PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA PHƯƠNG TIỆN

Đối tượng cơ bản của mật mã là tạo ra khả năng liên lạc trên một kênh không mật cho hai người sử dụng

MỤC LỤC Chương 1: VẤN ĐỀ MÃ HOÁ THÔNG TIN……………………………… 4 1.1 KHÁI NIỆM MÃ HOÁ………………………………………………… 4 1.1.1 Định nghĩa………………………………………………………….4 1.1.2 Phân loại……………………………………………………………6 1.2 HỆ MÃ HOÁ ĐỐI XỨNG…………………………………………… .7 1.2.1 Hệ mã hoá đối xứng cổ điển …………………………………… .7 1.2.1.1 Mã dịch vòng……………………………………………………7 1.2.1.2 Mã thay thế…………………………………………………… .8 1.2.1.3 Mã Affine…………………………………………………… .9 1.2.1.4 Mã Vigenere………………………………………………… .10 1.2.1.5 Mã Hill……………………………………………………… .11 1.2.1.6 Mã hoán vị…………………………………………………….12 1.2.1.7 Mã dòng……………………………………………………….13 1.2.2 Hệ mã hoá đối xứng hiện đại………………………………………14 1.2.2.1 Mã theo chuỗi bit………………………………………………14 1.2.2.2 Mã theo chữ……………………………………………………14 1.2.2.3 Mã theo khối………………………………………………… .15 1.2.2.4 Mã mũ…………………………………………………………15 1.2.2.5 DES……………………………………………………………16 1.3 HỆ MÃ HOÁ CÔNG KHAI…………………………………………… 17 1.3.1 Hệ mật mã RSA………………………………………………… 17 1.3.1.1 Định nghĩa sơ đồ hệ mật……………………………………….17 1.3.1.2 Thực hiện hệ mật………………………………………………18 1.3.1.3 Các phương pháp tấn công hệ mật…………………………… 18 1.3.2 Hệ Elgamal…………………………………………………… 19 1 Chương 2: VẤN ĐỀ GIẤU TIN……………………………………………… 20 2.1 KHÁI NIỆM VỀ GIẤU TIN ………………………………………… 20 2.1.1 Khái niệm thông tin “số hoá”…………………………………… 20 2.1.2 Khái niệm giấu tin…………………………………………………21 2.1.3 Mô hình giấu tin………………………………………………… 22 2.1.3.1 Mô hình giấu tin vào phương tiện chứa……………………… 22 2.1.3.2 Mô hình tách tin từ phương tiện chứa………………………….23 Một số thuật ngữ cơ bản…………………………………………………… .24 2.1.4 Phân loại kỹ thuật giấu tin……………………………………… .25 2.1.4.1 Phân loại theo phương tiện chứa……………………………….25 2.1.4.2 Phân loại theo cách thức tác động lên phương tiện…………….25 2.1.4.3 Phân loại theo mục đích sử dụng………………………………25 2.1.5 Các thành phần trong kỹ thuật giấu tin………………………… 26 2.1.5.1 Phương tiện chứa tin………………………………………… .26 2.1.5.2 Thông tin cần che giấu…………………………………………27 2.1.5.3 Khoá giấu tin………………………………………………… 27 2.2 CÁC GIAO THỨC GIẤU TIN………………………………………… 28 2.2.1 Giấu tin thuần tuý………………………………………………….28 2.2.2 Giấu tin sử dụng khoá bí mật…………………………………… .29 2.2.3 Giấu tin với khoá công khai……………………………………….30 2.3 GIẤU TIN TRONG DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN………………… 31 2.3.1 Giấu tin trong ảnh…………………………………………………31 2.3.2 Giấu tin trong audio……………………………………………….32 2.3.2 Giấu tin trong video……………………………………………….33 2 2.4 PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA PHƯƠNG TIỆN….34 2.4.1 Một số ký hiệu…………………………………………………….34 2.4.2 Nguyên lý giấu tin bằng cách thay thế……………………………35 2.4.3 Thay đổi các bit ít quan trọng nhất……………………………….37 2.4.4 Phương pháp giấu tin vào các vùng của phương