Xác thực sự toàn vẹn của cơ sở dữ liệu quan hệ bằng kỹ thuật thủy vân số dựa vào hệ mật mã khóa công khai

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG DƯƠNG THỊ LAN HƯƠNG XÁC THỰC SỰ TOÀN VẸN CỦA CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN SỐ DỰA VÀO HỆ MẬT MÃ KHÓA CÔNG KHAI Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS BÙI THẾ HỒNG Thái Nguyên, 2014 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: luận văn “Xác thực toàn vẹn sở liệu quan hệ kỹ thuật thủy vân số dựa vào hệ mật mã khóa công khai” công trình nghiên cứu cá nhân tôi, nội dung nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, rõ ràng Tác giả luận văn Dương Thị Lan Hương iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin cảm ơn Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành khóa học khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Bùi Thế Hồng Thầy cho định hướng nghiên cứu, giúp đỡ suốt thời gian hoàn thành luận văn Để hoàn thành khóa học có công sức vô to lớn thầy, cô nhiệt tình giảng dạy, trang bị cho kiến thức quý báu thời gian học tập trường Cảm ơn bạn lớp nhiệt tình giúp đỡ suốt thời gian học tập trường Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Dương Thị Lan Hương iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THỦY VÂN SỐ 1.1 Tổng quan thủy vân sở liệu quan hệ 1.1.1 Một số khái niệm 1.1.2 Các yêu cầu thuỷ vân sở liệu quan hệ 1.1.3 Những công hệ thuỷ vân sở liệu quan hệ 11 1.1.4 Các ứng dụng chủ yếu thuỷ vân sở liệu quan hệ 13 1.2 Các kỹ thuật thủy vân số cho sở liệu quan hệ 14 1.2.1 Kỹ thuật thủy vân số làm thay đổi liệu CSDL quan hệ 15 1.2.2 Các kỹ thuật thủy vân số không làm thay đổi liệu CSDL 25 1.3 Nhận xét lược đồ thủy vân 27 1.4 Kết luận 31 CHƯƠNG II XÁC THỰC SỰ TOÀN VẸN CỦA CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ BẰNG KĨ THUẬT THỦY VÂN DỰA VÀO HỆ MẬT MÃ KHÓA CÔNG KHAI 2.1 Giới thiệu 32 2.2 Kỹ thuật thủy vân số với chế xác thực công khai 33 2.2.1 Ý tưởng kỹ thuật thủy vân số với chế xác thực công khai 33 v 2.2.2 Tạo mã xác thực 36 2.2.3 Quá trình xác thực tính toàn vẹn liệu 38 2.2.4 So sánh hai thủy vân 41 2.3 Kết luận 42 CHƯƠNG III XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM 3.1 Xây dựng chương trình 43 3.1.1 Bài toán thực nghiệm 43 3.1.2 Thiết kế chương trình 43 3.2 Thử nghiệm chương trình 50 3.3 Đánh giá kết thử nghiệm 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải CSDL Ý nghĩa Cơ sở liệu MKSD Multi Key Single Data Đa khóa, đơn liệu SKMD Single Key Multi Data Đơn khóa, đa liệu LSB Least Significant Bit Bít ý nghĩa EMC Encrypted Mark Code Mã đánh dấu mã hóa SVR Support Vector Regression Hồi quy vector hỗ trợ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Giải thích ký hiệu sử dụng lược đồ thủy vân 33 Bảng 3.1: Thông tin kết học tập sinh viên 49 Bảng 3.2: Kết thử nghiệm 58 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ mô tả lược đồ thủy vân sở liệu quan hệ Hình 3.1 Giao diện chương trình 44 Hình 3.2 Giao diện chương trình 45 Hình 3.3: Giao diện kết tạo cặp khóa 45 Hình 3.4: Giao diện minh họa bước tạo mã xác thực 46 Hình 3.5: Giao diện minh họa bước lấy thủy vân WM’’ 47 Hình 3.6: Giao diện thông báo kết kiểm tra liệu 48 Hình 3.7: Giao diện kết kiểm tra liệu 48 Hình 