[논문 리뷰] Fully Homomorphic Encryption Encapsulated Difference Expansion for Reversible Data hiding in Encrypted Domain

Yan Ke, Minqing Zhang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 29.

Advanced Steganography and Watermarking Techniques참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 암호화된 도메인에서 직접적으로 복원 가능한 데이터 숨김을 가능하게 하는 완전한 동형 암호화 봉인 차등 확장(FHEE-DE) 기법을 제안한다. 기존의 키 스위칭 및 부트스트랩 기법에 더하여, 새로운 키 스위칭 기반의 최소 유효 비트(_LSB) 삽입 방법을 통합함으로써, 서버가 복호화 없이도 암호문에서 데이터를 삽입하고 추출할 수 있도록 한다. 이로 인해 높은 삽입 용량, 뛰어난 정밀도, 완전한 분리 가능성을 확보하면서도 암호화 보안을 유지할 수 있다.

ABSTRACT

This paper proposes a fully homomorphic encryption encapsulated difference expansion (FHEE-DE) scheme for reversible data hiding in encrypted domain (RDH-ED). In the proposed scheme, we use key-switching and bootstrapping techniques to control the ciphertext extension and decryption failure. To realize the data extraction directly from the encrypted domain without the private key, a key-switching based least-significant-bit (KS-LSB) data hiding method has been designed. In application, the user first encrypts the plaintext and uploads ciphertext to the server. Then the server performs data hiding by FHEE-DE and KS-LSB to obtain the marked ciphertext. Additional data can be extracted directly from the marked ciphertext by the server without the private key. The user can decrypt the marked ciphertext to obtain the marked plaintext. Then additional data or plaintext can be obtained from the marked plaintext by using the standard DE extraction or recovery. A fidelity constraint of DE is introduced to reduce the distortion of the marked plaintext. FHEE-DE enables the server to implement FHEE-DE recovery or extraction on the marked ciphertext, which returns the ciphertext of original plaintext or additional data to the user. In addition, we simplified the homomorphic operations of the proposed universal FHEE-DE to obtain an efficient version. The Experimental results demonstrate that the embedding capacity, fidelity, and reversibility of the proposed scheme are superior to existing RDH-ED methods, and fully separability is achieved without reducing the security of encryption.

연구 동기 및 목표

• 복호화가 필요 없이 암호화된 도메인에서 복원 가능한 데이터 숨김을 가능하게 하기 위해.
• 공개 정보만을 사용하여 표시된 암호문에서 데이터 추출 및 복구가 가능하도록 하기 위해.
• 높은 정밀도와 삽입 용량을 유지하면서도 완전한 분리 가능성과 강력한 암호화 보안을 확보하기 위해.
• 실제 환경 적용을 위한 실용적 효율성을 높이기 위해 동형 연산을 단순화하기 위해.

제안 방법

• 암호문 노이즈 증가를 제어하고 복호화 실패를 방지하기 위해 키 스위칭 및 부트스트랩 기법을 활용한다.
• 비밀 키에 접근하지 않더라도 암호화된 도메인에 추가 데이터를 삽입할 수 있도록 키 스위칭 기반의 최소 유효 비트(KS-LSB) 삽입 방법을 설계한다.
• 서버가 표시된 암호문에서 직접 숨겨진 데이터를 추출할 수 있도록 하여 원본 평문과 추가 페이로드의 무결성을 유지한다.
• 복호화 후 표시된 평문에서 왜곡을 최소화하기 위해 정밀도 제약 조건을 도입한다.
• 계산 오버헤드를 줄이기 위해 유니버설 FHEE-DE 기법을 최적화하여 실용적 사용을 위한 효율적인 변종을 도출한다.
• 프레임워크는 완전한 분리 가능성을 보장하여 원본 평문과 삽입된 데이터가 독립적이고 정확하게 복원될 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공개 정보만을 사용하여 복호화 없이 암호화된 도메인에서 복원 가능한 데이터 숨김을 수행할 수 있는가?
• RQ2 암호화된 데이터에 데이터 삽입 중 복호화 실패를 방지하기 위해 동형 연산을 어떻게 안정화하고 통제할 수 있는가?
• RQ3 암호화된 도메인에서 복원 가능한 데이터 숨김 기법에서 삽입 용량, 정밀도, 보안 간의 타당한 균형은 무엇인가?
• RQ4 데이터 추출 및 복구 과정을 비밀 키로부터 완전히 분리시킬 수 있는가? 이를 통해 서버 측에서의 운영이 가능해지는가?
• RQ5 성능이나 보안을 훼손하지 않으면서도 동형 연산을 어떻게 단순화할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 FHEE-DE 기법은 기존의 암호화 도메인 내 복원 가능한 데이터 숨김(RDH-ED) 방법보다 더 높은 삽입 용량을 달성한다.
• 정밀도 제약 조건이 도입되면서 표시된 평문의 정밀도가 크게 향상되어 인지적 왜곡이 감소한다.
• 복호화 없이도 표시된 암호문에서 직접 데이터 추출이 가능하여 완전한 분리 가능성을 입증한다.
• 최적화된 FHEE-DE 버전은 계산 복잡도를 감소시키면서도 높은 성능을 유지한다.
• 데이터 추출 또는 복구 과정에서 비밀 키가 필요로 하지 않아 보안이 유지된다.
• 완전한 동형 암호화와 차등 확장을 성공적으로 통합하여 암호화된 도메인에서 안전하고 복원 가능한 데이터 숨김을 가능하게 한다.