Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Văn Tuấn KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ MẬT MÃ HỌC TRONG XÁC THỰC, BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN Chuyên ngành: Cơ sở toán học cho tin học Mã số: 62460110 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Hà Nội – 2015 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1) GS.TSKH. Lê Hùng Sơn 2) PGS.TS. Phạm Văn Ất Phản biện 1: PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Bá Tường Phản biện 3: TS. Nguyễn Văn Tảo Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày …… tháng …… năm …….…… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Đỗ Văn Tuấn, Trn Đăng Hiên, Phạm Văn Ất (2012) Mt sơ đ ci tin h mt m kha công khai Rabin. K yếu Hội thảo quốc gia ln th XIV Cn Thơ, 07-08/10/2011, Một số vấn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin và Truyền thông, tháng 6/2012, tr. 279-290. 2. Do Van Tuan, Tran Dang Hien, Pham Van At (2012) A Novel Data Hiding Scheme for Binary Images. International Journal of Computer Science and Information Security, August 2012, pp. 1-5. 3. Đỗ Văn Tuấn, Phạm Văn Ất (2012) Mt thut ton giu tin trong nh c bng mu. Chuyên san Các công trình nghiên cu, phát triển và ng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Tạp chí Công nghệ Thông tin và Truyền thông, tháng 12/2012, tr. 14-21. 4. Đỗ Văn Tuấn, Trn Đăng Hiên, Cao Thi Luyên, Phạm Văn Ất (2013) Mt thut ton thủy vân bền vững kha công khai cho nh mu dựa trên sự hon vị ngẫu nhiên trong cc tp con. Chuyên san Các công trình nghiên cu, phát triển và ng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Tạp chí Công nghệ Thông tin và Truyền thông, tháng 6/2013, tr. 67-76. 5. Đỗ Văn Tuấn, Nguyễn Kim Sao, Nguyễn Thanh Toàn, Phạm Văn Ất (2014) Mt sơ đ nhúng tin thun nghịch mới trên nh JPEG. Chuyên san Các công trình nghiên cu, phát triển và ng dụng Công nghệ Thông tin và Truyền thông, Tạp chí Công nghệ Thông tin và Truyền thông, tháng 12/2014, tr. 41-52. 6. Đỗ Văn Tuấn, Trn Đăng Hiên, Phạm Đc Long, Phạm Văn Ất (2015) Mt lược đ thủy vân thun nghịch mới sử dụng mở rng hiu đối với cc véc-tơ điểm nh. Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự, tháng 4/2015, tr. 17-31. 2 MỞ ĐẦU Trong những năm đu của thế k 21, với sự phát triển của mạng Internet đã gip cho quá trình phân phối các sản phẩm đa phương tiện giữa những nhà cung cấp với người dùng trở nên dễ dàng, nhanh chóng. Bên cạnh đó, vấn nạn xuyên tạc thông tin, vi phạm bản quyền trên những sản phẩm đa phương tiện cũng ngày một gia tăng. Do vậy, nhu cu bảo mật, xác thực tính toàn vẹn, bảo vệ quyền tác giả đối với sản phẩm đa phương tiện trên môi trường trao đi công khai ngày càng cấp thiết và đi hi sự an toàn cao hơn. Bên cạnh phương pháp mật mã, gn đây trong lĩnh vực an toàn thông tin xuất hiện một hướng nghiên cu mới đó là giấu tin. Giấu tin có thể được chia thành hai nhóm là giấu tin mật và thủy vân. Đối với giấu tin mật, dữ liệu nhng là những thông điệp mật cn trao đi giữa người gửi và người nhận. Việc nhng tin mật vào những dữ liệu được truyền tải ph biến trên Internet nhằm ngụy trang cho sự tồn tại của tin mật trước các đối thủ. Trái với giấu tin mật, dữ liệu nhng trong các lược đồ thủy vân dùng để bảo vệ dữ liệu cha tin. Việc nhng thêm thông tin vào các sản phẩm đa phương tiện có thể làm giảm chất lượng sản phẩm nhưng nó là dấu vết để phát hiện sự thay đi trái phép, hoặc chng minh quyền sở hữu các sản phẩm cha dấu thủy vân. Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài “Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện” để thực hiện luận án Tiến sĩ của mình. Mục đích chính của luận án là đề xuất một số lược đồ giấu tin, thủy vân ng dụng trong xác thực tính toàn vẹn và bảo vệ quyền tác giả đối với các sản phẩm đa phương tiện nói chung và sản phẩm ảnh số nói riêng. Các kết quả nghiên cu được trình bày trong 4 chương của luận án, ngoài phn mở đu và kết luận. CHƯƠNG 1. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ SỞ 1.1 Khái niệm về giấu tin 1.1.1 Định nghĩa giấu tin Giấu tin là phương pháp nhng một đối tượng dữ liệu số  (dữ liệu nhúng) vào sản phẩm đa phương tiện  (dữ liệu môi trường) để nhận được sản phẩm đa phương tiện  (dữ liệu cha tin) cha . Giấu tin được phân loại như sau: 3 Giấu tin (Information hiding) Giấu tin mật (Steganography) Thủy vân số (Digital watermarking) Hình 1.1. Phân loại phương php giu tin. 1.1.2 Mô hình giấu tin Một lược đồ giấu tin gồm hai quá trình nhúng tin và trích tin. Dữ liệu môi trường (Dữ liệu gốc) Nhúng tin Dữ liệu chứa tin Dữ liệu nhúng Khóa Hình 1.2. Mô hình nhúng tin. Dữ liệu gốc Trích tin Dữ liệu chứa tin Khóa Dữ liệu trích Hình 1.3. Mô hình trích tin. 1.1.3 Các tính chất của một lược đồ giấu tin Một lược đồ giấu tin có các tính chất như: - Khả năng nhng tin - Tính che giấu - Tính bảo mật 1.1.4 Một số hướng tiếp cận của phương pháp giấu tin Giấu tin trên dữ liệu đa phương tiện có ba hướng tiếp cận chính là: miền quan sát (miền không gian, miền thời gian), miền biến đi 4 và miền dữ liệu nén. Việc lựa chọn hướng tiếp cận phụ thuộc vào mục đích ng dụng của lược đồ giấu tin. 1.2 Một số khái niệm về thủy vân trên dữ liệu đa phương tiện 1.2.1 Dữ liệu đa phương tiện Dữ liệu đa phương tiện là những dạng dữ liệu như: văn bản, ảnh số, âm thanh và video. Khi nói đến dữ liệu đa phương tiện, người ta thường quan tâm đến các tệp ảnh, âm thanh và video. Một phương pháp giấu tin nói chung và thủy vân nói riêng nếu thực hiện tốt trên ảnh số thì hoàn toàn có thể phát triển, ng dụng trên dữ liệu âm thanh và video. 1.2.2 Phân loại phương pháp thủy vân Các lược đồ thủy vân có thể được chia thành hai nhóm như: Thủy vân (Watermarking) Thủy vân bền vững (Robust watermarking) Thủy vân dễ vỡ (Fragile watermarking) Hình 1.4. Phân loại phương php thủy vân. 1.2.2.1 Thủy vân bền vững Thủy vân bền vững (robust watermarking) yêu cu dấu thủy vân phải ít bị biến đi (bền vững) trước sự tấn công trên sản phẩm cha dấu thủy vân, hoặc trong trường hợp loại b được dấu thủy vân thì sản phẩm sau khi bị tấn công cũng không cn giá trị sử dụng. Do vậy, các lược đồ thủy vân bền vững thường được ng dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền. 1.2.2.2 Thủy vân dễ vỡ Thủy vân dễ vỡ (fragile watermarking) yêu cu dấu thủy vân phải nhạy cảm (dễ bị biến đi) trước sự tấn công trên dữ liệu thủy vân. Do vậy, thủy vân dễ vỡ được dùng để xác thực tính toàn vẹn của các sản phm đa phương tiện trên môi trường trao đi không an toàn. 1.3 Một số phép biến đổi dữ liệu Hai phép biến đi thông dụng trong xử lý dữ liệu đa phương tiện là cosine rời rạc và wavelet rơi rạc. Ngoài