3.8: CSDL thử nghiệm SQL 2012 50 Hình 3.9: Thủy vân số gốc dùng thử nghiệm 51 Hình 3.10: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 52 Hình 3.11: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau không thay đổi liệu theo thử nghiệm 53 Hình 3.12: Giao diện thông báo kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 53 Hình 3.13: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 54 Hình 3.14: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau thay đổi liệu theo thử nghiệm 55 Hình 3.15: Giao diện thông báo kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 55 Hình 3.16: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 56 Hình 3.17: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau thay đổi liệu theo thử nghiệm 56 Hình 3.18: Giao diện thông báo kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 57 Hình 3.19: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 57 Hình 3.20: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau thay đổi liệu theo thử nghiệm 58 MỞ ĐẦU Ngày nay, nhờ có Internet việc trao đổi liệu số trở nên đơn giản mà liệu dễ bị chép sửa đổi Vì vậy, có vấn đề đặt “Bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ tính toàn vẹn liệu nào?” Một kỹ thuật nhiều nhà nghiên cứu quan tâm để giải vấn đề kỹ thuật thủy vân số Kỹ thuật sử dụng để bảo vệ quyền bảo vệ toàn vẹn liệu số chống lại chép bất hợp pháp giả mạo xuyên tạc Gần đây, tác giả báo [8] đưa lược đồ thủy vân xác thực cách công khai toàn vẹn sở liệu quan hệ dựa vào hệ mật mã khóa công khai Kỹ thuật giúp người cung cấp người sử dụng có chế kiểm tra tính toàn vẹn sở liệu thủy vân Bài báo mở hướng việc xác thực tính nguyên liệu Vì để tiếp tục nghiên cứu theo hướng này, học viên lựa chọn đề tài: “Xác thực toàn vẹn sở liệu quan hệ kỹ thuật thủy vân số dựa vào hệ mật mã khóa công khai” Mục tiêu đề tài là: Nghiên cứu tổng quan thủy vân sở liệu quan hệ khái niệm, định nghĩa liên quan đến CSDL quan hệ, mô hình liệu, cụ thể mô hình thực thể kết hợp mô hình liệu quan hệ Nghiên cứu tổng quan kỹ thuật thủy vân số nói chung khái niệm thủy vân số, quy trình thực thủy vân số Từ nghiên cứu chi tiết kỹ thuật thủy vân số cho sở liệu quan hệ để xác thực tính toàn vẹn sở liệu Cuối viết chương trình demo để thử nghiệm kỹ thuật nghiên cứu đánh giá Ngoài phần mở đầu phần kết luận, luận văn bao gồm ba chương sau: Chương I Tổng quan thủy vân số Trình bày kiến thức liên quan đến thủy vân số như: Khái niệm thủy vân số, khái niệm thủy vân sở liệu quan hệ, khóa thủy vân, lược đồ thủy vân, ứng dụng thủy vân số, Đồng thời trình bày kỹ thuật thủy vân số cho sở liệu, chia làm hai nhóm kỹ thuật, là: Các kỹ thuật thủy vân số làm thay đổi liệu kỹ thuật thủy vân số không làm thay đổi liệu CSDL quan hệ Đồng thời đưa số nhận xét lược đồ thủy vân Chương II Xác thực toàn vẹn sở liệu quan hệ kỹ thuật thủy vân dựa vào hệ mật mã khóa công khai Trình bày chi tiết kỹ thuật thủy vân số Đó kỹ thuật thủy vân số với chế xác thực công khai Kỹ thuật bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mã xác thực (dành cho chủ sở hữu CSDL) giai đoạn xác thực tính toàn vẹn liệu (dành cho người sử dụng CSDL) Chương III Xây dựng chương trình thử nghiệm Trình bày toán, liệu thử nghiệm mô hình thử nghiệm Dùng