網絡視頻流混沌加密系統的FPGA設計實現

佟吉鋼，張振新，陳增強，孫青林

(南開大學 信息技術科學學院，天津 300071)

隨著計算機網絡的普及，網絡視頻的使用隨處可見，視頻數據的安全也變得尤為重要.人們考慮將混沌系統引入其中，利用它的一些特性來提高數據安全，并取得了一些成果.文獻［1］針對混沌系統與網絡環境進行了充分分析，提出將混沌應用于網絡環境下的數據加密的基本要求及分析方法，為這一領域奠定了基礎;文獻［2-3］對多種混沌方程應用于加密的方案進行論證，得到肯定的結論.但文獻［1］中的混沌加密方法僅是針對圖象，文獻［2-3］的研究對象雖然是視頻，它們都采用單一方式進行加密.目前視頻加密方式主要采用諸如DES、AES、VEA等一般直接加密算法，算法的實現計算復雜度大，加密速度相對較慢［4］;或采用選擇性加密方法充分考慮視頻數據本身的特征及壓縮標準的要求，對編碼過程中產生的關鍵信息進行加密［5-6］;將加密與壓縮編碼相結合的方法，這種算法將加密和數據編碼方式相結合，加密速度快，數據格式不變，常見的有離散余弦變換(discrete cosine transform，DCT)系數加密算法、熵編碼過程加密算法等［7-9］.后2種加密算法的實現需要深入熟悉了解視頻編碼的原則方式.而上述這些加密算法進行驗證的實驗平臺多是利用計算機，網絡環境下的實時視頻加密考慮還相對較少.為此，從嵌入式系統靈活高效的特點考慮，設計基于FPGA的網絡視頻流混沌加密系統.

1 系統總體設計

設計基于FPGA的網絡視頻流混沌加密系統作為對稱加密系統，其網絡硬件拓撲結構分為:1)視頻加密部分:服務器將實時視頻流以數據包的形式發出，由FPGA開發板對數據實時進行各種方式加密處理，加密后的數據經路由器在網絡中傳輸.2)視頻解密部分:作為網絡中的視頻媒體接收端，將接收到的視頻加密數據經過FPGA開發板進行相應的實時解密后傳送給用戶PC機，由PC機將解密后的數據包還原為可以播放的視頻流進行實時播放.設計的具體視頻數據加密處理流程如圖1所示.由攝像頭捕獲實時視頻數據，視頻幀為符合H.263標準的QCIF格式(176×144，30幀/s)，出于一般實際考慮在服務器中先采用H.263編解碼器進行視頻壓縮處理，再由FPGA開發板對壓縮后的H.263編碼視頻流進行實時完全加密，加密后的視頻數據包發送到網絡上，并最終傳到用戶端;解密端的工作過程與其類似，流程相反.FPGA開發板在整個系統中的作用:1)對H.263編碼后的視頻流數據進行完全加密，實現基于Baker映射、Cat映射、Logistic映射和超混沌系統的和雙重加密在內的隨機加密算法選擇或對應的解密功能;2)采用雙網卡模式保證使用過程的方便、靈活.在加密端將服務器傳來的視頻數據以上述加密算法實時加密，獲得的數據經由以太網傳輸;在系統解密端其工作與之相反.為保證用戶使用透明，將原FPGA開發板擴展設計為雙網卡，雙網卡系統IP的使用設置與路由器的要求相同.

圖1 系統視頻加密流程Fig.1 The video encryption process of the system

2 系統硬件擴展設計及其配置

2.1 基于FPGA的系統設計

為方便用戶使用，使其只需修改自身IP地址即可實現網絡實時視頻數據的加密及解密工作，將系統設計成雙網卡.使用以SPARTAN-3E 1600E芯片(160×104系統門)為核心的FPGA開發板［10-11］，利用其FX2形式的擴展接口設計添加一個硬件網卡(如圖2所示).設計的網卡通過以太網接口和物理層接口芯片LAN83C185完成以太網物理層協議轉換.MAC子層IP核xps_ethernetlite完成數據鏈路層的工作，其上的TCP/IP及應用層的工作由植入FPGA開發板的 μCLinux操作系統完成，具體的硬件框圖及軟件系統結構如圖2、3所示.

