Partielle Verschlüsslung / Video

Transkript

1 Partielle Verschlüsslung / Video Video Daten sind umfangreich In verschiedenen Anwendungen ist Echtzeit-Streaming notwendig Aufwand für Verlüsslung sollte möglichst gering sein Vorteile der partiellen Verschlüsslung: Leistung an schwächste Maschine im Gesamtsystem angepasst Rechenleistungsfreisetzung Applikation kann Gesamtstrom noch immer parsen und Synchronisation möglich gezielter Schutz, transparente Verschlüsselung möglich Nachteile: Zusatzinfos zur Lage und Umfang der verschl. Datenanteile Veränderungen an Sende- und Empfangscodec Redundanzen in Klartextanteilen lassen oft Rückschluss auf verschlüsselten Anteil zu 102

2 Partielle Verschlüsslung / Video Frage: Welche Daten verschlüsseln? Beispiel Videokonferenz: Audiodaten zu Video Schutz der Erkennbarkeit der Personen Gesicht/Lippenbewegungen Bildhintergrund, Rückschlüsse auf Situation Textelemente Angaben über Sender- und Empfänger (Anonymisierung) 103

3 Partielle Verschlüsslung / Video / Methoden Permutation nach Kunkelmann Auswahl der relevanten Bilddaten Niedrige Frequenzen für partielle Verschlüsslung Hohe Frequenzen für transpartente Vertschlüsslung Skalierbar durch Setzen eines Schwellwerts Verschlüsselte Koeffizienten (schraffiert) Unverschlüsselte Koeffizienten Schwellenwert (Koeffizient n=23) 104

4 Partielle Verschlüsslung / Video / Methoden Permutation von DCT-Koeffizienten insgesamt 64 DCT-Koeffizienten werden permutiert 64! oder 10^89 Nachteil: Entropiecodierung verschlechtert 20-40% Vergrößerung der orginalcodierten Videos nicht sicher gegen statistische Analysen, da DC-Koeffzient meist größter Wert (Aufteilung auf 2 andere) Spezieller Video-Encoder und Video-Decoder nötig 105

5 Partielle Verschlüsslung / Video / Methoden Skalierbarkeit: Vorteile Aufwand für Verschlüsselung beliebig skalierbar (durch Anpassen des Schwellenwerts n) Anpassbar an gewünschtes Sicherheitsniveau Unabhängigkeit von verwendeten Verschlüsselungsverfahren Nicht ausschließlich Permutatuion, auch beliebige Verschlüsslung der ausgewählten Bereiche Adaption an Blockgröße des Verschlüsselungsalgorithmus 106

6 Partielle Verschlüsslung / Video / Methoden / Beispiel 1. Original 2. Transparent, 75% 3. Partial, 25% 4. Partial, 25%, scalable codec Durch Optimierung des Videocodecs auf gute Verschlüsselbarkeit kann eine bessere Verschlüsslung bei gleichem Aufwand enstehen. In (4) wurde ein Codec verwendet, der eine Trennung in einen Base- und Enhancement- Layer durchführt. Das Parsen ist dann trivial, da einfach die entsprechenden Layer verschlüsselt werden T. Kunkelmann, U. Horn, Partial Video Encryption Based on Scalable Coding, 5th International Workshop on Systems, Signals and Image Processing (IWSSIP'98), Zagreb, Croatia, June 1998, ISBN

7 Partielle Verschlüsslung / Frühe Angriffe Recontruction attack Erkennen von verschlüsselten Bereichen Ersetzen von Crypto-Rauschen durch schwarze Flächen / Nullen Beispiel: Angriff auf 50% partiell verschlüsseltes Video 108

8 Partielle Verschlüsslung / Video / Beispiel [ ] the image is degraded beyond acceptability for entertainment purposes. Since intra refreshes in P-VOPs are also encrypted, no blockwise revealations occur. It can be concluded that high motion sequences, where bits corresponding to prediction errors coded as texture are unencrypted, may reveal the nature of the motion and the video sequence [ ]. This revealation is not of acceptable quality for entertainment, but it may be informative if the encrypted video is just a peer-to-peer communication. [ ] Aus: Partial Encryption Of Video For Communication And Storage (2003), Turan Yüksel 109

9 Partielle Verschlüsslung / Video / Beispiel Abhängigkeit Sicherheit und Medium: Gleiches Verfahren bei weniger Bewegung und nierigerer Bitrate des Videos Deutlich bessere Verschlüsselung bzw. höhere Unkenntlichkeit Aus: Partial Encryption Of Video For Communication And Storage (2003), Turan Yüksel 110

