Bảo đảm sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu quan hệ bằng kỹ thuật thủy vân và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HỒNG BẢO ĐẢM SỰ TOÀN VẸN CHO CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ ỨNG DỤNG 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 - 2016 i LỜI NÓI ĐẦU Để hoàn thành luận văn xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Thế Hồng tận tình hướng dẫn bảo cho trình học tập, nghiên cứu giúp hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn Thầy, Cô giáo trường Đại học Công nghệ truyền thông – Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tận tình trình học tập, nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn Thầy, Cô giáo trường TH Kinh tế - Kỹ thuật Hòa Bình tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, giúp đỡ nhiều trình làm luận văn trình học tập Lời cuối xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu Thái nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Hồng ii LỜI CAM KẾT Tôi xin cam đoan luận văn “Bảo đảm toàn vẹn cho sở liệu quan hệ kỹ thuật thủy vân ứng dụng” công trình nghiên cứu hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Thế Hồng Các kết liệu sử dụng luận văn trung thực chưa công bố tại công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hồng iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM KẾT ii MỤC LỤC iii Danh mục bảng ký hiệu chữ viết tắt vi Danh mục bảng vii Danh mục hình vẽ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ 1.1 Các khái niệm sở liệu 1.1.1 Cơ sở liệu 1.1.2 Mô hình liệu quan hệ 1.1.3 Quan hệ, lược đồ quan hệ 1.2 Một số khái niệm thủy vân sở liệu quan hệ 1.2.1 Thủy vân 1.2.2 Thủy vân sở liệu quan hệ 1.2.3 Khóa thủy vân 10 1.2.4 Lược đồ thủy vân 11 1.2.5 Sự cần thiết kỹ thuật thủy vân sở liệu quan hệ 12 1.3 Các yêu cầu thủy vân sở liệu quan hệ 14 1.3.1 Khả phát 15 iv 1.3.2 Tính bền vững dễ vỡ 15 1.3.3 Khả cập nhật liệu 16 1.3.4 Tính ẩn 16 1.3.5 Phát mù 17 1.4 Ứng dụng thủy vân sở liệu quan hệ 17 1.4.1 Bảo vệ quyền 17 1.4.2 Đảm bảo toàn vẹn 18 1.4.3 Giấu vân tay 19 1.5 Những công thủy vân sở liệu quan hệ 19 1.5.1 Cập nhật thông thường 20 1.5.2 Tấn công có chủ đích 20 1.6 Hàm băm 22 1.6.1 Đặc điểm hàm băm MD5 22 1.6.2 Nhận xét MD5 24 1.7 Kết luận chương 24 CHƯƠNG XÂY DỰNG LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN ĐẢM BẢO SỰ TOÀN VẸN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ 26 2.1 Một số lược đồ thủy vân đảm bảo toàn vẹn sở liệu quan hệ 26 2.1.1 Thủy vân với thuộc tính phân loại 26 2.1.2 Thủy vân với liệu kiểu số 27 v 2.1.3 Thủy vân với liệu kiểu số 29 2.2 Xây dựng kỹ thuật thủy vân để đảm bảo toàn vẹn cho sở liệu quan hệ 30 2.2.1 Thuật toán nhúng thủy vân 32 2.2.2 Thuật toán phát thủy vân 35 2.2.3 Thuật toán xóa thủy vân 41 2.3 Kết luận chương 41 CHƯƠNG ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM 42 3.1 Xây dựng thử nghiệm thủy vân 42 3.1.1 Đặt vấn đề 42 3.1.2 Cơ sở liệu ứng dụng 42 3.1.3 Thiết kế chương trình 44 3.2 Đánh giá kết thử nghiệm 48 3.2.1 Thử nghiệm