avsec

Захищене відео через наявний аналоговий відеотракт
_{Відтворення схеми ISITIA 2021 · демонстрація її меж · заміна на стандартній криптографії

з експериментальним порівнянням за фіксованого бюджету на синтетичних і природних кадрах}

Швидкий старт · Як це працює · Формули · Результати · Завдання ISITIA 2021 · Road map · Висновки · Каталог схем · B2s: заміна · B2l: стала яскравість · Твердження · Межі застосовності · Словник · Карта документації

🎯 Виконання завдання ISITIA 2021

Завдання: відтворити схему захисту відеоканалу БпЛА зі статті ISITIA 2021, показати її межі й запропонувати вдосконалення.

Відповідь одним документом:

➜ docs/reconstruction_2021.md

Документ читається окремо від решти репозиторію і містить чотири розділи:

Частина Що в ній Перевірити

1. Реконструкція будова B1: регістр зсуву з лінійним зворотним зв'язком (LFSR), сітка 12×16, таблиця перестановки; репліка таблиць I–III вихідної публікації для початкових станів 44257, 1234, 1111 run.bat lab

2. Випробування на зображеннях застосування реконструкції B1 до чотирьох фрагментів аерофотографії: вихідне, скрембльоване та відновлене зображення run.bat lab

3. Криптоаналіз пʼять атак із зазначенням моделі загроз, результату й часу; перебір визначає заданий початковий стан регістра 44257 за 5,13 с avsec attack

4. Модифікації ланцюжок B1 → B2 → B3 → B4 → B4t/P: кожен крок відповідає конкретній вразливості з розділу 3, із зазначенням вартості run.bat research

Основні числові результати:

репліка таблиць вихідної публікації дає середню подібність 3,70 % проти 3,94 % у публікації; за незмінного початкового стану регістра розкид по чотирьох фрагментах аерофотографії становить 6,55 відсоткового пункту, тобто показник характеризує пару «алгоритм — набір зображень»;

перебір реалізованого простору початкових станів визначає заданий стан 44257 за 5,13 с;

збирання за сумісністю меж без знання ключа дає 94,94 % правильних сусідств при 0,00 % правильних абсолютних позицій, тобто витік структури, а не повне розкриття кадру.

Одна команда відтворює розділи 1–2 і записує результат у results/lab/:
run.bat lab            # або ./run.sh lab

Important

Основний результат роботи — негативний. Переналаштована проста база (B4t) перевершує запропоновану схему (P) у кожному каналі кожного з трьох наборів даних. Два запропоновані механізми — кілька описів і burst-aware розміщення — не покращують наскрізну якість і навіть не вміщуються в бюджет без тих самих змін транспорту, які й дають увесь виміряний виграш. Подробиці: ROADMAP, висновки §6.

📖 Про що це

Вихідна стаття — Mardiyanto R., Suryoatmojo H., Setiawan F., Irfansyah A. N. Low Cost Analog Video Transmission Security of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) based on Linear Feedback Shift Register (LFSR), ISITIA 2021, с. 414–419, DOI 10.1109/ISITIA52817.2021.9502241 — пропонує захищати відеоканал дрона перестановкою блоків кадру за послідовністю LFSR.

Цей репозиторій робить три речі:

Відтворює цей алгоритм (метод B1) і показує його межі: обраний кадр відновлює перестановку повністю за 1,3 мс; одна відома пара — теж повністю на гладкому й текстурному вмісті. А на гладкому вмісті — типовому для аерозйомки — впізнаване зображення (24,7 дБ) відновлюється взагалі без ключа і без відомої пари, лише з переданого зображення.
Будує заміну на стандартній криптографії (B3, B4, P): дані шифруються AEAD і передаються через той самий аналоговий тракт як рівні яскравості.
Вимірює, що саме це дає і чого коштує — 183 600 моментів показу на трьох наборах даних (з них один — 24 незалежні знімки з БпЛА), 56 рисунків, і окремий розділ про те, де запропонована схема програє. Вона програє переналаштованій простій базі в кожному каналі кожного набору, і це головний результат, а не застереження до нього.

Це не аналоговий шифратор

Гібридна архітектура. Аналоговими лишаються сигнал на композитному інтерфейсі та сам тракт передавання. Уся обробка до передавача і після приймача — цифрова:

flowchart LR
    subgraph TX["Передавач (на борту)"]
        A["Камера<br/>кадр 256×192"] --> B["Джерельне<br/>кодування"]
        B --> C["AEAD<br/>ChaCha20-Poly1305"]
        C --> D["Reed–Solomon<br/>GF(256)"]
        D --> E["Розміщення<br/>в растрі"]
        E --> F["Модулятор<br/>рівні яскравості"]
    end
    F --> G(["АНАЛОГОВИЙ ТРАКТ<br/>CVBS 625/50"])
    subgraph RX["Приймач (на землі)"]
        G --> H["Демодулятор<br/>+ синхронізація"]
        H --> I["Reed–Solomon<br/>виправлення"]
        I --> J["Перевірка AEAD<br/>тег 128 біт"]
        J --> K["Складання<br/>кадру"]
        K --> L["Показ<br/>+ карта віку"]
    end
    style G fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:3px
    style C fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32
    style J fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32

Базові методи B0a, B1, B2 навпаки передають саме зображення аналоговим растром — це опора для порівняння, а не захищений режим.

⚡ Швидкий старт

Windows

git clone https://github.com/RE22GDV/avsec.git
cd avsec
run.bat

Linux / macOS

git clone https://github.com/RE22GDV/avsec.git
cd avsec
chmod +x run.sh
./run.sh

Перший запуск сам створює .venv, ставить залежності і відкриває веб-інтерфейс на http://127.0.0.1:8765/. Більше нічого робити не треба.