chương trình demo để chạy mô hình thử nghiệm đưa kết đánh giá cho chương trình demo 49 Giả sử liệu có: - Số lượng sinh viên: 2000 sinh viên - Tổng số học phần: 10.000 học phần - Kết học tập sinh viên bao gồm có thông tin bảng đây: Bảng 3.1: Thông tin kết học tập sinh viên TT Tên Giải thích Kiểu liệu ID Khóa Int Mã sinh viên Mã sinh viên Nvarchar Tên học phần Tên học phần học Nvarchar Số tín Số tín học phần Nvarchar Điểm CC Điểm chuyên cần Nvarchar Điểm TX Điểm kiểm tra kỳ Nvarchar Điểm TX2 Điểm kiểm tra kỳ Nvarchar TL1 Điểm thi lần Nvarchar TL2 Điểm thi lần Nvarchar 10 TK1 Điểm tổng kết thi lần Nvarchar 11 TK2 Điểm tổng kết thi lần Nvarchar 12 Tổng kết Điểm tổng kết học phần Nvarchar 13 TK thang Điểm tổng kết theo tín Nvarchar 50 Dữ liệu quản lý hệ quản trị CSDL SQL 2012, bao gồm hai CSDL  Bộ CSDL thứ có tên QUANLYDIEM_BM, dùng để quản lý CSDL gốc, có bảng liệu: [tblDiemTK]  Bộ CSDL thứ hai có tên QUANLYDIEM, dùng để quản lý CSDL công khai, gồm bảng CSDL giúp kiểm tra kết mô hình thử nghiệm đưa phần Hình 3.8: CSDL thử nghiệm SQL 2012 3.2 Thử nghiệm chương trình Thử nghiệm tiến hành sở liệu trình bày phần 3.1 51 Trong thử nghiệm, thủy vân đánh dấu góc ảnh xám kích thước 30  30 Dữ liệu có 10.000 ghi nên kích thước thủy vân WM’ 100  100 với góc đánh dấu ảnh xám nói Hình 3.9 thủy vân số dùng thử nghiệm Hình 3.9: Thủy vân số gốc dùng thử nghiệm Các mô hình thử nghiệm sau: o Thực nghiệm 1: Không thay đổi liệu (được lưu bảng liệu tblDiemTK) Mục đích thử nghiệm để kiểm tra xem chương trình có đưa kết xác tính toàn vẹn liệu hay không o Thực nghiệm 2: Thay đổi 30 ghi trường liệu [TL1] (được lưu bảng liệu tblTancong2) Mục đích thử nghiệm để tìm kết biến đổi nhỏ o Thực nghiệm 3: Thay đổi 2263 ghi trường liệu [Diem TK thang 4] (được lưu bảng liệu tblTancong3) Mục đích thử nghiệm để tìm kết tác động vào liệu dạng số o Thực nghiệm 4: Xóa trường liệu [Tổng kết] thay trường liệu khác [GhiChu] (được lưu bảng liệu tblTancong4) Mục đích thử nghiệm để tìm kết thay đổi lớn 52 3.3 Đánh giá kết thử nghiệm Sau sử dụng chương trình chạy mô hình thử nghiệm đưa trên, kết thu đượcnhư sau: o Kết thử nghiệm 1: Kết chương trình chạy với thử nghiệm hình Hình 3.10: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm Hình cho thấy chương trình đưa thông báo sở liệu đảm bảo tính toàn vẹn liệu Trong mô hình này, chương trình đưa kết xác Dưới hai thủy vân số tương ứng cho sở liệu gốc sở liệu coi lấy từ mạng công cộng theo mô hình thử nghiệm 53 a) Thủy vân gốc WM  b) Thủy vân WM  Hình 3.11: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau không thay đổi liệu theo thử nghiệm o Kết thử nghiệm 2: Kết chương trình chạy với thử nghiệm hình Hình 3.12: Giao diện thông báo kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 54 Hình 3.13: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm Hình cho thấy ghi đánh dấu đỏ ghi bị thay đổi liệu so với liệu gốc Từ giao diện chương trình cho thấy thay đổi thủy vân khó phát mắt thường, phải dùng chương trình để so sánh thủy vân thu thủy vân gốc để tìm khác biệt Trong mô hình này, chương trình phát 29 ghi bị thay đổi tổng số 30 ghi bị thay đổi Như độ xác phát ghi bị thay đổi 96.7% Dưới hai thủy vân số tương ứng cho sở liệu gốc sở liệu bị thay đổi theo mô hình thử