chương trình 48 3.2.2 Đánh giá kết thử nghiệm 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 vi Danh mục bảng ký hiệu chữ viết tắt Ký hiệu Ý nghĩa ký hiệu R r Lược đồ quan hệ Quan hệ thuộc lược đồ R v Số quan hệ r Ω Tập thuộc tính quan hệ r α Giá trị cho trước K Khóa thủy vân P Mật độ thủy vân ξ Bộ liệu thay đổi W Thủy vân Bộ thủy vân quan hệ t H() k S F a D Bộ D Hàm băm Khóa Kích thước tập liệu D Hàm khoảng cách Giá trị thuộc tính Tập liệu vii Danh mục bảng Bảng 1.1 Biểu diễn quan hệ r 13 Bảng 3.1 Một số quan hệ Giáo viên (GiaoVien) 48 Bảng 3.2 Một số quan hệ Môn học (MonHoc) 48 Bảng 3.3 Một số quan hệ Sổ điểm (SoDiem) 49 Bảng 3.4 Một số quan hệ Lớp học (LopHoc) 49 Bảng 3.5 Một số quan hệ Điểm Tốt Nghiệp (DTN) 50 Bảng 3.6 Một số quan hệ Văn Bằng (VanBang) 50 Bảng 3.7 Một số quan hệ Điểm trình (DiemQT) 50 Bảng 3.8 Một số quan hệ Sinh viên (SinhVien) 51 Bảng 3.9 Một số quan hệ GiaoVien thủy vân 51 Bảng 3.10 Một số quan hệ MonHoc thủy vân 52 Bảng 3.11 Một số quan hệ SoDiem thủy vân 52 Bảng 3.12 Kết kiểm tra thủy vân có tác động thêm 54 Bảng 3.13 Kết kiểm tra thủy vân có tác động sửa 55 Bảng 3.14 Kết kiểm tra thủy vân có tác động xóa 55 viii Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ mô tả lược đồ nhúng thủy vân 12 Hình 1.2 Sơ đồ mô tả lược đồ phát thủy vân 12 Hình 1.3 Sơ đồ vòng lặp MD5 24 Hình 2.1 Sự thay đổi tham số mật độ thủy vân phát tập khác có cỡ tối thiểu (N) từ tổng cộng 100.000 ghi Ba đường cong hình tương ứng với ba giá trị khác n p 39 Hình 2.2 Tỷ lệ bị sửa đổi với giá trị P khác 40 Hình 3.1 Lược đồ sở liệu thử nghiệm 44 Hình 3.2 Giao diện chương trình 45 Hình 3.3 Cửa sổ thông báo sở liệu thủy vân 46 Hình 3.4 Cửa sổ thông báo kiểm tra toàn vẹn sở liệu 46 Hình 3.5 Cửa sổ thông báo kiểm tra toàn vẹn sở liệu 47 Hình 3.6 Cửa sổ thông báo xóa thủy vân 47 Hình 3.7 Cửa sổ thông báo sai tên sở liệu 53 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Cùng với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học công nghệ thông tin, Internet trở thành nhu cầu, phương tiện thiếu người Với lượng thông tin lớn truyền qua mạng nguy liệu bị truy cập trái phép tăng lên Trong bối cảnh vậy, việc thực thi quyền sở hữu liệu đảm bảo toàn vẹn liệu yêu cầu quan trọng đòi hỏi giải pháp đồng bộ, bao gồm khía cạnh kỹ thuật, tổ chức luật pháp Đi tìm giải pháp cho vấn đề không giúp ta hiểu thêm công nghệ phức tạp phát triển nhanh mà đưa hội kinh tế cần khám phá Một giải pháp nhiều triển vọng thủy vân Thủy vân phương pháp dùng để bảo vệ sản phẩm số Nó dùng lĩnh vực bảo vệ quyền, chống chép, phân biệt giả mạo, Thủy vân phương pháp dựa lý thuyết tổng hợp nhiều lĩnh vực mật mã học, lý thuyết thông tin, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu số Mục đích phương pháp dấu thêm lượng thông tin vào sản phẩm lượng thông tin gọi thủy vân Thuỷ vân sử dụng với mong muốn cho phép chứng minh tác giả nguồn gốc sở liệu để từ chứng minh liệu chuẩn xác Bảo vệ quyền, xác thực thông tin, nhận dạng đặc trưng liệu quan hệ nhu cầu cấp thiết thách thức kỹ thuật thuỷ vân