Команда	Що робить
`run.bat` / `./run.sh`	веб-інтерфейс (за замовчуванням)
`run.bat demo`	один кадр через усі методи, із зображеннями
`run.bat test`	увесь набір тестів
`run.bat check`	перевірка датасету + 35 перевірок протоколу
`run.bat research`	повна програма досліджень (≈1 година, відновлювана)
`run.bat budget`	бюджет каналу, затримка, пам'ять

Встановлення вручну

python -m venv .venv
# Windows: .venv\Scripts\activate
source .venv/bin/activate
pip install -r requirements.txt      # або requirements-dev.txt із тестами
pip install -e .
avsec info

Потрібен Python 3.10+. Без встановлення пакета теж працює:

PYTHONPATH=src python -m avsec.cli info

Про версію Python. Лаунчер свідомо обирає не найновіший інтерпретатор, а перший із 3.12 → 3.11 → 3.10. Найсвіжіший Python зазвичай випереджає наявність готових пакетів numpy/scipy, і тоді pip намагається збирати scipy з джерел — на звичайному ПК це падає через відсутній компілятор Fortran. Щоб примусово задати інтерпретатор:
set AVSEC_PYTHON=py -3.12
run.bat
AVSEC_PYTHON=python3.12 ./run.sh

Залежності і навіщо кожна

Пакет	Навіщо
`numpy`	увесь сигнальний тракт
`scipy`	фільтрація, вікна SSIM, ресемплінг
`cryptography`	ChaCha20-Poly1305 / AES-256-GCM, HKDF-SHA256
`reedsolo`	Reed–Solomon над GF(256)
`opencv-python`	читання й масштабування зображень
`Pillow`	формати, яких не покриває OpenCV
`PyYAML`	конфігурації
`matplotlib`	рисунки PNG 300 dpi / SVG / PDF

Жоден криптографічний примітив тут не написаний власноруч. AEAD береться з cryptography (обгортка OpenSSL), Reed–Solomon — з reedsolo. Це свідоме рішення: див. docs/threat_model.md.

🧰 Що вміє програма

Десять методів в одному бюджеті B0a, B0a-R — незахищене аналогове; B0d, B0d-W — цифрове без криптографії; B1, B2 — перестановка 2021 року; B3, B4 — AEAD; B4t — переналаштований B4: транспорт P без MDC і BAWP; P — запропоноване.

Дві схеми з окремими стендами B2s — заміна значень пікселів разом із перестановкою блоків; B2l — стала яскравість шифротексту: монохромний спостерігач бачить рівне сіре поле, ентропія 0,0 біта.

Два рівні моделі каналу Рівень A — растрові спотворення; рівень B — справжня форма CVBS 625/50.

Атаки на бази Обраний кадр, відома пара, складання за межами, багатокадрова, перебір seed.

35 перевірок протоколу Мутація кожного семантичного поля, межі парсера, повтори, зрив стану сеансу.

Відновлюваний матричний прогін кліп × метод × профіль × канал × повтор зі стабільними id, resume і перевіркою повноти поіменно.

Веб-інтерфейс: 14 вкладок Усі експерименти, обидві схеми з окремими стендами, обчислена таблиця замін над GF(2⁸), шифрування зі сталою яскравістю, усі перевірки проєкту та перегляд збережених прогонів.

Інтерфейс

Демонстрація на реальному кадрі з дрона: метрики всіх методів і чотири стадії тракту для кожного

Ще скріншоти

Схема B2l: панель 3 — весь сигнал, який дістається монохромного тракту (рівне сіре поле), а нижче — наскрізний прогін за пʼятьма профілями каналу

Таблиця замін над GF(2⁸): звірка з опублікованою таблицею AES побайтово, виміряні властивості та розгортка за всіма 30 незвідними многочленами степеня 8

Схема B2s: стадії перетворення, таблиця замін 16×16 і обернена до неї, підсилення похибки та атаки на B2 і на B2s поруч

Усі перевірки в одному місці: протокол, паспорт набору даних, перерахунок опублікованих чисел, посилання й формули документації

Перегляд збереженого прогону: фільтри, парні порівняння, окремі сцени, готовність рисунків

Бюджет каналу: точний облік накладних витрат, модельна затримка, три величини пам'яті

Перестановка 2021 року і атаки на неї

⚙ Як це працює

Структурна схема тракту

Одиниця захисту — не кадр, а сегмент. Кадр ріжеться на смуги, кожна смуга кодується, шифрується і захищається окремо, тож втрата однієї не руйнує решту:

flowchart TD
    F["Кадр 256×192"] --> S["Нарізка на смуги<br/>по 24 рядки"]
    S --> C1["Смуга 1"] & C2["Смуга 2"] & CN["… Смуга 8"]
    C1 --> D1["DCT + квантування"]
    D1 --> U1["Одиниця:<br/>заголовок 56 Б<br/>+ payload<br/>+ тег 16 Б"]
    U1 --> R1["RS(k+nsym)"]
    C2 --> D2["DCT"] --> U2["Одиниця"] --> R2["RS"]
    CN --> DN["DCT"] --> UN["Одиниця"] --> RN["RS"]
    R1 & R2 & RN --> P["Розміщення BAWP<br/>у растрі"]
    P --> M["Модуляція:<br/>4 рівні, комірка 8×2 px"]
    M --> T(["Аналоговий тракт"])
    style U1 fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32
    style T fill:#ffe0b2,stroke:#e65100,stroke-width:3px

Структура одиниці передавання

┌────────────────────────────────────┬──────────────────┬──────────┐
│ ЗАГОЛОВОК (56 Б, автентифікований) │ ШИФРОТЕКСТ       │ ТЕГ 16 Б │
├────────────────────────────────────┤ (payload 320 або │          │
│ magic 2 · version 1 · algo 1       │  640 байт)       │ Poly1305 │
│ session_id 8 · session_epoch 4     │                  │ ніколи   │
│ stream 1 · dir 1 · frame_id 4      │                  │ не       │
│ seg_id 2 · desc_id 1 · n_desc 1    │                  │ урізаний │
│ counter 8 · geometry 8 · CRC 4     │                  │          │
└────────────────────────────────────┴──────────────────┴──────────┘
        ↑ входить в AAD цілком              ↑ ChaCha20-Poly1305

Заголовок передається у відкритому вигляді (приймачу треба знати, куди складати смугу), але цілком входить до AAD: змінити в ньому хоч один біт — означає не пройти перевірку тега.