việc dùng để nén dữ liệu, hai phép biến đi này cn hay được sử dụng trong các bài toán như: 5 trích chọn đặc trưng, phát hiện ảnh giả mạo và thủy vân số. Nhằm nâng cao tốc độ thực hiện, hai phép biến đi này thường được tiếp cận theo phương pháp ma trận. 1.4 Một số khái niệm trong mật mã 1.4.1 Số nguyên tố và thuật toán kiểm tra số nguyên tố Định nghĩa 1.1. Số nguyên tố là số lớn hơn 1, không chia hết cho số nguyên dương nào ngoài 1 và chính nó. Số nguyên lớn hơn 1 không phải là số nguyên tố được gọi là hợp số. Định lý 1.1. (Fermat nh). Nếu  là số nguyên tố và  là số không chia hết cho p thì:       Định nghĩa 1.2. Một số giả nguyên tố cơ sở  là một hợp số nguyên n thoả mãn công thc       . Thuật toán kiểm tra số giả nguyên tố: boolean pseudoprime(n,b) { if (b^(n-1) %n ==1) return true; else return false; } Thuật toán kiểm tra số nguyên tố theo Định lý Fermat nh: boolean fermat(n,k) { for (i from 1 to k) { b= random(2,n-1); if(pseudoprime(n,b) != true)return false; } return true; } 1.4.2 Ký hiệu Legendre Với p là số nguyên tố lẻ và  nguyên, ký hiệu Legendre được định nghĩa như sau:              Ở đây ký hiệu  có nghĩa  là ước của  ( chia hết cho ). 6 1.4.3 Ký hiệu Jacobi Giả sử  , trong đó  là 2 số nguyên tố lẻ và số nguyên , ký hiệu Jacobi được định nghĩa:             1.4.4 Định lý đồng dư Trung Hoa Giả sử       là các số nguyên dương và nguyên tố cùng nhau đôi một. Khi đó, hệ phương trình đồng dư:                        có nghiệm duy nhất theo modulo          . Nghiệm duy nhất này được xác định theo công thc:              Trong đó,       và        (nghĩa là         )), với . 1.4.5 Hệ mật mã Rabin Với hai số nguyên tố  và  có dạng 3 (mod 4), sơ đồ Rabin lập bản mã  cho bản rõ  thuộc   (với   ) như sau:    Để xác định bản rõ  từ bản mã ta cn giải phương trình đồng dư:       Phương trình đồng dư trên có 4 nghiệm theo  ng với bốn hệ phương trình:                                                                                Như vậy, từ một bản mã, lược đồ Rabin không thể xác định được bản rõ duy nhất. Điều này sẽ được khắc phục trong sơ đồ đề xuất ở Chương 2. 7 1.5 Một số phép toán trên ma trận nguyên - Ký hiệu   là tập các ma trận nguyên không âm cấp    (m hng v  ct). - Với   , nếu nói phn tử  có nghĩa là phn tử trên hàng  và cột  (ch quan tâm đến vị trí), và nếu nói phn tử   nghĩa là phn tử trên hàng , cột  và có giá trị bằng   (quan tâm đến cả vị trí và giá trị). Hai giá trị     khác tính chn lẻ được ký hiệu là     . Định nghĩa 1.3. Phép nhân đồng vị  hai ma trận      ký hiệu là    và được xác định theo công thc:        với  và  Định nghĩa 1.4. Phép toán SUM trên ma trận   là một số nguyên, ký hiệu  và tính theo công thc:             Định nghĩa 1.5. Phép toán  trên ma trận nguyên   là ma trận nhị phân cấp    ký hiệu:  và được tính theo công thc:      với  và  Định nghĩa 1.6. Trên ma trận   , phn tử  được gọi là liền kề với phn tử  ký hiệu:    nếu   Định nghĩa 1.7. Ma trận nhị phân   được gọi là ma trận liên thông nếu với mỗi cặp hai phn tử bất kỳ không kề nhau  và  có giá trị     luôn tồn tại dãy các phn tử      với  sao cho:       với  và                    Định nghĩa 1.8. Phép  hai số nguyên không âm là phép toán xor trên từng cặp bít tương ng của chng. Định nghĩa 1.9. Với  là ma trận nguyên không âm cấp  , ký hiệu  hay      được hiểu là phép  trên tất cả các phn tử của . 