sở liệu quan hệ Các ứng dụng sản phẩm số bao gồm sở liệu quan hệ phát triển phân phối rộng khắp Do sở liệu quan hệ có nhiều 45 Hình 3.2 Giao diện chương trình Trong đó: Tên CSDL: Chỉ tên sở liệu cần nhúng thủy vân Khóa thủy vân K: Nơi nhập khóa người sử dụng Khóa thủy vân tập n bit thỏa mãn K={0, 1}n Mật độ thủy vân P: Xác định mật độ hoán đổi theo thuật toán hoán vị thỏa mãn điều kiện < P < Load liệu: Dùng để lựa chọn quan hệ cần thực Thủy vân: Dùng để thực thuật toán nhúng thủy vân sở liệu mục “Tên sở liệu” Kiểm tra toàn vẹn: Dùng để thực thuật toán kiểm tra thủy vân xem sở liệu có bị thay đổi hay tác động không Xóa thủy vân: Dùng thực thuật toán xóa thủy vân sở liệu nhúng thủy vân Khi kết chương trình chạy thuật toán trả gồm cửa sổ thông báo sau: Với thuật toán nhúng thủy vân sau thực trả thông báo cho biết số thủy vân nhúng: 46 Hình 3.3 Cửa sổ thông báo sở liệu thủy vân Với thuật toán kiểm tra toàn vẹn trả thông báo: Với sở liệu không bị thay đổi Hình 3.4 Cửa sổ thông báo kiểm tra toàn vẹn sở liệu Với sở liệu bị thay đổi với thao tác công:  Thêm liệu  Sửa liệu  Xóa liệu Cửa sổ thông báo sở liệu không toàn vẹn thị bảng liệu bị tác động bị thay đổi 47 Hình 3.5 Cửa sổ thông báo kiểm tra toàn vẹn sở liệu Thông báo thuật toán xóa thủy vân: Trong trường hợp sở liệu nhúng thủy vân không bị thay đổi, xóa thủy vân thành công chương trình cho thông báo sau: Hình 3.6 Cửa sổ thông báo xóa thủy vân 48 3.2 Đánh giá kết thử nghiệm 3.2.1 Thử nghiệm chương trình Chương trình thử nghiệm với liệu quan hệ:  Quan hệ Giáo viên (GiaoVien )gồm 28 bộ: Bảng 3.1 Một số quan hệ Giáo viên (GiaoVien)  Quan hệ Môn học (MonHoc) gồm 406 bộ: Bảng 3.2 Một số quan hệ Môn học (MonHoc) 49  Quan hệ Sổ điểm (SoDiem) gồm 1990 Bảng 3.3 Một số quan hệ Sổ điểm (SoDiem)  Quan hệ Lớp học (LopHoc) gồm 206 Bảng 3.4 Một số quan hệ Lớp học (LopHoc) 50  Quan hệ Điểm Tốt Nghiệp (DTN) gồm 1958 Bảng 3.5 Một số quan hệ Điểm Tốt Nghiệp (DTN)  Quan hệ Văn Bằng (VanBang) gồm 50 Bảng 3.6 Một số quan hệ Văn Bằng (VanBang)  Quan hệ Điểm Quá Trình (DiemQT) gồm 2310 Bảng 3.7 Một số quan hệ Điểm trình (DiemQT) 51  Quan hệ Sinh Viên (SinhVien) gồm 2661 Bảng 3.8 Một số quan hệ Sinh viên (SinhVien) Kết thử nghiệm thủy vân với liệu đầu vào: Tên sở liệu: EAS Khóa thủy vân: 111011011 Mật độ thủy vân P: 0.5 Bảng thực thủy vân: GiaoVien, MonHoc, SoDiem Kết thực nhúng thủy vân Thủy vân áp dụng tất quan hệ chọn lược đồ quan hệ Các quan hệ sau nhúng thủy vân: Bảng 3.9 Một số quan hệ GiaoVien thủy vân 52 Bảng 3.10 Một số quan hệ MonHoc thủy vân Bảng 3.11 Một số quan hệ SoDiem thủy vân Sau thực thủy vân ta tiến hành lưu liệu gửi liệu đồng thời gửi mật độ thủy vân, khóa thủy vân đến đơn vị môi trường mạng Khi đơn vị tải liệu thực kiểm tra xem liệu có toàn vẹn trình truyền không cách thực kiểm tra toàn vẹn với mật độ thủy vân khóa thủy vân nhận Kết thử nghiệm thuật toán kiểm tra toàn vẹn cho thấy trường hợp sau: Nếu thực nhập tên CSDL, mật độ thủy vân, khóa thủy vân không xác hiển thị thông báo sau: 53 Hình 3.7 Cửa sổ thông báo sai tên