AES算法在PVR机顶盒中的应用研究

3 PVR功能介绍及内容保护关键技术

具有PVR功能的机顶盒除具有收看数字电视等的基本功能外，还具有增强的手动录放像功能、时移播放、智能录像、边看边录、画中画等新功能，是数字电视新的发展趋势。

本文采用ST公司的单片信源解码芯片STi7109实现高清晰度数字电视解码，其内嵌的ATAPI接口实现了与SATA硬盘的无缝连接，为机顶盒实现PVR功能提供了条件。机顶盒PVR功能的原理框图如图2所示。信号下TUNER经过QAM解调后，以TS流的形式传人STi7109，通过PID滤波器选出指定的一路节目。由于硬盘的读写速度较慢，在系统中开辟一个BUFFER来缓冲数据。当BUFFER中的数据达到门限时，将其所存的数据写入硬盘。

记录方式有2种：可以只使用1个TS缓存器，将缓存器中的数据存入硬盘，并反馈回STi7109，经过解复用将其分解为音、视频PES包，PES包即可以被送往音／视频解码器解码；也可以使用2个不同的缓存器，一个存放将要存入硬盘的TS数据，一个存放即将被解码的PES包。

PVR机顶盒将高清的节目流存储在通用硬盘中，将录制的能力赋予用户，这就使得对节目的非法复制、传播成为可能。由此，对于节目著作权的保护形成挑战。而且节目是以数字格式被录制于硬盘之上。而硬盘有可能并且很容易被拆下来，连接到通用PC机上，节目就很容易被复制并广泛传播，而且还保持原来的高清晰质量。无疑，这将给提供商带来巨大的经济损失。

本文所采用的方法是在TS缓存器和硬盘之间增加AES模块。对即将存储的节目流先进行AES加密再保存。相应的，在播放存储节目时，先对节目流进行解密，再送人下一级操作。

数字电视系统中视音频数据流的比特传输率要比其他的数据类型高出许多，而且在传输时要求较高的实时性，对延时、抖动极其敏感。这意味着对视音频数据进行加密时，应该考虑加密算法的速度问题，以保证加解密所耗费的时间较少，满足观众对所收看节目的同步性要求。为了平衡多方面的性能，并且考虑到实际系统的需要，这里选择AES-128作为实际使用的算法。

在完成AES分组加／解密算法的基础上，将其应用到PVR机顶盒硬盘文件管理的加／解密模块中，操作步骤如下：

(1)读取待处理数据存放到大小为64 kB的TS缓存器1中；

(2)根据用户操作对TS缓存器中的数据进行加密或解密；

(3)用密钥扩展程序对密钥加以扩展；

(4)从缓存器中取出16个字节作为中间变量STATE；

(5)对STATE中的数据进行加密／解密。并写入缓存器2；

(6)如果读取到TS缓存器1中最后一个数据，将缓存器2中的全部内容存入硬盘并回到操作(1)，否则回到操作(4)；
(7)如果等待加／解密的TS流或文件已经结束，则关闭文件。

上述步骤实现对录制视音频数据流的加密／解密操作。

4 AES加密／解密算法在PVR机顶盒上的实验仿真

本设计使用的是ST公司的Sti7109芯片，基于ST21嵌入式操作系统完成。下表是AES模块分别在ST21和Windows XP两个平台下对视音频数据流进行加／解密操作所使用的时间。

由上表可以求出在资源相对有限的嵌入式环境中，本设计的加密速率约为6.0 Mb／s，解密速率约为5.2 Mb／s。可以满足视音频数据流的应用需求。

5 结语

AES高级数据加密算法不管是从安全性、灵活性还是效率等方面都优于传统数据加密算法，而且AES算法对内存的要求低，很适合应用于计算资源有限的领域，比如嵌入式产品和手持设备，具有很高的应用潜力。