Розміщення BAWP — алгоритм

flowchart TD
    A["Вхід: растр R×C комірок,<br/>D описів, очікуваний пакет B рядків"] --> B["Розбити вікно W на смуги:<br/>G = max(1, min(D, ⌊W/B⌋))"]
    B --> C["Висота смуги h = ⌊W/G⌋"]
    C --> D{"Для кожної одиниці<br/>з описом d"}
    D --> E["Смуга = d mod G"]
    E --> F{"Є місце<br/>у смузі?"}
    F -->|так| G["l-й символ →<br/>рядок = r₀ + (l mod h)<br/>стовпець = ((l div h) + σ·(l mod h)) mod C"]
    F -->|ні, strict_isolation| X["ВІДМОВА<br/>PlacementError"]
    F -->|ні, звичайний режим| Y["Перелив у наступну смугу<br/>+ позначка spilled=True<br/>ГАРАНТІЯ ІЗОЛЯЦІЇ НЕ ДІЄ"]
    G --> D
    Y --> D
    style X fill:#ffcdd2,stroke:#b71c1c
    style Y fill:#fff9c4,stroke:#f9a825
    style G fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32

Межа гарантії: умова «пакет зачіпає не більше двох смуг» виконується лише поки немає переливу. Контрприклад, за якого вона порушується, знайдено, відтворено в тесті й описано в docs/revision_history.md (дефект F12).

Рішення приймача про кожну одиницю

flowchart TD
    A["Символи з демодулятора<br/>+ прапорці стирань"] --> B["RS-декодування заголовка"]
    B -->|невдача| R1["ВІДХИЛИТИ<br/>header_fec_failed"]
    B --> C["Розбір заголовка"]
    C -->|version ≠ 2| R2["ВІДХИЛИТИ<br/>unknown_version"]
    C --> D["RS-декодування даних"]
    D -->|невдача| R3["ВІДХИЛИТИ<br/>payload_fec_failed"]
    D --> E["Пошук сеансу<br/>(ТІЛЬКИ читання кешу)"]
    E --> F["Перевірка AEAD<br/>тег + AAD = заголовок"]
    F -->|тег не збігся| R4["ВІДХИЛИТИ<br/>auth_failed"]
    F --> G{"Лічильник<br/>у вікні?"}
    G -->|ні| R5["ВІДХИЛИТИ<br/>replay"]
    G --> H["ЗАРАХУВАТИ сеанс у кеш<br/>(лише тут!)"]
    H --> I["Смуга → буфер складання<br/>вік = 0"]
    style F fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32
    style H fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32,stroke-width:2px
    style R4 fill:#ffcdd2,stroke:#b71c1c

Порядок «перевірити → потім змінити стан» — не деталь. У першій версії кеш сеансів змінювався до автентифікації, тож вісім підроблених заголовків витісняли справжній сеанс і далі приймався повтор (дефект F01, критичний).

Ієрархія ключів

flowchart LR
    MS["Майстер-секрет<br/>32 Б"] --> HKDF["HKDF-SHA256<br/>info = 'avsec/v2' ‖ session_id ‖ epoch ‖ stream ‖ dir"]
    HKDF --> K["Ключ сеансу<br/>32 Б"]
    HKDF --> NP["Префікс nonce<br/>4 Б"]
    NP --> N["Nonce 12 Б =<br/>префікс ‖ лічильник 8 Б"]
    K --> AEAD["ChaCha20-Poly1305"]
    N --> AEAD
    style MS fill:#ffcdd2,stroke:#b71c1c
    style AEAD fill:#c8e6c9,stroke:#2e7d32

Лічильник монотонний і резервується наперед у довговічному стані: після перезапуску передавач продовжує з зарезервованої позиції, а не з нуля. Плюс 32-бітова епоха сеансу входить і в AAD, і в KDF — повторне використання nonce неможливе навіть після втрати стану (дефекти F02, F03).

Конвеєр дослідження

flowchart LR
    P["configs/*.yaml<br/>план"] --> M["avsec matrix<br/>завдання = кліп×метод×<br/>канал×повтор"]
    M --> RAW[("runs/RUN/<br/>frames.csv<br/>units.csv<br/>channel_traces.jsonl")]
    RAW --> A["avsec analyze<br/>кластерний bootstrap<br/>поправка Holm"]
    A --> TAB[("summary.csv<br/>paired_effects.csv<br/>operability.csv")]
    TAB --> F["avsec plots<br/>K01–K13 + G01–G43"]
    TAB --> PUB["scripts/publish.py"]
    F --> FIG[("figures/<br/>PNG+SVG+PDF<br/>+CSV +JSON")]
    PUB --> DOC["docs/results.md<br/>docs/figures.md<br/>README"]
    style RAW fill:#e3f2fd
    style TAB fill:#e8f5e9
    style FIG fill:#fff3e0

Кожне опубліковане число походить з одного run_id, який записано у файл разом із ним. Слова «значуще» і «перевага» вибирає код за фактичним довірчим інтервалом, а не автор.

🧮 Формули

Note

Формули записані простим текстом у моноширинному блоці — так вони видно в будь-якому переглядачі Markdown, а не лише там, де працює LaTeX. Під кожною згорнуто джерело LaTeX: його можна скопіювати в статтю.

