Tomtat luanan ncs lahuuphuc tiengviet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - LA HỮU PHÚC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014 Công trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Mỹ Tú PGS.TS Nguyễn Trần Lý Phản biện 1: PGS TS Vũ Thanh Hải Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 2: PGS TS Phan Hữu Huân Ban Cơ yếu Chính Phủ Phản biện 3: TS Thái Danh Hậu Viện Khoa học Công nghệ quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp Viện KH&CN quân vào hồi … ngày … tháng … năm 2014 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Viện KH&CN quân - Thư viện Quốc gia Việt nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Việc bảo mật tín hiệu thoại khơng c ý nghĩa đặc biệt quan trọng An ninh - Quốc phịng, mà cịn có giá trị to lớn mặt đời sống kinh tế - xã hội Bảo mật thông tin thoại vấn đề quan tâm Bảo mật thoại số cho độ mật cao, nhiên thực phức tạp, yêu cầu truyền kênh số Bảo mật thoại tương tự, với ưu điểm thuận lợi thực hiện, truyền trực tiếp kênh thoại nên sử dụng rộng rãi ứng dụng bảo mật mang tính chiến thuật Phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có nhiều ưu điểm so với phương pháp bảo mật tương tự khác Tuy nhiên, phương pháp sử dụng biến đổi đầu vào khối/khối, trực giao, chưa tận dụng đặc tính giấu lỗi biến đổi chồng lấp Đồng thời tín hiệu sau mã hóa sử dụng biến đổi ngược biến đổi đầu vào Phương pháp bảo mật biến đổi miền xáo trộn tập hệ số biến đổi tuyến tính khối mẫu tiếng nói Lược đồ xáo trộn định đến độ mật mã hóa Nhiều lược đồ đề xuất lược đồ Raymond ưu thích sử dụng, nhiên cần phải tính tốn lưu trữ số nguyên lớn nên bất tiện thực tế Trên sở Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp bảo mật thông tin thoại thời gian thực” nhằm:  Nghiên cứu đề xuất xử lý tín hiệu đầu vào sở biến đổi chồng lấp  Nghiên cứu đề xuất xử lý tín hiệu mã khơng phụ thuộc vào biến đổi đầu vào  Đề xuất cải tiến làm giảm độ phức tạp lược đồ tạo khóa Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất giải pháp bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại thời gian thực theo phương pháp tương tự có chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp tiếng nói tốt, khơng gian khóa lớn Đối tượng phạm vi nghiên cứu   Phạm vi nghiên cứu Luận án: o Tín hiệu thoại, tiếng nói người o Kỹ thuật xử lý tiếng nói o Kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại Đối tượng nghiên cứu Luận án: o Tiếng nói đặc điểm tiếng nói o Kỹ thuật bảo mật thoại đầu cuối Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp tiếp cận đối tượng theoquan điểm đại kết hợp với quan điểm lịch sử  Phương pháp tiếp cận theo quan điểm hệ thống  Phương pháp thực nghiệm, sức mạnh thao tác phân tích, thống kê, mô phân loại sử dụng luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn  Ý nghĩa khoa học: Góp phần hồn thiện lý thuyết