nghiệm 55 a) Thủy vân gốc WM  b) Thủy vân WM  Hình 3.14: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau thay đổi liệu theo thử nghiệm o Kết qủa thử nghiệm 3: Kết chương trình chạy với thử nghiệm hình Hình 3.15: Giao diện thông báo kết sau chạy với mô hình thử nghiệm 56 Hình 3.16: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm Thủy vân thu hình 3.17b Trong mô hình này, chương trình phát 1990 ghi bị thay đổi tổng số 2263 ghi bị thay đổi Như độ xác phát ghi bị thay đổi 87.9% Dưới hai thủy vân số tương ứng cho sở liệu gốc sở liệu bị thay đổi theo mô hình thử nghiệm a) Thủy vân gốc WM  b) Thủy vân WM  Hình 3.17: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau thay đổi liệu theo thử nghiệm 57 o Kết thử nghiệm 4: Kết chương trình chạy với thử nghiệm hình Hình 3.18: Giao diện thông báo kết sau chạy với mô hình thử nghiệm Hình 3.19: Giao diện kết sau chạy với mô hình thử nghiệm Nhìn vào hình trên, ghi đánh dấu đỏ ghi bị thay đổi liệu so với liệu gốc 58 Thủy vân số thu hình 3.20b Thủy vân thu gần hoàn toàn bị phá vỡ Trong trường hợp kết phát 9955 ghi tổng số 10000 ghi bị tác động Như độ xác phát ghi bị thay đổi 99.55% Dưới hai thủy vân số tương ứng cho sở liệu gốc sở liệu bị thay đổi theo mô hình thử nghiệm a) Thủy vân gốc WM  b) Thủy vân WM  Hình 3.20: a) Thủy vân gốc; b) Thủy vân thu sau thay đổi liệu theo thử nghiệm Bảng 3.2: Kết thử nghiệm Tấn công Tỉ lệ xác Không thay đổi 100% Thay đổi nhỏ 96,7% Thay đổi liệu ký tự 87,9% Thay đổi lớn 99,55% Trung bình 96,1% 59 Nhìn vào kết mô hình thử nghiệm cho thấy chương trình xác định xác sở liệu bảo đảm tính toàn vẹn liệu thể mô hình thử nghiệm 1, phát công kể công nhỏ thể mô hình thử nghiệm công thay đổi liệu ký tự thể thử nghiệm Như vậy, dựa độ xác phát thay đổi mô hình thử nghiệm Kết cho thấy tính khả thi cao kỹ thuật 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ việc nghiên cứu Tổng quan Thủy vân số, đặc biệt ứng dụng thủy vân số CSDL quan hệ Một hướng nghiên cứu tìm cho luận văn, là: kỹ thuật thủy vân số kết hợp với chế xác thực công khai để không nâng cao bảo vệ tính toàn vẹn liệu mà không làm liệu Từ chương trình tiến hành cài đặt theo thuật toán nghiên cứu Kết đạt cho thấy thuật toán xác thực tính toàn vẹn CSDL tốt chương trình cài đặt chạy ổn định Điều chứng minh thông qua thử nghiệm Chương Đặc biệt, chương trình đưa vào ứng dụng thực tế để xác thực tính toàn vẹn CSDL cá nhân tổ chức Tuy nhiên, thời gian hạn chế luận văn chưa nghiên cứu sâu nhiều kỹ thuật thủy vân số khác để so sánh kỹ thuật thủy vân với CSDL Trong thời gian tới, tập trung tiếp tục nghiên cứu kỹ thuật thủy vân số kết hợp với chế xác thực công khai để cải tiến nâng cao độ xác xác thực tính toàn vẹn CSDL lớn Trong trình làm luận văn, cố gắng nhiều Tuy nhiên không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn ngày hoàn thiện 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Thế Hồng, Lưu Thị Bích Hương, Nguyễn Thị Thu Hằng, “Thủy vân sở liệu quan hệ ”, Tạp chí KHCN, ĐH Thái Nguyên, tr 56-59, Số 4, năm 2009; [2] Bùi Thế Hồng, Lưu Thị Bích Hương, “Một lược đồ thủy vân cho sở liệu quan hệ có liệu phân loại”, Tạp chí Tin học Điều khiển học, tr 92-103, Số 1, 2013 Tiếng Anh [3] Agrawal, R., Haas, P J., and Kiernan, J (2003a) A system for watermarking relational databases In Proceeding of the 2003 ACM SIGMOD intermational conference on Management of data (SIGMOD ’03), pages 674-674, San Diego, California ACM Press [4] Agrawal, R., Haas, P J., and Kiernan, J (2003b) Watermarking relational data: framework, algorithms and analysis The VLDB Journal, 12:157-169 [5] Raju Halder, Shantanu Pal “Watermarking Techniques for Classification and Agostino Relational and Comparison”, Journal of Cortesi (2010), Databases: Survey, Universal Computer Science, vol 16, no 21, 3164-3190 [6] Agrawal, R and Kiernan, J (2002) Watermarking relational databases In Proceeding of the 28th international conference on Very Large Data Bases (VLDB ’02), pages 155-166, Hong Kong, China VLDB Endowment [7] Lafaye, J (2007) An analysis of database watermarking security In Proceeding of the 3rd International Symposium on Information Assurance 62 and Security (IAS ’07), pages 462-467, Manchester, United Kingdom IEEE Computer Society [8] Meng-Hsiun Tsai1, Hsiao-Yun Tseng, Chen-Ying Lai, “A Database Watermarking Technique for Temper Detection”, 2010 [9] Qin, Z., Ying, Y., Jia-jin, L., and Yi-shu, L (2006) Watermark based copyright protection of outsourced database In Proceeding of the 10th International Database Engineering and Applications Symposium (IDEAS’ 06), pages 301-308, Delhi, India IEEE Computer Society [10] Hu, Z., Cao, Z., and Sun, J (2009) An image based algorithm for watermarking relational databases In Proceeding of the 2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA ’09), pages 425-428, Zhangjiajie, Hunan, China IEEE Computer Society [11] Guo, H., Li, Y., Liua, A., and Jajodia, S (2006b) A fragile watermarking scheme for detecting malicious modifications of database relations Information Sciences, 176:1350-1378 [12] Zhang, Y., Niu, X., and Zhao, D (2005), “A method of protecting relational databases copyright with cloud watermark” International Journal of Information Technology Volume Number 3, pages 112-116 [13] Prasannakumari, V (2009) A robust tamper proof watermarking for data integrity in relational databases Research Journal of Information Technology, 1:115-121 [14] Li, Y and Deng, R H (2006) Publicly verifiable ownership protection for relational databases In Proceeding of the 2006 ACM Symposium on 63 Information, computer and communication security (ASIACCS ’06), pages 78-89, Taipei, Taiwan ACM Press [15] Kamel, I (2009) A schema for protecting the integrity of databases Computers and Security, 28:698-709 [16] Halder, R and Cortesi, A (2010a) A persistent public watermarking of relational databases In Proceeding of the 6th International Conference on Information Systems Security (ICISS ’10), pages 219-230, Gandhinagar, Gujarat, India Springer LNCS, Volume 6503 [17] Huang, M., Cao, J., Peng, Z., and Fang, Y (2004) A new watermark mechanism for relational data In Proceeding of the 4th International Conference on Computer and Information Technology (CIT ’04), pages 946-950, Wuhan, China IEEE Computer Society [18] Bedi R., Thengade A., Wadhai V (2011), “A New Watermarking Approach for Non Numeric Relational Database” International Journal of Computer Applications (0975 – 8887), Vol 13, No 7, pages 37-40