數(shù)字版權(quán)保護中視頻加解密算法的優(yōu)化設(shè)計*

趙云輝

（北京江南天安科技有限公司，北京 100088）

0 引言

隨著廣電行業(yè)信息化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，過去的盤帶拍攝、制作以及播出已全面數(shù)字化，同時4K高清逐漸成為主流。伴隨著融合媒體和云計算的出現(xiàn)，廣電行業(yè)全面進入了數(shù)字時代，并由此對數(shù)字內(nèi)容的保護需求日益強烈。

移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動了智能終端設(shè)備快速更替，其中以終端設(shè)備為最大受眾群體的視頻產(chǎn)業(yè)得到了巨大發(fā)展。互聯(lián)網(wǎng)視頻、OTT 以及IPTV 等各類視頻推廣渠道在獲得大量流量進入的同時，也迎來了殘酷的競爭，促使視頻內(nèi)容成為獲取關(guān)注的唯一焦點。因此，針對視頻內(nèi)容的保護已迫在眉睫。

在國內(nèi)，2019 年影視作品盜版監(jiān)測顯示侵權(quán)率100%。據(jù)統(tǒng)計，2018 年網(wǎng)絡(luò)視頻盜版侵權(quán)帶來的會員費及收視費用的損失約300 億元。盜版對正版的品牌價值、廣告投入、版權(quán)付費以及帶寬消耗4個方面造成了直接損害，嚴重影響視頻產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

版權(quán)保護是基于密碼技術(shù)為視頻內(nèi)容提供安全保障，保障傳播信息來源的真實性、內(nèi)容的完整性以及內(nèi)容傳播通道的安全，同時實現(xiàn)數(shù)字版權(quán)內(nèi)容在流通過程中的權(quán)益轉(zhuǎn)移。

1 DRM 簡介

數(shù)字版權(quán)管理（Digital Rights Management，DRM）是數(shù)字內(nèi)容生產(chǎn)方用來控制數(shù)字內(nèi)容使用權(quán)的保護技術(shù)。數(shù)字化內(nèi)容包括但不限于書籍、軟件、音樂以及影視劇等。保護技術(shù)包括但不限于使用專用硬件、密碼技術(shù)以及授權(quán)技術(shù)等。版權(quán)保護就是通過保護技術(shù)進行控制和限制數(shù)字化媒體內(nèi)容在電子設(shè)備上的使用權(quán)，目的是保護數(shù)字媒體的版權(quán)，從技術(shù)上防止數(shù)字媒體的非法復(fù)制，或者在一定程度上增加復(fù)制的困難，使用戶必須得到授權(quán)才能使用數(shù)字媒體。

2018 年10 月，國家廣播電視總局頒布了中國的數(shù)字版權(quán)技術(shù)規(guī)范《視音頻內(nèi)容分發(fā)數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)規(guī)范》。在這部標準中，基于數(shù)字內(nèi)容生產(chǎn)和運營過程，將版權(quán)保護分成3 個部分，即密鑰管理與內(nèi)容加密、密鑰分發(fā)和認證授權(quán)以及視頻解密及播放，明確了采用SM2 算法、SM3 算法、SM4 算法并基于許可證機制進行版權(quán)保護的模式。

這部標準中最大的亮點是將密鑰分發(fā)環(huán)節(jié)分為密鑰交換和內(nèi)容授權(quán)許可證兩部分來實現(xiàn)，最大限度保護了數(shù)字內(nèi)容生產(chǎn)方的權(quán)益，同時極大地方便了運營方與眾多內(nèi)容生產(chǎn)商之間的業(yè)務(wù)對接。

2 DRM 視頻加解密算法簡介

視頻文件為適應(yīng)不同的傳輸方式產(chǎn)生了多種協(xié)議格式，因此DRM 體系中對視頻數(shù)據(jù)加密的方式也有多種，較多采用的是CENC 方式。通用加密格式CENC 是基于ISO/IEC 14496-12 的一種加密格式，在模式中定義了使用AES 算法進行加密計算。實際應(yīng)用中，基于HTTP 協(xié)議的動態(tài)自適應(yīng)流媒體DASH 和Apple 公司推出的動態(tài)碼率自適應(yīng)技術(shù)HLS 都使用了AES 加密算法。目前，國際上比較流行的版權(quán)管理系統(tǒng)有widewine 和fairplay。在這些體系中，一般使用AES 算法進行視頻加解密[1]。

《視音頻內(nèi)容分發(fā)數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)規(guī)范》標準中規(guī)定了視頻數(shù)據(jù)加解密使用的算法是我國自主研發(fā)的對稱密碼算法SM4。

