hdcp部分加密算法介绍

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hdcp简介

hdcp算法介绍

1.密码学算法

本文简单介绍hdcp涉及的加密算法流程，主要是dh和sha-1,后续可能会补充下des,rsa,hmac，伪随机数发生器，lfsr等内容。

1.1.Diffie-Hellman密钥交换算法

{}表示集合，这个公式很好理解，一个数mod一个素数p，其值一定不为0，只可能是1 和 p-1之间的数。

有 ,证明如下：

两者计算得到的一定相等，后面我们可以看到，hdcp第一阶段的交换过程的原理与之类似。

1.2 sha-1算法介绍及其c代码实现

  sha-1，全称Secure Hash Algorithm,sha-1生成160bit的数据，sha-256生成256bit的数据，相比与sha256而言，sha-1安全性是比不上的，但是sha-1和sha-256大致流程类似，sha-1更容易理解其流程，更容易实现。

  sha-1,输入为长度为0-2^64bit的消息，输出160bit的消息摘要，大致流程如下：

  将消息m分组，每组512bit,最后一组不够512bit,在最后一组补1，其余位补0，直到满足最后一组的L mod 512 = 448;512 – 448 = 64，64为预留的消息的长度。

接着一组一组的进行处理，将每组的512bit分成16 * 32，也就是16份，每份32bit，进行预处理，按下图所示的方式处理成80组，

接着初始化5个常量，用于计算

将上面初始化的常量赋值给abced,再按如下图所示的方式进行80轮迭代

sha-1的代码如下：

#include<stdio.h> /*定义用到的常量*/ unsigned int A = 0x, B = 0xEFCDAB89, C = 0x98BADCFE, D = 0x, E = 0xC3D2E1F0; //第一次迭代的链接变量 unsigned int K[4] = { 0x5A, 0x6ED9EBA1, 0x8F1BBCDC, 0xCA62C1D6}; //循环中用到的常量 unsigned int A0 = 0x,B0 = 0xEFCDAB89,C0 = 0x98BADCFE,D0 = 0x,E0 = 0xC3D2E1F0; /*字节转字*/ int CharToWord(unsigned char *character, int first) { int temp = (((int)character[first] & 0x000000ff) << 24) | (((int)character[first + 1] & 0x000000ff) << 16) | (((int)character[first + 2] & 0x000000ff) << 8) | ((int)character[first + 3] & 0x000000ff); return temp; } /*f函数*/ unsigned int f(int B, int C, int D, int t) { return (t >= 0 && t <= 19) ? ((B&C) | (~B&D)) : ((t >= 20 && t <= 39) ? (B ^ C ^ D) : ((t >= 40 && t <= 59) ? ((B&C) | (B&D) | (C&D)) : ((t >= 60 && t <= 79) ? B ^ C ^ D : 0))); } /*从W消息分组中导出*/ void GetExtraMessage(unsigned int w[]) { for (int i = 16; i < 80; i++) w[i] = ((w[i - 3] ^ w[i - 8] ^ w[i - 14] ^ w[i - 16]) << 1) | ((w[i - 3] ^ w[i - 8] ^ w[i - 14] ^ w[i - 16]) >> 31); } /*分组*/ void DevideToGroup(unsigned char *plaintext,unsigned int *group,int length) { //512 - 64 = 448; //448 - (length + 1) 0的个数 //填充 unsigned char temp[64] = {0}; for (int i = 0; i < length; i++) temp[i] = plaintext[i]; temp[length] = 0x80; int len = length * 8; for (int i = 0; i <= 7 && len; i++) { temp[63 - i] = len & 0xff; len = (len >> 8); } for (int i = 0; i < 16; i++) group[i] = CharToWord(temp, i * 4); } unsigned int GetK(int t) { return (t >= 0 && t <= 19) ? K[0] : ((t >= 20 && t <= 39) ? K[1] : ((t >= 40 && t <= 59) ? K[2] : ((t >= 60 && t <= 79) ? K[3] : 0))); } /*步函数*/ unsigned int StepFunction(unsigned int w[],int t) { unsigned int temp = ((A << 5)|(A >> 27)) + f(B, C, D, t) + E + w[t] + GetK(t); E = D,D = C,C = ((B << 30) | (B >> 2)),B = A,A = temp; printf("第%2d轮加密后的密文是%08X %08X %08X %08X %08X\n", t + 1, A, B, C, D, E); } /*密文组合*/ unsigned int CombineCipher(unsigned int cipher[]) { for (int i = 0; i <= 4; i == 0 ? cipher[i] = (A0 + A) : (i == 1 ? cipher[i] = (B0 + B) : (i == 2 ? cipher[i] = (C0 + C) : (i == 3 ? cipher[i] = (D0 + D) : (i == 4 ? cipher[i] = (E0 + E) : 0)))), i++); } int main() { int i, t, j, length, temp; unsigned char plaintext[64] = "abc", hash[20] = { 0 }; unsigned int group[80] = { 0 }, cipher[5] = { 0 }; /*长度填充到最后*/ printf("当前明文字符串为："); for (i = 0; plaintext[i]; length = i + 1,i++) { printf("%c", plaintext[i]); group[15] = (i + 1) * 8; //长度是二进制位数 } /*分组填补*/ printf("\n\n0x00 正在分组…………\n"); DevideToGroup(plaintext, group, length); /*从w消息分组中导出*/ GetExtraMessage(group); /*80次步函数*/ printf("\n0x01 SHA-1加密中…………\n\n"); for (t = 0; t < 80; t++) { StepFunction(group, t); if (!((t + 1) % 20)) printf("\n"); } /*密文组合*/ printf("\n0x02 hash值组合中…………\n\n"); CombineCipher(cipher); /*密文输出*/ printf("\n0x03 SHA-1加密成功！！！\n\nHash："); for (j = 0; j <= 4; j++) printf("%08X", cipher[j]); printf("\n"); return 0; }

