6 个数据包，丢包率为0%，表示能访问www.baidu.com，即网络已通。

采集加密以及发送数据，采用单进程多线程的处理方式，图10 为发送数据线程中的打印。

图8 设备启动运行流程

图9 ping www.baidu.com 结果

图10 发送数据线程打印

图10 中：③表示视频源分辨率为1920×1080；④表示每帧数据处理所耗时间包含采集加密及发送，单位为毫秒，第1～30 帧总耗时为1044 ms，第31～60 帧总耗时为995 ms，帧率达到30 frame/s；⑤表示帧号，从1 开始，依次加1；⑥表示第1 帧为I 帧；⑦表示第2～30 帧为P 帧。

未加密数据与加密数据对比结果如图11 所示，左侧为采集到的已编码为H264 格式但未加密的数据，右侧为已加密数据，⑧表示未加密数据前16 Byte，⑨表示加密数据前16 Byte。

经比较，可以看出未加密数据与加密数据完全不一样，用相同的密钥可将加密数据进行解密。

图11 未加密数据与加密数据

5 结论

本文设计了一种基于4G 网络的视频加密传输软件，通过HDMI 或USB 接口外接设备采集视频数据，将数据通过SM4 加密算法进行加密保护，再通过4G网络发送至服务器。本设计方案中采集加密以及发送数据采用单进程多线程的处理方式，支持分辨率最大为1920×1080，采集传输帧率为30 frame/s，私有TCP/IP 协议以及SM4 加密算法确保了视频数据的安全性。