HLS SAMPLE-AES加密方法

以下为HLS标准中的描述：

An encryption method of SAMPLE-AES means that the Media Segments are Sample Encrypted using the Advanced Encryption Standard[AES_128]. How these media streams are encrypted and encapsulated in a segment depends on the media encoding and the media format of the segment. fMP4 Media Segments are encrypted using the ‘cbcs’ scheme of Common Encryption [COMMON_ENC]. Encryption of other Media Segment formats containing H.264, AAC, AC-3 , and Enhanced AC-3 media streams is described in the HTTP Live Streaming (HLS) Sample Encryption specification [SampleEnc].

以下为结合相关文档整理出的分别对TS和fMp4的加密方法说明

TS

对于TS: 遵循HTTP Live Streaming (HLS) Sample Encryption specification 标准。

• 对于不同的codec 类型的stream，加密块protected block有不同的定义。audio的一个protected block是一个audio 帧， H.264 类型video的一个protected block是一个NAL单元（network adaptation layer）
• 每个protected block中包含多个16-byte大小的子block，每个子block都是用AES-128 CBC mode(no padding)加密, 每个新的protected block都需要重置IV到初始值。(注意stream 为multi-slice的情况)

(1) H.264 Video Streams

只对NAL type 为1或5类型的NAL加密，其它类型的NAL不加密，以下为1个加密的NAL数据单元：

//Encryption of NAL units
Encrypted_nal_unit () {
    nal_unit_type_byte                // 1 byte
    unencrypted_leader                // 31 bytes
    while (bytes_remaining() > 0) {
        if (bytes_remaining() > 16) {
            encrypted_block           // 16 bytes
        }
        unencrypted_block           // MIN(144, bytes_remaining()) bytes
    }
}

前32个bytes不加密，之后为protected block, protected block的size小于16 bytes时， 不加密；因此，如果一个NAL的size小于48 bytes(32+16), 则整个NAL都不加密。

protected block使用10%的加密比例，每一个16-byte block的加密数据后跟着9个16-byte block的非加密数据。

为了防止对加密后的NAL中出现start code,需要对加密后的数据再处理一下，在0x0000 和 0x00/0x01/0x02/0x03之间添加0x03作为start code emulation prevention byte。

(2) AAC Audio Streams

一个AAC的protected block是一帧audio frame，包含audio data transport stream (ADTS)header

//Encryption of AAC Audio Frames
Encrypted_AAC_Frame () {
    ADTS_Header                        // 7 or 9 bytes
    unencrypted_leader                 // 16 bytes
    while (bytes_remaining() >= 16) {
        encrypted_block                // 16 bytes
    }
    unencrypted_trailer                // 0-15 bytes
}

ADTS header不加密，剩余的数据以16-byte作为一个block进行加密，最后不足16-byte的数据不加密

fMP4

对于fMP4: 遵循Common Encryption中定义的cbcs加密方法；

cbcs 属于 AES CBC模式中的 subSample Pattern Encryption
对于AES-CBC模式，需要对每个subSample的第一个加密块(block)设置IV
对于AES-CTR模式，需要对每个Sample的第一个加密块(block)设置IV

(1) audio

audio 使用 whole-block full-sample encryption.
整个sample都是protect部分，每个sample从第0个字节开始加密直到最后16-byte的边界，末尾最后0~15-byte不加密。每个sample都要重置IV

(2) video

video 使用 Pattern Encryption.
Pattern Encryption 是对SubSample中的protect 部分按照16 byte进行分块加密。
Subsample 的protect部分只包含video slice data, 不包含NAL size, NAL type, video slice header 或者其他 NAL type, 非protect的部分都作为clear数据。

推荐加密比例为 encrypt:skip = 1:9, 每160-byte为一重复单元。最后剩余不足160-byte的, 如果>16-byte, 则16-byte加密，剩余的skip；如果<16-byte, 则都skip.

加密序列举例：16-byte enc, 144-byte skip, 16-byte enc, 144-byte skip,…,16-byte enc, 121-byte skip.

Reference

• MPEG-2 Stream Encryption Format for HTTP Live Streaming
• Emulation Prevention
• Common Encryption (CENC)
• HTTP Live Streaming 2nd Edition draft-pantos-hls-rfc8216bis-13
• International Organization for Standardization,
  “Information technology – MPEG systems technologies –
  Part 7: Common encryption in ISO base media file format
  files”, ISO/IEC International Standard 23001-7:2016,
  February 2016