月犬云盾 原宏杰加密

近年来，对多媒体信息加密方法的研究逐渐增多，其中音频加密是研究的重点。为此，我们提出了结合MP3音频编码过程的快速音频加密方案，选择加密对安全敏感的数据帧，通过实验测试选择敏感参数类型，并在帧中选择加密这些敏感参数。

一、基于参数敏感性的MP3音频加密方案。

1.MP3音频敏感参数选择。

MPEG旧频率流由相互独立的数据帧组成，每个帧包括标题。可选的CRC代码、音频数据和附加信息。音频数据包含主要的音频信息，包括侧信息和主数据（比例因子。霍夫曼代码数据）。

(1)MP3音频编码的参数敏感性。

根据ISD/IEC1172-3标准的定义，每个音频数据对随机错误的敏感性可分为0~5，如表1所示。



辅助信息层，辅助信息的敏感性为5-2(根据位数不同，以下相似)，比例因子的敏感性为3/2，霍夫曼码数据的敏感性为3-O。

(2)敏感参数测试。

从以上分析可以看出，MP3音频码流中的比例因素占码流的比例很小。统计以下类型的Bass(男高音)、Popm(流行歌曲)、Inst(乐器声)、Hom(号)、Spff(女演讲)和Spmg(男演讲)。比例因素数据占音频数据的比例如表2所示。



与霍夫曼代码数据相比，比例因子数据对解码更敏感。这里用单位长度数据错误引起的解码信号PSNR(峰值信噪比)的变化来衡量参数对解码的敏感性。从MPEG音频编码过程中可以看出，解码信号的PSNR随着参数错误数量的增加而减少。如图1所示，给出了上述各种音频片段测试结果的PSNR平均值曲线。可以看出，与ScaleFactor数据对应的比例因子(ScaleFactor)数据对应的曲线位置低于霍夫曼代码(Huffmancode)数据对应的曲线位置，斜率大，说明它对代码过程相对敏感。



2.加密方案。

(1)选择加密方案。

根据上述统计分析，本文提出了一个快速和安全的MP3音频加密方案。对于整个音频，选择对安全敏感的音频帧加密；对于每个音频帧，选择对解码更敏感的部分参数加密，选择加密比例因子（包括主数据开始位置、私有位置、比例因子选择等）。也更敏感，但由于这些参数的变化会改变数据帧的格式，因此加密的音频不能被通用的MPEG音频解码器解码；此外，它包含同步信息，在传输错误中具有同步功能，因此本文不建议加密这些数据）。

通过选择加密部分数据，减少加密数据量，提高加密/解密速度；通过选择加密敏感数据，提高密码系统的安全性。其中，选择音频段中的帧进行加密。过程如图2(a)所示。根据安全要求选择需要保密的音频数据段。例如，在n个音频帧中，选择加密第二帧并保持其他帧不变；对每帧内部的信息进行加密，过程如图2所示。



(2)选择加密算法。

在一些加密方法中，在加密一些数据时使用的加密算法通常是传统的高强度密码，或基于混沌映射的混沌流密码、混沌块密码等。其中，DES/IES/RSA/流密码等传统高强度密码通常基于高计算复杂度的数论，安全性高，加/解密过程的计算复杂度相对较高，速度较慢；混沌流密码通过混沌方程的迭代生成密钥序列，每个单独的密钥再次用于数据加密；混沌块密码是改变整个明文数据块。混沌密码利用混沌现象的初始敏感性、参数敏感性、通历性和伪随机性，计算复杂性相对较低，速度较快。

由于音频数据量大于文本，直接使用传统密码加密，难以保证系统的实时性，传统密码很难直接应用于音频加密。在这部分加密方案中，加密数据量较小，因此为了提高密码系统的安全性，我们可以使用传统的高强度密码，如流密码。当然，混沌流密码也可以使用，主要是为了减少密码系统成为4i。

(3)密钥分配方案。

为了提高系统的安全性，可以使用多密钥进行加密，即为不同的音频帧分配不同的密钥。攻击者只破所有密钥才能完全打破音频密文，这增加了打破难度，提高了加密系统的强度。此外，当使用流密码加密时，由于网络拥塞等原因，即使个别音频帧丢失，也能保证后续音频帧的正确解密，从而提高加密系统的鲁棒性。

这里采用以下多密钥方案。如果没有用户主密钥为Key，则采用LogisLic映射(1)，其中取a=4，按类型(2)迭代计算，可以生成子密钥Key-i，(i=l，2，3，..);这些子密钥用于相应的帧Frame加/解密，选择T>100可以保证密钥分配方案足够安全。为了使用多密钥分配方案，在编码加密的同时，需要在MP3音频编码的数据流附加数据中添加帧序号标I。