Якість і покриття

Середньоквадратична похибка і PSNR по всьому показаному кадру:

              1      H-1  W-1                     2
   MSE  =  ───────    ∑    ∑   ( I(y,x) − Î(y,x) )
             H·W     y=0  x=0

                        255²
   PSNR =  10 · log₁₀ ───────
                        MSE

LaTeX

$$\mathrm{MSE} = \frac{1}{HW}\sum_{y=0}^{H-1}\sum_{x=0}^{W-1}\bigl(I(y,x)-\hat I(y,x)\bigr)^2, \qquad \mathrm{PSNR} = 10\log_{10}\frac{255^2}{\mathrm{MSE}}$$

За MSE = 0 PSNR нескінченний. Такі кадри рахуються окремо (bit_exact), а не підмінюються скінченною сталою на кшталт 99 дБ.

Поточне автентифіковане покриття — головна метрика захищеного тракту:

           | { (y,x) : піксель з одиниці, що пройшла AEAD у ЦЬОМУ кадрі } |
   cov  =  ───────────────────────────────────────────────────────────────
                                   H · W

LaTeX

$$\mathrm{cov} = \frac{\bigl|\{(y,x): \text{піксель з одиниці, що пройшла перевірку AEAD у цьому кадрі}\}\bigr|}{HW}$$

Старі пікселі (з попереднього кадру) і домальовані інтерполяцією не входять. Для B0a, B1, B2 значення cov = 1 означає лише «зображення відображено».

Розміщення BAWP

Вікно висотою W символьних рядків ділиться на смуги:

   G  =  max( 1,  min( D,  ⌊ W / B ⌋ ) )          h  =  ⌊ W / G ⌋

де D — число описів, B — очікувана висота пакета пошкодження.

Усередині смуги з рядками [r₀, r₀+h) і C стовпцями l-й символ потрапляє у комірку:

   row  =  r₀ + ( l mod h )

   col  =  ( ⌊ l / h ⌋  +  σ · ( l mod h ) )  mod C

LaTeX

$$G = \max\Bigl(1,\ \min\bigl(D,\ \lfloor W/B \rfloor\bigr)\Bigr), \qquad h = \lfloor W/G \rfloor$$

$$\mathrm{row} = r_0 + (l \bmod h), \qquad \mathrm{col} = \bigl(\lfloor l/h \rfloor + \sigma\,(l \bmod h)\bigr) \bmod C$$

Це бієкція на комірки смуги для l < h·C. Пакет висотою b ≤ h символьних рядків руйнує щонайбільше

   b · ⌈ n / h ⌉

символів будь-якого кодового слова довжини n — за умови, що слово лежить усередині однієї смуги. Фактичний максимум рахується вичерпним перебором усіх початкових позицій пакета, а не за цією межею.

Одиниці виміру пакета — де ховається помилка

Чотири різні «одиниці» плутати не можна. Саме на цьому переході стався дефект R03, і він змінив висновок роботи:

   L рядків растру   ──▶   ⌊ L / h_симв ⌋ + 1   ──▶   символи    ──▶   байти
                            символьних рядків          модуляції         RS
   └──── канал ────┘       └───── модем ──────┘       └ 2 біти ┘    └ GF(256) ┘
                                                        кожен

Додаткова одиниця в другому переході — бо пакет, що не починається на межі комірки, зачіпає на один символьний рядок більше.
Чотири клітинки модема — один байт, а не чотири: за 2 біт на клітинку ділення на 4 обов'язкове.
Одиниця транспорту — не одне кодове слово, а п'ять: заголовок плюс блоки payload, кожен зі своїм бюджетом виправлення.

Порахувати клітинки, назвати їх байтами і порівняти суму з бюджетом одного слова — це три помилки поспіль. Саме так і було до R03; тепер перерахунок робить avsec.damage, а його вирок звірено зі справжнім декодуванням Ріда — Соломона.

LaTeX

$$\underbrace{L\ \text{рядків растру}}_{\text{канал}} \ \longrightarrow\\ \underbrace{\Bigl\lfloor \frac{L}{h_{\text{симв}}} \Bigr\rfloor + 1\ \text{символьних рядків}}_{\text{модем}} \ \longrightarrow\\ \underbrace{\text{символи модуляції}}_{2\ \text{біти кожен}} \ \longrightarrow\\ \underbrace{\text{байти RS}}_{\text{GF}(256)}$$

Reed–Solomon і бюджет

Код RS(k + nsym, k) над GF(256) виправляє t помилок і e стирань, поки

   2·t  +  e  ≤  nsym

Стирання (позиція відома з прапорця демодулятора) коштує вдвічі дешевше за помилку — тому модем позначає непевні комірки, а не вгадує їх.

Розмір одиниці «на дроті» і корисна швидкість:

   wire  =  RS_hdr(56)  +  RS_pay(payload + 16)
             └заголовок┘    └─── дані + тег ───┘

                     u · payload · 8
   R_корисна  =  ──────────────────────
                        T_растру

LaTeX

$$2t + e \le \mathrm{nsym}$$

$$\text{wire} = \underbrace{\mathrm{RS}_{\text{hdr}}(56)}_{\text{заголовок}} + \underbrace{\mathrm{RS}_{\text{pay}}(\text{payload}+16)}_{\text{дані}+\text{тег}}, \qquad R_{\text{корисна}} = \frac{u \cdot \text{payload} \cdot 8}{T_{\text{растру}}}$$

де u — скільки одиниць реально вміщується в растр після розміщення (не за сирою місткістю).

Затримка — різниця, а не сума

   latency( f )  =  t_display( f )  −  t_capture( f )

LaTeX

$$\mathrm{latency}(f) = t_{\text{display}}(f) - t_{\text{capture}}(f)$$

Саме різниця позначок часу на віртуальному годиннику. Сума тривалостей етапів дала б завищену оцінку, бо етапи перекриваються: поки серіалізується растр k, смуга k+1 уже накопичується. Для поточного профілю різниця між цими двома числами — 175 мс зі 334 (дефект F16).