圖2 FPGA開發板系統硬件結構Fig.2 The hardware structure of the system on FPGA development board

圖3 FPGA開發板系統結構圖Fig.3 The system structure based on FPGA development board

平臺使用的μCLinux系統，其所需內核及用戶程序的編譯均是在Linux環境下完成，因此在PC機中安裝VMWare Work Station并在其中安裝Red Hat Linux建立μCLinux交叉編譯環境.同時安裝Windows版本的EDK和ISE完成硬件設計及與下載和配置相關的工作.μCLinux移植包括硬件與軟件設計，硬件設計使用EDK9.2和ISE9.2完成［12］，軟件設計在虛擬機中的Linux環境完成.軟件是在Linux中安裝μCLinux的配置工具，使用不具有MMU(內存管理單元)的PetaLinux［13］，在Linux內注冊petalinx環境變量即可完成它的安裝.

2.2 μCLinux系統系統配置

在對uclinux內核進行裁剪與編譯之前安裝BSP(板級支持包)確保uclinux能夠根據目標板的硬件選擇相應驅動程序.具體安裝使用petalinux內部命令petalinux-copy-autoconfig來完成.對 uclinux內核進行設計時:在petalinux-dist目錄下執行make menuconfig命令進入內核編譯選項，對內核的配置主要包括:Vender/Product Selection子菜單包含了對目標板類型、處理器類型的配置;Kernel/Library/ Defaults Selection子菜單主要包含對內核、庫以及用戶程序的設置:對kernel的設置包括對文件系統設置、驅動程序的選擇、內核調試等功能的選擇等;對庫以及默認項的設置主要針對uclinux上層應用而言，主要包括:系統設置如網卡信息設置等.

在uclinux驅動目錄下的adapter.c文件實現Xilinx網卡驅動與Linux設備驅動的連接.編譯兩塊網卡時，需將adapter.c對庫的依賴性及一個網卡對應的文件做相應的改動.依據圖3中FPGA硬件選擇相應驅動程序，盡量去掉多余的內核選項以精減內核，最終編譯得到uclinux內核大小約為3.5M.

將內核文件下載到開發板，并利用ifconfig命令將2個網卡分配到不同網段，即可實現2個網卡在各自網段內的通信.實驗證明設計的雙網卡系統完全可以正常工作.設計完成的硬件實物如圖4所示.完成FPGA配置后的內部資源使用情況如表1所示.

圖4 FPGA開發板及擴展網卡Fig.4 Extended network card and FPGA development board

表1 SPARTAN-3E 1600E芯片內部資源使用統計Table 1 The statistics of resource used in SPARTAN-3E 1600E

3 系統通訊機制

3.1 系統程序概述

系統網絡通訊采用客戶端－服務器模型.實時視頻數據在網絡傳輸時需要很大帶寬，TCP協議雖然能提供穩定可靠的傳輸，但過多的控制數據包必然導致帶寬下降;UDP協議則以可靠性的代價換取了低帶寬占用的優點.因此采用基于UDP協議的CS模型并將視頻數據僅做普通數據流處理.系統運行采用linux下的select調用機制提高運行效率，系統調用的工作方式類似于中斷:當客戶端沒發出請求時，系統服務進程僅阻塞在某幾個文件描述符(在linux系統中socket也被視為一種文件描述符)上并等待其中某一個發生變化以激活此進程進行相應服務.實驗表明select調用方式，系統CPU占用率至多為1%～2%，而多線程方式則高達90%以上.

3.2 系統分包協議

分包協議是針對MTU(最大傳輸單元)問題所設置的:在petalinux嵌入式系統平臺中，當發送的數據包大于1 500時，系統便無法將數據包發出.而petalinux的TCP/IP棧卻缺少分片功能，致使其不能夠轉發長度大于1 500的數據包.為此本設計仿照分片協議開發了分包協議.其功能主要在服務器和客戶端實現:在服務器端，在發送一個大數據包前，按照如圖5所示的格式將數據包分為多個小于1 500的片:用major字段標識數據包ID，minor字段前4位標識各分片的順序，后4位標識分片總數.客戶端則根據major和minor字段將分片重組為原數據包.其后的type、Ks、Data段分別表示加密類型、本數據片密鑰及加密數據.

