数字指纹技术的攻击方法概述
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数字指纹技术的攻击方法概述
作者：SFG 出处：SFG
1 引言
近年来，信息技术的迅猛发展及以其为基础的电子商务的广泛应用，使各类文字、图片、影视等作品通过网络的传播范围空前扩大，为创作者和发行商带来了新机遇。但同时，人们也很容易对以数字形式存在的产品进行非法拷贝和分发，如何对数字化产品进行版权保护已成为信息时代版权保护的核心问题之一。数字水印技术和数字指纹技术是近几年发展起来的新型数字版权保护技术。比较而言，数字水印是向数字产品中嵌入版权拥有者的一些信息，当发生争议时能够有效确认出版权归属，对相同的作品嵌入的水印信息是相同的。而数字指纹是在原产品中嵌入与用户有关的信息，产品提供者（也称发行商）能够根据该信息对非法用户进行跟踪。嵌入的内容对不同购买者是不同的，数字指纹技术具有广泛的应用环境和广阔的应用前景。
数字指纹是版权保护的一种重要手段，也属于信息隐藏的一部分。它是将不同的标志性识别代码——“指纹”，利用数字水印技术嵌入到电子产品中，然后发给每个用户。发行商发现盗版行为后，就能通过提取盗版产品中的这一指纹，确定非法复制的来源，对盗版者进行起诉，从而起到版权保护的作用。
2 基本概念和模型
数字指纹技术的基本模型主要由两个模块组成，一是用于向载体图像中嵌入指纹并对掩蔽图像进行分发的数字产品分发模块；另一部分是实现对非法分发者进行跟踪并审判的数字产品追踪模块。数字指纹技术的基本模型[1]见图1。
（1）数字产品分发模块。其建立在数据分发体制下，实现数字产品的指纹嵌入和数字产品的分发。该模块包括数字指纹的编码、嵌入及分发。其中，指纹的编码是对原始指纹数据进行处理，以提高数据的安全性和抗合谋能力；指纹的嵌入是以一定的规则，向载体的时域或变换域系数中引入误差，从而实现指纹信息的成功隐藏；指纹的分发是将掩蔽图像授权于注册用户。
（2）数字产品追踪模块。其建立在盗版跟踪体制下，实现盗版数字产品中的指纹提取和盗版者跟踪。该模块包括指纹的提取、译码、跟踪及审判。其中，指纹的提取是按照一定的规则，根据掩蔽载体中的误差，从中提取出指纹数据；指纹的译码是将提取出的指纹数据恢复成可理解的数字指纹信息；指纹的追踪及审判是根据数字指纹信息，依靠协议和法律对盗版者进行判定和惩罚。
3 数字指纹的攻击手段
指纹攻击手段和数字指纹系统抗攻击方法是矛盾的对立统一的两个方面。不断地分析和研究指纹攻击手段，有助于我们更加深入地发现并认识指纹系统的缺点和不足之处，从而改进算法、协议及系统设计方法，进一步完善和提高系统的性能。
数字指纹系统可能受到的攻击主要分为两类：一类是单个用户对其指纹拷贝进行数字图像操作或恶意攻击，以删除指纹或将指纹变成其它用户的指纹，这样的攻击我们称之为单用户攻击，这类攻击与数字水印系统遭受的攻击相同；另一类是多个用户的合谋攻击手段，由于指纹系统为每个用户分配一个惟一的指纹，从而每个用户获得的掩蔽图像存在细微的差别，几个用户联合起来可以产生一个新的带有秘密信息的掩蔽图像，这里的秘密信息可能是一个没有参与合谋者的指纹，也可能是一个乱码。下面分别对这两类攻击进行介绍。
3.1 单用户攻击
单用户攻击是指单个用户通过对其拥有的数字产品进行各种操作，以期去掉数字产品中的指纹或者将指纹转换成其它用户的指纹，这时数字指纹系统和数字水印系统所遭遇的攻击基本相同，一般来说攻击方法可以分为三类[2] [3] [4] [5]：去除攻击（Removal Attack） 、同步攻击（Synchronization Attack）、协议攻击（Protocol Attack）。
（1）去除攻击。也称为稳健性攻击，其目的是从数字产品中去除掉指纹（水印），并且不影响数字产品的正常使用。这类攻击大体可分为两类：信号处理攻击和分析攻击。信号处理攻击包括一些基本的信号处理操作，如去噪、有损压缩、量化、重新调制、滤波、颜色校正等；分析攻击也称直接攻击，包括在指纹（水印）的嵌入和检测提取阶段采用特殊方法来擦除或减弱产品中的指纹（水印）。
（2）同步攻击。也称为表达攻击，它不需要利用算法来去除数字产品中指纹（水印），而是试图通过对掩蔽载体做各种修改以使得检测器失效，破坏了载体与指纹（水印）的同步性。这类攻击主要包括几何失真攻击（Geometrical Distortion Attack）、马赛克攻击（Mosaic Attack）、抖动攻击（Jitter Attack）、Oracle攻击。其中，几何失真攻击（几何攻击）由于简单易行，是较为常见的一类攻击，主要包括旋转（Rotation）、缩放（Scaling）、平移（Translation）、剪切（cropping）、图像反转等。其中，旋转、缩放、平移简称为RST。
（3）协议攻击。它使检测器的结果错误或不明确，从而不能惟一地确定版权所有，引起版权纠纷。协议攻击主要包括解释攻击（Interpretation Attack）和拷贝攻击（Copy Attack）。解释攻击又称为死锁攻击，它通过伪造假的原始数字产品或掩蔽载体来制造混乱，从而任何人可以声明其对产品的所有权，导致版权争议。拷贝攻击是从掩蔽载体中估计出指纹或水印，并将估计的内容加入其它数字产品，破坏版权产品的合法性。
3.2 合谋攻击
由于每个授权用户的数字产品都有微小的差异，部分用户可以联合起来篡改数据以达到去除指纹或陷害无辜用户的目的，我们称之为合谋攻击。合谋攻击的成功与否，不仅在于攻击后产生的新数字产品的变化程度，还在于数字指纹系统的追踪能力。
研究数字指纹系统遭受合谋攻击时，一般Bone提出的嵌入假设为前提，假定各个指纹拷贝的嵌入位置相同。假设数字指纹系统的用户数为 M，载体数据中供数据嵌入的N个位置上的数据值构成向量 S，发行商为每个用户 u(i)产生一个惟一的长度为N 的指纹W(i) ，i=1，2，...，M 。则嵌入指纹W(i) 的掩蔽载体中被修
4 结束语
近五、六年来，数字指纹的研究得到了国外研究界的重视，并已获得部分成果；而在国内，据公开的资料看，数字指纹的研究尚未得到充分重视。整体看来，数字指纹的研究仍然处于起步阶段，其应用还有很大的局限性。然而，随着版权保护的不断深入人心，数字指纹这一新型版权保护手段将会得到越来越多的重视。
我们提出以下几个在数字指纹攻击手段方面值得研究的方向：
（1） 对数字指纹编码的若干理论问题的研究，包括满足某种特性（如IPP、TA） 等特性的码字的有关界的问题。
（2） 设计既有较好抗合谋攻击能力，又有较高实现效率的非对称指纹方案，或者在已有的具有较好抗合谋攻击能力的指纹编码方案（如文献 [6] 中的编码方案） 的基础上，设计能够有效实现的非对称指纹方案。
（3） 和数字水印一样，在抵抗同步攻击方面，现存的数字指纹系统还有相当缺陷，在能抵抗一般攻击的基础上，设计能够抵抗同步攻击的数字指纹系统是十分必要的。
摘要：随着计算机网络、信息技术和电子商务的蓬勃发展，数字时代下的数字媒体版权保护成为一个急待解决的重要问题和热门研究课题，同时它还是信息隐藏技术发展的内在驱动力。数字指纹是信息隐藏中数字版权标识的一个主要技术，是一种重要的数字媒体版权保护手段。
关键词：数字媒体；信息隐藏；数字指纹
作为信息隐藏的一个重要分支、主要用于版权保护的数字指纹，其研究具有重要的意义。数字指纹是将不同的标志性识别代码——指纹，利用数字水印技术嵌入到数字媒体中，然后将嵌入了指纹的数字媒体分发给用户。发行商发现盗版行为后，就能通过提取盗版产品中的指纹，确定非法复制的来源，对盗版者进行起诉，从而起到版权保护的作用。
1 基本概念和模型
1.1 数字指纹的概念
通常来讲，数字指纹(Digital Fingerprinting)是指与用户和某次购买过程有关的信息。当发行商发现被非法分发行为时，可以根据该信息对进行非法分发的用户实现跟踪。
数字指纹体制主要由两部分构成，一部分是用于向拷贝中嵌入指纹并对带指纹拷贝进行分发的拷贝分发体制；另一部分是实现对非法分发者进行跟踪并审判的跟踪体制。往往上述两部分通过发行商、用户(还可能有登记中心、审判者等实体)之间的一系列协议实现，因此数字指纹体制也可以分为算法和协议两部分。其中，算法包括指纹的编码和解码、指纹的嵌入和提取以及拷贝的分发策略等内容，而协议部分则规定了各实体之间如何进行交互以实现具有各种特点的拷贝分发和跟踪体制(如实现用户的匿名性等)。
1.2指纹技术的分类
对于指纹技术的分类，可按下列特征进行：加入指纹的客体、检测的灵敏度、嵌入指纹的方法、生成的指纹，这四种分类并不相互排斥。
①基于客体的分类。基于客体的分类有两种：数字指纹(Digital Fingerprinting)和物理指纹(Physical Fingerprinting)。
②基于检测灵敏度的分类。基于对侵害的检测灵敏度，可把指纹分为：完美指纹、统计指纹和门限指纹。
③基于嵌入指纹方法的分类。基本指纹处理方法，如识别、删除、添加、修改等被作为另一种分类标准。
④基于指纹属性的分类。分为离散指纹(Discrete Fingerprinting)和连续指纹(Continuous Fingerprinting)，大部分物理指纹属于这种类型。
2数字指纹编码
由于数字指纹方案要对抗用户的合谋攻击，通常发行商会对用户的指纹进行编码，以增加该指纹方案的合谋容忍能力，这种编码称为合谋容忍编码。若一个数字指纹体制能够抵抗合谋攻击，则称该方案是合谋安全的(Collusion Secure)。指纹的合谋容忍编码通常包括两个部分：指纹的编码算法(生成带有用户指纹的拷贝)和跟踪算法(如何对非法用户进行跟踪)。指纹编码方案是指在一定假设下，将获得的与用户有关的信息按照一定的规则进行编码，生成具有一定抗攻击能力的码字的过程。跟踪方案则是指当发行商获得盗版拷贝时，运用一定的解码规则判断非法分发的过程。
好的指纹编码和跟踪算法是发行商能正确追踪到非法分发者的关键因素。每一个指纹编码方案都有相应的跟踪体制。从跟踪成功的概率来讲，指纹编码方案可以分为确定性跟踪和概率性跟踪方案。从码字的分布而言，可以分为连续指纹方案和离散指纹方案。
3数字指纹协议
数字水印技术研究主要关注一个算法在数字媒体中如何嵌入一串信息并能够完整地检测恢复。这一信息可以是发行商的名称，也可以是任意的有特定意义的比特串。然而，仅有水印嵌入检测算法是不足以实现版权的保护，这时，需要一个完整的保护协议来规范商家和购买者之间的交易行为。既要保护商家的版权不受侵害，也要保护购买者的合法权益，于是，人们提出了数字指纹执行协议的概念。
数字指纹协议有比较大的适应性，在一定的前提下可以应用于各种类型的数字媒体。其基本思想是在分发给每个软件产品购买者的产品拷贝中加入唯一的数字指纹，当产品生产者发现侵权行为后，通过提取指纹信息来跟踪产品非法拷贝的源头对盗版者进行指控，从而达到版权保护和威慑的作用。
总之，信息隐藏及数字指纹技术作为一门新兴的边缘科学，它涉及到通信与信息理论、图像与语音处理、信号检测与估值、数据压缩技术、人类视觉与听觉系统、计算机网络与应用等多门学科知识。尽管近几年来在理论与应用中取得巨大的发展，但到目前为止尚未形成一个完整的理论体系，仍有许多问题等待解决。可以说，信息隐藏及数字指纹技术是一个充满活力但又有待开发的领域。
