Projekat 174008

Novi prilozi tehnikama kriptologije, procesiranja slika i algebarske topologije za informacionu bezbednost

Rukovodilac: dr Miodrag Mihaljević

Rezime

Osnovni ciljevi projekta obuhvataju istraživačke aktivnosti prema usavršavanju postojećih i novim tehnikama za realizaciju elemenata mehanizama za informacionu bezbednost kojima se ostvaruje zaštita tajnosti podataka i autentifikacija korisnika uključuju sledeće osnovne pravce:

(i) evaluacija sigurnosti određenih kriptografskih tehnika;

(ii) nove tehnike za ostvarivanje visoke sigurnosti i umerene/niske implementacione složenosti šifrovanja i autentifikacije;

(iii) upravljanje kriptografskim ključevima;

(iv) biometrijske tehnike za autentifikaciju korisnika;

(v) primena rezultata ostvarenih na prethodno navedenim pravcima u određenim prilagođenim sistemima za ostvarivanje informacione bezbednosti.

Osnovni očekivani ključni rezultati projekta su u domenima kriptologije, procesiranje slika, algebarske topologije i primena za ostvarivanje informacione bezbednosti i uključuju sledeće:

- dizajn i evaluaciju kriptografske sigurnosti novih kriptografskih tehnika zasnovanih na združenim efektima pseudoslučajnosti, slučajnosti i prilagođenog kodovanja;

- unapređenje postojećih i razvoj novih metoda za karakterizaciju oblika uzimajući u obzir preciznost na nivou sub-piksela i primena razvijenih metoda u biometrijskim aplikacijama baziranim na koriscenju 3D slika;

- metode topologije od interesa za upravljanje kriptografskim ključevima uključujući probleme particije/pokrivanja i procene složenosti određenih algoritama diskrente geometrije.

Opis Projekta

(i) evaluacija sigurnosti određenih kriptografskih tehnika sa simitričnim tajnim ključevima;

(ii) nove tehnike za ostvarivanje visoke sigurnosti i umerene/niske implementacione složenosti šifrovanja podataka i autentifikacionih protokola;

(iii) upravljanje kriptografskim ključevima;

(iv) biometrijske tehnike za autentifikaciju korisnika;

(v) primena rezultata ostvarenih na prethodno navedenim pravcima u određenim prilagođenim sistemima za ostvarivanje informacione bezbednosti uključujući sisteme sa medicinskim/zdravstvenim podacima i "pametnim elektroenergetskim mrežama" (smart grid).

Ovim projektom planirane aktivnosti, za ostvarivanje ciljeva istraživanja (i)-(v), nalaze se u:

- domenima kriptologije,

- obrade digitalnih slika i opštih matematičkih metoda,

- a posebno algebarske topologije, od interesa za prethodna dva domena.

- kriptoanalizu generatora nizova za šifrovanje uključujući pristupe zasnovane na rešavanju LPN (Learning Parity in presence of Noise) problema, tehnikama dekodovanja i trgovini između memorijske, vremenske i uzoračke složenosti (time-memory-data trade-off);

- dizajn tehnika sekvencijanog šifrovanja (stream ciphers) uključujući primene teorije kodova;

- tehnike za masovnu distribuciju kriptografskih ključeva;

- tehnike za autentifikaciju u implementaciono restriktivnim okruženjima (uključujući RFID i senzonrske mreže).

02. Planirane istraživačke aktivnosti u domenu procesiranja slika proizilaze iz sledećeg:

- biometrijske metode i metode za identifikaciju i autentifikaciju korisnika se u velikoj meri oslanjaju na informacije ekstrahovane iz odgovarajućih digitalnih slika.

Istraživanja u domenu digitalne obrade slika u okviru ovog projekta će obuhvatiti analizu specifičnih karakteristika 3D objekata, predstavljenih u proizvoljnoj rezoluciji i/ili uz prisustvo šuma. Istraživanja su motivisana potrebom da se prevaziđe neravnoteža uzrokovana:

- brzim razvojem u oblasti tehnologija dobijanja 3D digitalnih slika, i

- nedostatkom odgovarajućih metoda za analizu i procesiranje sve dostupnijih 3D podataka.

