CN105743906A

CN105743906A - 一种基于内容关联密钥的图片文件加解密方法及系统

Info

Publication number: CN105743906A
Application number: CN201610159927.9A
Authority: CN
Inventors: 张凯
Original assignee: Wuhan Youxin Zhongwang Technology Co Ltd
Current assignee: Wuhan Youxin Zhongwang Technology Co Ltd
Priority date: 2016-03-21
Filing date: 2016-03-21
Publication date: 2016-07-06

Abstract

本发明涉及一种基于内容关联密钥的图片文件加解密方法及系统，加密时，按照数据针对文件应用的重要性，将原始图片文件分割成敏感数据和主体数据，敏感数据构成密钥，主体数据经过补充处理形成密文，密钥和密文分别通过不同的途径传递，解密时在目的地再合并，还原成原始图片文件；对原始图片文件进行分割时，所述图片文件的分割操作在文件层进行，以像素为单位进行分割操作，操作依据是像素灰度值或单色的色度值的等高线。本发明所提出基于内容关联密钥技术的新加密机理可以采用大数据量的密钥，而且基本加解密过程在用户端，不会增加系统负载，这种新加密机理可以提高云存储系统的数据安全，特别是在增强用户数据的私密性方面。

Description

一种基于内容关联密钥的图片文件加解密方法及系统

技术领域

本发明涉及图片文件加密技术领域，尤其是涉及一种基于内容关联密钥的图片文件加密方法及系统。

背景技术

云计算环境相对复杂，云服务商为保证有效的安全机制，在不可信场景下，主要采用密文访问控制技术来消除用户对信息安全的担心。基本的思路是将文件用密钥进行加密，用户使用密文访问控制技术和加密检索技术来访问的数据。目前，在基于分组密码的加密、基于属性的加密、数字签名和完整性校验等技术的基础上，基本形成数据存储和数据传输的加密、密文访问控制技术等云存储数据安全解决方案。

1、基本的数据加密

为了更好的确保用户数据在传输与存储过程中的信息安全，目前主要采取数据加密的方式确保数据安全，比较常见的数据加密算法主要是对称加密（如DES和AES）以及非对称加密两类(如RSA)。

相对于非对称加密，对称加密的研究工作比较成熟，并具有加密和解密速度快等优势，在大数据量的传输过程中被广泛应用。但是，在这种加密方法中，数据传输双方的加密和解密密码相同，导致其存在一定的安全隐患。

非对称加密则是将原来相同的密钥分成加密钥和解密钥，这种方式能够有效的确保数据的安全性，并且，建立的密钥体系灵活多样。但是，相对来讲，计算量以及复杂度增加巨大，导致系统的负担较重。

目前，传统加密机制的可靠性主要取决于计算复杂度。非对称密钥的安全性较高，但加密解密的速度较慢。由于对称加密算法存在采用同一密钥而带来密钥管理困难的固有问题，而且使用成本较高，在分布式网络系统上使用较为困难；非称加密算法因运算量大，而不适用于大数据量的加密和解密。

2、密文访问控制技术：

密文访问控制技术主要是为了保护用户数据的隐私性，使得云计算平台无法直接看到用户数据的明文。除了直接的基于密码类的访问控制技术，还有下面几种重要的密文访问控制技术：

（1）代理重加密

代理重加密是密文间的一种密钥转换机制，是由Blaze等人在1998年的欧洲密码学年会上提出的，并由Ateniese等人在2005年的网络和分布式系统安全研讨会议和2007年的美国计算机学会计算机与通信安全会议上给出了规范的形式化定义。

（2）同态加密

同态加密是一种特殊的加密体系，由RIVESTR等在1978年提出，使得对密文进行代数运算得到的结果与对明文进行等价运算后再加密所得结果一致，而且整个过程中无需对数据进行解密。该技术如果实现，将很好地解决把数据及其操作委托给云服务时的数据机密性问题。

然而，该加密体系涉及非常复杂的计算，使得计算和存储的代价都非常高。研究者们还在进一步研究力图发现更加实用的全同态算法。

不论是基本的对称加密技术和非对称加密技术，还是上面几种密文访问控制技术，所依赖密钥都是独立于所加密的明文；而且，都是有规律可寻的有限的几种加密算法。目前，随着超级计算的日益进步，密钥被暴力破解的问题就成为信息安全的一个隐患。

