基于AES加密的无线音视频传输系统设计及应用

摘要

无线音视频传输在视频监控、搜救、视频会议、应急通信等领域发挥着重要的作用。同时，随着计算机无线网络的应用越来越广泛，无线网络安全也逐渐成为人们关注的话题。如何实现一种具有良好传输带宽、低延迟以及高安全性技术的无线音视频传输系统成为各方关注的课题。本文基于SOPC平台，设计了一款无线音视频加密传输系统，主要工作如下:
　　1、研究AES加密算法，针对无线音视频传输系统，设计了遵循AES标准的IP核。并围绕面积优化和多模式支持等设计目标实现了多项改进性设计:基于等价解密算法，研究一种加解密兼容、高利用率的数据通路;基于组合逻辑，优化Sbox面积;利用MixColumn/InvMixColumn分解因子，设计共享的数据通路;基于密钥扩展算法，实现了可配置且实时扩展的密钥生成模块;设计支持5种不同加密模式的加密数据通路;并添加了Avalon总线接口。实现了:(a)支持5种模式(ECB、CBC、CFB、OFB与CTR)的AES加密;(b)支持128、192、256bit长度的密钥;(c)支持Avalon总线接口，能完成配置以及突发读、写操作。
　　2、完成TS流编码、解码的硬件实现。针对无线数据丢失等情况造成的加密错误传递，设计添加了数据补齐功能。
　　3、完成无线音视频发送、接收系统SOPC仿真与原型验证。建立FPGA验证平台，完成SoC硬件集成与对应软件开发。在Cyclone V5CEFA9F23C7型号FPGA上完成无线音视频加密传输系统原型实现。测试结果能实现640×480@25帧/s无线音视频加密传输，达到预期目标。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 视频监控的发展与现状

1．2．1 视频监控系统发展

1．2．2 密码算法的发展

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文内容安排

第二章 无线音视频SOPC系统概述

2．1 SOPC技术概述

2．1．1 SOPC开发流程

2．1．2 SOPC处理器与总线

2．2 H．264编解码

2．2．1 H．264编码器原理

2．2．2 H．264解码器原理

2．3 无线音视频SOPC简介

2．4 本章小结

第三章 AES算法描述

3．1 符号和惯倒

3．2 AES结构

3．3 轮函数变换

3．3．1 S盒置换(SubBytes)

3．3．2 行循环移位(ShiftRows)

3．3．3 列混合运算(MixColumn)

3．3．4 轮密钥加(AddRoundKey)

3．3．5 密钥编排

3．3．6 AES解密及其等效解密

3．4 常见加密模式

3．5 本章小结

第四章 AES加解密的FPGA实现

4．1 AES总体结构模型

4．2 接口定义

4．3 寄存器描述

4．4 数据缓冲区

4．5 AES运算模块

4．6 AES功能模块以及重构实现

4．7 加解密数据通路

4．8 密钥扩展

4．8．1 密钥扩展方法

4．8．2 正向密钥扩展

4．9 小面积Sbox的实现

4．9．1 Sbox结构

4．9．2 求逆变换

4．9．3 GF(24)的运算

4．10 mixcolumn实现

4．11 设计结果

4．12 小结

第五章 TS编解码模块的设计

5．1 TS流结构

5．1．1 PES结构

5．2 TS流编码模块设计

5．2．1 寄存器指令子模块

5．2．2 读数据子模块

5．2．3 TS封装子模块

5．3 TS解码同步模块设计

5．3．1 TS解码模块结构

5．3．2 TS解码模块状态机

5．3．3 音视频数据流通路

5．3．4 数据丢失处理

5．4 本章小结

第六章 无线音视频AES加密系统仿真与验证

6．1 音视频编码系统的SOPC设计

6．1．1 音视频编码系统结构

6．1．2 音视频编码发射SOPC结构

6．1．3 无线音视频发射数据通道

6．1．4 无线音视频发射SOPC软件开发

6．2 音视频解码系统的SOPC设计

6．2．1 无线音视频解码系统结构

6．2．2 无线音视频解码接收SOPC结构

6．2．3 无线音视频接收数据通道

6．2．4 无线音视频接收SOPC软件开发

6．3 无线音视频系统SOPC仿真

6．3．1 AES模块仿真验证

6．3．2 TS编码模块仿真验证

6．3．3 TS解码模块仿真验证

6．3．4 带有AES解密功能TS解包仿真

6．4 无线音视频加密系统的FPGA验证

6．4．1 FPGA原型验证硬件平台

6．4．2 无线音视频系统FPGA验证

6．5 实验结果

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况