基于校驗信息隱藏的彩碼抗篡改攻擊技術(shù)*

鈕佳超，李林森

(上海交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，上海200240）

0 引 言

近年來，彩碼標(biāo)簽作為一種新型的物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)正在快速發(fā)展[1]。彩碼標(biāo)簽由幾種可見光形成的矩形彩色色塊組成，具有識別效率高、定位精確的獨特優(yōu)勢[2]，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于電子票證、商品防偽、身份識別等領(lǐng)域。其安全性能問題逐漸凸顯出來,主要包括篡改攻擊、空中接口攻擊、結(jié)構(gòu)攻擊和移動終端攻擊等攻擊威脅[3]，其中的篡改攻擊對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)造成極大的威脅。對此，本文提出了一種基于校驗信息隱藏的彩碼抗篡改攻擊方法，該方法通過對彩碼色塊的寬度進(jìn)行適量的變動來嵌入校驗信息，從而識別彩碼是否被篡改。最終，進(jìn)行信息隱藏后的彩碼標(biāo)簽具備了安全性高、容易提取、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。文中針對提出的隱藏技術(shù)進(jìn)行了仿真，其結(jié)果表明本方法具有可行性，能夠識別彩碼標(biāo)簽的篡改攻擊。

1 彩碼標(biāo)簽結(jié)構(gòu)

彩碼標(biāo)簽是一種無芯片極簡三維結(jié)構(gòu)，由彩色色塊排列構(gòu)成，具有橫向、縱向及色彩3個維度[4]。圖1為彩碼的結(jié)構(gòu)，主要包括三部分：（a）定位色塊（b）標(biāo)志色塊（c）數(shù)據(jù)色塊。定位色塊為位于（1,1）的紅色色塊、（1,6）的黃色色塊、（3,1）的藍(lán)色色塊；起始標(biāo)志為位于（1,2）的黃色色塊、（1,3）的黃色色塊、（1,4）的紅色色塊；結(jié)束標(biāo)志為位于（3,4）的藍(lán)色色塊、（3,5）的藍(lán)色色塊、（3,6）的黃色色塊；數(shù)據(jù)色塊為位于（1,5）的藍(lán)色色塊、（2,1）的黃色色塊、（2,2）的黃色色塊、（2,3）的藍(lán)色色塊、（2,4）的紅色色塊、（2,5）的藍(lán)色色塊、（2,6）的黃色色塊、（3,2）的紅色色塊、（3,3）的黃色色塊。每一個色塊為長寬比為1：1的正方形。

由于彩碼標(biāo)簽的識別是基于平面，因此色塊在允許范圍內(nèi)的誤差仍然可以正確識別。色塊允許誤差主要包括兩部分[5,6]：色塊垂直錯位允許值（?w），以黃色色塊為例，如圖2所示。色塊水平錯位允許值（?L），如圖3所示。

圖1 彩碼結(jié)構(gòu)

圖2 垂直錯位允許值

圖3 水平錯位允許值

2 彩碼隱藏信息的嵌入和提取

由上面分析可知，允許誤差范圍內(nèi)的彩碼標(biāo)簽仍然被可以正確識讀。本研究利用色塊寬度允許誤差進(jìn)行隱藏信息嵌入，并且能夠正確地讀取打印后的彩碼原始信息以及隱藏信息。

2.1 信息隱藏

本研究中采用高效并且輕量級的校驗算法進(jìn)行校驗，驗證算法如下[7]。

顏色權(quán)值設(shè)定如下：

gR=0

gY=1

gB=2

對應(yīng)checksum值計算方式如下：

其中N代表每一行中對應(yīng)色塊的個數(shù)，g為設(shè)定的權(quán)值，checksum為每行色塊需要嵌入的隱藏信息。

依次計算每行的checksum值，確定每一行的嵌入信息。本研究以圖1所示的彩碼為例進(jìn)行隱藏信息研究。第一行中紅色色塊有兩個，黃色色塊有3個，藍(lán)色色塊有一個，則checksum值計算如下：

第二行有兩個紅色色塊、兩個黃色色塊、兩個藍(lán)色色塊，checksum值計算如下：

第三行有一個紅色色塊、兩個黃色色塊，三個藍(lán)色色塊，checksum值計算如下：

每一行的校驗值轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，則第一行嵌入隱藏信息為0101，第二行嵌入隱藏信息為0110，第三行嵌入隱藏信息為1000。

本步驟計算得到的校驗值，將作為下一步嵌入彩碼中的隱藏信息。若提取的隱藏信息與計算的校驗值不一致，則判斷標(biāo)簽已被篡改；反之，則不能確定已被篡改。

2.2 隱藏信息的嵌入

在彩碼結(jié)構(gòu)中，隱藏信息的區(qū)域為標(biāo)志色塊和數(shù)據(jù)色塊，不改變定位標(biāo)志的色塊寬度，通過此種做法可實現(xiàn)盲提取隱藏信息。

2.2.1 “1”的嵌入

如果需要嵌入的信息為“1”，則將隱藏信息的色塊寬度增加適量的誤差?w，色塊與色塊之間的黑色填充區(qū)域相應(yīng)的減少?w，因此對于彩碼標(biāo)簽來說，寬度并沒有改變。

2.2.2 “0”的嵌入

如果需要嵌入的信息為“0”，則將隱藏信息的色塊寬度減少適量的誤差?w，色塊與色塊之間的黑色填充區(qū)域相應(yīng)的增加?w，因此對于彩碼標(biāo)簽來說，寬度并沒有改變。研究中以圖1所示彩碼為例，隱藏信息嵌入后的結(jié)果如圖4所示：位置為（1,2）、（1,3）、（1,4），（1,5）的色塊嵌入了第一行色塊校驗信息，位置為（2,1）、（2,2）、（2,3）、（2,4）的色塊嵌入了第二行色塊校驗信息，位置為（3,2）、（3,3）、（3,4），（3,5）的色塊嵌入了第三行色塊校驗信息。

圖4 彩碼嵌入隱藏信息

2.3 隱藏信息提取

隱藏信息提取為盲檢測過程，即不需要知道原始彩碼標(biāo)簽的信息。計算變形后定位色塊寬度的平均值w，作為色塊的標(biāo)準(zhǔn)寬度。

其中，定位色塊由左下角、左上角和右下角的三個色塊構(gòu)成，wi表示第i個色塊的寬度，由于在使用過程中可能會有形變，因此取平均值作為標(biāo)準(zhǔn)寬度。

計算色塊標(biāo)準(zhǔn)寬度w與色塊實際寬度w′的差，得到每一個色塊的誤差值?w。

研究中除定位色塊外每個色塊嵌入1位隱藏信息。為排除打印等對色塊寬度的影響，研究中采用誤差占標(biāo)準(zhǔn)寬度的比例作為閾值進(jìn)行判斷，比例計算公式如下：

其中p的范圍在[0.2,0.5]判斷隱藏的信息為“0”，p的范圍在[-0.5,-0.2]判斷隱藏的信息為“1”。

2.4 仿真分析

本研究提出的彩碼信息隱藏技術(shù)的仿真是在visual studio[8]平臺結(jié)合opencv圖像識別技術(shù)進(jìn)行[9]。

篡改單個色塊顏色。攻擊者將圖4中的紅色色塊篡改為藍(lán)色色塊。篡改紅色色塊仿真結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示，第二行中的校驗值由0110改變?yōu)?000，嵌入的隱藏信息未發(fā)生改變，校驗值與隱藏信息不同，彩碼標(biāo)簽被篡改。

圖5 篡改紅色色塊仿真結(jié)果

將嵌入不同信息的兩個色塊交換位置。攻擊者將圖4中第三行中的紅色色塊和黃色色塊交換位置。篡改后仿真結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示，第三行的checksum值未發(fā)生改變，但嵌入的隱藏信息改變?yōu)?100，校驗值與隱藏信息不同，因此可判斷彩碼標(biāo)簽已被篡改。

圖6 篡改色塊顏色和嵌入信息仿真結(jié)果

將嵌入相同信息的兩個色塊交換位置。攻擊者將圖4中第二行的黃色色塊與藍(lán)色色塊位置交換。篡改后仿真結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，由于第二行中色塊的個數(shù)未發(fā)生改變，因此checksum值也未發(fā)生改變，嵌入信息未發(fā)生改變，校驗值與嵌入信息相同，因此無法判斷彩碼標(biāo)簽已被篡改。

圖7 篡改兩個色塊顏色仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

本研究基于校驗信息隱藏提出了一種彩碼抗篡改攻擊的全新技術(shù)，其一方面能夠識別色塊交換的結(jié)構(gòu)攻擊，另一方面能夠識別改變色塊顏色的篡改攻擊，提供了一種解決彩碼標(biāo)簽篡改攻擊的新思路，提升了彩碼標(biāo)簽的安全性。其缺點在于不能識別交換嵌入相同信息色塊位置的攻擊，且不能抵御復(fù)制攻擊，是下一步研究的重點。