圖5 網絡數據包格式Fig.5 The data packet format in network

為解決網絡中的丟包問題，同時在客戶端建立一個可容納100個數據分片的存儲池，每次客戶端接收到一個數據分片時便依據此數據分片的major和minor段去檢索存儲池，以尋找匹配的分片，若找到則進行數據包重組并顯示.該數據存儲池設有一個當前指針，當新分片沒有找到匹配分片時便被放到當前指針位置，并將指針后移.當數據分片丟失到一定數量時，隨著當前指針的移動將丟失匹配的數據分片，其位置會被新的數據分片覆蓋.

分包協議的設計對用戶是透明的，降低了對嵌入式系統的客觀要求，有利于整體性能的提升.實驗證明:在分片協議設計實現之后，客戶端能夠通過FPGA開發板接收到視頻數據并正常播放.

4 混沌及超混沌系統

利用二維離散混沌系統對明文進行分組置換操作，經過多輪迭代產生置亂算法，實現圖像加密.在此考慮將Baker映射、Cat映射引入實時視頻加密系統［14］，因其置亂算法組合很多，造成密鑰分析的困難.Logistic映射是比較常見的混沌.四維超混沌系統比低維混沌系統具有更復雜的相空間，其運動軌道在2個或2個以上的方向上進行指數級發散，從安全性角度講，用超混沌離散時間序列設計算法不易被破譯，具有更復雜的系統特性，利用其實現視頻加密具有更高的安全性.

4.1 Cat映射

Cat映射［15］是一個二維可逆混沌映射，其動力學方程的一般形式為

其線性轉換矩陣行列式為1，所以Cat映射是一個保面積映射，即一一映射，可將單位矩陣內一點唯一的變換到另一點.a、b均為1時，2個李雅普諾夫指數為

Cat映射變換過程是先將單位方形進行拉伸，而后求模，使之重新折疊為單位方形.因其具有較好的混沌特性、折疊和拉伸特性，而被廣泛應用于圖像置亂和加密.

4.2 Baker映射

一般的Baker映射［16］離散化需將其進行離散處理.設正方形為N×N，用B(n1，…，nk)代表離散化的一般Baker映射，Ni=n1+…+ni，ni|N，i=1，…，k，且n1+…+nk=N.對于象素(r，s)有［17］

4.3 Logistic映射

Logistic映射是一維離散時間非線性動力系統，其形式為

式中:μ∈(0，4］為分支參數，xk+1∈(0，1).由于其本身的非線性特點使它能產生一系列偽隨機且極敏感依賴于映射的參量μ與初始值x0的動態軌跡.μ取值變化對迭代過程的影響，迭代結果及系統軌跡具體見文獻［17］.

4.4 超混沌映射

采用超混沌系統［19］比低維混沌系統具有更復雜相空間和系統特性，利用其實現視頻加密將具有更高的安全性，設計選用的超混沌方程為

該系統的軌跡具體見文獻［18］，當取a=35，b=3，c=12，d=7，γ=0.58時系統的正李雅普諾夫指數相對較大，分別為λ1=0.501 1，λ2=0.185 8，λ3=0，λ4=－26.101 0.李雅普諾夫指數越大，說明鄰近的2條軌跡分離的速度越快，折疊特性越復雜，從安全的角度看，用超混沌系統設計加密算法不易被破譯.系統初值為X0=(x01，x02，x03，x04).

5 視頻加密算法設計

由于所設計的系統為對稱加密系統，解密過程是加密的逆過程，在此僅討論系統的視頻加密過程.

