本發(fā)明屬于數(shù)據(jù)安全技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法。

背景技術(shù)：

可分級視頻編碼能有效適用于當(dāng)前異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的視頻流高效傳輸業(yè)務(wù)，它能極大地滿足多種異構(gòu)終端用戶的不同實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)需求。優(yōu)先編碼傳輸pet(priorityencodingtransmission)是實(shí)現(xiàn)可分級視頻流傳輸?shù)囊环N非常重要的技術(shù)。在這類技術(shù)中，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的pet已經(jīng)被認(rèn)為是一種更有效的無比率編碼方式。與傳統(tǒng)的pet不同，網(wǎng)絡(luò)編碼允許網(wǎng)絡(luò)中各中間節(jié)點(diǎn)傳輸前可對接收到的信息進(jìn)行線性或非線性的組合變換，而基于網(wǎng)絡(luò)編碼的pet可以顯著提高在刪除信道傳輸?shù)恼w視頻質(zhì)量。

雖然基于網(wǎng)絡(luò)編碼的pet能有效增強(qiáng)傳輸健壯性和可靠性，可以提供很好的信道適應(yīng)性服務(wù)，但當(dāng)下的應(yīng)用中卻沒有解決其安全應(yīng)用中一個(gè)潛在的可擴(kuò)展性問題：根據(jù)終端用戶的不同訂閱等級，為其提供不同質(zhì)量的視頻數(shù)據(jù)。這個(gè)問題的解決顯然需要開發(fā)具有低復(fù)雜度特性的多層級安全加密方案以保證不同訂閱級別的數(shù)據(jù)安全。

當(dāng)前，視頻數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性機(jī)密性保護(hù)都是通過傳統(tǒng)的加密方式來實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)數(shù)據(jù)流量大幅增加時(shí)，這種方式的安全性的擴(kuò)展效率將非常低下。具體來說，這些解決方案都是通過隱藏關(guān)鍵視頻數(shù)據(jù)(如空域，dct系數(shù))來降低編解碼的復(fù)雜度。然而，這種方法在加密算法選擇不合適的情況下，仍會給安全系統(tǒng)帶來與完全加密相當(dāng)?shù)挠?jì)算開銷。其根本原因在于這類方案實(shí)現(xiàn)的安全強(qiáng)度難以量化，安全性能擴(kuò)展性較差。當(dāng)前，在網(wǎng)絡(luò)抽象層上進(jìn)行分層加密方式在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中被認(rèn)為是很有效的，但它并不適合基于網(wǎng)絡(luò)編碼的pet。基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流傳輸?shù)陌踩詥栴}是當(dāng)前應(yīng)用中尚未解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法，解決了現(xiàn)有可分級視頻流安全性差的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1：信源為各數(shù)據(jù)層配置不同的保護(hù)密鑰，并且給第c層視頻質(zhì)量的訂閱用戶接收端分發(fā)第1層至第c層的保護(hù)密鑰k1,k2,…,kc，其中1≤c≤l，其中l(wèi)為數(shù)據(jù)層的總層數(shù)；

步驟2：信源視頻數(shù)據(jù)被分割編碼為一個(gè)圖像組gop序列，每個(gè)gop被分割為多個(gè)數(shù)據(jù)層，每層中空余位填充相應(yīng)的冗余零數(shù)據(jù)塊；

步驟3：對于每個(gè)gop，信源利用步驟1中的保護(hù)密鑰生成各層編碼信息，分別對每個(gè)gop中各層進(jìn)行安全編碼；

步驟4：信源將步驟3編碼后的gop數(shù)據(jù)包利用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸?shù)姆椒òl(fā)送到接收端；

步驟5：根據(jù)訂閱的視頻質(zhì)量服務(wù)等級，接收端利用網(wǎng)絡(luò)編碼解碼規(guī)則對收到的gop數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，盡可能多連續(xù)地恢復(fù)步驟4中封裝的從基礎(chǔ)層到訂閱質(zhì)量層數(shù)據(jù)，進(jìn)而執(zhí)行逐層逆迭代和層隨機(jī)化逆操作來完成不同用戶訂購數(shù)據(jù)層的解密。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

步驟2中：

每個(gè)gop被編碼為l層，第1層為基礎(chǔ)層、其余l(xiāng)-1層為增強(qiáng)層；從第1層到第l層，各層數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)先級逐層降低；