Uzimajući u obzir ultimativni značaj preciznosti, za metode koje se koriste u biometrijskim aplikacijama, razvoj metoda kojima se maksimalno koristi informacija prisutna u raspoloživim slikama (prevazilazeći ograničenja nedovoljno visoke rezolucije i lošeg kvaliteta slike), je nezaobilazan istraživački zadatak. Akcenat u razvoju metoda za analizu 3D oblika je na novom pristupu koji se bazira na razmatranju višekomponentnih objekata. Iako je često prirodno da se grupa objekata posmatra kao složeni (višekomponentni) objekat, takođe je ponekad pogodnije jedinstveni objekat razložiti na prirodne komponente i tretirati ga kao složeni objekat (npr. ljudsko lice). Sa druge strane, razvijene metode za analizu višekomponentnih oblika su uglavnom u inicijalnoj fazi kao i metode za kvantitativno merenje njihovih osobina. Primena očekivanih rezultata je od direktnog interesa u oblastima identifikacije osoba, klasifikacije i prepoznavanja (objekata, oblika, osoba). Istraživanja usmerena na analizu slika na relativno niskoj rezoluciji imaju za cilj razvoj metoda za ocenu relevantnih parametara i deskripciju objekata sa preciznošću na nivou sub-piksela, kojima se unapređuju postojeće metode za ekstrakciju podataka iz slika nedovoljno visokog kvaliteta. Konačno, razvoj metoda za optimizaciju nekonveksnih i nelinearnih ciljnih funkcija, koji se odlikuju niskom računskom složenošću i srazmerno velikom brzinom, je od značaja za uspešno rešavanje mnogih problema u oblasti obrade slika, ujključujući primene na uklanjanje šuma, segmentaciju objekata, itd.

03. U domenu topologije koja se u novije vreme označava engleskim terminom "Computational Topology", a koja obuvata i primene metoda algebarske topologije, planirani predmeti istraživanja su:

- analiza i klasifikacija velikih skupova podataka "data clouds" (Vietoris Rips complex, persistent homology);

- particije u skladu sa zadatim uslovima i metode pokrivanja geometrijskog prostora, vezano za problem distribucije kriptografckih ključeva;

- procena složenosti algoritama diskrente geometrije.

- otkrivanje skrivenih "topoloških" struktura i njihovih izračunjivih invarijanata, poput povezanosti, opstrukcija preslikavanja ili (ko)homologije;

- upotrebu sofisticiranih teoretskih topoloških metode u sklopu algoritamskog pristupa rešavanju gore navedenih problema.

Posebno se ukazuje da struktura projekta obuhvata i međunarodnu saradnju i edukaciju mladih istraživača. Istraživačke aktivnosti u okviru projekta pretpostavljaju i intenzivnu međunarodna saradnju (kao nastavak dosadašnje međunarodne saradnje) koja daje plodotvornu osnovu za visokokvalitetnu realizaciju ciljeva ovog projekta. Planirana međunarodna saradnja uključuje sledeće institucije: Research Center for Information Security (RCIS), National institute AIST, Tokyo, Japan; University of Exeter, U.K.; University of Manchester, U.K.; Centre for Image Analysis, Swedish University of Agricultural Sciences and Uppsala University, Uppsala, Sweden; Technical University (TU) Berlin (G. Ziegler through ERC Advanced Grant). Edukaciona funkcija projekta uključuje: Edukaciju mladih istrazivača u domenima koji su na prioritetnim pravcima istraživačkih aktivnosti i u Srbiji i u međunarodnim okvirima, a time i sposobljavanje mladih (doktoranata) i njihovo uvođenje u naučno-istraživački rad u oblasti od visokog međunarodnog i nacionalnog značaja

Značaj istraživanja

Predloženi projekat je iz oblasti informaciono-komunikacionih tehnologija (IKT) i usmeren je ka jednoj od veoma aktuelnih oblast IKT - informacionoj bezbednosti koja je prepoznata kao jedna od prioritetnih tema u strategiji istraživanja u Srbiji i u konkursu za projektni ciklus 2001-2014, a koja je takođe ranije prepoznata kao jedna od visko prioritetnih tema u mnogim međunarodnim programima istraživanja uključujući programe EU, SAD i Japana. Značaj (uključujući i širi društveni) predloženih istraživanja direktno proizilazi iz značaja bezbednosti informacija i njenog mesta na listi prioriteta i istraživačkih problema i aktuelnih društvenih problema kako u međunarodnim tako i u nacionalnim okvirima. Posebno se ukazuje da je jedan od FP7 prioriteta ostvarivanje pouzdanog i bezbednog informacionog društva zasnovanog na ekosistemu bezbednih digitalnih komunikacija, procesiranja informacija i odgovarajuće infrastructure. Saglasno navedenom, značaj predloženih istraživanja proističe iz značaja kriptologije, biometrike i određenih pravaca matematike za dizajn usavršenih i naprednih mehanizama i sistema za ostvarivanje informacione bezbednosti. Dodatni značaj predloženih istraživanja je u integraciji računarske nauke, različitih matematičkih disciplina i teorijskih matematičkih rezultata za rešavanje praktičnih izazova informaciong društva, a posebno u negovanju matematičkih istraživanja od potencijalnog interesa za razvoj naprednih komponentata za informacionu bezbednost. Navedenim se razvija i povezivanje tradicionalnih terorijskih matematičkih izazova sa praktičnim primenama čime tradicionalna matematika dobija notu "visoke primenljivosti", a u rešavanje praktičnih izazova se uvode sofisticirane matematematičke tehnike čime se ostvaruje dobrobit i za tradicionalnu matematiku i za primene. Direktan značaj predloženih istraživanja je u primenljivosti očekivanih rezultata istraživanja za dizajn komponenata sistema za ostvarivanje informacione bezbednosti. Posebno se ukazuje na sledeće pojedinačne ilustracije značaja predloženih istraživanja:

01. U domenu kriptologije finalni ciljevi predloženih istraživanja uključuju:

(i) razvijanje naprednih tehnika za evaluaciju sigurnosti komponenata na osnovu kojih se uspostavlja informaciona bezbednost, i

(ii) dizajn naprednih kriptografskih primitive koje istovremeno obezbeđuju i visoku sigurnost i nisku implementacionu složenost za realizaciju šifrovanja, autentikacije i distribucije tajnih kriptografskih ključeva.

02. U domenu procesiranja slika predložena istraživanja će biti od značaja kako za istraživače koji se, po prirodi svojih istraživanja, bave digitalnim slikama (istraživači u oblasti kompjuterske grafike i procesiranja slike), tako i za istraživače koji u svojim istraživanjima koriste najnovije tehnologije vezane za dobijanje i obradu 3D slika, pre svega zahvaljujući velikoj primenljivosti razvijenih metoda. Očekuje se da će biti dobijeno više "pionirskih" rezultata, imajući na umu postojeću neravnotežu između visokog stepena napretka u oblasti tehnologija vezanih za dobijanje 3D slike, i trenutno nesrazmerno niskog stepena razvoja metoda za obradu tako dobijenih slika. Takođe, razvoj metoda za analizu slika kojima se postiže maksimalna iskorišćenost postojeće i dostupne informacije je od posebnog značaja u mnogim oblastima baziranim na obradi slika uključujući i biometriju.

03. Značaj predloženih istraživanja u domenu algebarske topologije proističe iz sledećeg:

- topološke metode su aplikabilne i u kriptologiji i u geometrijskim metoda obrade slike

- neki, u okviru ovog projekta, razmatrani problemi prelaskom u domen topoloških metoda se mogu razmatrati visoko razvijenim metodama "čiste" algebarske topologije

- topološki problemi indukovani problemima iz primene daju nove otvorene probleme čije rešavanje često zahteva razvoj novih teoretskih topoloških metoda.

Značaj topoloških tema predloženih za istraživački rad u okviru ovog projekta, ogleda se i u njihovom ubrzanom i kontinuiranom razvoju u eminentnim svetskim centarima, npr. "Mathematical Sciences Research Institute Berkeley" (

https://www.msri.org/calendar/programs/ProgramInfo/243/show_program ) and "Stanford University" (https://comptop.stanford.edu/ ).

Deset izabranih referenci iz predloga Projekta

[01] M. Mihaljević and H. Imai, "An approach for stream ciphers design based on joint computing over random and secret data", Computing , vol. 85, no. 1-2, pp. 153-168, June 2009.

[02] M. Mihaljević, M. Fossorier and H. Imai, "Security Evaluation of Certain Broadcast Encryption Schemes Employing a Generalized Time-Memory-Data Trade-Off", IEEE Communications Letters , vol. 11, no. 12, pp. 988-990, Dec. 2007.

[03] M. Fossorier, M. Mihaljević and H. Imai, "Modeling Block ecoding Approaches for Fast Correlation Attack", IEEE Transactions on Information Theory , vol. 53, no. 12, pp. 4728-4737, Dec. 2007.

[04] M. Mihaljević, "Generic framework for secure Yuan 2000 quantum encryption protocol employing the wire-tap channel approach'", Physical Review A, vol. 75, no. 5, pp. 052334-1-5, May 2007.

[05] J. Đ. Golić and M. Baltatu, "Entropy analysis and new constructions of biometric key generation systems", IEEE Transaction on. Information Theory , vol. 54, pp. 2026-2040, May 2008.

[06] Joviša Žunić, Kaoru Hirota, Paul L. Rosin, "A Hu Invariant as a Shape Circularity Measure", Pattern Recognition , vol. 43, no. 1, pp. 47-57, 2010.

[07] Joviša Žunić, Paul L. Rosin, "An Alternative Approach to Computing Shape Orientation with an Application to Compound Shapes", International Journal of Computer Vision , vol. 81, no. 2, pp. 138-154, 2009.

[08] Nataša Sladoje, Joakim Lindblad, "High-Precision Boundary Length Estimation by Utilizing Gray-Level Information", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence , Vol. 31, no. 2, pp. 357-363, 2009.

[09] Nataša Sladoje, Ingela Nyström, Punam Kumar Saha, "Measurements of digitized objects with fuzzy borders in 2D and 3D", Image and Vision Computing , vol. 23, no. 2, pp. 123-132, 2005.

[10] Imre Barany, Pavle V. Blagojević and Andreas Szucs, "Equipartitioning by a convex 3-fan", Advances in Mathematics , vol. 223, br. 2, str. 579-593, 2010.