基于量子加密的视频安全传输方法及装置与流程

本发明涉及数据安全传输，尤其涉及一种基于量子加密的视频安全传输方法及装置。

背景技术：

1、随着可穿戴技术的飞速发展，执法记录仪、运动相机等可穿戴式视频采集设备已广泛应用于公共安全、应急救援及个人消费电子领域。这些设备通常需要采集高清视频数据并存储在本地，待时机合适时再传输至移动终端或后台服务器。然而，由于设备体积小、便携性强，极易发生丢失或被盗的情况，导致其中存储的敏感视频数据面临严重的泄露风险。

2、现有的视频数据保护方案通常采用软件加密方式，即通过主控处理器调用软件算法对存储数据进行加密。这种方式存在明显的缺陷：首先，软件加密占用大量的cpu资源，导致设备功耗增加，严重影响可穿戴设备的续航能力；其次，软件加密在内存中处理明文数据，容易受到木马病毒或调试接口的攻击，存在物理安全漏洞；再者，传统的伪随机数生成器生成的密钥存在可预测性，难以抵御高算力攻击。

3、量子随机数发生器基于量子物理过程的本质随机性，能够生成不可预测的真随机数，为密码学提供了理想的熵源。然而，现有的量子随机数发生器通常体积庞大、功耗高，难以集成到小型化的可穿戴设备中。此外，如何在资源受限的嵌入式平台上高效地利用量子随机数实现视频流的实时、安全存储与传输，仍是亟待解决的技术难题。

4、因此，亟需一种结合硬件级加密与量子真随机数技术，且适用于可穿戴设备的视频安全传输方法，以解决现有技术中安全性低、效率低及功耗高的问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于量子加密的视频安全传输方法及装置，通过集成微型量子随机数发生器和硬件流式加密ip核，实现视频数据在采集端的物理级加密存储和安全传输。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于量子加密的视频安全传输方法，应用于可穿戴式视频采集设备、移动终端以及量子安全服务云平台，所述方法包括：

3、在所述可穿戴式视频采集设备的图像信号处理器与本地存储模块之间的数据通路上设置硬件流式加密ip核，并在所述可穿戴式视频采集设备内集成微型量子随机数发生器；

4、所述微型量子随机数发生器在设备运行期间，通过直接内存访问通道在后台静默生成真随机数并填充至环形缓冲池中，在所述可穿戴式视频采集设备与移动终端建立无线连接时，调用量子安全服务云平台进行双向身份认证并协商会话密钥；

5、当图像信号处理器输出高清视频流数据时，所述硬件流式加密ip核按预设规则从环形缓冲池中提取真随机数作为初始种子，使用密码学安全的种子扩充算法，生成与当前高清视频流数据等长的伪随机密钥流，使用所述伪随机密钥流对所述当前高清视频流数据进行按位异或运算实现流加密，并将得到的加密视频流写入本地存储模块；

6、当所述可穿戴式视频采集设备的与所述移动终端传输视频时，使用所述会话密钥对初始种子进行加密，并将得到的加密后的初始种子与加密视频流一并发送给移动终端；

7、当移动终端接收到加密后的初始种子和加密视频流后，使用所述会话密钥对所述加密后的初始种子进行解密，得到初始种子，使用相同的种子扩充算法，生成相同的伪随机密钥流，并对所述加密视频流进行按位异或解密，还原得到高清视频流数据。

8、本技术实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

9、1）高安全性：采用微型量子随机数发生器产生真随机数作为加密种子，从源头上保证了密钥的不可预测性；结合硬件流式加密ip核，在图像信号处理器与存储之间建立物理加密通道，杜绝了软件层面的明文泄露风险。

10、2）高效低功耗：硬件ip核直接处理视频数据流，无需主控处理器介入加密运算，大幅降低了cpu负载和系统功耗，延长了可穿戴设备的续航时间。

11、3）数据完整性保障：通过建立并持久化存储视频帧与初始种子的映射关系表，确保了即使在设备异常掉电重启后，加密视频数据依然能够被正确解密恢复。

12、4）传输安全可靠：在传输阶段使用量子协商的会话密钥保护初始种子，实现了“一次一密”的密钥传输机制，有效防止了传输过程中的窃听和篡改。

13、在一种可选的实现方式中，在所述可穿戴式视频采集设备的图像信号处理器与本地存储模块之间的数据通路上设置硬件流式加密ip核，并在所述可穿戴式视频采集设备内集成微型量子随机数发生器，包括：