sở liệu Ngược lại thực nhập xác thông tin tên CSDL, mật độ thủy vân, khóa thủy vân xảy hai trường hợp Trường hợp 1: Cơ sở liệu không bị thay đổi, hay tác động công vào sở liệu đường truyền chương trình kiểm tra hiển thị thông báo hình 3.4 Trường hợp 2: Cơ sở liệu bị tác động công đường truyền chương trình kiểm tra hiển thị thông báo sở liệu không toàn vẹn đồng thời bảng bị công khoanh vùng vị trí công theo chương trình hiển thị thông báo hình 3.5 Sau kiểm tra sở liệu toàn vẹn người sử dụng thực xóa thủy vân để sử dụng sở liệu gốc Nếu phát sở liệu không toàn vẹn yêu cầu bên gửi gửi lại sở liệu gửi lại quan hệ bị công chương trình hiển thị thông báo hình 3.6 Kết kiểm tra có tác động đến liệu: Tiến hành thử nghiệm với công ngẫu nhiên, công thử nghiệm 20 lần Kết kiểm tra thêm bộ: Quan hệ Số giá trị thay đổi Kết luận Sinh viên Có thay đổi 20 Có thay đổi 54 Giáo viên Môn học Lớp học Điểm trình Điểm tốt nghiệp Văn Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Bảng 3.12 Kết kiểm tra thủy vân có tác động thêm Kết kiểm tra sửa bộ: Quan hệ Số giá trị thay đổi Kết luận Sinh viên Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi Giáo viên Môn học Lớp học Điểm trình Điểm tốt nghiệp 55 Văn 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Bảng 3.13 Kết kiểm tra thủy vân có tác động sửa Kết kiểm tra xóa bộ: Quan hệ Số giá trị thay đổi Kết luận Sinh viên Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Có thay đổi 20 Có thay đổi Giáo viên Môn học Lớp học Điểm trình Điểm tốt nghiệp Văn Bảng 3.14 Kết kiểm tra thủy vân có tác động xóa Với kết chạy thử chương trình cho thấy thay đổi liệu lược đồ liệu dẫn tới lược đồ thủy vân kết luận có thay đổi liệu 56 Sự thay đổi mặt liệu khiến cho trình đưa giá trị thuộc tính giả thay đổi đồng nghĩa với việc giá trị trình thủy vân với phép hoán vị bị thay đổi 3.2.2 Đánh giá kết thử nghiệm Qua trình thử nghiệm với sở liệu trường TH Kinh tế - Kỹ thuật Hòa Bình trường Phát truyền hình 1, đánh giá lược đồ thủy vân dùng để đảm bảo toàn vẹn sở liệu quan hệ đạt mặt sau:  Nhạy cảm: Luôn phát thay đổi giá trị thuộc tính Khoanh vùng số vị trí bị thay đổi  Phát mù: Quá trình xác minh toàn vẹn khôi phục liệu gốc lược đồ không đòi hỏi quan hệ gốc  Tính hiệu quả: lược đồ thủy vân dễ dàng đưa vào áp dụng thực tế thuật toán đơn giản lại hiệu việc xác minh tính toàn vẹn phát xuyên tạc 57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với mục tiêu nghiên cứu số kỹ thuật thủy vân sở liệu quan hệ, nghiên cứu đưa lược đồ thủy vân đảm bảo toàn vẹn luận văn đạt số kết sau đây:  Xây dựng lược đồ thủy vân nhằm xác minh toàn vẹn lược đồ cở sở liệu quan hệ  Lược đồ thủy vân không bảo toàn toàn vẹn thuộc tính văn mà bảo toàn toàn vẹn thuộc tính số  Chứng minh tính đắn lược đồ thủy vân đề  Khắc phục phần lược đồ thủy vân dựa phép hoán vị đưa cách sử dụng thuộc tính giả  Khoanh vùng ví trí giả mạo (bị thay đổi) Hướng phát triển Bên cạnh kết thu được, luận văn cần phải tiếp tục nghiên cứu phát triển vấn đề liên quan là:  Khoanh vùng giả mạo để xác định giả