每個(gè)gop中第j層視頻數(shù)據(jù)量由rj表示，第j層視頻數(shù)據(jù)被分為lj塊，則每塊包含nj＝rj/qlj個(gè)編碼域fq上的字符，除了lj個(gè)數(shù)據(jù)塊之外，第j層空余位需填充ll-lj個(gè)冗余零數(shù)據(jù)塊，其中，j＝1,2,…,l；

每個(gè)gop中各層數(shù)據(jù)塊數(shù)量滿足l1＜l2＜...＜ll且l1＞1；

各層數(shù)據(jù)將根據(jù)傳輸優(yōu)先等級從第1層至最高層第l層按列降序排列，組成初始編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

步驟3具體為：

步驟3.1：層塊部分隨機(jī)化：對于第i層，i依次取1,2,…,l，第i層的信源消息字符被分割編碼成li個(gè)數(shù)據(jù)塊，這些數(shù)據(jù)塊組成編碼域fq上維數(shù)為li×ni的矩陣mi，對該層的數(shù)據(jù)塊部分隨機(jī)化過程如下：

步驟3.1.1：利用第i層保護(hù)密鑰ki和隨機(jī)數(shù)生成器g1產(chǎn)生ti×ni個(gè)域fq上的隨機(jī)數(shù)，其中ti＜li，構(gòu)造維數(shù)為ti×ni的隨機(jī)矩陣hi和維數(shù)為li×ni的矩陣ni，其中ni的前ti行取自矩陣hi，后li-ti行元素均為零；

步驟3.1.2：計(jì)算數(shù)據(jù)隨機(jī)化結(jié)果di＝mi+ni；

步驟3.2：逐層迭代編碼：從最高層到基礎(chǔ)層，按逆序進(jìn)行迭代變換，依次對相鄰的兩個(gè)層進(jìn)行域fq上的線性隨機(jī)組合，具體為：

步驟3.2.1：對最高層，利用第l層保護(hù)密鑰kl和隨機(jī)數(shù)生成器g2產(chǎn)生ll²個(gè)域fq上的非零隨機(jī)數(shù)，排列構(gòu)造ll階滿秩矩陣rl，然后計(jì)算cl＝rl·dl；

步驟3.2.2：對第i層，其中，i依次取l-1,l-2,…,1，信源利用第i層保護(hù)密鑰ki和隨機(jī)數(shù)生成器g2產(chǎn)生個(gè)域fq上的非零隨機(jī)數(shù)，排列構(gòu)造li階滿秩矩陣ri，然后計(jì)算其中表示視頻數(shù)據(jù)承載矩陣ci+1的前l(fā)i行，而

步驟4具體為：

步驟4.1：信源將步驟3中經(jīng)過編碼的各行數(shù)據(jù)分別添加包頭信息，并封裝成gop數(shù)據(jù)包；

步驟4.2：信源將封裝后的gop中的行數(shù)據(jù)添加包頭信息，將封裝后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到通信信道中；網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)中間傳輸節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)包儲存在接收緩存中；當(dāng)一個(gè)發(fā)送時(shí)隙來臨時(shí)，中間結(jié)點(diǎn)將隨機(jī)組合緩存區(qū)中儲存的包，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至這些數(shù)據(jù)包送達(dá)至接收端。

步驟5中對于訂購了第c層視頻質(zhì)量且收到τ個(gè)線性獨(dú)立數(shù)據(jù)包的接收者，其數(shù)據(jù)包譯碼和解密情況如下：

a、τ＜l1

當(dāng)前gop中的數(shù)據(jù)包無法進(jìn)行即時(shí)網(wǎng)絡(luò)解碼或者該gop將被跳過，除非在緩存數(shù)據(jù)超時(shí)前有包含新信息的基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)包進(jìn)入緩存區(qū)；