14、在可穿戴式视频采集设备的片上系统中，将图像信号处理器的视频输出总线直接物理连接至硬件流式加密ip核的明文输入端，并将硬件流式加密ip核的密文输出端通过存储控制器总线连接至本地存储模块；

15、为所述硬件流式加密ip核在内存空间中分配两组寄存器，两组所述寄存器分别为明文数据缓存基址和密钥输入寄存器基址；

16、在所述可穿戴式视频采集设备内集成微型量子随机数发生器并上电启动，所述微型量子随机数发生器采集半导体发光二极管的散粒噪声或激光器的相位噪声作为物理熵源，并将物理熵源转换为电信号进行模数转换，持续生成原始随机比特流；

17、使用所述可穿戴式视频采集设备内置的在线熵值评估模块，对原始随机比特流进行最小熵验证，若验证合格，则输出自检通过标志=1，并触发所述微型量子随机数发生器的后处理单元输出验证合格的真随机数数据块，否则输出自检通过标志=0，并重置所述微型量子随机数发生器；

18、在接收到自检通过标志=1时，所述可穿戴式视频采集设备内置的主控处理器配置直接内存访问通道的源地址为所述微型量子随机数发生器的输出寄存器地址，在系统安全内存区分配一段连续的内存空间作为环形缓冲池，并初始化环形缓冲池的写指针和读指针，所述主控处理器用于在后台静默执行真随机数搬运，并在内存中维护对应的写指针，以及为所述硬件流式加密ip核维护对应的读指针。

19、在一种可选的实现方式中，所述微型量子随机数发生器在设备运行期间，通过直接内存访问通道在后台静默生成真随机数并填充至环形缓冲池中，在所述可穿戴式视频采集设备与移动终端建立无线连接时，调用量子安全服务云平台进行双向身份认证并协商会话密钥，包括：

20、所述微型量子随机数发生器在设备运行期间，基于配置完毕的直接内存访问通道，通过主控处理器以后台静默方式，将所述微型量子随机数发生器输出的真随机数数据块自动写入所述环形缓冲池中，并在每次写入操作完成后，实时更新写指针，得到更新的写指针；

21、当在所述可穿戴式视频采集设备与移动终端建立无线连接时，硬件流式加密ip核基于更新的写指针与当前的读指针计算环形缓冲池的有效数据余量，并在所述有效数据余量大于等于满载余量阈值时，判定缓冲池内具有充足的真随机数，输出允许提取标志=1，否则，锁定所述环形缓冲池的真随机数提取进程；

22、基于允许提取标志=1，所述可穿戴式视频采集设备根据当前的读指针，从环形缓冲池中提取一个真随机数，作为设备端量子挑战值，并使用无线通信模块，将所述可穿戴式视频采集设备的设备端标识符和所述设备端量子挑战值发送至移动终端；

23、所述移动终端根据接受的所述设备端标识符和所述设备端量子挑战值生成终端挑战值，连同自身的终端标识符发送至量子安全服务云平台和所述可穿戴式视频采集设备；

24、所述可穿戴式视频采集设备使用内置私钥对所述设备端标识符、所述设备端量子挑战值以及接收的所述终端挑战值进行数字签名，生成签名值并发送至量子安全服务云平台；

25、所述量子安全服务云平台预置的设备公钥校验所述签名值的合法性，并校验设备端量子挑战值的新鲜度，若合法性和新鲜度校验通过，则输出双向认证通过标志=1；

26、基于双向认证通过标志=1，所述量子安全服务云平台使用光纤量子密钥分发网络生成基础量子密钥，并分别安全下发至所述可穿戴式视频采集设备和所述移动终端；

27、所述可穿戴式视频采集设备和所述移动终端分别根据接收到的基础量子密钥，结合所述设备端量子挑战值与所述终端挑战值，使用密钥派生函数，计算最终的会话密钥。

28、在一种可选的实现方式中，当图像信号处理器输出高清视频流数据时，所述硬件流式加密ip核按预设规则从环形缓冲池中提取真随机数作为初始种子，使用密码学安全的种子扩充算法，生成与当前高清视频流数据等长的伪随机密钥流，使用所述伪随机密钥流对所述当前高清视频流数据进行按位异或运算实现流加密，并将得到的加密视频流写入本地存储模块，包括：

