بخشی از مقاله
روش رمزنگاری جزئی نوبرای چند رسانه ای ها
چکیده
برای محافظت از مؤلفههای چندرسانهای، محققان و مهندسان بیشتری به رمزنگاری جزئی روی میآورند که تنها بخشی از مؤلفههای چندرسانهای را با استفاده از الگوریتم رمزگذاری قوی، رمزنگاری میکند. در این پژوهش ما یک مدل رمزنگاری جزئی همراه با برخی اصول طراحی آن پیشنهاد میکنیم..
واژههای کلیدی: رمزنگاری مولفه چندرسانه ای, رمزنگاری جزئی, رمزنگاری تصویر
-1 مقدمه
با توسعه ی تکنولوژی کامپیوتر و اینترنت، داده های رسانه (عکس، ویدئو، صدا و غیره)، نسبت به گذشته بهطور گستردهتری استفاده میشوند.
برای محافظت از مؤلفههای چندرسانهای، محققان و مهندسان بیشتری به رمزنگاری جزئی روی میآورند که تنها بخشی از مؤلفههای چندرسانهای را با استفاده از الگوریتم رمزگذاری قوی، رمزنگاری میکند. ابتدا حجم دادههای رمزگذاری شده را کاهش میدهد و باعث بهبود بهرهوری میشود. دوم، برخی از اطلاعات فرمت میتوانند بدون تغییر باقی بمانند که سازگار با الگوریتم های فشردهسازی و یا نقلوانتقال است. از آنجاکه دادههای چندرسانهای اغلب قبل از انتقال و یا ذخیرهسازی، فشردهسازی میشوند، الگوریتمهای رمزنگاری جزئی اغلب در حوزه فشرده سازی کار میکنند. درطول عملیلت کدگذاری صوتی، اغلب پارامترها رمزگذاری میشوند.
برای مثال در MP3 codec تنها پارامترهای حساس از جریان MP3 رمزگذاری میشوند. برای فشردهسازی تصاویر، الگوریتمهای مبتنی بر کدکهای موجک و DCT محققان بیشتری را جذب میکند که تنها برخی از عوامل عمده مشترک را رمزگذاری میکنند. بطور کلی جریان فشردهسازی ویدئو، از اطلاعات فرمت، اطلاعات بافت و یا اطلاعات حرکت ترکیب شدهاست. بنابراین رمزنگاری ویدئو اغلب به چهار بخش رمزنگاری اطلاعات فرمت، رمزنگاری اطلاعات بافت، رمزنگاری اطلاعات حرکت و رمزنگاری ترکیبی دستهبندی میشوند. دادههای متن/دودویی نیز ممکن است به طور انتخابی رمزنگاری شوند و درنتیجه پارامترهای با ویژگیهای مختلف تولید کنند. برای مثال در کدک هایی از قبیل H.263 یا MPEG2، دادههای رسانه به بلوکهای داده تقسیم میشوند. بلوکها یک به یک کدگذاری میشوند و تنها برخی از بلوکها رمزنگاری میشوند. در حالی که بلوکهای دیگر بدون تغییر باقی می مانند. رمزنگاری جزئی یا رمزنگاری گزینشی، بدلیل خصوصیات راندمان زمانی، سازگاری فرمت و سازگاری شبکه، یک انتخاب مناسب برای رمزنگاری مولفههای چند رسانهای است. برای اعمال آن در نرمافزارهای کاربردی، در درجه اول امنیت آن باید مورد بررسی قرارگیرد .[1]
-2 رمزنگاری چندرسانهای
با توسعه سریع فنآوریهای کامپیوتر و اینترنت، دادههای چندرسانهای اعم از عکس، ویدئو، صدا و غیره به طور گستردهای مورد استفاده قرار میگیرند. امروزه دادههای چندرسانهای ارتباط نزدیکی با بسیاری از جنبههای زندگی روزمره ما ازجمله آموزش و پرورش، تجارت، سیاست و غیره دارد. به منظور حفظ امنیت و یا حفظ حریم خصوصی، نیاز است که دادههای حساس قبل از انتقال و یا توزیعشان محافظت شوند. به عبارت دیگر میتوان گفت که این روش یک متد کنترل حق دسترسی است که دسترسیها توسط تصدیق هویت کاربران کنترل میشود. با این حال در این روش دادههای چندرسانهای خودشان محافظت شده نیستند و ممکن است در طول انتقال داده ها به سرقت بروند. بنابراین تامین امنیت دادههای چندرسانهای باید قبل از انتقال یا توزیع محافظت شوند .