b、lk-1≤τ＜lk

①2≤k≤c：第1層到第k-1層的數(shù)據(jù)信息能被譯碼，進(jìn)而可以執(zhí)行逐層逆迭代和層隨機(jī)化的逆操作完成解密；

②c＜k≤l：第1層到第k-1層的數(shù)據(jù)包可以被網(wǎng)絡(luò)譯碼，但由于用戶訂閱權(quán)限的限制，僅有第1層到第c層的數(shù)據(jù)信息可以執(zhí)行逐層逆迭代和層隨機(jī)化逆操作，從而能被正確解密。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法首先在原始消息中引入了隨機(jī)變量，其次又實(shí)施了線性隨機(jī)變換，完成了原始消息的隨機(jī)化安全加密功能，可以合理有效地對安全編碼實(shí)現(xiàn)的安全強(qiáng)度進(jìn)行度量或量化；本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法實(shí)現(xiàn)了安全性和分級傳輸兩方面的可伸縮編譯碼功能。這不僅保證了高優(yōu)先級層的高安全強(qiáng)度和優(yōu)先傳輸，而且實(shí)現(xiàn)了對低優(yōu)先級層的可擴(kuò)展性增量編譯碼；本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法，實(shí)現(xiàn)了不同安全需求的應(yīng)用中數(shù)據(jù)保密度及視頻傳輸編譯碼的靈活性，計(jì)算復(fù)雜度小，加密效率高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明可分級視頻流加密方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明可分級視頻流加密方法中信源初始gop單元構(gòu)造示例圖；

圖3是本發(fā)明可分級視頻流加密方法中層塊部分隨機(jī)化和逐層迭代編碼操作示意圖；

圖4是本發(fā)明可分級視頻流加密方法中針對不同的gop大小與傳統(tǒng)分組加密方法之間的加密運(yùn)算量比較圖示。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)編碼的可分級視頻流加密方法，如圖1所示，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1：信源為各數(shù)據(jù)層配置不同的保護(hù)密鑰，并且給第c層視頻質(zhì)量的訂閱用戶接收端分發(fā)第1層至第c層的保護(hù)密鑰k1,k2,…,kc，其中1≤c≤l，其中l(wèi)為數(shù)據(jù)層的總層數(shù)；

步驟2：如圖2所示，信源視頻數(shù)據(jù)被分割編碼為一個(gè)圖像組gop(groupofpictures，圖像組)序列，每個(gè)gop被分割為多個(gè)數(shù)據(jù)層，每層中空余位填充相應(yīng)的冗余零數(shù)據(jù)塊；圖2中以ld-ld-1＝1為例，其中d＝2,3,…,l；

每個(gè)gop被編碼為l層，第1層為基礎(chǔ)層、其余l(xiāng)-1層為增強(qiáng)層；從第1層到第l層，各層數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)先級逐層降低；

每個(gè)gop中第j層視頻數(shù)據(jù)量由rj表示，第j層視頻數(shù)據(jù)被分為lj塊，則每塊包含nj＝rj/qlj個(gè)編碼域fq上的字符，除了lj個(gè)數(shù)據(jù)塊之外，第j層空余位需填充ll-lj個(gè)冗余零數(shù)據(jù)塊，其中，j＝1,2,…,l；

每個(gè)gop中各層數(shù)據(jù)塊數(shù)量滿足l1＜l2＜...＜ll且l1＞1；

各層數(shù)據(jù)將根據(jù)傳輸優(yōu)先等級從第1層至最高層第l層按列降序排列，組成初始編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

步驟3：如圖3所示，對于每個(gè)gop，信源利用步驟1中的保護(hù)密鑰生成各層編碼信息，分別對每個(gè)gop中各層進(jìn)行安全編碼，具體為：

步驟3.1：層塊部分隨機(jī)化：對于第i層，i依次取1,2,…,l，第i層的信源消息字符被分割編碼成li個(gè)數(shù)據(jù)塊，這些數(shù)據(jù)塊組成編碼域fq上維數(shù)為li×ni的矩陣mi，對該層的數(shù)據(jù)塊部分隨機(jī)化過程如下：

步驟3.1.1：利用第i層保護(hù)密鑰ki和隨機(jī)數(shù)生成器g1產(chǎn)生ti×ni個(gè)域fq上的隨機(jī)數(shù)，其中ti＜li，構(gòu)造維數(shù)為ti×ni的隨機(jī)矩陣hi和維數(shù)為li×ni的矩陣ni，其中ni的前ti行取自矩陣hi，后li-ti行元素均為零；

