FPGA設(shè)計(jì)的新功能保證視頻技術(shù)

視頻越來(lái)越多地應(yīng)用在我們生活中，除了在電視上的應(yīng)用，還被應(yīng)用在計(jì)算機(jī)、汽車、PDA/PMP、iPod和手機(jī)上?，F(xiàn)在，甚至冰箱上可能也應(yīng)用視頻！

消費(fèi)應(yīng)用產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中集成流式視頻，結(jié)果引入了許多標(biāo)準(zhǔn)和專有的加密算法。但是加密方案以及實(shí)現(xiàn)方法不統(tǒng)一導(dǎo)致視頻接收設(shè)備在設(shè)計(jì)和支持方面存在巨大的挑戰(zhàn)。DeviceDNA作為FPGA的一項(xiàng)新功能，可保證視頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)安全，同時(shí)還可為測(cè)試和驗(yàn)證流程提供支持，從而提供成本經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量安全解決方案，支持多種不同的視頻流加密協(xié)議。

　　消費(fèi)者希望能夠隨時(shí)隨地享有視頻所帶來(lái)的便利，但是如此廣泛的視頻需求產(chǎn)生了大量不同的流式視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，以滿足對(duì)不同屏幕尺寸分辨率以及高帶寬的要求。

　　要為這么多不同種類的設(shè)備提供視頻內(nèi)容支持，因此在傳統(tǒng)有線電視和衛(wèi)星供應(yīng)商之外又誕生了許多新的視頻流提供源（以及相應(yīng)的廠商）。電話線、因特網(wǎng)和無(wú)線通信，在支持流式視頻發(fā)展的同時(shí)也為流式視頻帶來(lái)了明顯的安全問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，不同的流式視頻源引入并采用了越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)和專有加密算法。然而，不同廠商間加密方案以及實(shí)現(xiàn)方法不統(tǒng)一導(dǎo)致視頻接收設(shè)備在設(shè)計(jì)和支持方面存在巨大的挑戰(zhàn)。

　　FPGA提供靈活的解決方案

　　多年來(lái)，低成本FPGA器件已經(jīng)成為機(jī)頂盒和視頻網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵器件，可提供視頻增強(qiáng)、丟失像素替換、視頻轉(zhuǎn)換、產(chǎn)品靈活性以及產(chǎn)品差異等功能。此外，這些器件還允許生產(chǎn)商方便地支持不同的技術(shù)和協(xié)議，如圖2所示。

　　FPGA平臺(tái)的傳統(tǒng)靈活性以及專用的算法功能是解決多種不斷變化的標(biāo)準(zhǔn)和專有加密算法的理想解決方案。器件重配置能力可以根據(jù)需要方便地改變解密算法。通過(guò)FPGA器件重配置，設(shè)計(jì)可利用更少的邏輯門和更少的器件，從而以更低的總體成本支持更多算法。現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)能力能夠快速方便地應(yīng)對(duì)新算法和算法變化，因此可保證產(chǎn)品是未來(lái)適用的（future-proofing），并且不必進(jìn)行昂貴的現(xiàn)場(chǎng)更換即可延長(zhǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的壽命。

　　硬件安全問(wèn)題

　　視頻源提供商的擔(dān)心已經(jīng)不僅局限于視頻流本身的安全性，而是已經(jīng)擴(kuò)展到接收硬件的安全性。有些視頻源提供商正在設(shè)法將其許可和視頻流限定范圍定為能夠提供安全視頻接收機(jī)的系統(tǒng)。這需要很多企業(yè)尋求減少支持的數(shù)量并提高器件級(jí)的安全性，以進(jìn)一步提高總體設(shè)計(jì)的安全水平?？删幊踢壿嬈骷a(chǎn)商賽靈思公司提供的FPGA平臺(tái)則可解決這一問(wèn)題。該平臺(tái)的DeviceDNA技術(shù)可提供支持多種解密算法的能力和更高的器件級(jí)安全性。

　　DeviceDNA允許設(shè)備生產(chǎn)商將一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的非易失工廠序列號(hào)直接寫入到FPGA器件中。每個(gè)器件的ID都不同，因此可以將設(shè)計(jì)綁定到特定的FPGA器件中。DeviceDNA可以作為接收設(shè)備的獨(dú)特序列號(hào)，一個(gè)唯一的許可代碼，或者與用戶定義的寫在FPGA構(gòu)造中的認(rèn)證算法配合使用，從而將特定的設(shè)計(jì)與特定FPGA器件緊密綁定在一起。如果某些人試圖克隆或拷貝認(rèn)證過(guò)的設(shè)計(jì)，或者將位流寫入另一片不同的FPGA器件，那么由于器件的ID號(hào)碼變化，設(shè)計(jì)就不會(huì)通過(guò)認(rèn)證。DeviceDNA是一個(gè)57位長(zhǎng)的序列號(hào)，可以通過(guò)器件內(nèi)部的邏輯構(gòu)造讀取。