kỹ thuật mã hóa tín hiệu thoại tương tự Xây dựng sở toán học biến đổi tín hiệu mã đầu  Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xác lập giải pháp thực bảo mật thoại đáp ứng nhu cầu bảo mật lĩnh vực kinh tế xã hội cấp chiến thuật an ninh quốc phòng Bố cục luận án Luận án gồm 03 chương với phần mở đầu, kết luận, danh mục công trình, báo khoa học cơng bố tác giả 03 phần phụ lục CHƯƠNG TIẾNG NÓI VÀ BẢO MẬT TIẾNG NÓI 1.1 Tiếng nói kỹ thuật xử lý tiếng nói 1.1.1 Đặc điểm tín hiệu thoại Tín hiệu thoại, X(t), dạng đặc biệt tín hiệu âm thanh, âm đơn sắc hợp thành, biểu diễn sau: N X (t )   Ai sin( i t   i ) (1.1) i 1 a) Phân loại âm tiếng nói Tín hiệu tiếng nói phân loại thành âm hữu âm vô b) Tín hiệu thoại mang tính cấu trúc Tín hiệu thoại mang nội dung tin thoại, thông tin tin thể qua cấu trúc ngôn ngữ c) Tín hiệu thoại có chế biểu diễn tin theo tần số Những âm tiết ngôn ngữ, đặc biệt nguyên âm, có cực đại (địa phương), biểu diễn phổ tín hiệu, nguyên âm tần số cộng hưởng (formant) Giá trị formant (2 3) cho phép nhận biết thành cơng ngun âm d) Tín hiệu thoại có độ dư thừa tín hiệu lớn Nếu quan niệm lượng thông tin thực tế mà người cần trao đổi số từ phát đơn vị thời gian lượng tin nhỏ nhiều lượng thơng tin mà tín hiệu thoại chứa đựng e) Khả bảo vệ tin tín hiệu thoại Lời thoại tuân theo cấu trúc ngôn ngữ Cuộc đàm thoại diễn ngữ cảnh Khả bảo vệ tin tín hiệu thoại gắn chặt với khả nhận dạng tiếng nói người f) Tín hiệu thoại truyền thơng Tín hiệu thoại dải hẹp có dải tần hữu hạn 0,3kHz đến 3,4kHz, giữ tính dễ hiểu, đáp ứng nhu cầu nghe hiểu Kỹ thuật nén tiếng nói truyền thơng Gồm mã hóa: dạng sóng, tham số lai ghép 1.2 Bảo mật tín hiệu thoại đầu cuối 1.2.1 Đặc điểm, yêu cầu bảo mật tín hiệu thoại a) Độ che lấp tiếng nói hiểu khả hiểu nội dung thoại khơng giải mã b) Độ rõ cịn lại (Residual Intelligibility) hay cịn gọi tính dễ hiểu cịn lại, khả khôi phục thông tin từ mã c) Độ mật Là khả không giải mã khoảng thời gian, gọi thời gian bảo mật Độ mật đánh giá độ phức tạp để tìm lại tín hiệu rõ d) Chất lượng tiếng nói sau giải mã phải đảm bảo người nghe nhận thông tin qua đàm thoại, nhận dạng người nói e) Mở rộng băng thơng Tín hiệu thoại sau mã hóa đảm bảo không vượt qua băng thông ban đầu truyền qua kênh băng tần hẹp f) Tính thời gian thực Độ trễ mã hóa khơng thể tránh khỏi Nó bao gồm thời gian tính tốn xử lý kích thước khung xử lý Độ trễ phải giới hạn để đảm bảo tính thời gian thực thông tin thoại g) Phân loại phương pháp bảo mật tín hiệu thoại Có hai loại mã hóa tín hiệu thoại bản: mã hóa tương tự mã hóa số 1.2.2 Phương pháp mã hóa tương tự Sơ đồ khối chung thể hình 1.4 Hình 1.4 Nguyên lý chung mã hóa tiếng nói tương tự a) Kỹ thuật mã biên độ Là kỹ thuật đơn giản, mẫu tiếng nói riêng biệt xếp lại trật tự b) Kỹ thuật mã miền tần số Tín hiệu tiếng nói bảo mật thông qua thực xáo trộn thành phần