运行结果如下：

文献给的算例结果如下：

可以看到，编写的c代码算出的结果与sha文献中给出的结果一致，验证了代码的正确性。

2.hdcp协议流程&代码注解与分析

  hdcp流程参考上海交大的论文基于 HDMI 的 HDCP 认证及加密的软件实现以及hdcp1.4的spec来进行讲解，介绍hdcp1.4的流程与实现，hdcp1.4一般是用硬件来实现的，软件做的话会比较慢。交大的这篇论文最后的实验结果是跑在intel core i5双核超线程2.8G处理器上，用优化后的软件版本,软件在1920×1080的高清分辨率下，达不到60帧。说明软件实现速度是不够了，距离这篇论文过去十几年，电脑以及芯片性能肯定有提升，但跑在芯片上，最多只能支持hdmi1.4,hdmi2.0的4k60用软件去跑负载肯定会非常重，更不用提hdmi2.1了。

2.1 hdcp1.4流程

2.1.1 hdcp1.4第一阶段

    

看下spec给的例子：

0xb70361f714,选0，2，3，6，7,…,38,0x511ef21acd选2，4，8，9，10,…39,结果相加，写了个c代码验证，如下：

#include<stdio.h> int main() { unsigned long long k[20] = {0x4da4588f131e69, 0x8a6a47abb9980d, 0xf3181b52cbc5ca, 0xa0d064c8112c41, 0xb39d5a, 0x91a47b4a6ce4f6, 0x8c7fb706ee3fa0, 0xc02d8c9d7cbc28, 0x482f8e, 0xe2db3a54, 0x4d581aede66125, 0xbf7b22f7, 0xf61bce6b, 0xa1ed49f9, 0xc98e9dd, 0x20c, 0xceac4fc3, 0x54c7ea5bdd7b43, 0x05d3408a78fb01, 0x373b634a2c9e40}; unsigned long long k1[20] = {0x24bf2185a36c60, 0xa72e69c5eb6388, 0x3bd5103, 0x0dd170be, 0x1a748be4866bb1, 0x4bbb037899eea1, 0x190ecf9cc095a9, 0xa821cf, 0x1a8a0bc4298a41, 0xaefc0853e62082, 0xe3053fa3e9fa69, 0x37dc7d1, 0x9e93d41e0811f7, 0x2ceec6c, 0xdf6d, 0xca31a5f, 0x1d30e8cb198e6f, 0xcec7ec09245b43, 0xb08129efedd583, 0xedeef9d099b78c}; unsigned long long sum = 0; for (int i = 0; i < 20; i++) { sum = (sum + k[i]) & 0xffffffffffffff; } printf("sum = 0x%llx\n", sum); unsigned long long sum1 = 0; for (int i = 0; i < 20; i++) { sum1 = (sum1 + k1[i]) & 0xffffffffffffff; } printf("sum1 = 0x%llx\n", sum1); } 