10 Partielle Verschlüsslung / Audio Welche Teile des MPEG Audio Frames lassen sich verschlüsseln? - Header - Datenstrom wird falsch interpretiert, Datei nicht abspielbar, - mit Kenntnis des mp2-formats kann Header durch Probieren ermittelt werden 111

11 Partielle Verschlüsslung / Audio / Eignung - Audiodaten Allokation, SFAI: Datenstrom wird falsch interpretiert, alle Bitfehler katastrophal Abtastwerte: Datenstrom bleibt abspielbar, Auswirkungen auf Klang gut regelbar, Abtastwerte machen größten Teil der Datei aus (über 90%) Skalenfaktoren: Datenstrom bleibt abspielbar, Auswirkungen gut regelbar, nur ca. 3% des Datenstroms bestehen aus Skalenfaktoren 112

12 Partielle Verschlüsslung / Audio / MP2 Skalenfaktoren jeder MP2-Skalenfaktor: 6 Bit Integer Wert (einige Dutzend pro Frame) Auswirkungen auf Klangqualität bei Veränderung der MP2-Skalenfaktoren: Parameter Bit-Nummer Auswirkungen Bit Allokation alle katastrophal (nicht-abspielbar) SFAI alle katastrophal (nicht-abspielbar) Skalenfaktoren 5 (=MSB) sehr störend 4 sehr störend 3 sehr störend 2 störend 1 wahrnehmbar, nicht störend 0 (=LSB) nicht wahrnehmbar Abtastwerte 8-16 (=MSB) sehr störend 5-7 störend 3,4 wahrnehmbar, nicht störend 0-2 (=LSB) nicht wahrnehmbar MP2-Skalenfaktoren gut geeignet für partielle Verschlüsselung [ISO MPEG-1] 113

13 Partielle Verschlüsslung / Partielle Verschlüsselung für MP2 Audio Nebenbedingung: ein Skalenfaktor darf nicht den Wert 63 annehmen (nach ISO MPEG Spezifikation verboten) Gewählter Ansatz: - pseudozufälliges Bitshifting der Skalenfaktoren - je nach gewünschter Stärke werden nur die jeweils n niederwertigsten Bits eines Skalenfaktors verschlüsselt ( n =1...6 ) Bit-Shifting um zwei Positionen

14 Partielle Verschlüsslung mp3 Pragmatischer Ansatz: Kombination mp3 codec und AES Verschlüsselung Umgesetzt mit LAME und Krypto-Lib MP3 Kompression Partielle Verschlüsselung MP3 Datei Erzeugen MP3 Wiedergabe Entschlüsselung MP3 Datei Lesen 115

15 Partielle Verschlüsslung mp3 Ergebnisse Verschlüsselung erzeugt kaum Overheadkosten SF: Skalenfaktoren SFC: SF Kompressionstabelle AES auf unverschlüsselte Datei: s / s Verschlüsselung s / s Entschlüsselung 116

16 Partielle Verschlüsslung / Angriffe Ebene 8 Ebenen 8+7 Verschlüsslung: Modifikation von Bitebenen, beginnend mit dem MSB, 8 Bit Darstellung Selective Bitplane Encryption for Secure Transmission of Image Data in Mobile Environments Martina Podesser, Hans-Peter Schmidt, and Andreas Uhl 117

17 Partielle Verschlüsslung / Angriffe Ebenen 8+7 Replacement Attack: Durchgehend verschlüsselte Bitebenen auf 0 setzen Selective Bitplane Encryption for Secure Transmission of Image Data in Mobile Environments Martina Podesser, Hans-Peter Schmidt, and Andreas Uhl 118

18 Partielle Verschlüsslung / Angriffe Original MSB Rekonstruiertes MSB Reconstruction Attack: Großteil eines Bildes besteht aus weichen Übergängen von Grauwerten MSBs in diesen Bereichen bleiben gleich Suchfenster errechnet Bereiche für gleiche Bitwerte von MSBs inklusive Kantenerkennung Selective Bitplane Encryption for Secure Transmission of Image Data in Mobile Environments Martina Podesser, Hans-Peter Schmidt, and Andreas Uhl, 119