5.1 基于Baker及Cat映射的加密算法設計

離散二維Baker映射和Cat映射目前被廣泛用于置亂加密，但幾乎所有現存的基于混沌的加密方案都是利用置亂方法來實現數字圖像或視頻的密鑰置亂.在此所提出的加密系統是利用二維Baker映射對編碼后H.263實時視頻流直接進行數據置亂.加密系統密鑰k由l、n1、n2、n3、n4構成，l代表數據置亂的迭代次數，利用密鑰代入到相應的混沌方程，將相應的數據塊在內存中做替換操作即可.如圖6所示，從編碼后的H.263視頻流中取出N×N字節數據，這里N取32.密碼分析者很容易猜出編碼后視頻流的頭結構，因此不改變H.263視頻流的前8個字節;迭代選定的數據(b1，b2，…，bNN)置亂操作次;將置亂后的數據(bp1，bp2，…，bpN×N)存到視頻數據流的原來位置，獲得加密后的H.263視頻流.

圖6 二維Baker映射加密方式Fig.6 2-D Baker map encryption

Baker映射和Cat映射加密方式具有一定相似性，因此對Cat映射的加密過程不做過多敘述.該加密方式是對除H.263的幀頭即其前8字節的所有視頻數據加密，但該算法為原址加密，無需太大的內存消耗，此時Baker映射和Cat映射加密的CPU負荷分別為45.3%、29.9%.表明針對數據置亂加密方式，完全可以進行實時視頻加密.

5.2 基于超混沌及Logistic映射的加密算法設計

由于超混沌方程具有復雜的相空間，選用它可以有效提高系統的安全性.其系統密鑰k，由初值狀態x0(x01，x02，x03，x04)構成.在實際的應用中，首先利用密鑰向混沌方程中迭代3 000次以使混沌系統進入到某一分岔，再迭代時便記下方程的值以生成一個混沌序列，并使用該序列與原視頻進行異或操作實現數據混淆.為保證較高的精度采用四階龍格庫塔階(Runge-Kutta)法求解超混沌方程計算獲得該方程離散時間序列.超混沌狀態(x1，x2，…，xN×N)將被離散化得到比特序列(c1，c2，…，cNN)以實現混淆操作，混淆操作(異或操作)具體方程為

混淆后的H.263視頻流與未改變的其他H.263視頻數據一起用做網絡視頻傳輸的輸入數據.Logistic映射的加密方式比較簡單，也是將離散化之后的比特序列與原視頻數據進行異或操作，在此不再贅述.

為利用系統對初值的敏感性提高安全性，本系統超混沌初值為保留小數點后14位，加上整數位，初值位數為15位.系統初值的高位數，可以很好的保證系統安全性，但大量迭代計算也對其實時性提出很高要求.為此采取折衷辦法:對所有數據分片采用統一密鑰.此外密鑰不通過網絡傳遞，而是在所有結點內系統初始時設為某個定值.這樣在系統初始化階段，利用已確定的密鑰在程序初始化階段便計算出所需要的混沌加密、解密序列并存放在內存中，實驗中其所耗內存僅為1.3 KB.當需要發送數據或有網絡數據到來時，便可采用查表方式直接獲得加密、解密序列.該方式極大降低了對系統CPU的要求，同時由于超混沌系統的固有特性也保證加密數據的安全性.采用此種方式，此時CPU負荷僅為1.3%.而采用Logistic映射計算較小，可在線加密，此時CPU負荷僅為0.5%.表明基于數據混淆原理的超混沌系統完全可用于實時視頻加密.當然出于安全性考慮也可將超混沌初值即系統密鑰設得更高.

5.3 雙重加密算法設計

Cat映射和Baker映射是基于數據置亂的加密原理而Logistic映射和超混沌方程是基于數據混淆的加密原理，當這2種加密方式同時作用于一段數據時并不會產生不兼容的問題.因此可采取雙重加密方式將上述4種加密算法兩兩結合使系統更復雜，傳輸的視頻數據更安全.具體采用Baker映射與超混沌或Logistic映射，Cat映射與超混沌或Logistic映射，4種雙重加密方式.這里以Baker映射和超混沌結合使用為例，說明其方法，如圖7所示，對H.263編碼后的視頻流依照5.1部分所提的程序進行置亂加密得到的數據，再依照5.2部分的流程繼續進行超混沌方式的二次加密處理，得到加密后的數據，同H.263視頻流前8個字節合并作為加密后的視頻流.其他3種聯合加密方式、思路與其大致相同.表2為系統加密時CPU負荷情況.