Статистика

Порядок усереднення зафіксований, і канали в нього не входять:

   кадри  ──mean──▶  повтори  ──mean──▶  кліпи  ──mean──▶  сцени  ──mean──▶  джерела

Одиниця незалежності оголошується у плані: scene узагальнює на нову сцену тих самих записів, source — на новий запис.

Парне порівняння двох методів — кластерний bootstrap за одиницями незалежності (10⁴ ресемплів):

             1    S
   Δ̂   =   ───   ∑   ( x̄ᴬ_s  −  x̄ᴮ_s )
             S   s=1

   CI₉₅  =  [ Δ⁽²·⁵﹪⁾ ,  Δ⁽⁹⁷·⁵﹪⁾ ]

LaTeX

$$\bar x_{\text{одиниця}} = \operatorname*{mean}_{\text{кліпи}} \Bigl(\operatorname*{mean}_{\text{повтори}} \bigl(\operatorname*{mean}_{\text{кадри}} x\bigr)\Bigr)$$

$$\hat\Delta = \frac{1}{S}\sum_{s=1}^{S}\bigl(\bar x^{A}_s - \bar x^{B}_s\bigr), \qquad \mathrm{CI}_{95\%} = \bigl[\Delta^{(2{,}5\%)},\ \Delta^{(97{,}5\%)}\bigr]$$

Одиниці, де немає результату одного з методів, виключаються й перелічуються, а не обрізаються за індексом. p-value походить з двобічного bootstrap-тесту на самих парних різницях, а не з ширини інтервалу; для наперед оголошеної сім'ї застосовується поправка Holm, а відсутність значущості окремо відрізняється від доведеної еквівалентності (TOST).

🗂 Дані

Реальні кадри з дрона


Джерело	Curonian Spit NP, аерофотознімок біля дюни Ефа, 12.05.2017
Автор	A.Savin, Wikimedia Commons
Камера	DJI FC6310 (сенсор Phantom 4 Pro) — справжній дрон
Роздільність	4213 × 2633, повний кадр камери, не перекодований у цьому репозиторії
Ліцензія	Free Art License 1.3 — вільне використання з атрибуцією

Це JPEG, бо саме його записала камера і саме він доступний під вільною ліцензією; вільного RAW з дрона зіставної якості не існує. Тому у звітах написано «оригінал камери», а не «нестиснений».

17 послідовностей зі штучним рухом вікна. Вікно кадрування панорамує фотографією між оголошеними наперед прямокутниками. Це справжній вміст, але рух — наш: паралакса, скошування рядків, адаптації експозиції й руху в сцені тут немає, і жодне твердження в репозиторії на них не спирається.

Контент навмисно різний: гладке море й небо (майже плоскі), крона сосон (найважча текстура кадру), берегова лінія і край дюни (довгі контрастні межі), село (поле дрібних яскравих об'єктів).

Це один запис, а не сімнадцять. Усі 17 кліпів мають спільний source_id: спільний сенсор, об'єктив, година доби, погода й місцевість. Bootstrap по цих сценах оцінює невизначеність усередині цієї фотографії і не узагальнюється на новий запис. Тому весь знімок тримається як test: ділити одну фотографію на calibration/validation/test не має сенсу, і avsec dataset validate тепер позначає таку спробу як помилку. Нічого на цьому знімку не налаштовувалося — конфігурації взято з синтетичного набору. Перекриття вирізок вимірюється геометрично і записується в маніфест (crop_overlaps); 63 пари зі 136 справді перетинаються, і ми цього не приховуємо.

python scripts/fetch_drone_photo.py      # перевірити або завантажити фото

Набір незалежних джерел: 24 фотографії, 24 автори

Щоб висновок міг стосуватися нового запису, а не нової вирізки з того самого, потрібні різні записи. Реєстр data/real/sources.json містить 24 аерофотознімки з Wikimedia Commons: 24 різні автори, 9 моделей камер DJI (Phantom 3 Pro, Phantom 4, Phantom 4 Pro, Mavic Pro, Mavic Air, Mavic Air 2, Mini 2, Mini 3 Pro, Inspire 2/X5S), різні місця, вільні ліцензії (CC0, CC BY-SA). З кожної фотографії береться один кліп, тож «більше даних» тут означає «більше знімків».


Одиниця незалежності	вихідна фотографія (`source_id`)
Розподіл	14 test / 5 calibration / 5 validation — за джерелом
Категорії	призначені за виміряною градієнтною енергією знімка, до будь-якого результату
Файли	рендери Wikimedia з камерних оригіналів (не самі оригінали — сервіс просить не тягнути оригінали пакетно); у реєстрі записано URL, ліцензію, автора, камеру й sha256 того файла, з якого рахувалися числа
У репозиторії	лише реєстр; 63 МБ знімків завантажуються командою нижче

python scripts/fetch_natural_sources.py   # завантажити й звірити хеші
avsec dataset validate --config configs/research_natural.yaml

Повний перелік усіх 24 знімків — автор, апарат, ліцензія, роздільність, split і sha256 — у паспорті наборів даних.

Синтетичний набір

34 процедурні сцени (20 тестових, 8 калібрувальних, 6 валідаційних) — горизонт, дорога, цілі, текстура, краї, хмари, сітка, слабке освітлення, текст. Кожна має власну точку зйомки й експозицію, тож це різні сцени, а не одна двічі.

avsec dataset validate --config configs/research_main.yaml

📊 Результати

Перевага запропонованої схеми залежить від каналу. P значуще краща за B4 на bursty і значуще гірша на clean, mild. Загального виграшу немає, і це головний результат прогону, а не застереження до нього. Покроковий розклад цієї різниці (E13) показує, що її дають параметри транспорту (+4.18 дБ), тоді як самі запропоновані механізми — кілька описів і BAWP — дають -1.00 дБ. Пройдений у зворотному порядку, цей розклад не існує взагалі: при вихідному розмірі одиниці механізми не вміщуються в бюджет, тобто вони не є самостійним доповненням до базової схеми. Переналаштована база B4t — та сама схема з транспортом P, але без обох механізмів — значуще перевершує P в усіх 4 каналах, де різниця встановлена (-1.19…-1.53 дБ).

Усі числа нижче походять з одного прогону: run_id=fe45d509310b99d4, commit 25534623fc247da4a07c7238f46cae4b068b68b3, Windows-11-10.0.26200-SP0, Python 3.12.10, NumPy 2.5.3. Матеріал: 34 кліпів / 34 сцен усього, з них 20 у цьому прогоні (split test); синтетичні дані.

Обсяг: 72000 оброблених кадрів, 20 незалежних сцен, 5 профілів каналу, 9 методів.
clean: P − B4 = -3.45 дБ [-3.89; -2.93] за 18 сценами — значуще, перевірене покриття 1.000 проти 1.000.
mild: P − B4 = -3.45 дБ [-3.89; -2.93] за 18 сценами — значуще, перевірене покриття 1.000 проти 1.000.
moderate: P − B4 = -0.27 дБ [-0.72; +0.23] за 18 сценами — різниця не встановлена, перевірене покриття 0.956 проти 0.875.
bursty: P − B4 = +1.50 дБ [+0.65; +2.44] за 18 сценами — значуще, перевірене покриття 0.809 проти 0.742.
harsh: жоден метод не дав жодного придатного моменту показу — порівнювати нічого.
Перевірки протоколу: 35/35 пройдено.
Бюджет: B4 — 0.512 Мбіт/с корисних даних (ефективність 0.485), P — 0.384 Мбіт/с (0.363); модельна затримка 159 мс, логічний буфер 68.5 кБ.
Рисунки: 56 з 56 (вісім основних, решта — додаткові матеріали) — усі побудовано.
Апаратних вимірювань немає (E11 не виконано): усе нижче — модель.

Повні таблиці: docs/results.md · аналіз і висновки: docs/conclusions.md · курована добірка з усіма рисунками: results/.

Вісім основних рисунків

Вісім, бо стільки несе аргумент. Решта — 5 ключових і 43 каталожні — це додаткові матеріали для перевірки: docs/figures.md. Біля кожного лежить його CSV з даними і JSON з параметрами побудови.

K01. Захист і якість за методами. Захист і якість поруч. `B1`/`B2` дають картинку і нічого більше — і при цьому програють навіть незахищеному аналоговому передаванню на пошкодженому каналі.	K04. Розміщення: компроміс без переможця. Глибоке блочне мінімізує пошкодження кодового слова, BAWP — спільну втрату описів. Обидва кути зайняті, і жоден не дає виграшу в якості.
K05. Звідки береться перевага. Покроковий розклад різниці `B4`→`P` з парними інтервалами на кожному кроці. Виграш дають параметри транспорту, доступні будь-якій схемі.	K11. Залежність результату від порядку кроків. Той самий розклад у зворотному порядку. Покроковий внесок — властивість шляху, а не компонента; тут видно, скільки саме коштує вибір порядку.
K13. Карта області працездатності. Довжина × частота пакетів. Замість одного порога — сітка з інтервалом різниці в кожній клітинці; перетин вказаний як дужка між виміряними вузлами.	K12. 24 незалежні джерела. Ефект з інтервалом по вихідних фотографіях, а не по вирізках з однієї. Це єдиний інтервал, який має право узагальнюватися на новий запис.
K09. Бюджет, затримка, пам'ять. Куди йде кожен символ растру, чому затримка 159 мс, а не 334, і чому «512 кБ» — це не пікова пам'ять.	K10. Атаки на реконструкцію B1 зі статичною перестановкою. Одна відома пара кадрів відновлює перестановку повністю; лише за шифротекстом сусідство вгадується на ~95%.

Перенесення: три набори, дві різні одиниці незалежності

Конфігурації не переналаштовувались під природні дані — вони ті самі, що й для синтетичних. Це перевірка перенесення, а не новий добір.

Різниця P − B4, PSNR усього показаного кадру (жирним — встановлено після поправки Holm):

Канал	Синтетичні, 20 сцен	Одна фотографія, 17 вирізок	24 незалежні знімки, 14 тестових
`clean`	-3,45 дБ [-3,89; -2,93]	-2,33 дБ [-2,46; -2,19]	-2,39 дБ [-2,55; -2,24]
`mild`	-3,45 дБ [-3,89; -2,93]	-2,33 дБ [-2,46; -2,19]	-2,39 дБ [-2,55; -2,24]
`moderate`	-0,27 дБ [-0,72; +0,23]	-0,18 дБ [-0,52; +0,22]	+0,08 дБ [-0,27; +0,42]
`bursty`	+1,50 дБ [+0,65; +2,44]	+0,91 дБ [+0,48; +1,40]	+1,30 дБ [+0,86; +1,69]
`harsh`	немає даних	немає даних	немає даних

Знак, набір каналів і висновок збігаються на всіх трьох наборах: виграш лише на пакетних пошкодженнях, програш на чистому каналі.

Але B4 тут — вихідна схема, зі слабшим транспортом. Ось те саме порівняння з базою, якій дано ті самі параметри транспорту й не дано жодного з двох запропонованих механізмів:

Канал	Синтетичні	Одна фотографія	24 незалежні знімки
`clean`	-1,53 дБ [-1,95; -1,09]	-1,07 дБ [-1,16; -0,98]	-1,18 дБ [-1,32; -1,02]
`mild`	-1,53 дБ [-1,95; -1,09]	-1,07 дБ [-1,16; -0,98]	-1,18 дБ [-1,32; -1,02]
`moderate`	-1,48 дБ [-1,89; -1,06]	-0,91 дБ [-1,02; -0,79]	-1,02 дБ [-1,23; -0,80]
`bursty`	-1,19 дБ [-1,64; -0,80]	-0,76 дБ [-0,98; -0,56]	-0,36 дБ [-0,64; -0,06]
`harsh`	немає даних	немає даних	немає даних

Переналаштована база перевершує запропоновану схему в кожному каналі кожного з трьох наборів. Це і є головний результат, і він тримається тоді, коли невизначеність рахується не по вирізках з однієї фотографії, а по чотирнадцяти різних знімках різних камер — тобто коли інтервал справді має право стосуватися нового запису.