8 1.6 Kết luận chương 1 Chương này đã trình bày một số khái niệm, phân loại các phương pháp giấu tin và thủy vân. Ngoài ra, nội dung của chương này còn đề cập đến một số khái niệm trong mật mã học và các phép biến đi dữ liệu đa phương tiện cũng như định nghĩa một số phép toán làm việc trên ma trận nguyên. CHƯƠNG 2. GIẤU TIN VÀ HỆ MẬT MÃ RABIN CẢI TIẾN 2.1 Bảo mật dữ liệu bằng sự kết hợp giữa giấu tin và mật mã Để tăng cường sự an toàn cho hệ thống, trong ng dụng thường kết hợp phương pháp mật mã với kỹ thuật giấu tin theo các hướng: 1) Sử dụng các hệ mật mã để mã hóa tin mật và giấu bản mã vào dữ liệu đa phương tiện. 2) Sử dụng hệ mật mã khóa công khai để trao đi khóa bí mật của các lược đồ giấu tin. 3) Kết hợp mật mã với giấu tin để xây dựng các lược đồ thủy vân dễ vỡ khóa công khai. 4) Kết hợp mật mã, giấu tin và thủy vân thuận nghịch để xây dựng mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền. 2.2 Một số kết quả gần đây về các sơ đồ Rabin cải tiến Để khắc phục hạn chế của thuật toán giải mã trong sơ đồ Rabin đã có một số sơ đồ cải tiến như: Shimada, Chen – Tsu và Harn. Trong các sơ đồ Shimada và Chen-Tsu yêu cu hai số nguyến tố  có dạng  và , điều này dẫn đến phạm vi ng dụng bị thu hẹp. Ngoài ra, hai sơ đồ này có hạn chế chung là phải tính toán khá nhiều. Sơ đồ của Harn vẫn sử dụng các số nguyên tố  dạng 3 (mod 4) nhưng đi hi một khối lượng tính toán cn lớn hơn so với Shimada và Chen-Tsu. 2.3 Đề xuất một sơ đồ Rabin mới Phn này đề xuất sơ đồ Rabin có khả năng xác định duy nhất bản rõ từ một bản mã, và cn khối lượng tính toán ít hơn hẳn so với hai sơ đồ Shimada và Chen-Tsu. Ngoài ra, sơ đồ mới vẫn sử dụng hai số nguyên tố  có dạng 3 (mod 4) nên phạm vi ng dụng cũng được cải thiện hơn so với hai phương pháp cải tiến nói trên. 2.3.1 Phương trình Rabin        [...]... Các kết quả đề xuất trong chương này được sử dụng để xây dựng mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền ở Chương 3 CHƯƠNG 3 THỦY VÂN THUẬN NGHỊCH 3.1 Sơ lược về thủy vân thuận nghịch Thủy vân thuận nghịch là các lược đồ giấu tin có khả năng khôi phục dữ liệu gốc từ dữ liệu chứa dấu thủy vân Theo tài liệu nghiên cứu, trong nhiều ứng dụng của y tế, quân sự và nghệ thuật, việc khôi phục... thuật toán giấu tin trong Chương 2 để nhúng tin mật và sử dụng lược đồ thủy vân thuận nghịch ở mục 3.5 để xác thực 3.7.1 Mô hình nhúng tin mật và dấu thủy vân Quá trình nhúng tin mật và dấu thủy vân trên ảnh gốc 𝐼 được thực hiện ở phía người gửi như sau: Khóa S Ảnh gốc I Dẫy byte Dấu thủy Nhúng dấu thủy Nhúng tin Ảnh chứa Ghép dữ Hàm băm tin mật I’ liệu vân W vân W vào ảnh I’ Tin mật Hình 3.3 Quá... dùng để nhúng dấu thủy vân Các phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm cho thấy, tính bền vững của các lược đồ đề xuất cao hơn lược đồ Munir và chống được một số phép tấn công thông dụng Lược đồ đề xuất trên miền DCT đã được công bố trong công trình [4] KẾT LUẬN Trên cơ sở tìm hiểu các lược đồ thủy vân và mật mã học ứng dụng trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện, luận án đã đạt... thường được ứng dụng trong bài toán bảo vệ bản quyền hay chứng minh chủ 21 sở hữu đối với các sản phẩm đa phương tiện chứa dấu thủy vân Để tăng cường tính bền vững, hầu hết các