SM4 算法是國家密碼管理局于2012 年3 月21日發(fā)布的對稱密碼算法，算法公開，分組長度與密鑰長度均為128 bit。加密算法與密鑰擴展算法都采用32 輪非線性迭代結(jié)構(gòu)，S 盒為固定的8 bit 輸入和8 bit 輸出[2]。SM4 算法主要用于數(shù)據(jù)加解密應(yīng)用。SM4 算法的安全性很好，能夠抵抗針對分組密碼算法的各種攻擊方法，包括窮舉搜索攻擊、差分攻擊以及線性攻擊等。

3 加解密模式介紹

對稱密碼算法因其便利性和高效性，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)加解密和身份認證等領(lǐng)域。根據(jù)不同的特性分組密碼的工作模式，它可以分為加密模式、認證模式和認證加密模式等。對稱加密算法能夠提供的加密模式有ECB、CBC、OFB、CFB、CTR 和XTS 等，認證模式有HMAC、CMAC 和GMAC 等。基于分組密碼加密和認證特性，將其組合起來形成加密認證模式，主要有CCM、GCM、CWC、EAX、IAPM 和OCB 等。這些算法模式有各自適應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域，如ECB 模式強調(diào)加密性能快，CMAC 強調(diào)數(shù)據(jù)完整性等[3]。

在版權(quán)保護領(lǐng)域主要應(yīng)用了加密特性，因此國際版權(quán)保護體系常用AES-CBC 模式和AES-CTR 模式。

《視音頻內(nèi)容分發(fā)數(shù)字版權(quán)管理技術(shù)規(guī)范》標準中規(guī)定了視頻內(nèi)容加密使用SM4-CBC 模式，支持全部加密和樣本加密（10%加密）兩種形式。

CBC 模式的全稱是Cipher Block Chaining 模式（密文分組鏈接模式），因為密文分組像鏈條一樣相互連接在一起。

在CBC 模式中，先使用初始化向量與明文分組進行異或運算，然后使用128 bit 的密鑰對其進行加密運算得到第一個密文分組，再將此密文分與第二個明文分組進行異或運算，使用128 bit 的密鑰對其進行加密運算得到第二個密文分組，并重復(fù)上述操作直到所有的明文分組完成運算[4]。

CBC 模式加解密過程如圖1 所示。

圖1 CBC 模式運算過程

CBC模式是最常用的加密運算模式，安全性好，明文的排列情況不會反映在密文中。但是，CBC 模式也存在只能鏈式進行而不能并行計算、有誤差傳導(dǎo)等缺點。

4 加解密性能對比及分析

在進行CBC 模式性能分析前介紹加密模式OFB。

OFB 模式的全稱是Output-Feedback 模式（輸出反饋模式）。在OFB 模式中，密碼算法的輸出會反饋到密碼算法的輸入中[5]。

OFB 模式不是通過密碼算法對明文直接加密，而是通過將明文分組和密碼算法的輸出進行XOR來產(chǎn)生密文分組。OFB 運算流程如圖2 所示。

圖2 OFB 模式運算流程

不難看出，OFB 模式更接近流密碼運算模式。流密碼（Stream Cipher）也稱為序列密碼，是對稱密碼算法的一種。流密碼具有實現(xiàn)簡單、便于硬件實施、加解密處理速度快以及沒有或只有有限的誤差傳播等特點，廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)以及需要對連續(xù)數(shù)據(jù)加密的情形下。流密碼算法主要是RC4 和A5/1，國內(nèi)常用的是ZUC。流密碼算法使用前需要進行調(diào)度過程。基于對算法的通用性及使用的便利性考慮，版權(quán)保護領(lǐng)域沒有采用流密碼算法。

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)囊曨l內(nèi)容根據(jù)不同的視頻傳輸協(xié)議，會以流（流也是以塊的形式傳輸）或小塊文件的方式傳輸。因此，這種連續(xù)傳輸模式也很適合采用CTR/OFB 加密模式。CTR 模式相對于OFB 具有更好的隨機性和安全性，但運算模式復(fù)雜，而OFB 模式更易于實現(xiàn)。下面采用同一硬件平臺、同一算法對CBC 和OFB 模式的加密性能進行對比。

系統(tǒng)配置如下：CPU為intel(R) Core(TM) i5-8265U 1.6 GHz；內(nèi)存16 GB；硬盤為512 GB PLEXTOR PX-512M9PeGN。

分別對100 MB 長度的數(shù)據(jù)進行多次加密測試（此模式下加解密性能相同，本次測試性能僅代表所使用的軟算法在本機平臺的性能），將測得的兩種模式的計算耗時數(shù)據(jù)進行比較，如圖3 所示。

圖3 OFB 與CBC 性能比較

通過圖3 可以明顯看出，OFB 模式性能全面優(yōu)于CBC 模式，在處理100 MB 的數(shù)據(jù)時，OFB 模式平均耗時較CBC 模式少68.6 ms。

