Nghiên cứu xây dựng một số giải pháp đảm bảo an toàn thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian

Nghiên cứu xây dựng một số giải pháp đảm bảo an toàn thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHềNG

TRUNG TÂM KHKT VÀ CNQS

VŨ BA ĐèNH

nghiên cứu xây dựng một số giải pháp

đảm bảo an toμn thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian

Chuyờn ngành: Bảo đảm toỏn học cho mỏy tớnh và hệ thống tớnh toỏn

Mó số: 62 46 35 01

TểM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

HÀ NỘI - 2006

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHềNG

TRUNG TÂM KHKT VÀ CNQS

VŨ BA ĐèNH

nghiên cứu xây dựng một số giải pháp

đảm bảo an toμn thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian

Chuyên ngành: Bảo đảm toán học cho máy tính và hệ thống tính toán Mã số: 62 46 35 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TSKH Nguyễn Xuõn Huy

2 TS Nguyễn Hồng Hải

HÀ NỘI - NĂM 2007

Công trình được hoàn thành tại Trung tâm Khoa học Kỹ thuật

Đại học Giao thông Vận tải

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại

vào hồi giờ ngày tháng năm

1 Vũ Ba Đình, Nguyễn Xuân Huy, Đào Thanh Tĩnh (2002), Đánh giá

khả năng giấu dữ liệu trong bản đồ số, Tạp chí Tin học và Điều khiển

học, (4), 347-353

2 Vũ Ba Đình, Nguyễn Xuân Huy, Đào Thanh Tĩnh (2002), Kỹ thuật

giấu thông tin trong bản đồ số, Chuyên san Bưu chính Viễn thông, (8),

85-92

3 Vũ Ba Đình (2003), Giấu thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian, Tạp

chí Nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ Quân sự, (4), 30-36

4 Vũ Ba Đình, Lương Thế Dũng (2003), Mô hình giấu thông bền vững

trong bản đồ số, Tạp chí Nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ

Quân sự, (5), 42-48

5 Vũ Ba Đình (2004), Giấu thông tin bền vững sử dụng kỹ thuật trải phổ

trong cơ sở dữ liệu không gian, Chuyên san các công trình nghiên cứu

– triển khai Viễn thông và CNTT, (12), 57-62

6 Vũ Ba Đình (2005), Xác định giá trị ngưỡng cho phương pháp giấu

thông tin kỹ thuật trải phổ trong cơ sở dữ liệu không gian, Chuyên san

các công trình nghiên cứu – triển khai Viễn thông và CNTT, (14),

50-56

Báo cáo tại các Hội nghị Khoa học

số, Tuyển tập các báo cáo Khoa học, Hội nghị Khoa học, Trung tâm

KHKT-CNQS, Hà Nội, 4/2003, 41-45

phương pháp giấu thông tin bền vững trong cơ sở dữ liệu không gian,

Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia lần thứ 6: một số vấn đề chọn lọc của công nghệ thông tin, Thái Nguyên 29-31/8/2003, 83-88

trong kỹ thuật giấu thông tin bền vững, Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia

"Fundamental and Applied Information technology Research" (FAIR),

Hà Nội 4-5/10/2003, 378-384.

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Tính thời sự của vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật truyền thông số hóa, đặc biệt là

truyền thông trên môi trường Internet, một mặt tạo ra hiệu quả cao cho quá

trình trao đổi thông tin, mặt khác làm nảy sinh hàng loạt vấn đề bất cập

liên quan đến bản quyền, theo dõi và quản lý tài nguyên thông tin Điều

này đang thúc đẩy quá trình nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp đảm bảo an