[1] روش محافظت معمول، روش رمزنگاری است که دادهها را از شکل اصلی به شکل غیر قابل فهم تبدیل می کند .[2] به بکارگیری الگوریتمهای رمزنگاری سنتی و یا الگوریتمهای رمزنگاری مدرن برای محافظت از مؤلفههای چندرسانه، رمزنگاری مؤلفههای چندرسانهای میگوند.[1]
تاکنون چندین الگوریتم رمزنگاری داده نظیر AES، RSA یا [2,3] IDEA پیشنهاد شده و به طور گسترده ای مورد استفاده قرارگرفته است که بیشترشان در متن و یا دادههای دودویی استفاده شدهاند. مشکلی که وجود دارد این است که این الگوریتمها را نمیتوان به طور مستقیم در دادههای چندرسانهای استفاده کنیم. برای دادههای چندرسانهای اغلب افزونگی بالا، حجمهای زیاد و نیاز به تعامل بلادرنگ نظیر نمایش، برش، کپی کردن، تبدیل نرخ بیت و غیره وجود دارد .[4] به عنوان مثال الگوریتم AES که یک الگوریتم بلاک متقارن است را درنظر بگیرید. این الگوریتم در بسیاری از کاربردهایی که نیازمند پردازش سریع میباشند مورد استفاده قرار میگیرد. الگوریتمهای متقارن بلاکی معمولاً از شیوه های مختلفی استفاده میکنند. متداولترین شیوه استفاده شده در الگوریتمهای متقارن بلاکی شیوه کتابچه رمز میباشد که به طور مخفف ECB اطلاق میشود. در این شیوه هر بلاک داده مستقل از بلاکهای دیگر با کلید k رمز شده و جانشین متن اصلی میشود. در این صورت بلاکهای ورودی یکسان، خروجی یکسانی تولید می کنند. علاوه بر شیوه ECB یک شیوه رایج دیگر با نام CBC وجود دارد که در این شیوه هر بلاک رمز شده به بلاک های ورودی قبلی وابسته است که فراهم کننده سطح امنیتی قابل توجهی میباشد ولیکن محدودیتهایی برای رمزنگاری تصویر به دلیل زمان بر بودن آن وجود دارد. تصویر 1 (الف) با استفده از الگوریتم AES بهطور مستقیم رمزنگاری شده است و نتیجه آن را در تصویر 1 (ب) مشاهده میکنید. همانطور که میلاحظه میکنید، تصویر 1 (ب) هنوز تاحدی قابل مفهوم میباشد. این به این دلیل است که پیکسلهای همجوار در یک تصویر رابطه نزدیکی باهم دارند که نمیتواند با استفاده از الگوریتم AES حذف شود .[1]
(ب) تصویر رمزشده (الف) تصویر اصلی شکل .1 تصویر رمزنگاری شده توسط AES بهطور مستقیم
علاوه بر مسئله امنیت، رمزنگاری تصویر یا ویدیوها با این الگوریتمها بسیار وقتگیر است و برای کاربردهای بلادرنگ مناسب نیست. بنابراین، برای داده های چند رسانه ای، برخی از الگوریتم های رمزنگاری جدید باید مورد مطالعه قرار گیرد. همانطور که در شکل 3-1 نشان داده شده است، به طور کلی، یک سیستم رمزگذاری چند رسانه ای از اجزای مختلف تشکیل شده است .[1]
در اینجا، مؤلفه چند رسانه ای اصلی، با استفاده از الگوریتم رمزنگاری و تحت کنترل کلید رمزنگاری به مؤلفه چند رسانه ای رمز شده تبدیل میشود. به همین ترتیب، مؤلفه چند رسانه ای رمزنگاری شده، با استفاده از الگوریتم رمزگشایی و تحت کنترل کلید رمزگشایی به مؤلفه چند رسانه ای اصلی رمزگشایی می شود. علاوه بر این، برخی حملات، برای شکستن این سیستم و به دست آوردن مؤلفه چند رسانه ای اصلی ممکن است انجام شود. بسیاری از کارهای پژوهشی تمرکز بر کارایی الگوریتم های رمزنگاری و رمزگشایی دارند که در مقابل حملات ایمن باشند .[1]
-3 سطح بیتها در حوزه مکانی
برای تصویر اولیه، بخشبندی دادهها را میتوان با توجه به سطح بیت ها یا اشیا ، انجام داد. در مورد اولی، تصویر به سطح بیت ها، از کم اهمیت ترین تا مهمترین سطح بیت ها، بخش بندی میشود. بنابراین، n تا از کم اهمیت ترین سطح بیت ها رمزنگاری میشوند، در حالی که N-nتای دیگر بدون رمزنگاری باقی می مانند. برای مثال با توجه به تصویری با 8 سطح بیت ( 8 سطح بیت خاکستری)، وقتی سطح بیت های با اهمیت تری رمزنگاری شوند، امنیت بیشتری بدست میاید. شکل 2 نتایج حاصل از تصویر لنا که در آن سطح بیت ها با الگوریتم رمز AES رمزنگاری شدهاند را نشان می دهد و شکل 3 رابطه بین n و نسبت اوج سیگنال به نویز (PSNR) تصاویر رمزنگاری شده را نشان میدهد. همانطور که دیده میشود، زمانی که 4 سطح بیت مهمتر رمزنگاری میشود، تصویر نامفهوم میشود .[5]
-4 ضریب DCT
در یک کدک مبتنی بر DCT، داده رسانه به بلاک هایی بخش بندی میشوند (به طور معمول 8×8 یا (4×4 و هر بلاک توسط DCT تبدیل می شود. به طور کلی بلاک DCT در جهت زیگزاگ اسکن شده است که دنباله ضریبی از پایینترین فرکانس به بالاترین (از بالا سمت چپ به پایین سمت راست) تولید میکند. در این دنباله ضرایب، اولین ضریب نشان دهنده قدرت بلاک و ضرایب دیگر اطلاعات دقیقی در مورد بلاک تصویر است. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، به منظور تحقق بخشیدن به رمزنگاری ادراکی، اسکن زیگزاگ به طور معکوس اعمال میشود که بلاک DCT از پایین سمت راست به بالا سمت چپ اسکن شده است. در رمزنگاری، 64 ضریب از 1 تا 64 می توانند انتخاب شوند و برای هر بلاک DCT، N=64 تنظیم میشود. کیفیت تصاویر رمزنگاری شده متناظر با n های مختلف (n=1, 2, …, 64) آزمایش شده که شکل 5 تصاویر رمزنگاری شده و شکل 6 ارتباط بین n و PSNR تصاویر رمزنگاری شده را نشان میدهد. همانطور که دیده میشود، با بالا رفتن n، کیفیت کاهش مییابد و ضرایب در فرکانس بالا برای غیر قابل فهم کردن تصاویر مهمتر هستند.[5]
-5 طرح رمزنگاری جزئی در حوزه موجک
برخی از شماهای رمزنگاری جزئی در حوزه موجک به اندازه کافی ایمن نیستند. شماهای جایگشت ضرایب [6,7,8,9] الگوریتم رمز مبتنی بر جایگشت میپذیرند که در مقابل حملات شناخت متن آشکار ایمن نیستند. در برخی از شماهای جریان داده [10,11] تنها اندکی از باندهای فرکانس، رمزنگاری میشوند که نمیتوانند در برابر حملات جایگزینی امنیت را برقرار کنند. در این بخش ما یک شمای رمزنگاری ایمن مناسب برای جریان JPEG2000 را بررسی میکنیم که از سه مرحله تست میزان حساسیت، بررسی استقلال و انتخاب الگوریتم رمز تشکیل شده است.