tiện chứa…… .41 2.4.5 Hoán vị giả ngẫu nhiên…………………………………………….44 2.4.6 Giảm chất lượng ảnh để giấu tin………………………………… 46 2.4.7 Giấu tin trong ảnh màu……………………………………………47 2.4.7.1 Giấu tin trong các định dạng ảnh dùng bảng màu…………… .47 2.4.7.2 Giấu tin trong các ảnh màu thông thường…………………… .49 Những thuật ngữ viết tắt…………………………………………………… .50 3 Chương 1 VẤN ĐỀ MÃ HOÁ THÔNG TIN 1.1 KHÁI NIỆM MÃ HOÁ 1.1.1 Định nghĩa Đối tượng cơ bản của mật mã là tạo ra khả năng liên lạc trên một kênh không mật cho hai người sử dụng (có thể gọi là S (Sender) và R (Receiver)) sao cho đối phương T không hiểu được thông tin được truyền đi. Kênh này có thể là một đường dây điện thoại hoặc một mạng máy tính. Thông tin mà S muốn gửi cho R (bản rõ) có thể ở bất kỳ dạng dữ liệu nào. S sẽ mã hoá bản rõ bằng một khoá đã được xác định trước và gửi bản mã trên kênh. T có bản mã thu trộm được trên kênh, song “khó” thể xác định được nội dung bản rõ. R (là người biết khoá) có thể giải mã và thu được bản rõ. Định nghĩa hệ mật mã Hệ mật mã là một bộ 5 (P, C, K, E, D) thoả mãn các điều kiện sau: 1. P là một tập hữu hạn các bản rõ có thể. 2. C là tập hữu hạn các bản mã có thể. 3. K (không gian khoá) là tập hữu hạn các khoá có thể. 4. Đối với mỗi k ∈ K có một quy tắc mã: P → C và một quy tắc giải mã tương ứng d k ∈ D. Mỗi e k : P → C và d k : C → P là những hàm mã: d k (e k (x)) = x với mọi bản rõ x ∈ P. Tính chất 4 là tính chất chủ yếu. Nội dung của nó là nếu một bản rõ x được mã hoá bằng e k và bản mã nhận được sau đó được giải mã bằng d k thì ta phải thu được bản rõ ban đầu x. S và R sẽ áp dụng thủ tục sau dùng hệ mật khoá riêng. Trước tiên họ chọn ngẫu nhiên một khoá k ∈ K. Điều này thực hiện khi họ ở cùng một chỗ và không bị T theo dõi, hoặc khi họ có một kênh mật trong trường hợp ở xa nhau. Sau đó giả sử S muốn gửi một thông báo cho R trên một kênh không mật và ta xem thông báo này là một chuỗi: x = x 1 , x 2 , …, x n với số nguyên n ≥ 1 nào đó. 4 Ở đây mỗi một ký hiệu của bản rõ x ∈ P, 1 ≤ i ≤ n. Mỗi x i sẽ được mã hoá bằng quy tắc mã e k với khoá k xác định trước đó. Bởi vậy, S sẽ tính y = e k (x i ), 1 ≤ i ≤ n và chuỗi bản mã nhận được y = y 1 y 2 …y n , sẽ được gửi trên kênh. Khi R nhận được y = y 1 y 2 …y n anh ta sẽ giải mã d k và thu được bản rõ gốc x 1 x 2 …x n . Hình 1: Kênh liên lạc Rõ ràng là trong trường hợp này hàm mã hoá e k phải là hàm đơn ánh (tức là ánh xạ 1 - 1). Nếu không việc giải mã sẽ không thể thực hiện được một cách tường minh. 5 T S Bộ mã hoá Bộ giải mã R Kênh an toàn Nguồn khoá 1.1.2 Phân loại Các hệ thống mã hoá phổ biến thuộc một trong hai loại sau: • Mã hoá với khoá đối xứng (Symmetric-key Encryption) • Mã hoá với khoá công khai (Public-key Encryption) Mã hóa đối xứng là hệ mã hoá mà biết được khoá lập mã thì “dễ ” tính khoá giải mã và ngược lại. Trong một số trường