thuật toán thủy vân bền vững thường nhúng dấu thủy vân trên miền biến đổi của ảnh bằng các phép biến đổi như: DCT, DWT, SVD, NMF và QR 4.2 Một số kết quả gần đây về thủy vân bền vững sử dụng kỹ thuật trải phổ trên miền... xuất mô hình bảo mật và xác thực dữ liệu trên đường truyền Việc nhúng tin mật vào các dữ liệu được truyền tải phổ biến trên Internet sẽ khắc phục được sự hạn chế của phương pháp mật mã Tuy nhiên trong quá trình truyền tải, dữ liệu chứa tin mật có thể bị thay đổi do vô tình hay có chủ định Sự thay đổi này sẽ làm cho việc khôi phục tin mật ở phía người nhận không được chính xác Do vậy, trong thực... bảo thông tin trích được chính là tin mật cần trao đổi CHƯƠNG 4 THỦY VÂN BỀN VỮNG KHÓA CÔNG KHAI SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 4.1 Khái quát về thủy vân bền vững Thủy vân bền vững yêu cầu dấu thủy vân phải tồn tại (bền vững) trước những phép tấn công nhằm loại bỏ dấu thủy vân, hoặc trong trường hợp loại bỏ được dấu thủy vân thì ảnh sau khi bị tấn công cũng không còn giá trị sử dụng Do vậy, thủy vân. .. Dấu thủy Dấu thủy vân W* vân W* Ảnh khôi Ảnh khôi phục phục Ảnh thủy vân I* Giải mã Rabin Hàm băm SHA2 Mã đại Mã đại diện H** diện H** Trích dấu thủy vân và khôi phục ảnh gốc 0/1 0/1 Mã đại Mã đại diện H* diện H* Hình 3.2 Quá trình xác thực tính toàn vẹn của lược đồ thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai Trên Hình 3.2, khi 𝐻∗ bằng 𝐻∗∗ thì thuật toán kết luận ảnh 𝐼 ∗ chưa bị tấn công và Ảnh... ảnh thủy vân 𝐼’ Quá trình thực hiện theo hình sau: Khóa bí mật K11 Ảnh gốc I Hàm băm SHA2 Mã đại Dấu thủy Nhúng tin thuận Mã hóa Rabin diện H vân W nghịch Ảnh thủy vân I’ Hình 3.1 Quá trình tạo và nhúng dấu thủy vân của lược đồ thủy vân thuận nghịch dễ vỡ khóa công khai 3.6.2 Mô hình xác thực tính toàn vẹn Trong quá trình trao đổi, ảnh thủy vân 𝐼 ′ có thể bị tấn công thành ảnh 𝐼 ∗ Việc xác. .. được dãy 𝑅 𝑘 = (𝜕( 𝑘, 1), … , 𝜕( 𝑘, 𝛽 𝑘 )) Bước 3: Xác định khóa bí mật 𝑆 = (𝑠1 , … , 𝑠 𝑛 ) theo công thức: 𝑠 𝜕(𝑘,𝑖) = 𝑝 𝛼(𝑘,𝑖) , với 𝑖 = 1, … , 𝛽 𝑘 và 𝑘 = 1, … , 𝑚 4.3.2 Thuật toán thủy vân Thuật toán sẽ xây dựng khóa công khai 𝑃, khóa bí mật 𝑆, dấu thủy vân 𝑊 và nhúng 𝑊 vào ảnh gốc 𝐼 để nhận được ảnh thủy vân 𝐼’ Bước 1: Xác định vị trí nhúng dấu thủy vân Chia ảnh gốc 𝐼 thành các khối điểm ảnh 8 × 8... mật và dấu thủy vân 20 Ảnh I* 3.7.2 Mô hình xác thực và trích tin mật Khi truyền tải, ảnh 𝐼 ∗ có thể bị thay đổi (do vô tình hoặc có chủ định) thành ảnh 𝑍 ∗ Người nhận thực hiện quá trình xác thực và trích tin mật trên ảnh 𝑍 ∗ theo hình sau: Ảnh Z’ Khóa S Ảnh Z* W* Trích dấu thủy vân W’ Ảnh Z’ Ghép dữ Dẫy byte Hàm băm và khôi phục ảnh Z’ liệu 0 Trích tin mật từ ảnh Z’ Tin mật Dấu thủy vân W’ Hình . hoặc chng minh quyền sở hữu các sản phẩm cha dấu thủy vân. Chính vì vậy, tác giả chọn đề tài Kỹ thuật thủy vân và mật mã học trong xác thực, bảo vệ bản quyền dữ liệu đa phương tiện để thực. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đỗ Văn Tuấn KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ MẬT MÃ HỌC TRONG XÁC THỰC, BẢO VỆ BẢN QUYỀN DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN . dụng các hệ mật mã để mã hóa tin mật và giấu bản mã vào dữ liệu đa phương tiện. 2) Sử dụng hệ mật mã khóa công khai để trao đi khóa bí mật của các lược đồ giấu tin. 3) Kết hợp mật mã với giấu