CC BY
10
14. Clarke Е., Kroening D., and Lerda F. A tool for checking ANSI-C programs // LNCS. 2004.
V.2988. P. 168-176.
15. Biere A. and Fleury M. Gimsatul, IsaSAT and Kissat entering the SAT Competition 2022 //
Proc. SAT Competition 2022. Solver and Benchmark Descriptions. P. 10-11.
16. Иркутский суперкомпьютерный центр CO РАН. http://hpc.icc.ru.
УДК 004.4 DOI 10.17223/2226308Х/16/11
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ С ПОМОЩЬЮ БЛОЧНЫХ
ШИФРОВ
Е. А. Ищукова, Р. Р. Борлаков
Представлены результаты практических экспериментов по влиянию различных алгоритмов шифрования (DES, AES, Магма) в режиме электронной кодовой книги (ECB) на качество преобразования графической информации в зависимости от её свойств. В ходе эксперимента проверена гипотеза, согласно которой качество шифрования зависит не только от алгоритма шифрования и его режима, но и от свойств самой преобразуемой информации. Экспериментально продемонстрировано, что на качество преобразования информации влияют такие параметры, как количество цветов в цветовой палитре, количество крупных и мелких объектов на рисунке, количество пикселей, наличие или отсутствие фона, а также другие.
Ключевые слова: шифрование, блочный шифр, режим шифрования, электронная кодовая, книга, графическая, информация.
Введение
Известно, что режим шифрования ECB, как правило, используется не для шифрования файлов, а как составная часть других режимов шифрования, которые обеспечивают связь блоков между собой и равномерное перемешивание информации. Тем не менее исследования надёжности шифра всегда начинаются с изучения его работы в режиме ECB. Отдельно обсуждается вопрос о том, как влияет режим шифрования на преобразование разных типов данных. Так, для алгоритма AES было показано, что шифрование графической информации в режиме ECB приводит к сохранению структуры рисунка так, что можно определить содержимое этого рисунка [1, 2]. Рядом исследователей предпринимаются попытки создать новые алгоритмы шифрования, которые бы позволили качественно преобразовывать любую графическую информацию [3, 4]. В настоящей работе мы провели сравнительный анализ влияния различных алгоритмов шифрования, используемых в режиме ECB, на качество преобразования графических изображений в зависимости от свойств самого изображения. В качестве алгоритмов шифрования для исследования были выбраны бывший стандарт шифрования США DES, действующий стандарт шифрования США AES и отечественный алгоритм шифрования Магма.
1. Методы исследования
Алгоритм DES [5] активно использовался до начала 2000 годов, в настоящее время является устаревшим, хотя до сих пор в реализациях некоторых протоколов применяются его модифицированные версии. Например, в стандартах ANSI Х9.17 и ISO 8732 используется тройной DES с двумя ключами (Tripple-DES). Алгоритм DES представляет собой симметричный блочный шифр, построенный по схеме Фейстеля. На его вход
поступает 64-битный текст, который обрабатывается под воздействием 56-битного секретного ключа шифрования.
Стандарт Л KS был принят на смену стандарту DES, В его основе лежит алгоритм шифрования Rijndael, который представляет собой симметричный блочный шифр, построенный по принципу подстановочно-перестановочной сети. Шифр обрабатывает блоки размерностью 128 бит под воздействием секретного ключа, который может принимать разные размеры: 128, 192 или 256 бит [5]. В зависимости от размера ключа изменяется количество раундов шифра, В настоящей работе все эксперименты проводились с использованием версии шифра Л KS-128.
Третий рассмотренный алгоритм — это отечественный алгоритм шифрования Магма, который является одним из двух шифров, составляющих основу стандарта ГОСТ Р 34,12-2015, и представляет собой симметричный блочный шифр, построенный по схеме Фейстеля, Блок данных у него составляет 64 бита, а секретный ключ — 256 бит [5]. Алгоритм Магма является основой стандарта ГОСТ 28147-89, Основное отличием Магмы от ГОСТ 28147-89 — в ГОСТ 28147-89 блоки замены не зафиксированы и могут использоваться в любых комбинациях; для алгоритма Магма блоки зафиксированы однозначно [5].
При шифровании больших объёмов данных с помощью симметричных блочных шифров рекомендовано использовать различные режимы, направленные на сцепление блоков и перемешивание информации таким образом, чтобы шифрование каждого последующего блока зависело от того, как был зашифрован предыдущий блок, К таким режимам относятся: режим сцепления блоков (СВС), различные режимы гаммирования, режим обратной связи по шифртекету (CFB), режим обратной связи по выходу (OFB) и другие. Основой для всех режимов является режим электронной кодовой книги (ECB), при котором все блоки шифруются независимо друг от друга. Для отечественных алгоритмов режимы шифрования определяются в соответствии с ГОСТ Р34,12-2015,
Целью настоящей работы является исследование качества преобразования графической информации в зависимости от исходных характеристик изображения и от используемых алгоритмов шифрования. Для работы над изображениями был выбран формат .pprri, так как он отличается удобством, простотой и хорошо подходит для экспериментальных исследований. Перед началом преобразования графического изображения необходимо произвести операцию отделения его заголовка от тела (рис, 1), так как при шифровании заголовка его сигнатура будет нарушена и мы больше не сможем просмотреть файл в формате изображения. Поэтому шифруется только тело файла, после чего оно обратно соединяется с заголовком. Здесь следует отметить, что стандартный заголовок для формата ,ррт составляет 16 байт, то есть 128 бит. Это укладывается в два блока данных для тех алгоритмов, у которых идет обработка 64-битных блоков (DES и Магма), и в один блок для алгоритма AES, у которого обрабатываемый блок кратен 128 битам, В связи с этим нет большой разницы: сначала убрать заголовок, зашифровать файл и затем соединить его со стандартным заголовком (чтобы графический редактор смог отобразить информацию) или сначала зашифровать файл целиком, а затем заменить зашифрованный заголовок на стандартный нешифрованный.
LeoSmall ppm GO000G0G 00000610 O0000020J
Header
00000050 00000060 cBody^e
O000008&4
00000G96
000000A0
000000B0
G0000GC6
60000GD6
O00000E0
000000F0
00000100
00000110
00000120
00000130
00000140
00000150
0000016G
00000170
00000180
O000019O
00 0001AO
0A 32 32 35 20 31 35 30 0A 32 35 35 OA E2^[ 6 225 150.255.Г
rrrrriLJlJllllllLILPLILJlll
пптшпттпппs e в s в в JL
VI VI IJ и У Li LH У У EÜ У У LH EÜ LH
ЕЗ ЕЗ ЕЗ ЕЗ ЕЗ ЕЗ ЕЗ E3 ЕЗ ЕЗ E4 E4 E4 E4 E4 E4
ЕЗ ЕЗ ЕЗ Е4 Е4 Е4 Е4 E4 E4 Е0 E0 EG D8 DC DD CE
D6 D9 BF D2 D6 AB СЕ D0 9B CD СЕ 91 CA Dl 8A C9
D2 89 C7 D4 8А С9 D8 86 СВ DA 7C C9 D3 72 C5 CB
70 CI C4 7D СЗ СЗ 94 CA СС В2 D0 D8 C3 D4 DB D3
DB DE DC Е0 El Е2 Е6 E7 Е5 Е9 EA E7 E9 E8 E6 E8
Е7 E7 E7 Е7 Е7 Е7 Е7 E9 Е7 Е8 E9 E7 E8 E9 E7 E8
ЕА E8 E9 Е9 Е9 Е9 Е9 E9 Е9 Е9 E9 EB EA EA ЕС E9
Е9 E9 ЕА ЕА ЕА ЕА ЕА EA ЕА ЕА EA E9 E9 E9 E9 E9
Е9 ЕА ЕА ЕА ЕВ ЕВ ЕВ EA ЕА ЕА EA EA EA EA EA EA
ЕА ЕА ЕА ЕА ЕА ЕА ЕА EA ЕА ЕА EA EA EA EA E8 EB
ЕВ Е9 ЕВ ЕС Е7 ЕВ ЕВ E9 ЕВ ЕВ E9 EA ЕС EB EA ЕС
ЕВ ЕВ ЕВ ЕВ ЕВ ЕВ ЕВ EB ЕВ Е9 EA EB E6 EA E7 E2
Е4 El D8 Е2 DE D3 DF DB CF DA D4 C6 D2 CB B9 D5
С7 AD D1 С2 A3 CF BF 9E CF BF 9D CE BE 9A CD BD
9В D2 СЗ А2 D9 св АЕ D7 СВ В5 D6 CE BB DA DG C6
DC D3 CA DB D4 СС DC D5 CD Е0 D7 CE ЕЗ DC D4 E2
DD D7 Е4 El DC Е7 Е4 DIF Е7 Е4 DF E7 Е6 E2 E9 E8
Е4 Е9 Е9 Е7 Е8 Е8 Е6 E5 Е5 Е5 E6 E6 Е6 ЕЗ E3 E5
El El ЕЗ El El ЕЗ DE DE Е0 DD DD DF DF DF DF E4
Е0 El Е2 DE DD El DF E0 Е2 Е0 El EG DE DF E3 El
Е2 E6 Е4 Е5 E2 Е0 El E2 Е0 El E6 E4 ES E6 E4 E5
Е5 ЕЗ Е4 ЕЗ ЕЗ Е5 E2 E2 Е4 Е2 E2 E4 E4 E4 E6 E4
Е4 E4 Е4 Е4 E4 Е4 E2 E3 Е4 Е2 E3 E5 ЕЗ E4 E5 E3
Е4 E4 Е2 ЕЗ E2 Е0 El E2 Е0 El E2 EG El DF DF DD
Ш1ПЕ SEES Sacra*
StöJS
| ^а^ГЦт овйтвФЦФ ттт т т тт©тФ0тФ6тФ Qt1 е б э е в в в© в евооййяяядйвввев 55яп£гйоо£3£гя ПЙОЙОППППЙООЙЙФ Е 565°°т 55355eQ°°5Q<>° 555 5 5 5555®П5цйтГ
| -(-в ß^ в"т Е"тцгеф
Е©0тФФЦсаамМЦ1ТПа
ßßnßßn Uli
aßr I r<"araßc( ^nß
ГЦЕоГЪВГаВцЕонВа
аПЕТПГОГГЕГГЕЕЕЦВ
ЕЕЕЕЕЕГПЕГПаПЕаТТ
ЗЗГпГаВгнВгаК^Ч
Рис. 1. Header и Body формата .ppm
2. Результаты экспериментов
Э к с и о р и м о и т 1 . Сравнение результатов шифрования для фотографий и рисунков. Дня данного эксперимента были выбраны две картинки с крупным изображением, первая — фотоизображение, вторая — нарисованная. У обеих картинок задний фон заменен белым цветом (рис.2).
АЕЭ БЕЭ Магма
Рис. 2. Эксперимент 1
На рис. 2 можно отчетливо увидеть очертания зашифрованных изображений, соответствующие оригинальному. Можно заметить, что очертания зашифрованного изображения дня рисованной картинки более явные но сравнению с фотоизображением.
Связано это с тем, что первое изображение снято па камеру в режиме реального времени, где па конечный цвет пикселя влияют такие факторы, как свет, тень и т.д., а второе изображение нарисовано с использованием инструментов векторной графики, где сложно сымитировать разнородность пикселей. Получается, что чем больше неодинаковых пикселей содержит изображение, тем лучше происходит преобразование.
Э к с н е р и м е п т 2 . Влияние фона па качество преобразования. Дня данного эксперимента использована одна и та же фотография с отсутствующим задним фоном и с неизменённым фоном (рис.3).
AES DES Магма
Рис. 3. Эксперимент 2
Из рис. 3 видно, что наличие фона обеспечивает более равномерное распределение зашифрованных пикселей. Фон практически сливается с самим изображением, и оно становится неразличимым. Видно, что наилучшее перемешивание достигается дня алгоритма AES.
Э к с н е р и м е н т 3 . Влияние разрешения исходной картинки на качество преобразования графической информации. Были использованы изображения из эксперимента 2 с фоном и без фона в двух разных разрешениях: 1200 х 798 и 300 х 200. Результаты представлены па рис. 4. Видно, что на восприятие контуров графического изображения расширение оказано влияние только для изображения с фоном, которое и без того обеспечивает достаточно равномерное перемешивание информации. Дня изображения без фона изменение разрешения практически не оказано влияния на результат шифрования.
Э к с н е р и м е н т 4 . Влияние размеров и количества деталей на рисунке на качество преобразования. Использованы два изображения с множеством предметов. Первое изображение нарисовано графически, второе — фотография. Результаты эксперимента представлены па рис. 5. Видно, что большое количество мелких деталей на исходном изображении приводит к хорошему преобразованию данных даже в режиме ECB. При этом дня графического изображения преобразование выполняется качественнее но сравнению с фотографией.
Э к с н е р и м е н т 5 . Качество преобразования текстовой информации, представленной в виде изображения (скан-конии). На рис.6 видно, что дня всех алгоритмов шифрования можно проследить структуру текста. Даже если нельзя распознать текст, то можно выделить его отличительные элементы (шапку, заголовок, подпись и т.д.).
АЕэ
Магма
300x200
1200x798
300x200
Рис. 4. Эксперимент 3
АЕЗ ВЕЭ Магма
Рис. 6. Эксперимент 5
Э к с и о р и м о и т 6 , Качество преобразования текстовой информации, если она содержит стегокоптейпер. Дня данного эксперимента было произведено преобразование простой графической информации, после чего в изображение был встроен текст с использованием стегокоптейпера (подойдёт любой оп.найп-сервис, например Steganography Online), Результаты шифрования представлены на рис, 7, Видно, что наличие стегокоптейпера внутри изображения сильно искажает результат преобразования графической информации. По результату шифрования можно предположить, встроено ли стегоизображение в картинку с простым рисунком.
Изображение ♦
Без форматирования, обычное изображение
без фона ♦
То же изображение, но с закодированным сообщением внутри
Рис. 7. Эксперимент 6
Э к с н е р и м е н т 7 . Качество преобразования информации в зависимости от используемого режима шифрования. Дня данного эксперимента одно и то же изображение было зашифровано с использованием различных алгоритмов шифрования как в режиме ECB, так и в режиме СВС (рис, 8), Видно, что независимо от алгоритма шифрования применение режима СВС решает проблему неравномерного перемешивания и обеспечивает хорошее шифрование графической информации.
Изображение
Магма
ЕСВ
Рис. 8. Эксперимент 7
Заключение
В работе проведён ряд экспериментов но шифрованию графической информации с использованием различных алгоритмов шифрования (DES, AES, Магма) преимущественно в режиме электронной кодовой книги (ЕСВ). Экспериментально показано, что на качество преобразования информации могут оказывать влияние следующие факторы: размер изображения, количество крупных и мелких деталей, задний фон. При этом разрешение изображения практически не оказывает влияния на качество преобразования. Получены интересные экспериментальные данные в части шифрования изображений со встроенными стегоконтейнерами, которые могут быть использованы дня детектирования стегоконтейнеров. Предполагается, что данная работа будет продолжена в экспериментальной части. Планируется дополнить эксперименты дня всех представленных изображений с использованием алгоритма шифрования Кузнечик, который является частью отечественного стандарта шифрования данных ГОСТ Р 34.12-2015. Также планируется провести ряд экспериментов но использованию монохромных изображений и изображений с разным объёмом встроенной стеганографи-ческой информации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Huang C.-W,, Tu, Y.-H., Yeh H.-C., et al. Image observation он the modified ECB operations in Advanced Encryption Standard /7 Intern. Conf. i-Soeiety. London, UK, 2011. P. 264 269.
2. Graham R. ECB Penguin Demonstration, https://github.com/robertdavidgraham/ ecb-penguin.
3. He P., Sun К., and Zhu, C. A novel image encryption algorithm based on the delayed maps and permutation-confusion-diffusion architecture /7 Security Communication Networks. 2021. V. 2021. Article ID 6679288. https://doi.org/10.1155/2021/6679288.
4. Naseer Y., Shah Т., Shah D., and Hussain S. A novel algorithm of constructing highly nonlinear S-p-boxes /7 Cryptography. 2019. V.3. No. 1. https://doi.org/10.3390/ cryptography3010006.
5. Бабепко Л. К., Ищукова E. А. Криптографическая защита информации: симметричное шифрование. Учеб. пособие М.: Изд-во Юрайт, 2019. 220 с.