步驟3.1.2：計(jì)算數(shù)據(jù)隨機(jī)化結(jié)果di＝mi+ni；

步驟3.2：逐層迭代編碼：從最高層到基礎(chǔ)層，按逆序進(jìn)行迭代變換，依次對相鄰的兩個(gè)層進(jìn)行域fq上的線性隨機(jī)組合，具體為：

步驟3.2.1：對最高層，利用第l層保護(hù)密鑰kl和隨機(jī)數(shù)生成器g2產(chǎn)生個(gè)域fq上的非零隨機(jī)數(shù)，排列構(gòu)造ll階滿秩矩陣rl，然后計(jì)算cl＝rl·dl；

步驟3.2.2：對第i層，其中，i依次取l-1,l-2,…,1，信源利用第i層保護(hù)密鑰ki和隨機(jī)數(shù)生成器g2產(chǎn)生個(gè)域fq上的非零隨機(jī)數(shù)，排列構(gòu)造li階滿秩矩陣ri，然后計(jì)算其中表示視頻數(shù)據(jù)承載矩陣ci+1的前l(fā)i行，而

步驟4：如圖2所示，信源將步驟3編碼后的gop數(shù)據(jù)包利用網(wǎng)絡(luò)編碼傳輸?shù)姆椒òl(fā)送到接收端，具體為：

步驟4.1：如圖2所示，信源將步驟3中經(jīng)過編碼的各行數(shù)據(jù)分別添加包頭信息，并封裝成gop數(shù)據(jù)包；

步驟4.2：信源將封裝后的gop中的行數(shù)據(jù)添加包頭信息，將封裝后的數(shù)據(jù)包發(fā)送到通信信道中；網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)中間傳輸節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)包儲存在接收緩存中；當(dāng)一個(gè)發(fā)送時(shí)隙來臨時(shí)，中間結(jié)點(diǎn)將隨機(jī)組合緩存區(qū)中儲存的包，然后將結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至這些數(shù)據(jù)包送達(dá)至接收端。

步驟5：根據(jù)訂閱的視頻質(zhì)量服務(wù)等級，接收端利用網(wǎng)絡(luò)編碼解碼規(guī)則對收到的gop數(shù)據(jù)包進(jìn)行譯碼，盡可能多連續(xù)地恢復(fù)步驟4.1中封裝的從基礎(chǔ)層到訂閱質(zhì)量層數(shù)據(jù)，進(jìn)而執(zhí)行逐層逆迭代和層隨機(jī)化逆操作來完成不同用戶訂購數(shù)據(jù)層的解密。

步驟5中對于訂購了第c層視頻質(zhì)量且收到τ個(gè)線性獨(dú)立數(shù)據(jù)包的接收者，其數(shù)據(jù)包譯碼和解密情況如下：

a、τ＜l1

當(dāng)前gop中的數(shù)據(jù)包無法進(jìn)行即時(shí)網(wǎng)絡(luò)解碼或者該gop將被跳過，除非在緩存數(shù)據(jù)超時(shí)前有包含新信息的基礎(chǔ)層的數(shù)據(jù)包進(jìn)入緩存區(qū)；

b、lk-1≤τ＜lk

①2≤k≤c：第1層到第k-1層的數(shù)據(jù)信息能被譯碼，進(jìn)而可以執(zhí)行逐層逆迭代和層隨機(jī)化的逆操作完成解密；

②c＜k≤l：第1層到第k-1層的數(shù)據(jù)包可以被網(wǎng)絡(luò)譯碼，但由于用戶訂閱權(quán)限的限制，僅有第1層到第c層的數(shù)據(jù)信息可以執(zhí)行逐層逆迭代和層隨機(jī)化逆操作，從而能被正確解密。

本發(fā)明的實(shí)際性能可以通過以下的實(shí)驗(yàn)比較進(jìn)一步說明：

實(shí)驗(yàn)規(guī)定每一層的數(shù)據(jù)塊都有相同的大小，且lk+1-lk＝5(k＝1,2,...,l-1)。針對不同的gop大小，將本發(fā)明與傳統(tǒng)分組加密方法之間的加密運(yùn)算量進(jìn)行比較，如圖4所示。結(jié)果顯示，本發(fā)明顯著減少了gop中需要加密的數(shù)據(jù)量。當(dāng)gop序列規(guī)模逐漸增大時(shí)，本發(fā)明具有顯著的性能優(yōu)勢。