tần số tín hiệu tiếng nói c) Kỹ thuật mã miền thời gian Tín hiệu tiếng nói chia thành đoạn thời gian thứ tự đoạn tín hiệu thay đổi để thu tín hiệu mã d) Kỹ thuật mã hai miền Những mã hóa tiếng nói thực thao tác mã miền thời gian miền tần số đồng thời e) Kỹ thuật mã biến đổi miền Thơng qua biến đổi, tín hiệu tiếng nói chuyển sang biểu diễn miền khác Thao tác bảo mật thực tập hệ số biến đổi Những biến đổi dùng biến đổi trực giao, đảm bảo không tăng nhiễu truyền qua kênh truyền 1.2.3 Phương pháp mã số a) Nguyên lý Phương pháp mã hóa số tín hiệu thoại thực theo sơ đồ khối hình 1.10 xa (t ) x 'a (t ) u u' xk  xk ' yk  y'k  Hình 1.10 Sơ đồ khối phương pháp mã số b) Những thuật tốn mã hóa Mã dòng dạng biến đổi loạt, biến đổi rõ R thành mã M theo bit Bộ tạo dãy khoá K sinh dãy bit (k1,k2, ,ki, ) cộng modul với dãy bit rõ (r1,r2, ,ri, ) để có kết mã : mi  ri  ki (1.13) Mã khối thao tác khối bit có độ dài cố định Nhiều mã khối miêu tả mạng Feistel, sở chia khối liệu thành hai nửa, nửa thao tác nửa 1.2.4 Các thước đo cảm quan a) Khoảng cách lơ-ga-rít phổ b) Thước đo khoảng cách LPC c) Thước đo khoảng cách phổ d) Phổ đoạn tỷ lệ tín tạp Kết luận chương Các kết mà Chương đạt bao gồm: Tín hiệu thoại có đặc điểm riêng, dẫn đến bảo mật tín hiệu thoại có đặc trưng riêng Do nhận biết tiếng nói chủ quan người nên để đánh giá theo giải tích hiệu suất bảo mật tín hiệu thoại tốn khó, ngồi việc nghe thử trực tiếp tín hiệu mã nhà nghiên cứu dùng thước đo cảm quan để đánh giá cách tương đối kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại Nhiều phương pháp bảo mật tín hiệu thoại đề xuất với mục tiêu tăng độ che lấp tiếng nói, giảm độ rõ cịn lại, tăng độ mật với khơng gian khóa lớn, độ phức tạp phân tích mã cao; giảm trễ mã hóa để đảm bảo tính thời gian thực Tuy nhiên, kỹ thuật bảo mật thoại tương tự quan tâm đến khả che dấu lỗi biến đổi đầu vào biến đổi đầu phụ thuộc biến đổi đầu vào (chính biến đổi ngược biến đổi đầu vào), đồng thời khơng gian khóa lớn cần địi hỏi độ phức tạp tính tốn lớn Mục tiêu luận án nghiên cứu đề xuất phương pháp biến đổi đầu vào có khả che dấu lỗi, biến đổi đầu độc lập với biến đổi đầu vào cải tiến lược đồ tạo khóa cho khơng gia khóa lớn độ phức tạp tính tốn thấp Đồng thời, luận án cách thức áp dụng phương pháp vào bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực nhằm tạo chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp tốt độ mật cao CHƯƠNG TẠO KHÓA TRONG BẢO MẬT THOẠI TƯƠNG TỰ 2.1 Bài tốn chọn khóa Tạo khóa mã hóa thoại tương tự tạo hốn vị xáo trộn thành phần tín hiệu tiếng nói Khơng phải tất hốn vị dẫn tới tín hiệu tiếng nói mã có độ che lấp tốt mà có tập phù hợp để sử dụng xóa trộn tiếng nói Một xếp lại thứ i, q1 , q2 , , qn n phần tử p1 , p , , pn , tổng số n! cách xếp, gọi hoán vị bậc n Ký hiệu:  p1 , p2 , , pn   pi   q , q , , q n   (2.1) Ma trận hoán vị, Pi