由于云存储系统要管理海量用户数据，以计算复杂度为安全基础的传统加密技术面临一个两难的选择：更高的安全性需要更长的密钥，更长的密钥意味着更大的安全开销，这就导致更低的效率和更高的成本；同时，还需要比超级计算跑得更快，否则，在强力机构面前所有加密技术都无效。另外，传统加密技术由于算法模型的局限性，密钥之间存在一定的关联度，DVD的加密技术被破解就是由于部分密钥泄露，导致其整个加密体系的崩溃。在超级计算机越来越快的背景下，这个问题会越来越严重。

在云存储领域，传统加密技术还面临一个非技术方面的隐患：目前的云存储数据安全技术都是由云服务商来组织实施的，加密技术的实施方(掌握密钥或加密系统设计者)，是有很大的机会获得解密技术。尽管上面介绍的密文访问控制技术在一定程度上可以保护用户的隐私，但是由于下面各种原因：

A:系统效率问题（上面的密文访问控制技术都会耗费更多的系统资源，有时甚至很严重，如同态加密），

B:成本和利益问题（更多的加密技术需要更多的硬件支持，同时云计算系统服务商在进行数据分析后可以获益）

C:政治干预问题（如不久前暴露出来的美英间谍曾入侵金雅拓(Gemalto)公司以盗取SIM卡加密密钥事件；美国情报机构和Google的合作等。在这类事件中系统服务商实际上只能默认）。

所以，云系统服务商不一定能够很严格地保证用户隐私。用户数据，在云系统管理方看来，基本都是明文，没有任何用户隐私。所以，采用传统加密技术的云存储系统实际上无法确保用户数据隐私，这是目前云存储系统数据安全的一个重大问题。

发明内容

针对传统加密技术的局限性，本发明提出一种用于云计算环境图片文件隐私保护的新的加密机理，实现基于内容关联密钥的图片文件加密技术。

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种基于内容关联密钥的图片文件加密技术。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于内容关联密钥的图片文件加解密方法，其特征在于：加密时，按照数据针对文件应用的重要性，将原始图片文件分割成敏感数据和主体数据，敏感数据构成密钥，主体数据经过补充处理形成密文，密钥和密文分别通过不同的途径传递，解密时在目的地再合并，还原成原始图片文件；

对原始图片文件进行分割时，所述图片文件的分割操作在文件层进行，以像素为单位进行分割操作，操作依据是像素灰度值或单色的色度值的等高线。

而且，进行分割操作时，计算等高线的灰度值或单色的色度值之差，如果这个差大于等于预定的差值阈值，所述差值阈值在1到255之间，就部分修改该等高线周边相邻距离内像素的灰度值或单色的色度值，同时记录这种修改，用于恢复该等高线周边相邻距离内像素的灰度值或单色的色度值。

而且，所述的部分修改指的是修改该等高线周边相邻距离的部分像素的灰度值或单色的色度值，相邻距离由阈值决定；修改实现方式包括但不限于替换或其他变换算法。

而且，所述原始图片文件是灰度图片或其他单色图片，其文件格式是位图格式的文件；记录修改的文件包括但不限于二进制文件，字符流文件，文本文件，数据库文件，Word文件，可执行文件。

而且，主体数据相应密文通过普通网络来分发，敏感数据作为密钥通过高安全网络来传输。

一种基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，包括加密端和解密端，

加密端包括以下模块，

分割模块，用于按照数据针对文件应用的重要性，将原始图片文件分割成敏感数据和主体数据，敏感数据构成密钥，主体数据经过补充处理形成密文；对原始图片文件进行分割时，所述图片文件的分割操作在文件层进行，以像素为单位进行分割操作，操作依据是像素灰度值或单色的色度值的等高线；

传输模块，用于将密钥和密文分别通过不同的途径传递，

解密端包括以下模块，

还原模块，用于将密钥和密文在目的地再合并，还原成原始图片文件。

而且，传输模块中，主体数据相应密文通过普通网络来分发，敏感数据作为密钥通过高安全网络来传输。

本发明由于图片文件被分割为两部分：主体数据和敏感数据，提取一定比例的敏感数据，来达到加密的效果，这样做的好处在于：

优点一：本发明的密钥的数据量不是由计算复杂度决定的，而是由其对图片文件应用的重要性决定的。

在可控性价比下(终端资源和加密性能)，可以采用很长的密钥（数十KB），所以抗暴力破解能力很强。而且，不同图片文件的密钥之间没有关联性，即使一个文件的密钥被泄密，也不会影响到其他图片文件的密钥。

