引言

現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展深刻改變了信息交互模式。傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡(luò)基于嚴(yán)格的時(shí)分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)機(jī)制構(gòu)建，其核心問題在于帶寬利用率低下［1］。TDM要求為每個(gè)通話固定分配一條64 kb/s的信道，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)必須承載大量靜默期服務(wù)(例如交談中的思考停頓、輪流講話間隙)，造成了顯著的帶寬資源浪費(fèi)。近年來，IP語音(Voice over IP，VoIP)技術(shù)憑借其高效性在通信領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，其利用分組交換和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)，能夠在僅需4.8 kb/s~8 kb/s的較低帶寬下，建立高質(zhì)量的話音通道，相比于傳統(tǒng)TDM電話節(jié)省了大量帶寬資源，為用戶帶來了極大的便利，并推動(dòng)了通信服務(wù)的普及和升級(jí)［2］。然而，VoIP基于開放的IP網(wǎng)絡(luò)傳輸語音數(shù)據(jù)包，其固有的開放性也引入了嚴(yán)峻的安全挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)絡(luò)電話的普及，針對(duì)VoIP通信的威脅日益凸顯，包括但不限于：通話內(nèi)容竊聽、語音數(shù)據(jù)篡改、身份偽裝欺騙以及服務(wù)拒絕攻擊［3］。這些威脅不僅侵犯用戶隱私，也可能導(dǎo)致重要信息泄露或通信中斷，造成嚴(yán)重后果。在信息全球化和數(shù)據(jù)價(jià)值日益提升的今天，保障VoIP語音數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和實(shí)時(shí)可用性已成為通信安全領(lǐng)域的關(guān)鍵需求。特別是，實(shí)時(shí)語音通信對(duì)端到端延遲和語音質(zhì)量有著嚴(yán)苛的要求,因此，開發(fā)能夠滿足高安全性與低處理延遲雙重目標(biāo)的VoIP數(shù)據(jù)保護(hù)方案，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前，保障VoIP數(shù)據(jù)安全的主要技術(shù)路線包括：(1)軟件加密方案：在通用處理器CPU上運(yùn)行加密算法。其優(yōu)勢(shì)在于靈活性強(qiáng)、易于部署和更新。然而，純軟件方案在處理高吞吐量、低延遲的實(shí)時(shí)語音流時(shí)面臨巨大挑戰(zhàn)。復(fù)雜的加解密運(yùn)算會(huì)顯著增加CPU負(fù)載，導(dǎo)致處理時(shí)延增大、抖動(dòng)加劇，甚至可能因資源不足而丟包，最終嚴(yán)重劣化通話體驗(yàn)質(zhì)量(QoS/QoE)［4］。(2)專用硬件加密方案：采用專用集成電路(ASIC)實(shí)現(xiàn)加密功能。ASIC通常能提供極高的吞吐量和極低的固定延遲。但其主要缺陷在于缺乏靈活性和可重構(gòu)性。一旦芯片設(shè)計(jì)完成，算法通常難以更新升級(jí)，且開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，難以滿足VoIP快速演進(jìn)的安全需求和多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景［5］。(3)基于FPGA的硬件加速方案：利用FPGA的并行處理能力實(shí)現(xiàn)加密加速。FPGA方案在性能和靈活性之間取得了一定平衡［6］，然而，現(xiàn)在許多FPGA加速方案未能充分考慮在完整VoIP終端或網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，如何最優(yōu)協(xié)調(diào)安全性、實(shí)時(shí)性(低延遲、低抖動(dòng))與資源(功耗、邏輯單元)消耗之間的關(guān)系。此外，如何高效管理CPU與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互和控制，也是影響整體系統(tǒng)性能和復(fù)雜度的關(guān)鍵因素。綜上所述，現(xiàn)有VoIP數(shù)據(jù)安全方案在應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)性、靈活性、系統(tǒng)集成度以及性能-資源平衡等方面仍存在明顯局限。亟需一種能夠有效協(xié)同高性能硬件加速與靈活軟件控制的新型架構(gòu)，在確保強(qiáng)安全性的同時(shí)，嚴(yán)格滿足VoIP對(duì)低延遲和高語音質(zhì)量的苛刻要求。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)與需求，本文創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于CPU+FPGA軟硬件協(xié)同處理架構(gòu)的VoIP數(shù)據(jù)加密方案。本方案的核心思想在于根據(jù)任務(wù)特性進(jìn)行合理的軟硬件功能劃分：CPU及其存儲(chǔ)模塊組成了主控調(diào)度單元，負(fù)責(zé)核心控制與調(diào)度功能，包括各類通信接口數(shù)據(jù)的解析與協(xié)議處理、系統(tǒng)資源的動(dòng)態(tài)配置與管理，同時(shí)可根據(jù)命令類型，調(diào)度和控制算法運(yùn)算單元的工作流程；FPGA作為算法運(yùn)算單位的核心部件，利用其強(qiáng)大的并行處理能力和可重構(gòu)特性，高效實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的加解密運(yùn)算，其通過硬件邏輯直接處理實(shí)時(shí)捕獲的VoIP語音流，顯著提升處理速度并降低延遲。通過這種協(xié)同架構(gòu)，本方案旨在深度融合軟件的靈活控制優(yōu)勢(shì)與硬件的高效并行處理能力，突破純軟件方案在實(shí)時(shí)性上的瓶頸和純硬件方案在靈活性上的不足，最終實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)安全保障下，對(duì)VoIP語音質(zhì)量的有效維持。為驗(yàn)證方案的有效性，本文搭建了專用的語音測(cè)試環(huán)境，采用主觀與客觀相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，對(duì)加密模塊的性能和通話質(zhì)量影響進(jìn)行了全面評(píng)估。

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作者信息：

李斌1，楊歡1，李德陽2，楊志明1，姬勝凱1

(1.中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所，北京100083；

2. 96901部隊(duì)，北京100094)