hốn vị pi ma trận vng (nxn) mà cột có giá trị 1, giá trị khác thỏa mãn:  p1 , p2 , , pn Pi  (q1 , q2 , , qn ) (2.2)  p1 , p2 , , pn   (q1 , q2 , , qn )Pi-1 (2.3) và: với Pi-1 ma trận nghịch đảo ma trận Pi Để S biểu diễn tập khóa hốn vị S-1 tập khóa đảo hốn vị Về lý thuyết S nên thỏa mãn hai điều kiện sau:  Tất khóa S phải tạo tiếng nói khơng hiểu  Đối với khóa, Pi, S tồn P-1i, S -1 mà P-1 sử dụng để giải mã tiếng nói mã hóa P Sử dụng khóa khác phải tạo tiếng nói khơng hiểu Để I biểu diễn ma trận với tất phần tử nằm vị trí ban đầu Tính khó hiểu tạo ma trận, Pi, liên quan đến tham số, D(Pi,I) đo khoảng cách từ Pi tới I Yêu cầu chuyển đổi thành:   D Pi , I  Dth (2.4) Dth giá trị ngưỡng lựa chọn cho giới hạn khó nghe tín hiệu mã tới mức chấp nhận Đòi hỏi thứ hai yêu cầu hai vấn đề: 1) Ánh xạ hoán vị phải 1-1, nghĩa là: P 1 ( P(i ))  i, i  1,2, , N (2.5) N chiều dài khung hoán vị 2) Sự so sánh hai khóa Khoảng cách cặp khóa ngưỡng, hiểu là: D Pi , Pj   Dth i  j (2.6) Rất khó khăn để thiết lập thuật tốn xây dựng lý thuyết tập S từ N! hoán vị Thay nó, nhà nghiên cứu sử dụng nhiều tham số khác để thu giải tích xấp xỉ ảnh hưởng tạo tham số D lý tưởng Hai tham số dùng để đánh giá hoán vị MDP(Mean Permution Distance) OD (Order of Displacement) Với hoán vị bậc n , ký hiệu d i vị trí phần tử thứ i xếp ban đầu Bậc thay -OD định nghĩa: OD( p)  i  d i 1i  n (2.8) Khoảng cách hoán vị trung bình MDP hốn vị p định nghĩa: MDP( p )  n  i  di n i 1 (2.9) 2.2.1 Thước đo MDP hoán vị a) MDP lớn Định lý 1: MDP lớn tất hoán vị bậc n tính: 11 Lược đồ đề xuất: Lược đồ xáo trộn thực với khung xáo trộn có độ dài N Bộ tạo số ngẫu nhiên sở ghi dịch tuyến tính phản hồi (LFSR Linear Feedback Shift Register ) với mầm khởi tạo cho tạo số giả ngẫu nhiên S0 Bước 1: Khởi tạo tạo số giả ngẫu nhiên LFSR với S0 Bước 2: Với khung thứ j, j=1,…, mẫu ban đầu (I1,I2,…IN) với i=2,…N 2A Rịj=một số ngẫu nhiên bit từ tạo số giả ngẫu nhiên; 2B k= Rij mod (i-1) +1 2C Đổi vị trí Ii Ik Lược đồ thực sở ứng dụng tạo số ngẫu nhiên LFSR rõ ràng có lợi lược đồ Raymond khơng phải tính tốn lưu trữ số nguyên lớn cỡ (N-1)! mà cần tạo số ngẫu nhiên lưu khởi tạo S0, mầm khóa cho liên lạc, gọi khóa phiên Đồng thời với mầm khóa S0, khung tiếng nói ban đầu sử dụng khóa khác tùy thuộc vào chu kỳ tạo giả ngẫu nhiên, với khóa số nguyên lớn cho trước, lược đồ Raymond, khung tiếng nói rõ mã hóa với khóa 2.3.2 Các thuộc tính lược đồ đề xuất Định lý Lược đồ đề xuất lược đồ hoán vị tuyệt đối hay tất phần tử dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu Chứng minh: Khơng làm tính tổng qt, giả thiết mẫu ban đầu (I1,I2,…,IN) số nguyên có giá trị từ đến N nghĩa I1=1, I2=2, , IN=N Từ bước 2B lược đồ đề xuất ta có: 0k i Bước 2C lược đồ đề xuất viết: (2.51) 12 tmp=Ii; (2C1) Ii=Ik ; (2C2) Ik=tmp (2C3) Do điều kiện  k  i giả thiết ban đầu Ii=i, nên bước 2C2 ta ln có Ik