29、当图像信号处理器输出高清视频流数据的第

i帧视频帧时，硬件流式加密ip核检查是否存在允许提取标志=1，若存在，则判定具备加密条件，根据当前的读指针，从环形缓冲池中提取另一个真随机数，作为当前视频帧的初始种子，并更新当前的读指针，得到更新后的读指针，其中，

i为当前帧序号；

30、所述硬件流式加密ip核将所述初始种子加载至分配的密钥输入寄存器基址，使用当前帧序号作为初始向量，采用密码学安全的种子扩充算法，将所述高清视频流数据的第

i帧视频帧划分为若干子块，生成与当前高清视频流数据的视频帧等长的伪随机密钥流；

31、所述硬件流式加密ip核将图像信号处理器输出的第

i帧视频帧加载至分配的明文数据缓存基址中，将所述伪随机密钥流与第

i帧视频帧进行按位异或运算，生成加密视频帧密文；

32、所述硬件流式加密ip核通过配置完毕的存储控制器总线直连通路，将所述加密视频帧密文直接写入本地存储模块，形成加密视频帧，在写入完成的同时，所述可穿戴式视频采集设备在内存中建立并保存所述加密视频帧与其对应初始种子的映射关系表，并实时将该映射关系表写入本地存储模块的指定安全区域进行持久化备份，以防设备掉电导致密钥丢失；

33、遍历高清视频流数据的所有帧视频帧，生成加密视频流，并写入本地存储模块。

34、在一种可选的实现方式中，在所述可穿戴式视频采集设备准备向移动终端传输视频前，还包括：

35、所述可穿戴式视频采集设备检测本地存储模块中是否存在持久化存储的映射关系表；

36、若存在，则将所述映射关系表从本地存储模块加载至内存，用于后续的视频传输解析；

37、若不存在，则判定本地存储的视频数据为无效数据，停止传输进程并向移动终端发送存储异常警报。

38、在一种可选的实现方式中，当所述可穿戴式视频采集设备的与所述移动终端传输视频时，使用所述会话密钥对初始种子进行加密，并将得到的加密后的初始种子与加密视频流一并发送给移动终端，包括：

39、当所述可穿戴式视频采集设备与所述移动终端传输所述加密视频流的第

i帧视频帧时，根据映射关系表，读取与当前待传输的加密视频流的第

i帧加密视频帧对应的初始种子；

40、所述可穿戴式视频采集设备使用所述会话密钥作为对称加密密钥，对所述初始种子进行加密运算，生成加密后的初始种子；

41、所述可穿戴式视频采集设备将所述加密视频流的第

i帧加密视频帧与加密后的初始种子进行组合封装，在封装时加入当前帧序号作为同步头部，生成完整的待发送数据包，发送至移动终端。

42、在一种可选的实现方式中，当移动终端接收到加密后的初始种子和加密视频流后，使用所述会话密钥对所述加密后的初始种子进行解密，得到初始种子，使用相同的种子扩充算法，生成相同的伪随机密钥流，并对所述加密视频流进行按位异或解密，还原得到高清视频流数据，包括：

43、当移动终端接收到数据包后，提取其中的同步头部以获取当前帧序号，并分离出加密后的初始种子与所述加密视频流的第

i帧加密视频帧；

44、所述移动终端调用本地安全存储区中的所述会话密钥，使用所述会话密钥作为对称解密算法的密钥，对加密后的初始种子进行解密运算，恢复得到明文形式的初始种子；

45、所述移动终端将明文形式的初始种子作为密钥，使用当前帧序号作为初始向量，采用完全相同的密码学安全的种子扩充算法，将所述加密高清视频流数据的第

i帧加密视频帧划分为若干子块，在本地重构生成与当前加密视频流的加密视频帧等长的伪随机密钥流；

46、所述移动终端将所述加密视频流的第

i帧加密视频帧与所述伪随机密钥流进行按位异或运算，完成流解密，还原出第

i帧高清视频流明文；

47、遍历所述加密视频流的所有帧加密视频帧，还原得到高清视频流数据。

48、第二方面，本发明实施例提供了一种基于量子加密的视频安全传输装置，用于实现所述视频安全传输方法，所述装置包括：

49、硬件集成与初始化单元，所述用于在所述可穿戴式视频采集设备的图像信号处理器与本地存储模块之间的数据通路上设置硬件流式加密ip核，并在所述可穿戴式视频采集设备内集成微型量子随机数发生器；