　　DeviceDNA與用戶定義認(rèn)證算法緊密結(jié)合能夠以合理的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)所需要的安全度。在采用認(rèn)證算法的方法中，安全性的關(guān)鍵是算法本身。在本方法中，安全過(guò)程中必須有某些部分要保密，在本案例中則是用戶定義的算法本身。由于算法在PPGA邏輯構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)，因此成為FPGA數(shù)百萬(wàn)配置位中的少數(shù)位。除非知道這些位如何組合在一起，或者知道算法本身，否則參于任何試圖拷貝設(shè)計(jì)的人來(lái)說(shuō)，看起來(lái)都僅僅是一堆數(shù)字。

　　用戶定義的算法可以如系統(tǒng)所需要的一樣簡(jiǎn)單或復(fù)雜 - 例如：可以是簡(jiǎn)單的哈希算法，或者更為復(fù)雜的三次DES、AES6?、128或256位，甚至是完全定制的算法。同時(shí)還可以將用戶定義的認(rèn)證算法集成到接收器的認(rèn)證流程內(nèi)部。這樣可以進(jìn)一步將接收單元與視頻流系統(tǒng)、設(shè)計(jì)與特定的接收單元捆綁在一起，從而進(jìn)一步提高抵抗克隆的安全能力。此外，算法可以改變以支持不同的視頻解密協(xié)議配置，甚至在不同型號(hào)或不同代產(chǎn)品間采用不同的算法，從而進(jìn)一步保證安全性。

　　安全性提高對(duì)生產(chǎn)的影響

　　硬件安全性問(wèn)題同樣適用于生產(chǎn)流程，特別是板級(jí)測(cè)試和驗(yàn)證。因此，設(shè)計(jì)中經(jīng)常將JTAG功能移除，因?yàn)镴TAG功能易使設(shè)計(jì)導(dǎo)致反向工程。許多企業(yè)都采用JTAG來(lái)縮短測(cè)試時(shí)間并提高測(cè)量和驗(yàn)證流程中的系統(tǒng)測(cè)試覆蓋范圍。然而，沒(méi)有JTAG，就需要更多的測(cè)試，特別是系統(tǒng)級(jí)測(cè)試來(lái)保證一定的測(cè)試覆蓋范圍。不使用JTAG技術(shù)會(huì)提高生產(chǎn)成本，并最終影響到系統(tǒng)總成本。

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　　JTAG的問(wèn)題在于INTEST命令，用于檢查設(shè)計(jì)的內(nèi)部邏輯功能。反向工程時(shí)，這一命令可用來(lái)判斷設(shè)計(jì)的功能。圖3給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，其中數(shù)據(jù)移入寄存器，執(zhí)行INTEST命令，這樣數(shù)據(jù)會(huì)在時(shí)鐘作用下移入邏輯構(gòu)造，進(jìn)入下一寄存器，結(jié)果可以被讀出。由于可將總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度縮小到更小的邏輯模塊，因此這一命令可使反向工程的工作更容易。

　　一些FPGA平臺(tái)可幫助防止發(fā)生這一過(guò)程，同時(shí)仍然允許生產(chǎn)商完成其管腳至管腳（pin-to-pin）功能。例如，在Xilinx? Spartan?-3A 平臺(tái)中， 可在設(shè)計(jì)中使用BSCAN_SPARTAN3A宏模塊，其檢測(cè)邏輯可監(jiān)控FPGA構(gòu)造中的JTAG控制信號(hào)，如圖4所示。如果檢測(cè)到JTAG控制信號(hào)的活動(dòng)，用戶在設(shè)計(jì)可以立即繞過(guò)關(guān)鍵邏輯或關(guān)斷關(guān)鍵功能，不再執(zhí)行正確的功能。這樣反向工程人員讀到的將是不正確的功能模塊，在不能完成預(yù)期功能的解決方案上浪費(fèi)時(shí)間和資源。

　　支持DeviceDNA的FPGA平臺(tái)可保證視頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)安全，同時(shí)還可為測(cè)試和驗(yàn)證流程提供支持，從而能夠提供成本經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量安全解決方案，支持多種不同的視頻流加密協(xié)議。