mạo xác theo vị trí  Khôi phục lại liệu gốc có giả mạo xảy với sở liệu quan hệ  Áp dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính để tăng tốc độ tính toán 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Tuệ, “Nhập môn hệ sở liệu”, Nhà xuất giáo dục, 2009 [2] Nguyễn Đăng Tỵ, Đỗ Phúc, “Giáo trình sở liệu”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2010 [3] Bùi Thế Hồng cộng sự, “Về số lược đồ thủy vân sở liệu quan hệ”, Báo cáo kết nghiên cứu đề tài sở chọn lọc năm 2009, Phòng CSDL & LT, 12/2009 [4] Bùi Thế Hồng cộng sự, “Nghiên cứu Phát triển Kỹ thuật Thuỷ vân Cơ sở Dữ liệu Quan hệ”, Báo cáo kết nghiên cứu đề tài sở 2010, Phòng CSDL & LT, 12/2010 [5] Lưu Thị Bích Hương, “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật thủy vân sở liệu quan hệ”, Luận án tiến sĩ toán học, Viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam, 2014 Tài liệu tiếng Anh [6] Raju Halder and Agostino Cortesi, “Persistent Watermarking of Relational Databases” International Conference on Advances in Communication, pages 46-52, 2010 [7] Agrawal, R and Kiernan, J (2002) “Watermarking relational databases” In Proceedings of the 28th international conference on Very Large Data Bases (VLDB ’02), pages 155–166, Hong Kong, China VLDB Endowment [8] R Agrawal and J Kiernan, “Watermarking relational databases” In Proceedings of VLDB, pages 155–166, 2002 59 [9] Mayuree K Rathva and Prof.G.J Sahani, “Watermarking relational databases” International Journal of Computer Science, Engineering and Applications (IJCSEA) Vol.3, No.1, pages 71-79, February 2013 [10] Y Li, V Swarup, and S Jajodia, “Fingerprinting relational databases: Schemes and specialties” IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing (TDSC), 2(1): 34–45, 2005 [11] Ersin Uzun, Bryan Stephenson, “Security of Relational Databases in Business Outsourcing” Internal Posting Date: October 21, 2008 [12] Guo.H, Li.Y, Liu.A, Jajodia.S “A fragile watermarking scheme for detecting malicious modifications of database relations” Information Sciences, pages 176, 2006 [13] R Sion, “Proving ownership over categorical data” In Proceedings of IEEE International Conference on Data Engineering, pages 584–596, 2004 [14] M Shehab, E Bertino, A Ghafoor “Watermarking Relational Databases using Optimization Based Techniques” CERIAS Tech Report, 2006 Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2016 ... Chương Tổng quan thủy vân sở liệu quan hệ Chương Xây dựng lược đồ thủy vân đảm bảo toàn vẹn sở liệu quan hệ Chương Ứng dụng thử nghiệm 5 CHƯƠNG TỔNG QUAN THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ 1.1 Các... trên, luận án lựa chọn đề tài Bảo đảm toàn vẹn cho sở liệu quan hệ kỹ thuật thủy vân ứng dụng , nhằm nghiên cứu kỹ thuật thủy vân sở liệu quan hệ nhằm xác minh toàn vẹn liệu Đối tượng phạm vi nghiên... số kỹ thuật thủy vân, đưa sở khoa học việc lựa chọn kỹ thuật để mã hoá giải mã thuỷ vân sở liệu quan hệ đảm bảo tính toàn vẹn Xây dựng sở khoa học toán đảm bảo tính toàn vẹn sở liệu quan hệ Những