✅ Тести

run.bat test          # або ./run.sh test
PYTHONPATH=src python -m pytest tests -q

Набір	Що перевіряє
`tests/test_crypto.py`	AEAD, HKDF, nonce, епохи, вікно повторів
`tests/test_pipeline.py`	наскрізний тракт, складання кадру, FEC
`tests/test_regressions.py`	по одній регресії на дефекти F01–F13
`tests/test_regressions_f09_f18.py`	дефекти F09–F18 + знайдені під час прогонів

Кожна регресія падає на коді до виправлення — це не тести-заглушки. Зведений журнал обох раундів рецензування з відтвореними експлойтами: docs/revision_history.md.

Окремо — 35 перевірок протоколу (мутація кожного семантичного поля, межі парсера, повтори, зрив стану). Поле, мутація якого не змінює AAD, вважається провалом, а не пропуском:

avsec protocol-check --config configs/research_main.yaml

🧾 Висновки

Повний аналіз результатів, що з цього випливає і чого не випливає: docs/conclusions.md.

Коротко:

Схема 2021 року не дає захисту і додатково погіршує стійкість до пакетних пошкоджень порівняно з простим аналоговим передаванням.
Гібридна архітектура працює: AEAD над аналоговим трактом дає автентифіковане відео за модельної затримки 159 мс і буфера 68 кБ.
Перевага запропонованої схеми обмежена режимом пакетних пошкоджень і здебільшого пояснюється параметрами транспорту, а не двома запропонованими механізмами.
Компроміс розміщення спостерігається в усіх досліджених конфігураціях.
Апаратних вимірювань немає — усе вище є модель.

🗺 Структура репозиторію

avsec/
├─ run.bat, run.sh            запуск без налаштування
├─ requirements*.txt          залежності
├─ configs/                   плани прогонів (YAML)
│   ├─ analysis_plan.yaml       статистичний план, зафіксований ДО прогону
│   ├─ research_main.yaml       E02: 20 синтетичних сцен
│   ├─ research_drone.yaml      E12: 17 вирізок з ОДНІЄЇ фотографії
│   └─ research_natural.yaml    E14: 24 НЕЗАЛЕЖНІ фотографії, по 1 кліпу
├─ data/real/
│   ├─ curonian_spit_epha_dune.jpg   камерний оригінал (Free Art License)
│   └─ sources.json             реєстр 24 джерел: URL, ліцензія, автор, sha256
├─ src/avsec/
│   ├─ crypto/                AEAD, HKDF, стан сеансу, епохи
│   ├─ framing/               заголовок v2, CRC, розбір
│   ├─ source_coding/         DCT/JPEG, смуги, кілька описів
│   ├─ fec/                   Reed–Solomon, блокування, стирання
│   ├─ damage.py              клітинки → байти → RS-слова; звірка з декодером
│   ├─ interleaving/          sequential | block | diagonal | random | BAWP
│   ├─ modem/                 растровий модем + модель CVBS 625/50
│   ├─ channel/               спотворення рівня A, траси каналу
│   ├─ transmitter.py         тракт передавача
│   ├─ receiver/
│   │   ├─ __init__.py        тракт приймача
│   │   └─ sessions.py        реєстр допустимості сеансів + кеш ключів
│   ├─ sources/
│   │   ├─ drone.py           17 послідовностей з однієї фотографії
│   │   └─ natural.py         24 незалежні джерела, по одному кліпу
│   ├─ baselines/             B0a…B4, B4t, P
│   ├─ attacks/               криптоаналіз перестановок
│   ├─ matrix.py              матричний runner (resume, повнота, усі моменти)
│   ├─ statistics.py          єдиний шлях агрегування
│   ├─ analysis.py            ефекти, CI, тести, Holm по оголошеній сім'ї
│   ├─ verify.py              перерахунок кожного твердження з таблиць
│   ├─ figures.py, figures_key.py   G01–G43, K01–K13
│   ├─ publish.py             генерація документації
│   └─ ui/                    веб-інтерфейс
├─ scripts/                   довгі прогони, добір джерел, скріншоти, курація
├─ tests/                     регресії на кожен дефект (F01–F18, R01–R12)
├─ docs/
│   ├─ claims.md              кожне твердження → таблиця, що його підтримує
│   ├─ related_work.md        чотири напрями, і що саме тут нове
│   └─ ...                    протокол, архітектура, висновки, журнал дефектів
└─ results/{main,drone,natural}/   курована добірка: таблиці + усі рисунки

🚫 Межі застосовності результатів

Немає жодного вимірювання на фізичному обладнанні. Немає передавача, приймача, плати захоплення. Слова «дешевий», «низька наскрізна затримка на реальному тракті» до цієї роботи не застосовні.
Немає моделі радіочастотного FM-тракту; рівень B — композитний сигнал у основній смузі.
Переналаштована база B4t перевершує запропоновану схему в кожному каналі кожного з трьох наборів даних. Це виміряно і показано, а не обійдено.
Запропоновані механізми (MDC + BAWP) не покращують наскрізну якість у перевіреному бюджеті — і не є самостійним доповненням до базової схеми: при вихідному розмірі одиниці вони взагалі не вміщуються в бюджет, тобто застосовні лише після тих самих змін транспорту, які й дають увесь виграш. Заявка звужується до виміряних меж, контрприкладів і карти умов.
Дві з двадцяти синтетичних сцен (grid_fast, text_fast) не вміщуються у спільний бюджет для цифрових методів; це властивість обраного профілю, і такі моменти показу тепер рахуються проти методу, а не зникають з обліку.
Перевага BAWP над глибоким блочним перемежуванням не однозначна, а в перевіреному бюджеті ще й ні на що не впливає: на 16-рядковому пакеті обидві схеми відновлюються повністю.
Карта умов (§E15) описує цю модель каналу і цей бюджет. Одного універсального порога не існує: він залежить і від частоти пакетів, і від їхньої довжини.
Правильна інтеграція AEAD, підтверджена перевірками, не доводить відсутності інших помилок протоколу.
Ані низька кореляція, ані висока ентропія, ані NPCR/UACI не є доказом конфіденційності — і тут вони так не використовуються.