可以看到，算出来的结果相等且同spec一致

   计算出km之后，根据km，repeat和An算ks,m0和r0，验证r0和rx端读到的值是不是相等，相等则继续，不等则失败。以上是第一阶段的流程。

 2.1.2 hdcp1.4第二阶段

   HDCP 的接收器是一个 HDCP 中继器的时候需要第二阶段的认证，只有 REPEATER 位被置上表明下游设备是一个 HDCP 中继器的时候，HDCP 的发 送器才会执行第二阶段的认证协议。在这个阶段通过一个 HDCP 的连接树，收集下游所有连接到 HDCP 中继器设备的 Ksv 列表。HDCP 中继器下游保护的 HDCP 接口端口完成和它连接的所有 HDCP 接收 设备的认证协协议之后，HDCP 中继器会收集一个它所连接的 HDCP 接收器的列表。这 个列表为一个连续的字节序列，每个 Ksv 占据 5 个字节，即 40 个 bit，按照小端的方式 排列。这个字节序列的长度为下游连接的包括 HDCP 中继器在内的 HDCP 设备的数量 的 5 倍字节。一个 HDCP 保护的接口端口如果没有活动的设备连接，那么它下面连接的 的设备不会有任何信息加入到这个列表。当然，在任何一级上的 HDCP 中继器上的 KSV 列表都不包括 HDCP 中继器本身。如果一个 HDCP 保护的接口端口连接的是一个 HDCP 接收器而不是一个 HDCP 中继器，那么就把 BKsv 加入到列表当中。如果一个 HDCP 保 护的接口端口连接的是一个 HDCP 中继器，那么就把下游 HDCP 中继器的 Ksv 列表加 入到当前列表，在加上这个下游的 HDCP 中继器的本身的Ksv。

2.1.3 hdcp认证第三阶段

   Ki，类似Ks，56bits，用于HDCP cipher对HDCP内容加密、解密。Mi，一个新的64bits 随机数，由加密函数生成，Ri，16bits，用于链路完整性检查，每128frame时更新一次。ransmitter和Receiver各自计算出 (Ki, Mi, Ri)还是通过hdcpBlockCipher计算出来。检测两端ri相不相等。

2.2 代码注解

   

2.2.1 基本模块接口

hdcpBlockCipher 这个操作很重要，在认证的第一部分用来建立会话密钥 Ks
，在每个加密桢之前的垂 直消隐期内建立帧密钥 Ki
。

hdcpBlockCipher
的操作过程在加密机里面分为以下几个步骤：

第一步：
block
模块加载
B
和
K
寄存器

第二步：在
Block
模块里面运行
48
个时钟周期
hdcpBlockCipher

第三步：把
B
寄存器的最低
56
个
bit
作为以后要使用的
Ks
或者
Ki

第四步：把
B
寄存器的
84
个
bit
的值送入
K
寄存器

第五步：重新加载
B
寄存器

第六步：初始化线形反馈寄存器，注意这里用到了第三步的
Ks
或者
Ki

第七步：密码重置使能

第八步：线形反馈寄存器和
block
模块运行
56
个时钟周期后保存最后
4
个
clock
里

面的
64 bit
的
Mi

第九步：密码重置被失效

上面我对照代码一一注释了，可以自行对照论文研究其细节。论文给出的表很清晰

    可以看出
x
，
y
，
z
由低位到高位一次组成了
B
，
K
的轮寄存器。当轮寄存器的输出 小于 84
个
bit
的时候，最低有效位被使用，其他的未被使用的被置为零。比如，
65 bit 的 REPEAT
位和
An
的组合，被加载到
Bx
，
By
寄存器和
Bz
寄存器的从最低有效位开 始的 9
个
bit
，加起来正好
65
个
bit
。而
Bz
寄存器的从最高有效位开始的
19
个
bit
都 被置为零。与之类似的从 Bx
和
By
在
hdcpBlockCipher
的认证阶段
6-9
的时候从最低有 效位的 56 bit
保存为
Ks
或者
Ki
。 可以看出在第八步运行到第 53
个时钟的时候开始输出
Mi
的最高有效位的前
16
位， 以后依次处处了 Mi
，
Ri
的值，在第
56
个周期的时候最终确定和
Mi
，
Ri
的所有
64 bit 的值。

   

hdcpStreamChiper

   对于被
TMDS
数据使能信号所定义的每个视频像素数据，包括信息包数据都被加密 输出一个 24 bit
的数据，在这个状态下，
LFSR
和
Block
都处于工作状态，但是
rekey 使能信号无效。

hdcpRekeyCipher

    在紧跟着有效行数据的水平消隐期的间隔里，
hdcpRekeyCipher
通过
LFSR
模块把新的密钥装入 Block
模块。在
rekey
期间，没有其他的对于加密机状态的初始化，也没有 任何从加密机的输出。LFSR
和
Block
模块运行
56
个周期，在此期间，
rekey
使能信号为1
。