hợp, hệ mã hoá khoá đối xứng có khoá lập mã và khoá giải mã trùng nhau. Mã hóa với khoá công khai sử dụng hai khóa khác nhau thực sự, để mã hóa và giải mã thông tin. Tức là biết khoá này “khó” tính được khoá kia. Mỗi hệ thống mã hóa có ưu nhược điểm riêng. Mã hóa với khoá đối xứng xử lí nhanh, nhưng độ an toàn không cao. Mã hóa với khoá công khai xử lí chậm hơn, nhưng độ an toàn và tính thuân tiện trong quản lí khóa cao. Trong các ứng dụng mã hóa hiện tại, người ta thường kết hợp các ưu điểm của cả hai loại mã hóa này. 6 1.2 HỆ MÃ HOÁ ĐỐI XỨNG 1.2.1 Hệ mã hoá đối xứng cổ điển 1.2.1.1 Mã dịch vòng Ta sẽ mô tả mã dịch vòng dựa trên số học module. Ta định nghĩa Z m là tập các số nguyên từ 0 đến m – 1, ký hiệu đó cũng dùng cho các số nguyên từ 0 đến m – 1 với các phép cộng và nhân theo mod m. Việc cộng và nhân trong Z m được thực hiện giống như cộng và nhân các số thực ngoại trừ một điểm là các kết quả sẽ được rút gọn theo module m. Mã dịch vòng được xác định trên Z 25 (do có 26 chữ cái trên bảng chữ cái tiếng Anh) mặc dù vậy có thể xác định nó trên Z m với module m tuỳ ý. Định nghĩa: Giả sử P = C = Z 26 với 0 ≤ k ≤ 25 e k (x) = x + K mod 26 và d k (x) = y – K mod 26 (x, y ∈ Z 26 ) Trong trường hợp K = 3, hệ mật mã thường được gọi là hệ mã Caesar đã được Julius Caesar sử dụng. Ta sẽ sử dụng mã dịch vòng (với module 26) để mã hoá một văn bản tiếng Anh thông thường bằng cách thiết lập sự tương ứng giữa các kí tự và các thặng dư theo module 26 như sau: A ⇔ 0, B ⇔ 1, …, Z ⇔ 25. A B C D E F G H I J K L M 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 N O P Q R S T U V W X Y Z 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 7 1.2.1.2 Mã thay thế Một hệ mã nổi tiếng khác là hệ mã thay thế. Định nghĩa: Cho P = C = Z 26 . K chứa mọi hoán vị có thể của 26 kí hiệu 0, 1, …, 25 Với mỗi phép hoán vị π ∈ K, ta định nghĩa: e π (x) = π (x) và d π (y) = π -1 (y) trong đó π -1 là hoán vị ngược của π. Sau đây là một ví dụ về phép hoán vị ngẫu nhiên π tạo nên một hàm mã hoá (các kí hiệu của bản rõ được viết bằng chữ thường còn các kí tự của bản mã là chữ in hoa). a b c d e f g h i j k l m X N Y A H P O G Z Q W B T n o p q r s t u y w x y z S F L R C V M U E K J D I Như vậy, e π (a) = X, e π (b) = N,…hàm giải mã là phép hoán vị ngược. Điều này được thực hiện bằng cách viết hàng thứ hai lên trước rồi sắp xếp theo thứ tự chữ cái. Ta nhận được: A B C D E F G H I J K L M d l r y v o h e z x w p T N O P Q R S T U V W X Y Z b g f j q n m u s k a c I Bởi vậy d π (A) = d, d π (B) = l,… 1.2.1.3 Mã Affine 8 Mã dịch vòng là một trường hợp đặc biệt của mã thay thế chỉ gồm 26 trong số 26! các hoán vị có thể của 26 phần tử. Một trường hợp đặc biệt khác của mã thay thế là mã Affine được mô tả dưới đây. Trong mã Affine, ta giới hạn chỉ xét các hàm mã có dạng: e(x) = a * x + b mod 26 (a, b ∈ Z 26 . Các hàm này được gọi là hàm Affine, chú ý rằng khi a = 1 ta có mã dịch vòng). Định nghĩa: Cho P = C = Z 26 và giả sử K = {(a, b) ∈ Z 26 × Z 26 : UCLN (a, 26) = 1} Với K = (a, b) ∈ K ta định nghĩa: e k (x) = a * x + b mod 26 và d k (y) = a -1 (y - b) mod 26 với x, y ∈ Z 26 Để có được phép giải mã tương ứng, tức để cho phương trình: a * x + b = c mod 26 có lời giải đối với x (với bất kì c cho trước) thì điều kiện cần và đủ là a nguyên tố với 26, tức UCLN(a, 26) = 1. Khi UCLN (a, 26) = 1, thì có số a -1 ∈ Z 26 sao cho a * a -1 = a -1 * a = 1 mod 26 và do đó, nếu y = a * x + b mod 26, thì x = a -1 (y - b) mod 26 và ngược lại. 1.2.1.4 Mã Vigenere 9 Trong cả hai hệ mã dịch vòng và mã thay thế (một khi đã được chọn) mỗi kí tự sẽ được ánh xạ vào một kí tự duy nhất. Vì lý do đó, các hệ mật mã còn lại được gọi là hệ thay thế đơn biểu. Bây giờ ta sẽ trình bày một hệ mật mã không phải là bộ chữ đơn, đó là hệ mật mã Vigenere nổi tiếng. Mật mã này lấy tên của Blaise de Vigenere sống vào thế kỷ 16. Sử dụng phép tương ứng A ⇔ 0, B ⇔ 1,…, Z ⇔ 25 mô tả ở trên, ta có thể gắn cho mỗi khoá K với một chuỗi kí tự có độ dài m được gọi là từ khoá. Mã Vigenere sẽ mã hoá đồng thời m kí tự: Mỗi phần tử của bản rõ tương đương với m kí tự. Định nghĩa: Cho m là một số nguyên dương cố định nào đó. P = C = K = (Z 26 ) m . Với khoá K = (k 1 , k 2 ,…, k m ) ta xác định: e k (x 1 , x 2 ,…, x m ) = (x 1 + k 1 , x 2 + k 2 ,…, x m + k m ) và d k (y 1 , y 2 ,…, y m ) = (y 1 – k 1 , y 2 – k 2 ,…, y m - k m ) trong đó tất cả các phép toán được thực hiện trong Z 26 . 1.2.1.5 Mã Hill 10 [...]... nhúng thông tin: là chương trình thực hiện việc giấu tin Đầu ra: là phương tiện chứa, đã có tin giấu trong đó 22 2.1.3.2 Mô hình tách tin từ phương tiện chứa Diễn ra theo quy trình ngược lại với giấu tin: đầu ra là các thông tin được giấu và phương tiện chứa Khoá giấu tin Phương tiện chứa tin đã được giấu (S) Bộ nhúng thông tin Thông tin đã giấu M Hình 4: Sơ đồ tách tin 23 Phương tiện chứa tin C Một... để giấu (hoặc nhúng) thông tin vào trong đó Phương tiện chứa sau khi đã giấu tin (Stego Object): Phương tiện chứa tin, sau khi đã giấu thông tin vào trong đó Thông điệp (Message): Thông tin được giấu trong phương tiện chứa, để chuyển đi 24 2.1.4 Phân loại kỹ thuật giấu tin Có nhiều cách để tiến hành phân loại các phương pháp giấu thông tin theo các tiêu chí khác nhau, như theo các phương tiện chứa tin, ... để tách tin, kẻ tấn công chỉ có thể nhận được các thông tin “ngẫu nhiên”, vì không có khoá giải mã tương ứng 30 2 3 GIẤU TIN TRONG DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN 2.3.1 Giấu tin trong ảnh Giấu tin trong ảnh, hiện nay, là bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các hệ giấu tin trong đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn, mặt khác giấu tin trong ảnh