优点二：在隐私保护方面，这种新的安全机理不会增加系统负载。

由于基本的加解密过程都是在用户端实施，不会增加云计算系统的负载,在需要处理海量数据的云计算系统中，这一点就很有优势（不会因为需要增强隐私保护而增加系统成本）。

附图说明

图1为本发明实施例的图片加解密和发行过程的原理图。

图2为本发明实施例的人脸图片眼眶部分的加密效果原理图，其中图2a为原始图，图2b为加密效果图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明提出一种基于内容关联密钥的图片文件加密技术。当前，网络带宽发展很快，普通用户普遍可以获得2M以上的带宽。因此，本发明设想通过把图片文件切割成两部分：敏感数据和主体数据。其中,敏感数据是一个比较小的部分，占总数据量的0.1%到10%不等，主体数据占总数据量的90%以上。其中，主体数据加密后通过普通网络来分发，敏感数据作为密钥通过高安全网络来传输，例如经过专门强化加密的数据驱动和端口来发送。分割的目标在于，用最少的网络带宽来传输数据，来达到加密的效果。

因此，本发明的技术方案是根据图片文件的内容特征，将原始文件分割成敏感数据和主体数据,敏感数据构成密钥，主体数据经过补充处理形成密文，两组数据通过不同的途径分发和存储,在目的地使用时再做数据合成，解密成原始文件。区别于传统加密算法密钥多由随机数或其他与待加密明文本质上毫无关联的数据经过一定的算法所产生，该技术的密钥本身即为待加密明文的一部分。

本发明的核心是：按照原始待加密图片文件中数据的重要性（针对文件应用的重要性），将数据中数据量小但重要性或信息含量较高的那一部分数据抽取出来，作为原始待加密明文的密钥；而将待加密明文中剩余的那些数据量较大但重要性较低的部分，经过一定处理(如数据填充以保证文件的完整性)后作为密文。具体实施时，可以预先根据图片文件类型设定重要的部分，例如人脸图片，眼眶部分最具重要性。解密时，授权用户可以获得密钥，和密文合成后还原成原始图片文件。

在云计算系统中，用户可以将这部分密钥留在本地，或者放在经过授权的第三方密钥服务器。云存储系统只拥有用户上传的密文部分，无法获取完整的文件数据，基本的加密和解密过程都是在用户端实施的，不会增加系统负担。这样就在不增加系统负载的情况下，保护用户数据隐私；用户或其他授权对象可以通过密钥来解密密文，获得明文。

进一步地，所述图片文件的图片是灰度图片或其他单色图片，其文件格式是位图格式的文件。

进一步地，所述图片文件的分割操作在文件层进行，以像素为单位进行分割操作，操作依据是像素灰度值（或单色的色度值）的等高线，具体实施时等高线可利用软件方式计算得到，然后根据需要保护的信息的范围评估层高线的范围。即以像素等高线为基础进行分割操作，操作依据是像素灰度值等高线的灰度值（或单色的色度值）。

进一步地，对文件进行的分割操作时，计算等高线的灰度值（或单色的色度值）差，即相邻距离内的像素点之间的灰度值（或单色的色度值）差，如果这个差大于等于一定的差值阈值，就部分修改该等高线周边像素的灰度值（或单色的色度值）。具体实施时，所述的差值阈值在1到255之间，具体实施时本领域技术人员可根据需要预设取值；所述的部分修改指的是修改该等高线周边相邻距离的部分像素的灰度值（或单色的色度值），相邻距离由预设的相应差值阈值决定。在修改该等高线相邻像素的灰度值（或单色的色度值）时记录这种修改，用于在解密端恢复该等高线相邻像素的灰度值（或单色的色度值）。具体实施时，可以从重要区域的像素点开始遍历处理。通过修改和恢复实现加密和解密的作用。

修改方法包括但不限于：替换或其他变换算法，比如全部替换成0或其他随机数。

修改时记录这种修改的文件包括但不限于:二进制文件，字符流文件，文本文件，数据库文件，Word文件，可执行文件。

具体实施时，可将一个图片文件当做一个普通的文件来处理。通过调用相应的文件操作接口函数，可以把这个普通文件按照比例分成一大一小两个文件。小的部分是该图片文件的敏感数据，一般存放在专门的密钥管理服务器端，对于经过服务器认证的合法用户，可以通过网络将敏感数据发送给用户。大的部分(主体数据)通常可以存放在用户制定的存储设备上，通过普通网络来调用。