19 Partielle Verschlüsslung / Angriffe Angriffe auf Permutationen unter Kenntnis von n Testbildern, vorgestellt von Li, Li, Chen, Zhang and Bourbakis Quelle: A General Cryptanalysis of Permutation-Only Multimedia Encryption Algorithms Shujun Li, Chengqing Li, Guanrong Chen, Fellow, IEEE, Dan Zhang and Nikolaos G. Bourbakis Fellow, IEEE 120

20 Partielle Verschlüsslung / Angriffe Alle Bilder werden mit dem selben Schlüssel permutiert, bei n Bildern kennt der Angreifer das Original. Kann er die Permutation richtig erraten, um ein weiteres Bild, vom der er nicht das Original kennt, zu rekonstruieren? 121

21 Partielle Verschlüsslung / Angriffe Je mehr Originale und ihr Chiffrat bekannt sind, desto besser kann das Bild rekonstruiert werden. Hier die Ergebnisse für 1 bis 5 bekannte Originale. Die Umkehrung der Permutation kann immer präziser geschätzt werden. 122

22 Robuste Verschlüsslung Verschlüsslung, die resistent gegenüber Operationen im verschlüsselten Zustand ist Motivation: A will B ein Bild schicken Dazu will A ein öffentliches Forum verwenden Nur B soll das Bild lesen können Die Bildfunktion im Forum passt Bilder automatisch an, z.b. über Skalierung Das Forum erlaubt es nicht, verschlüsselte Daten als Anhang zu verwenden Kann ein Bild so verschlüsselt werden, dass Das Format erhalten und es z.b. ein korrektes JPEG Bild bleibt Das verschlüsselte Bild durch die Operationen im Forum nicht zerstört wird Naiver Ansatz: JPEG Koeffizienten mit AES 256 verschlüsseln Format: OK, Operationen: Fail 123

23 Robuste Verschlüsslung Transfer von Medien kann zu Übertragungsfehlern führen Bei gebräuchlichen Verschlüsslungsverfahren kann schon ein kleiner Fehler dazu führen, dass das Medium nicht mehr sinnvoll entschlüsselt werden kann Beispiel AES128 Verschlüsslung Random Error Bytewerte zufällig verändert Random Buffer Error Zufälliges Löschen oder Doppeln von Bytes Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Information Security, Volume 2007, Article ID 48179, 16 pages doi: /2007/48179 Transmission Error and Compression Robustness of 2D ChaoticMap Image Encryption Schemes Michael Gschwandtner, Andreas Uhl, and Peter Wild 124

24 Robuste Verschlüsslung Alternative zur herkömmlichen Verschlüsslung: Chaotic Map (CM) Algorithmen Schlüsselabhängige Permutation von Pixeln in mehreren Iterationen Diffusion von Pixelwerte durch pseudozufällige Werte zum Schutz vor Known Plaintext Angriffen Beispiel: 2DCatMap Random Error Bytewerte zufällig verändert Random Buffer Error Zufälliges Löschen oder Doppeln von Bytes Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Information Security, Volume 2007, Article ID 48179, 16 pages doi: /2007/48179 Transmission Error and Compression Robustness of 2D ChaoticMap Image Encryption Schemes Michael Gschwandtner, Andreas Uhl, and Peter Wild 125

25 Robuste Verschlüsslung 2DCatMap Robustheit gegen JPEG Erforderlich: Abwägen zwischen Sicherheit und Robustheit Robust bei Permuation Diffusion zerstört die Robustheit Hindawi Publishing Corporation EURASIP Journal on Information Security, Volume 2007, Article ID 48179, 16 pages doi: /2007/48179 Transmission Error and Compression Robustness of 2D ChaoticMap Image Encryption Schemes Michael Gschwandtner, Andreas Uhl, and Peter Wild 126

26 Robuste Verschlüsslung Robustheit gegen JPEG Kompression Skalierung Ansätze Permutation Rauschmuster Kombinationen aus beiden

27 Kacheln als robuste Verschlüsslung Robuste Verschlüsslung durch Permutation von Kacheln Qualitätsverlust durch JPEG an Kanten Lösung: Übergänge an Kachelrändern

28 Kacheln als robuste Verschlüsslung Original Obfuscated

29 Robuste Verschlüsselung Robuste Verschlüsselung durch Helligkeitsmuster 130

30 Robuste Verschlüsslung Fehler bei Addition, Kompression und Subtraktion Pixel P + Maske M = P Kompression P = P P M <> P = Mod256=28 Kompression (28)= =0 Aus fast weißem Pixel wurde ein schwarzes Pixel. 131