5 加解密算法應(yīng)用模式的優(yōu)化設(shè)計

同一算法下OFB 模式的運算性能更高，原因是OFB 的流式處理效率明顯高于CBC 模下的鏈式處理。OFB 模式可以預(yù)先生成密鑰流，對于流式數(shù)據(jù)可以采用并發(fā)形式同時生成密鑰流和對數(shù)據(jù)的加解密計算；而CBC 模式因加密過程使用的密鑰與前一段加密輸出結(jié)果相關(guān)，所以無法形成并發(fā)處理，只能鏈式連續(xù)操作。因此，對同一段數(shù)據(jù)加密OFB模式的速度更快。

對于數(shù)字版權(quán)應(yīng)用中，視頻加解密算法通過使用SM4-OFB 模式可以明顯提升性能。基于OFB 模式的設(shè)計思想，還可以對CBC 模式進行優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)所使用的傳輸協(xié)議不同，視頻數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可以以流式和分塊文件方式傳輸。例如：點播場景常用的HLS 協(xié)議就是將視頻文件分為5～10 s 一個文件，接收端最先獲取的是視頻的m3u8 文件，播放器根據(jù)m3u8 文件內(nèi)容及用戶的拖拉動作，選擇指定時間點的視頻文件進行拉取；直播場景常用的DASH 協(xié)議通過對視頻流切片生成MPD 文件和視頻流文件（.m4s 或.mp4），是以流的方式進行傳輸；客戶端加載視頻時,按照當前的網(wǎng)速和支持的編碼，加載相應(yīng)的視頻片段進行播放[6]。因此，在視頻數(shù)據(jù)的加密處理上，基于視頻切片（或稱分塊）的大小采用降低鏈式處理頻度，增加并發(fā)處理從而提升CBC 模式加密性能，是一個比較易于實現(xiàn)的方式。

視頻數(shù)據(jù)本身是按數(shù)據(jù)幀格式組織的。4K 高清視頻碼率一般大于30 Mb/s，每幀（以25 幀標準計算）的數(shù)據(jù)量約為1.2 Mb，也就是說每幀數(shù)據(jù)要在40 ms 以內(nèi)完成解密、解碼才能保證視頻流暢的播出。HLS 方式傳輸時一般是10 s 為一個文件，即一個視頻切片文件是300 Mb（37.5 MB）。按DRM標準中全部加密方式改進CBC 加密模式，按1 Mb（128 kB）進行分塊，將10 s 的視頻文件分為300段，每段采用相同的計算參數(shù)進行加密運算，并將計算結(jié)果拼接在一起形成完整視頻，以并發(fā)的形式進行加解密，可以同時處理1 s 或幾秒的視頻數(shù)據(jù)，以降低視頻延遲。

由圖4 可以看出，對1 Mb 數(shù)據(jù)的加密運算，OFB 的耗時小于CBC 模式。數(shù)據(jù)分塊越小，OFB與CBC 的處理速度越接近。

圖4 幀加密耗時情況

此視頻不做分段，以一個整體進行CBC 模式計算，并與OFB 和CBC 分塊并發(fā)模式進行對比，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 10 s 視頻加解密耗時情況

由圖5 可以看出，CBC（并發(fā)）較CBC（整段）可節(jié)省時間，雖然性能仍弱于OFB 模式，但已有了一定的改善。

由于目前視頻終端一般為嵌入式系統(tǒng)，如果采用專用的密碼算法芯片（一般具備每秒SM4 吞吐量＞80 Mb/s），那么事實上無論采用哪種算法模式都可滿足視頻解密流暢播放的需求。硬件上沒有集成專用算法芯片，只能使用軟算法的終端設(shè)備（目前市場上有數(shù)以億計的此類設(shè)備），采用CBC 分段加密，有效提高視頻播出的流暢性。

出于視頻播放中有時移的要求，每次移動到一個新的時間點，如果采用整段（10 s）CBC 處理，那么理想情況下需要增加有0.2 s 左右的延時（網(wǎng)絡(luò)下載及延遲不計），而采用CBC（并發(fā)）方式，那么延時僅為解密一個分段的時間，按幀分段計算，時間不超過0.002 s 延時。

6 結(jié)語

廣播電視一直以來都是人們獲取新聞資訊和進行生活娛樂的重要途徑。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)視頻產(chǎn)業(yè)獲得了極大發(fā)展，尤其是短視頻產(chǎn)業(yè)，隨之而來的盜版侵權(quán)問題越來越嚴重。基于密碼技術(shù)的數(shù)字版權(quán)保護無疑是最安全的保護方式，同時能保護內(nèi)容生產(chǎn)商的利益，也能保證使用者的權(quán)益。版權(quán)保護的核心技術(shù)是對視頻數(shù)據(jù)的加密和對解密密鑰的安全分發(fā)。優(yōu)化的加解密技術(shù)能夠降低版權(quán)保護給視頻播放帶來的影響，提升用戶的觀看體驗，直到解密耗時對用戶無感，這將是數(shù)字版權(quán)保護最理想的發(fā)展目標。