đóng vai trò quan trọng trong các... đa chiều Kỹ thuật giấu tin sử dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người 33 2 4 PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Có nhiều phương pháp giấu tin trong các phương tiện chứa, nhưng trong phần này chỉ xin trình bày phương pháp thay thế Đó là thay thế các phần tử ít quan trọng của phương tiện chứa bằng các bit của thông điệp cần chuyển đi 2.4.1 Một số ký hiệu Ký hiệu c là phương. .. tiện chứa tin, các phương pháp tác động lên phương tiện chứa tin, hay phân loại theo các ứng dụng cụ thể 2.1.4.1 Phân loại theo phương tiện chứa tin - Giấu thông tin trong ảnh - Giấu thông tin trong các file âm thanh - Giấu thông tin trong video - Giấu thông tin trong văn bản dạng text 2.1.4.2 Phân loại theo cách thức tác động lên phương tiện - Phương pháp chèn dữ liệu: tìm vị trí trong file dễ bị bỏ... chứa Thông tin cần giấu M Phương tiện chứa tin C Phương tiện chứa tin đã được giấu (S) Bộ nhúng thông tin Phân phối Khoá giấu tin Hình 3: Sơ đồ giấu tin Đầu vào: - Thông tin cần giấu: Tuỳ theo mục đích của người dùng, nó có thể là thông điệp (với giấu tin bí mật) hay là các logo, hình ảnh bản quyền - Phương tiện chứa: các file ảnh, text, audio…là môi trường để giấu tin - Khoá: thành phần để góp phần... giấu trong đó Hai mục đích giấu tin phát triển thành hai lĩnh vực với yêu cầu và tính chất khác nhau : - Giấu thông tin bí mật (Steganography) - Thuỷ vân số (Watermarking) Giấu thông tin Giấu thông tin bí mật Thuỷ vân số Hình 2: Hai lĩnh vực của giấu tin 21 2.1.3 Mô hình giấu tin 2.1.3.1 Mô hình giấu tin vào phương tiện chứa Thông tin cần giấu M Phương. .. cơ bản: Giấu dữ liệu (Datahiding) (Information hiding): Kỹ thuật giấu thông tin nói chung bao gồm: Giấu tin bí mật (steganography) và giấu tin thuỷ vân (watermaking) Giấu tin (Steganography): Kỹ thuật giấu tin mật trong một đối tượng Kỹ thuật thuỷ vân (watermaking): Kỹ thuật giấu tin (kiểu đánh dấu), được dùng để bảo vệ chính đối tượng chứa tin giấu Phương tiện chứa (Cover Object): Phương tiện được... truyền thông tin mật cho nhau mà người khác “khó” thể biết được, bởi sau khi giấu tin, thì chất lượng ảnh gần như không thay đổi, đặc biệt là đối với ảnh mầu hay ảnh xám 31 2.3.2 Giấu tin trong audio Giấu tin trong audio mang đặc điểm riêng, không giống với giấu tin trong đối tượng đa phương tiện khác Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu, đồng thời... thanh số, bản tin dạng text…Nhưng phương tiện chứa phải có đủ lượng thông tin dư thừa tối thiểu, để có thể giấu thông tin, vì dữ liệu khi biến đổi để giấu tin, có thể bị phát hiện Có hai yêu cầu đặt ra với phương tiện chứa: - Phương tiện chứa tin phải được giữ bí mật - Không sử dụng phương tiện chứa tin đến lần thứ hai Yêu cầu thứ nhất để tránh kẻ tấn công có phương tiện chứa đó, thì việc giấu tin trở lên