Повний перелік обмежень, згрупований за розділами дослідження, — docs/limitations.md.

📚 Документація

Документ	Про що
docs/README.md	карта документації — усі файли за групами і рекомендований порядок читання
ROADMAP.md	стан реалізації, програма досліджень, відкриті задачі

Постановка задачі та об'єкт дослідження

Документ	Призначення
docs/reconstruction_2021.md	основний документ завдання: реконструкція, випробування на зображеннях, криптоаналіз, модифікації
docs/methods.md	каталог усіх схем: будова, параметри й результати кожної — десяти схем спільного прогону та двох з окремими стендами
docs/related_work.md	суміжні напрями та визначення внеску роботи
docs/threat_model.md	модель загроз і межі гарантій
docs/substitution_b2s.md	схема `B2s`: заміна значень пікселів разом із перестановкою блоків
docs/galois_sbox.md	обчислювана таблиця замін над GF(2⁸): звірка з AES, виміряні властивості
docs/luma_balance.md	схема `B2l`: стала яскравість шифротексту — місткість палітри, обидва шляхи, витік за площинами, механізм відмови, прогін через аналоговий тракт

Будова системи

Документ	Призначення
docs/architecture.md	рівні моделі, зіставлення A↔B, спільний бюджет
docs/protocol.md	формат кадру, AEAD, епохи, реєстр сеансів

Організація експерименту

Документ	Призначення
docs/datasets.md	паспорт трьох наборів даних: походження, ліцензії, межі узагальнення
docs/experiments.md	протокол експериментів і статистична обробка
docs/programme.md	стан досліджень E01–E15, зокрема невиконаних
docs/hardware.md	вимоги до стенда для E11

Результати

Документ	Призначення
docs/results.md	усі таблиці, згенеровані з одного `run_id`
docs/figures.md	вісім основних рисунків і повний каталог зі статусом
docs/conclusions.md	висновки за дослідницькими питаннями
docs/claims.md	реєстр перевірюваних тверджень: вид і джерело перевірки

Обмеження, термінологія, історія

Документ	Призначення
docs/limitations.md	зведені межі застосовності результатів
docs/glossary.md	терміни, скорочення та програмні ідентифікатори
docs/revision_history.md	журнал двох раундів рецензування: 30 дефектів і їхній вплив
docs/historical_results.md	числа попередніх редакцій, окремо від поточних
CHANGELOG.md	версійована історія змін

⚖ Ліцензія та атрибуція

Код — MIT.

Фотографія data/real/curonian_spit_epha_dune.jpg — © A.Savin, Free Art License 1.3, джерело Wikimedia Commons. Атрибуція подорожує з даними в кожному маніфесті, який пише цей репозиторій.

Криптографічні примітиви беруться з cryptography, Reed–Solomon — з reedsolo; вони тут не переписуються.

Name		Name	Last commit message	Last commit date
.github/workflows		.github/workflows
configs		configs
data/real		data/real
docs		docs
results		results
scripts		scripts
src/avsec		src/avsec
tests		tests
.gitattributes		.gitattributes
.gitignore		.gitignore
CHANGELOG.md		CHANGELOG.md
CITATION.cff		CITATION.cff
LICENSE		LICENSE
README.md		README.md
ROADMAP.md		ROADMAP.md
pyproject.toml		pyproject.toml
requirements-dev.txt		requirements-dev.txt
requirements.txt		requirements.txt
run.bat		run.bat
run.sh		run.sh

Частина	Що в ній	Перевірити
1. Реконструкція	будова `B1`: регістр зсуву з лінійним зворотним зв'язком (LFSR), сітка 12×16, таблиця перестановки; репліка таблиць I–III вихідної публікації для початкових станів 44257, 1234, 1111	`run.bat lab`
2. Випробування на зображеннях	застосування реконструкції `B1` до чотирьох фрагментів аерофотографії: вихідне, скрембльоване та відновлене зображення	`run.bat lab`
3. Криптоаналіз	пʼять атак із зазначенням моделі загроз, результату й часу; перебір визначає заданий початковий стан регістра 44257 за 5,13 с	`avsec attack`
4. Модифікації	ланцюжок `B1 → B2 → B3 → B4 → B4t/P`: кожен крок відповідає конкретній вразливості з розділу 3, із зазначенням вартості	`run.bat research`

Latest commit

History

Folders and files

Repository files navigation

avsec

🎯 Виконання завдання ISITIA 2021

➜ docs/reconstruction_2021.md

📖 Про що це

Це не аналоговий шифратор

⚡ Швидкий старт

Windows

Linux / macOS

Встановлення вручну

🧰 Що вміє програма

Інтерфейс

⚙ Як це працює

Структурна схема тракту

Структура одиниці передавання

Розміщення BAWP — алгоритм

Рішення приймача про кожну одиницю

Ієрархія ключів

Конвеєр дослідження

🧮 Формули

🗂 Дані

Реальні кадри з дрона

Набір незалежних джерел: 24 фотографії, 24 автори

Синтетичний набір

📊 Результати

Вісім основних рисунків

Перенесення: три набори, дві різні одиниці незалежності

✅ Тести

🧾 Висновки

🗺 Структура репозиторію

🚫 Межі застосовності результатів

📚 Документація

⚖ Ліцензія та атрибуція

About

Topics

Resources

Stars

Watchers

Forks

Releases

Packages

Contributors

Languages