下面举一具体实施例来说明本发明的用于图片文件分发的加密方法的实现过程：

在图1中，目标用户使用联网的手机APP来播放上述图片。

当他开始播放图片时，手机APP会向密钥管理服务器申请图片的密钥，只要该用户有合法的权限，他就可以得到密钥（敏感数据，经由安全网络传输，由服务器端下载至手机）。

手机APP将密钥和其他途径得到的主体数据解密并合成，这样就可以恢复图片中的人眼部分，该用户就可以合法地完整播放这个图片了。

在图2a中，原始图片文件的为一个人脸的灰度图，以位图方式存储，文件大小为3MB，以文件模式提取敏感数据，比例为2%，这样，敏感数据部分的大小为60KB，主体数据部分为2.94GB。

敏感数据加密后存放在专门的密钥管理服务器上，等待用户申请，传输给目标用户，主体数据存放在用户制定的存储设备上，通过普通网络来调用。

在图2b中，抽取的敏感数据是眼眶部分，通过抽取和替换，使得该图片的眼眶部分无法识别，从而达到对人眼的加密效果。

具体实施时，本发明所提供方法可基于软件技术实现自动运行，也可采用模块化方式实现相应系统。实施例还提供一种基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，包括加密端和解密端，

加密端包括以下模块，

传输模块，用于将密钥和密文分别通过不同的途径传递，

解密端包括以下模块，

各模块具体实现可参见相应步骤，本发明不予赘述。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种基于内容关联密钥的图片文件加解密方法，其特征在于：加密时，按照数据针对文件应用的重要性，将原始图片文件分割成敏感数据和主体数据，敏感数据构成密钥，主体数据经过补充处理形成密文，密钥和密文分别通过不同的途径传递，解密时在目的地再合并，还原成原始图片文件；

2.根据权利要求1所述基于内容关联密钥的图片文件加解密方法，其特征在于：进行分割操作时，计算等高线的灰度值或单色的色度值之差，如果这个差大于等于预定的差值阈值，所述差值阈值在1到255之间，就部分修改该等高线周边相邻距离内像素的灰度值或单色的色度值，同时记录这种修改，用于恢复该等高线周边相邻距离内像素的灰度值或单色的色度值。

3.根据权利要求2所述基于内容关联密钥的图片文件加解密方法，其特征在于：所述的部分修改指的是修改该等高线周边相邻距离的部分像素的灰度值或单色的色度值，相邻距离由阈值决定；修改实现方式包括但不限于替换或其他变换算法。

4.根据权利要求1或2或3所述基于内容关联密钥的图片文件加解密方法，其特征在于：所述原始图片文件是灰度图片或其他单色图片，其文件格式是位图格式的文件；记录修改的文件包括但不限于二进制文件，字符流文件，文本文件，数据库文件，Word文件，可执行文件。

5.根据权利要求1或2或3所述基于内容关联密钥的图片文件加解密方法，其特征在于：主体数据相应密文通过普通网络来分发，敏感数据作为密钥通过高安全网络来传输。

6.一种基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，其特征在于：包括加密端和解密端，

加密端包括以下模块，

传输模块，用于将密钥和密文分别通过不同的途径传递，

解密端包括以下模块，

7.根据权利要求6所述基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，其特征在于：进行分割操作时，计算等高线的灰度值或单色的色度值之差，如果这个差大于等于预定的差值阈值，所述差值阈值在1到255之间，就部分修改该等高线周边相邻距离内像素的灰度值或单色的色度值，同时记录这种修改，用于恢复该等高线周边相邻距离内像素的灰度值或单色的色度值。

8.根据权利要求7所述基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，其特征在于：所述的部分修改指的是修改该等高线周边相邻距离的部分像素的灰度值或单色的色度值，相邻距离由阈值决定；修改实现方式包括但不限于替换或其他变换算法。

9.根据权利要求1或2或3所述基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，其特征在于：所述原始图片文件是灰度图片或其他单色图片，其文件格式是位图格式的文件；记录修改的文件包括但不限于二进制文件，字符流文件，文本文件，数据库文件，Word文件，可执行文件。

10.根据权利要求1或2或3所述基于内容关联密钥的图片文件加解密系统，其特征在于：传输模块中，主体数据相应密文通过普通网络来分发，敏感数据作为密钥通过高安全网络来传输。