表2 雙重加密系統運行時CPU負荷統計Table 2 The statistics of CPU load

圖7 Baker映射與超混沌聯合加密Fig.7 The combination encryption with Baker mapand hyperchaos

5.4 雙重加密算法的隨機選擇

如圖5所示:其數據包的第3個字節為“type”字段，該字段用來標識本數據分片所采取的加密方式，第4個字節為該數據分片的特定密鑰Ks，其后Data段是傳輸的視頻加密數據.在服務器端隨機選擇不同的加密方式，在type段做了相應標識，并將本數據包使用的密鑰存放于Ks段.而在客戶端對接收到的數據包則依此進行相應的解密操作，即依據type段所標識的該數據包使用的加密方式，利用Ks段提供的密鑰進行相應解密.在加密過程中，系統對編碼后的H.263視頻流在4種雙重加密方式中隨機選擇，并將一個數據分片作為一個加密對象進行加密，視頻流中的每個數據分片可隨機選擇不同的加密方案和密鑰，不同的加密方案需要對應解密方法才可獲得正確的原始數據，有效提高了加密后的視頻數據的安全性.

6 系統安全性能測試

在局域網環境利用服務器、計算機和FPGA開發板搭建網絡實驗模擬平臺，進行試驗和相關測試.

6.1 密鑰空間分析

使用Baker映射和超混沌方程的雙重加密其系統的密鑰k由kB、kC(kB由Baker映射產生，kC由超混沌方程產生)組成，兩者互相獨立，因此其密鑰空間可以表示為

式中:kB由參數l和密鑰序列{n1，n2，n3，n4}組成，其密鑰空間kB(N)由整數N的因子排列成不同序列次數決定.計算N=32時，N×N空間下kB密鑰空間為4.7×107.kC由參數x0(x01，x02，x03，x04)構成，其空間為1014×1014×1014×1014使用Baker映射和超混沌雙重加密密鑰空間為4.7×1059＞2100≈1032.因此此種雙重加密方式完全可以保證有足夠的密鑰空間抵擋野蠻攻擊.其他3種雙重加密方式進行類似分析也得到同樣結論而這只是針對網絡中的一個數據包，一幀圖像由多個數據包構成，每個數據包均采用不同密鑰，因此其安全性得到有效保證.

6.2 密鑰敏感度測試

使用Baker映射和超混沌方程的雙重加密方式進行測試，設置二維Baker映射的兩組密鑰分別為

設置超混沌方程的2組密鑰分別為

KC1、KC2兩組密鑰僅x04的最后一位不同.

在加密程序中以Kb1、KC1為密鑰對圖像進行加密.在圖8中可見，在Baker映射與超混沌雙重加密方式下，只有二者密鑰都完全正確時才可正確解密視頻圖像，當某個密鑰有極微小差別時，并不能解密.

對表2中的其他組合方式雙重加密進行相應測試也得到同樣結論.結合密鑰空間分析與圖8密鑰敏感度測試結果表明:上述各種組合下的雙重加密與隨機加密算法可實現對網絡實時視頻正確加密解密.

圖8 網絡實驗實時視頻截圖Fig.8 The cut real time video of experiment in LAN

7 結束語

本文提出了一種基于FPGA的網絡視頻流混沌實時加密系統的設計實現方案.對網絡實時視頻流進行完全加密，實現了基于Cat映射、Baker映射、Logistic映射和超混沌在內的雙重加密、隨機選擇加密多種加密算法.網絡中的每個數據分片采用不同的加密方式和密鑰，并將其設計成一款方便實用的即插即用型硬件加密平臺.在局域網環境下，系統連續運行24 h，仍然穩定、沒有故障發生.實驗證明，該系統使用方便，加密效果理想，視頻播放流暢，具有很好的安全性和應用前景.

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