50、真随机数搬运与双向身份认证单元，用于所述微型量子随机数发生器在设备运行期间，通过直接内存访问通道在后台静默生成真随机数并填充至环形缓冲池中，在所述可穿戴式视频采集设备与移动终端建立无线连接时，调用量子安全服务云平台进行双向身份认证并协商会话密钥；

51、硬件流式加密与本地存储单元，用于当图像信号处理器输出高清视频流数据时，所述硬件流式加密ip核按预设规则从环形缓冲池中提取真随机数作为初始种子，使用密码学安全的种子扩充算法，生成与当前高清视频流数据等长的伪随机密钥流，使用所述伪随机密钥流对所述当前高清视频流数据进行按位异或运算实现流加密，并将得到的加密视频流写入本地存储模块；

52、种子加密与数据包传输单元，用于当所述可穿戴式视频采集设备的与所述移动终端传输视频时，使用所述会话密钥对初始种子进行加密，并将得到的加密后的初始种子与加密视频流一并发送给移动终端；

53、解密与视频还原单元，用于当移动终端接收到加密后的初始种子和加密视频流后，使用所述会话密钥对所述加密后的初始种子进行解密，得到初始种子，使用相同的种子扩充算法，生成相同的伪随机密钥流，并对所述加密视频流进行按位异或解密，还原得到高清视频流数据。

54、在一种可选的实现方式中，所述可穿戴式视频采集设备包括：

55、片上系统，内部集成有图像信号处理器、主控处理器、存储控制器以及硬件流式加密ip核；所述图像信号处理器的视频输出总线物理直连至硬件流式加密ip核的明文输入端，所述硬件流式加密ip核的密文输出端连接至存储控制器；所述片上系统模块用于执行视频数据的采集、物理级流加密与存储控制；

56、微型量子随机数发生器，与所述主控处理器连接，包括物理熵源采集子模块、在线熵值评估子模块及后处理子模块；所述微型量子随机数发生器用于采集半导体发光二极管散粒噪声或激光器相位噪声生成原始比特流，进行最小熵验证输出自检通过标志，并输出验证合格的真随机数数据块；

57、直接内存访问通道，与所述微型量子随机数发生器输出端和系统安全内存区连接；所述直接内存访问通道用于在接收到自检通过标志=1时，在后台静默执行真随机数向环形缓冲池的搬运，并维护更新写指针；

58、系统安全内存区，用于存储环形缓冲池以及加密视频帧与初始种子的映射关系表，并为所述硬件流式加密ip核提供明文数据缓存基址和密钥输入寄存器基址，维护读指针；

59、无线通信模块，与所述主控处理器连接，用于与移动终端及量子安全服务云平台建立无线连接，发送设备端量子挑战值和签名值，并接收终端挑战值和基础量子密钥，以及发送封装后的数据包。

60、在一种可选的实现方式中，所述移动终端包括：

61、数据包解析模块，用于接收所述待发送数据包，提取其中的同步头部以获取当前帧序号，并分离出加密后的初始种子与所述加密视频流的第

i帧加密视频帧；

62、种子安全恢复模块，用于调用本地安全存储区中的所述会话密钥，对加密后的初始种子进行解密运算，恢复得到明文形式的初始种子；

63、密钥流重构与异或解密模块，用于采用完全相同的密码学安全的种子扩充算法，在本地重构生成与当前加密视频帧等长的伪随机密钥流，并将加密视频帧与伪随机密钥流进行按位异或运算，还原出高清视频流明文；

64、显示播放模块，用于遍历还原得到的所述高清视频流数据，进行视频画面的解码与实时播放。

65、本发明实施例第三方面提出一种电子设备，电子设备包括：

66、至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；

67、其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行本发明实施例第一方面提出方法。

68、本发明实施例第四方面提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例第一方面提出方法。