toàn thông tin trên môi trường thông tin số Bên cạnh các giải pháp truyền

thống như mật mã, chữ ký số, chứng chỉ số, giấu thông tin là một giải

pháp hiệu quả đang được nhiều người quan tâm Trên thực tế, giấu thông

tin đã trở thành một hướng nghiên cứu có tốc độ phát triển rất nhanh trong

những năm gần đây Tính đến năm 2006, đã có 8 hội nghị Quốc tế về công

nghệ giấu thông tin Nhiều công trình có giá trị về khoa học và ứng dụng

thực tiễn đã được công bố tại các hội nghị khoa học, tạp chí và phương

tiện truyền thông khác

Ở Việt Nam, bắt đầu từ năm 2001 đã xuất hiện một số nghiên cứu về

kỹ thuật giấu thông tin Đến nay, đã có nhiều công bố về kết quả phát triển

kỹ thuật thủy vân ảnh số, giấu thông tin trong dữ liệu âm thanh

Dữ liệu bản đồ số nói riêng và dữ liệu không gian nói chung là kiểu

liệu in trên giấy, dữ liệu không gian số hóa có nhiều ưu điểm trong việc

trao đổi, tổ chức lưu trữ, tìm kiếm, sao lưu dự phòng và phát triển ứng

dụng

Với mục đích bảo vệ bản quyền, đã có một số công bố về kỹ thuật

giấu thông tin trong bản đồ số vectơ, khôi phục thông tin có sử dụng bản

tin gốc Phương pháp này có độ bền vững cao trước nhiều kiểu tấn công

như cắt xén dữ liệu, dịch chuyển các vectơ, thu phóng, Tuy nhiên,

phương pháp tách tin có sử dụng bản tin gốc bộc lộ nhiều hạn chế trong

Deleted: D Deleted: so với tài liệu in trên giấy

các ứng dụng liên quan đến quản lý cấp phát, truyền thông tin bí mật

Tìm kiếm giải pháp cho vấn đề trên đây có tính cấp thiết, nhất là

trong lĩnh vực an ninh, quốc phòng Vì vậy, đề tài "Nghiên cứu xây dựng

một số giải pháp đảm bảo an toàn thông tin trong cơ sở dữ liệu không

gian" được chọn cho luận án này

Mục tiêu của luận án: Xây dựng phương pháp giấu thông tin vào cơ

sở dữ liệu không gian, khôi phục tin giấu trong điều kiện không có dữ liệu

gốc và môi trường mang tin bị biến dạng

2 Các kết quả chính của luận án

Kết quả chính của luận án được trình bày trong 4 chương:

+ Chương 2 xây dựng mô hình dữ liệu không gian và phân tích một số

tính chất cơ bản của kiểu dữ liệu không gian Khai thác thuộc tính chẵn lẻ

của vectơ tọa độ nguyên, xây dựng công thức tính xác suất chuyển trạng

thái chẵn lẻ của các vectơ không gian khi nó bị biến dạng Đây là các yếu

tố quan trọng trong việc hình thành các thuật toán giấu và hồi phục thông

tin

+ Chương 3 đề xuất thuật toán giấu bít thông tin bền vững trong cơ sở

kê trên tập đủ lớn các vectơ mang tin

+ Chương 4 xây dựng thuật toán giấu bít thông tin bền vững dựa trên

tính kháng nhiễu của thông tin trong kỹ thuật truyền thông tin trải phổ

thông qua các phân tích độ biến dạng của môi trường do tin giấu và xác

suất lỗi trong quá trình tách thông tin khi môi trường mang tin bị biến

dạng

hình đa truy cập theo mã trên kênh truyền thông tin có nhiễu Độ tin cậy

Deleted: Hai vấn đề chính trong phân

tích h

Deleted: bao gồm Deleted: phân tích

của bản tin phụ thuộc tính bền vững của thuật toán giấu bít thông tin Tính

cập theo mã

Toàn bộ các thuật toán đã được cài đặt, thử nghiệm và trình bày kết

quả trong phần Phụ lục

3 Phương pháp và kỹ thuật sử dụng

phương tiện đã được biết đến trên thế giới và trong nước, luận án đề xuất

phương pháp giấu thông tin bền vững trong dữ liệu không gian trên cơ sở

xây dựng một mô hình dữ liệu phù hợp Các thuật toán giấu thông tin được

đưa ra dựa trên sự tương đồng của kỹ thuật truyền thông tin và kỹ thuật

4 Tính khoa học và tính mới của luận án

Phương pháp giấu thông tin trong dữ liệu không gian đề xuất trong luận án

này không trùng lặp với các phương pháp đã được đề xuất trước đây

Thuật toán được xây dựng trên cơ sở phân tích lý thuyết Kết quả lý thuyết

có thể áp dụng để phát triển các thuật toán mới cũng như mở rộng và hoàn

thiện theo nhiều hướng khác nhau

5 Ý nghĩa thực tiễn và khả năng phát triển kết quả của luận án

Mô hình dữ liệu không gian đã đề xuất trong luận án nhằm mục đích xây

dựng các thuật toán giấu thông tin bền vững (watermarking) sử dụng trong

quản lý cấp phát tài liệu số hóa Đồng thời,có thể áp dụng mô hình này để

phát triển các thuật toán truyền thông tin bí mật (steganograph) trên cơ sở

lựa chọn một số tham số thích hợp cho mô hình kết hợp với kỹ thuật mật

mã

Deleted: được đảm bảo nhờ Deleted: khi cùng giấu trong một môi

trường

Deleted: mô hình đa truy cập theo mã

trên kênh truyền thông tin có nhiễu

Deleted: Trên cơ sở tổng hợp các kết

quả nghiên cứu về lĩnh vực giấu thông tin trên thế giới và trong nước, luận án k

Deleted: công bố Deleted: cho dữ liệu đa phương tiện Deleted: phát triển

Deleted: cho kiểu Deleted: xây dựng Deleted: cho mục tiêu giấu thông tin

bền vững

Deleted: xây dựng Deleted: Các t

Deleted:

Deleted: Mô hình dữ liệu không gian

được xây dựng cho mục tiêu giấu thông tin bền vững (watermarking), ứng dụng trong quản lý cấp phát tài liệu số hóa.

Deleted: Tuy nhiên Deleted: kết quả đạt được có thể áp

dụng cho mục đích truyền thông tin bí mật (steganograph) trên cơ sở lựa chọn một số tham số thích hợp cho mô hình và sử dụng các thành tựu của kỹ thuật mật mã

6 Các công bố

Nội dung chính của luận án đã được công bố ở 6 bài báo đăng trong các

tạp chí: Chuyên san Bưu chính Viễn thông (3 bài), Tin học và Điều khiển

học (1 bài), Tạp chí nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự

(2 bài) Đồng thời, một số kết quả cũng được trình bày và đăng trong Kỷ

yếu Hội thảo Quốc gia lần thứ VI (2003), FAIF (2003) và Hội thảo Khoa

học Trung tâm Khoa học Kỹ thuật - Công nghệ Quân sự, BQP (2003)

7 Dung lượng của luận án

tổng quan chiếm 26 trang, kết quả nghiên cứu trình bày trong 81 trang, còn

lại dành cho phần phụ lục, tài liệu tham khảo và các trang thủ tục khác

NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU THÔNG TIN

+ Định nghĩa giấu thông tin trong dữ liệu đa phương tiện

+ Phân loại phương pháp giấu thông tin theo mô hình lý thuyết

+ Nghiên cứu các thuộc tính cơ bản của tin giấu

+ Đề xuất định nghĩa độ bền vững của tin giấu

+ Xác định vai trò các tham số thống kê của môi trường mang tin trong

đánh giá tính chất của biến dạng và xây dựng thuật toán

Chương 2 MÔ HÌNH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

Trình bày kết quả xây dựng mô hình dữ liệu không gian phục vụ bài toán

giấu thông tin với các nội dung chính sau:

+ Xây dựng mô hình dữ liệu không gian Đề xuất một số khái niệm,

định nghĩa về tính chẵn lẻ cho các vectơ tọa độ nguyên, một số công cụ

nhận biết và biến đổi tính chẵn lẻ của các vectơ

Deleted: ¶

Deleted: Deleted: P

Deleted:

+ Nghiên cứu xây dựng các chỉ tiêu đánh giá biến dạng cho kiểu dữ

liệu không gian và đưa ra đánh giá cho thuật toán chuyển đổi tính chẵn lẻ

+ Xây dựng công thức tính xác suất thay đổi trạng thái chẵn lẻ của

vectơ không gian cho các trường hợp điển hình: vectơ có dịch về tâm và

không dịch về tâm khối chẵn lẻ, biến dạng tọa độ và biến dạng khoảng

cách có phân phối đều liên tục, biến dạng dịch chuyển theo hướng, biến

dạng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn

2.1 Mô hình dữ liệu không gian

2.2 Xây dựng mô hình dữ liệu không gian cho bài toán giấu tin

Định nghĩa 2.2.1 xác định kiểu dữ liệu không gian Định nghĩa 2.2.3 xác

M

ξ (với V là không gian N chiều trên trường số thực và miền không gian

V

vectơ này Miền không gian xác định như trên được gọi là “khối không

Định nghĩa 2.2.4 xác định 4 loại sai số: sai số tọa độ, sai số khoảng

cách, sai số tọa độ cho phép và sai số khoảng cách cho phép cho các vectơ

không gian khi chúng bị biến dạng

Lượng tử hóa các vectơ thuộc không gian vectơ R (N)

ảnh theo module δ của ξ trong ánh xạ ϕδ Công thức tổng phần nguyên

1 δ

ξξ

được xây dựng nhằm xác định thuộc tính chẵn lẻ của vectơ không gian

Thuộc tính này sẽ được sử dụng trong toàn bộ quá trình xây dựng thuật

Deleted: Deleted: ¶

Với V là không gian N chiều trên trường

số thực và miền không gian V J ⊂V,

toán, đánh giá biến dạng và đánh giá hiệu quả của phương pháp giấu và

tách thông tin

Trên cơ sở nhận xét (Tính chất 2.2.1 và 2.2.2) về thay đổi tính chẵn

biến đổi tính chẵn lẻ của vectơ

Định nghĩa 2.2.8 Xây dựng hàm chẵn lẻ của vectơ

=

δ δ

δ δ

ζξϕξ

l

c e

: 1

: 1 )

)

(ξ

δ

nguyên Hai thuật toán được xây dựng là Thuật toán Parity_Change và

Parity_Change_M Có 3 nhận xét xung quanh thuật toán Parity_Change:

v

∈

2 Thuật toán gây ra biến dạng tọa độ và biến dạng khoảng cách cho

3 Có thể giảm biến dạng trung bình bằng cách lựa chọn khối không

ngắn nhất (Nhận xét 2.2.5)

2.3 Khảo sát sự biến dạng của kiểu dữ liệu không gian

Mục 2.3 khảo sát sự chuyển đổi tính chẵn lẻ của dữ liệu không gian khi bị

tác động nào đó làm biến dạng Các định nghĩa được trình bày trong mục

2.3.1; chỉ tiêu để đánh giá biến dạng trình bày trong mục 2.3.2 Phân tích

Deleted: :

Deleted:

Deleted: nói

xác suất biến dạng của dữ liệu không gian khi chịu tác động của biến dạng

trình bày trong mục 2.3.3

Định nghĩa 2.3.1 xác định biến dạng của vectơ không gian Định

nghĩa 2.3.2 xác định biến dạng cấu trúc của dữ liệu không gian Định

nghĩa 2.3.3 xác định biến dạng dữ liệu không gian

Tác động của biến dạng lên các vectơ không gian mang tính ngẫu nhiên

Vì vậy, chúng ta sẽ xem xét tác động này bằng các công cụ của xác suất

thống kê Một trong các yếu tố quan trọng trong nghiên cứu tác động của

biến dạng chính là xác suất chuyển trạng thái của vectơ không gian

Tính chất 2.2.4 chứng minh rằng có thể đưa bài toán tính xác suất

thay đổi trạng thái chẵn lẻ của các vectơ mang tin trong không gian

N-chiều thuần nhất đẳng hướng về tính xác suất trong không gian 1-N-chiều:

k N k

η

ξ +

=

Trường hợp (1-a): ξ có phân phối rời rạc, η =c=const, x= +c

2

δ

,

2 , 1 , 2

2 2

2 2 0

: 0

2

2 2

3 2 : 1

c

n c n

p

δδ

δδδ

δδδ

1 1

δ

Deleted:

3) Nếu Δ >δ ⇔ Δ = 2nδ +δ':

3a) Với

2 '

0≤δ <δ ,

Δ

− Δ

− + Δ

=

2

2 1 1

δδ

n p

δδ

δδ

δδ

1 2 2

2 , mod

2 1

2 , mod 1

1

n c n

c

n c n

c

Trường hợp (2-b): ξ và η có phân phối đều liên tục

Do ξ xác định trên đoạn [ ]0 ,δ , η xác định trên đoạn [ ]0 , Δ nên x=ξ +η xác

độc lập nên từ lý thuyết xác suất, hàm mật độ xác suất của x là:

) 1 (

− +

=

2

) 1 ( 2

1 1

δδ

n n n

Từ hai trường hợp trên ta đều có

2

1 ) ( lim ) ( lim 1 = 1 =

−

→ Δ +

0

0 0

2 2

, 0 ,

0

, 0 ,

1

δη

δηδ

η

Xác suất thay đổi trạng thái chẵn lẻ của vectơ không gian 2 chiều khi biến

dạng có hướng ngẫu nhiên, module biến dạng phân bố đều trong đoạn

Chương 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP GIẤU THÔNG TIN DỰA

TRÊN THỐNG KÊ TÍNH CHẴN LẺ CỦA DỮ LIỆU KHÔNG GIAN

+ Xây dựng phương pháp giấu một bít thông tin vào một khối dữ liệu

không gian dựa trên thống kê tính chẵn lẻ của tập hợp các vectơ

mang tin trong khối

+ Đánh giá biến dạng môi trường do giấu tin

+ Đánh giá tính bền vững của phương pháp thông qua phân tích lỗi

tách tin khi môi trường mang tin bị biến dạng

3.1 Mô hình phương pháp thống kê

Hai thuật toán giấu bít thông tin được trình bày trong mục 3.1.1: thuật toán

ST_Wa và thuật toán ST_Wb Bước 4 của thuật toán ST_Wa được bỏ qua

Mục 3.1.2 trình bày thuật toán ST_E (Tách thông tin phương pháp

thống kê) khi môi trường mang tin không bị biến dạng nhằm mục đích làm

rõ nguyên lý của thuật toán ST_W(a và b)

Mục 3.1.3 phân tích ảnh hưởng của tin giấu lên dữ liệu mang tin qua

việc đánh giá 2 tham số: i) biến dạng khoảng cách sau giấu tin; ii) biến

Sau khi chứng minh các tính chất 3.1.1 đến 3.1.3 ta có các kết quả:

Kết quả 3.1.1 Biến dạng khoảng cách của các vectơ trong khối có giấu

một bít thông tin theo thuật toán ST_Wa là biến ngẫu nhiên D với trị trung

Deleted:

Deleted:

bình:

4 3

1 )

(D δ N δ

Kết quả 3.1.2 Biến dạng khoảng cách cho các vectơ trong khối có giấu

một bít thông tin theo thuật toán ST_Wb là biến ngẫu nhiên D với giá trị

3

1 ) (D =

+ Thêm (bớt) ngẫu nhiên một số đối tượng

+ Dịch chuyển mọi đối tượng trong khối theo cùng một hướng

+ Dịch chuyển các đối tượng theo hướng và biên độ ngẫu nhiên

Kết quả phân tích cho thấy:

lượng #{ } { }ζcδ − # ζlδ

đối tượng trong khối theo cùng một hướng

Đối với biến dạng dịch chuyển các đối tượng trong khối theo hướng ngẫu nhiên Sử dụng kết quả chương 2 ta thấy, để tách thông tin cần tìm

một đại lượng có quy luật biến đổi phụ thuộc vào các tham số đã biết hoặc tính được qua phân tích thống kê

thống kê đáp ứng yêu cầu như trên ký hiệu là G và được tính như sau:

G= #ζcδ − #ζlδ / (3.2.5)

Sau khi chứng minh tính chất 3.2.1, ta có kết quả về diễn biến của G: