Nghiên cứu phối hợp các phương pháp nén thông tin, mã hóa thông tin, giấu thông tin để đảm bảo an toàn thông tin trong môi trường đa phương tiện

Header Page of 27 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ MẠNH THẮNG NGHIÊN CỨU PHỐI HỢP CÁC PHƢƠNG PHÁP NÉN THÔNG TIN, MÃ HỐ THƠNG TIN, GIẤU THƠNG TIN ĐỂ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIẤU TIN TRONG MÔI TRƢỜNG ĐA PHƢƠNG TIỆN Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Công nghệ phần mềm Mã số: 60 48 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Hồ Văn Hƣơng Hà Nội – 2009 Footer Page of 27 Header Page of 27 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 10 TỔNG QUAN VỀ NÉN, MÃ HOÁ VÀ GIẤU TIN MẬT 10 1.1 Tổng quan nén thông tin 10 1.1.1 Nhận thức chung .10 1.1.1.1 Một số khái niệm 10 1.1.1.2 Các thông số quan trọng nén 11 1.1.2 Nguyên tắc nén liệu .11 1.1.3 Phân loại phƣơng pháp nén .14 1.1.3.1 Theo nguyên lý nén 14 1.1.3.2 Theo cách thức thực nén 14 1.1.3.3 Phân loại dựa vào triết lý mã hoá .14 1.1.3.4 Cách phân loại Anil.K.Jain 14 1.1.4 Các kỹ thuật nén thông tin 15 1.1.4.1 Nén không mát thông tin .15 1.1.4.2 Nén có mát thơng tin .15 1.1.5 Ứng dụng nén thông tin 16 1.2 Mã hố thơng tin 17 1.2.1 Sơ lƣợc lịch sử mật mã học 17 1.2.2 Các khái niệm 18 1.2.2.1 Khái niệm mật mã 18 1.2.2.2 Khái niệm mã hố thơng tin 19 1.2.3 Phân loại hệ mật mã 20 1.2.3.1 Hệ mã hố khố bí mật 20 1.2.3.2 Hệ mã hố khố cơng khai .21 1.2.3.3 Kết hợp hệ mã hoá khố bí mật hệ mã hố khố cơng khai 23 1.3 Sơ lƣợc giấu tin mật 24 1.3.1 Các khái niệm 24 1.3.1.1 Khái niệm giấu tin mật 24 1.3.1.2 Các thành phần hệ giấu tin mật .26 1.3.2 Tính chất giấu tin mật .26 1.3.3 Ứng dụng giấu tin mật 28 1.3.3.1 Liên lạc bí mật .28 1.3.3.2 Bảo vệ quyền 28 1.3.4 Kỹ thuật công hệ giấu tin mật 29 1.4 Kết chƣơng 31 CHƢƠNG 32 MÔI TRƢỜNG ĐA PHƢƠNG TIỆN VÀ KHẢ NĂNG GIẤU TIN 32 2.1 Âm số 32 Footer Page of 27 Header Page of 27 2.1.1 Tính chất tín hiệu âm 32 2.1.2 Biểu diễn âm số .33 2.1.3 Nén âm Error! Bookmark not defined 2.1.3.1 Lƣợng tử hóa phi tuyến Error! Bookmark not defined 2.1.3.2 Mã hóa dự báo (Predictive Coding) Error! Bookmark not defined 2.1.3.3 Kỹ thuật nén sử dụng tính chất lọc (masking): Âm MPEGError! Bookmark not defi 2.1.4 Giấu tin mật âm số Error! Bookmark not defined 2.2 Ảnh số Error! Bookmark not defined 2.2.1 Biểu diễn ảnh số Error! Bookmark not defined 2.2.2 Các tham số ảnh số Error! Bookmark not defined 2.2.3 Nén ảnh Error! Bookmark not defined 2.2.4 Giấu tin mật ảnh số Error! Bookmark not defined 2.2.4.1 Giấu tin mật ảnh đen trắng Error! Bookmark not defined 2.2.4.2 Giấu tin ảnh màu Error! Bookmark not defined 2.3 Video số Error! Bookmark not defined 2.3.1 Biểu diễn video số Error! Bookmark not defined 2.3.2 Nén video Error! Bookmark not defined 2.3.2.1 Lấy mẫu màu Error! Bookmark not defined 2.3.2.2 Ƣớc lƣợng bù chuyển động Error! Bookmark not defined 2.3.2.3 MPEG Error! Bookmark not defined 2.3.2.4 Các chuẩn khác Error! Bookmark not defined 2.3.3 Giấu tin video số Error! Bookmark not defined 2.4 Kết chƣơng Error! Bookmark not defined CHƢƠNG Error! Bookmark not defined PHỐI HỢP CÁC PHƢƠNG PHÁP NÉN, MÃ HOÁ VÀ GIẤU TIN ĐỂ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG LIÊN LẠC BÍ MẬT Error! Bookmark not defined 3.1 Vì phải kết hợp nén thơng tin, mã hố thơng tin giấu tin mậtError! Bookmark not defined 3.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng giấu tin mật Error! Bookmark not defined 3.2.1 Một số kỹ thuật phần mềm giấu tin mật thị trƣờngError! Bookmark not defined 3.2.2 Giấu tin mật nhu cầu liên lạc bí mật cơng tác An ninh Quốc phòng Việt Nam Error! Bookmark not defined 3.3 Giải pháp đề xuất Error! Bookmark not defined 3.3.1 Mục tiêu, yêu cầu Error! Bookmark not defined 3.3.2 Giải pháp Error! Bookmark not defined 3.4 Xây dựng cài đặt ứng dụng Error! Bookmark not defined 3.4.1 Yêu cầu xây dựng Error! Bookmark not defined 3.4.2 Lựa chọn giải pháp kỹ thuật cho ứng dụng Error! Bookmark not defined 3.4.2.1 Lựa chọn môi trƣờng phƣơng tiện truyền Error! Bookmark not defined 3.4.2.2 Xây dựng sở liệu vật mang Error! Bookmark not defined 3.4.2.3 Lựa chọn kỹ thuật nén Error! Bookmark not defined 3.4.2.4 Lựa chọn phƣơng pháp mã hoá Error! Bookmark not defined 3.4.2.5 Lựa chọn giải thuật giấu tin Error! Bookmark not defined 3.4.2.6 Lựa chọn môi trƣờng xây dựng Error! Bookmark not defined 3.4.3 Thiết kế cài đặt phần mềm Error! Bookmark not defined 3.4.4 Kết xây dựng Error! Bookmark not defined 3.4.5 Giới hạn cải thiện tƣơng lai: Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 Header Page of 27 3.5 Kết chƣơng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined Footer Page of 27 Header Page of 27 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VIẾT TẮT TỪ GỐC NGHĨA TIẾNG VIỆT 3-DES Triple Data Encrytion Standard Áp dụng giải thuật DES lần cho khối liệu ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi từ tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số AES Advanced Encryption Standard Hệ mật mã tiên tiến DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tƣơng tự DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Côsi rời rạc DES Data Encryption Standard Hệ mật mã chuẩn DPCM Differential pulse code modulation Điều xung mã vi phân ECC Elliptic curve cryptography Hệ mã hóa đƣờng Elliptic HAS Human Auditory System Hệ thơng thính giác ngƣời HVS Human Vision System Hệ thống thị giác ngƣời JPEG Joint Photographic Experts Group Ảnh nén có mát thơng tin LZ77, LZ78 Abraham Lempel, Jacob Ziv Các thuật toán nén không mát thông tin Abraham Lempel, Jacob Ziv đề xuất năm 1977 1978 LZW Lempel – Zip, Welch Một phƣơng pháp nén đƣợc phát minh Lempel - Zip Welch MNP5 Microcom Network Protocol Kỹ thuật nén sử dụng cho modem Footer Page of 27 Header Page of 27 PCM Pulse-code modulation Điều biên mã xung QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ trực giao RLC Run Length Coding Mã hóa loạt dài RLE Run Length Encoding Mã hóa loạt dài RSA Footer Page of 27 Ron Rivest, Adi Shamir, Len Adleman Thuật tốn mã hóa khóa cơng khai tác giả Ron Rivest, Adi Shamir, Adleman đề xuất Len Header Page of 27 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình vẽ Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 10 Hình 11 Hình 12 Hình 13 Hình 14 Hình 15 Hình 16 Hình 17 Hình 18 Hình 19 Hình 20 Hình 21 Hình 22 Hình 23 Hình 24 Hình 25 Hình 26 Footer Page of 27 Chú thích Q trình nén giải nén thơng tin Q trình mã hóa giải mã Mơ hình hế thống mã hố khố bí mật Mơ hình hệ thống mã hố với khố cơng khai Quy trình trao đổi khố bí mật sử dụng hệ mã hố khố cơng khai Phân cấp lĩnh vực nghiên cứu ngành mật mã học Các nhánh giấu tin Sơ đồ chung hệ giấu tin mật Cân nhắc chất lƣợng, dung lƣợng tính bền vững Sóng âm Biểu diễn âm số Các bƣớc lƣợng tử hoá Lƣợng tử hoá phi tuyến Mã hoá dự báo Lƣợc đồ giấu tin phía ngƣời gửi Lƣợc đồ tách tin phía ngƣời nhận Sơ đồ phân cấp lớp giải thuật mã hố khố bí mật NET Framework Sơ đồ phân cấp lớp giải thuật mã hố khố cơng khai NET Framework Sơ đồ tính toán hiệu nhúng vật mang Sơ đồ giấu tin mật theo giải thuật F5 Giao diện phần mềm Tạo ngẫu nhiên cặp khóa cơng khai/bí mật Sơ đồ khối trình giấu tin theo giải thuật F5 Vật mang tốt đƣợc lựa chọn Tách tin mật từ vật mang tin Bảng kết thực nghiệm Header Page of 27 MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đem lại thay đổi sâu sắc cho xã hội sống ngƣời Bên cạnh thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại nảy sinh thách thức hội cho trình đổi Sự đời phần mềm có tính mạnh, thiết bị nhƣ máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lƣợng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số…đã giúp ngƣời dùng sáng tạo, xử lý thƣởng thức liệu đa phƣơng tiện Mạng Internet toàn cầu trở thành xã hội ảo, nơi diễn q trình trao đổi thơng tin lĩnh vực trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thƣơng mại…Và mơi trƣờng mở tiện nghi nhƣ xuất vấn nạn, tiêu cực cần đến giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an tồn thơng tin nhƣ nạn ăn cắp quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép Nhiều phƣơng pháp bảo vệ thơng tin đƣợc đƣa phƣơng pháp dùng mật mã học giải pháp đƣợc ứng dụng rộng rãi Các hệ mật mã đƣợc phát triển nhanh chóng đƣợc ứng dụng phổ biến tận ngày Sử dụng hệ này, thơng tin ban đầu đƣợc mã hố thành ký hiệu vơ nghĩa, sau đƣợc lấy lại thơng qua việc giải mã nhờ khố hệ mã Đã có nhiều hệ mã phức tạp đƣợc sử dụng, bao gồm hệ mã hóa khóa đối xứng nhƣ DES, 3-DES, AES, hệ mã hóa khóa cơng khai nhƣ RSA Phƣơng pháp mật mã hố đƣợc chứng minh hiệu có nhiều ứng dụng thực tiễn Một phƣơng pháp khác đƣợc nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ nhiều nƣớc giới phƣơng pháp giấu tin mật Trong phƣơng pháp mã hoá nhằm bảo vệ nội dung thơng tin phƣơng pháp giấu tin mật lại che giấu có mặt thông tin cách giấu thông tin vào thông tin khác Đây phƣơng pháp phức tạp, đƣợc xem nhƣ cơng nghệ chìa khố cho vấn đề bảo vệ quyền, nhận thực thông tin kiểm sốt truy cập…ứng dụng an tồn bảo mật thông tin Nhiều kỹ thuật giấu tin mật đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhiều định dạng đa phƣơng tiện khác nhƣ âm số, ảnh số video số Có thể nói, phƣơng pháp mã hóa phƣơng pháp giấu tin mật có ƣu, nhƣợc điểm định Trên thực tế, ngƣời ta áp dụng hai phƣơng pháp để giúp cho việc đảm bảo an tồn thơng tin trao đổi Để tăng dung lƣợng thông tin đƣợc trao đổi, ngƣời ta thƣờng kết hợp thêm kỹ thuật nén thông tin Footer Page of 27 Header Page of 27 Trong phạm vi luận văn này, tập trung nghiên cứu số nội dung kỹ thuật nén thông tin, mã hố thơng tin, giấu tin mật liệu đa phƣơng tiện, sở nghiên cứu phối hợp phƣơng pháp để xây dựng ứng dụng giúp cho việc đảm bảo an tồn trao đổi thơng tin mạng máy tính, đáp ứng nhu cầu liên lạc bí mật ngày tăng nay, đặc biệt cho lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng Ngồi ra, nhằm tăng tính thực tế cho ứng dụng, đƣa ý tƣởng sử dụng sở liệu vật mang nhằm chọn vật mang “phù hợp nhất” cho việc chứa thông tin mật cần giấu Luận văn gồm chƣơng, cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan nén, mã hoá giấu tin mật Chƣơng tìm hiểu tổng quan kỹ thuật nén thơng tin, mã hố thơng tin giấu tin mật Nội dung đề cập khái niệm bản, tính chất, đặc điểm, ứng dụng số vấn đề có liên quan kỹ thuật Chƣơng 2: Môi trƣờng đa phƣơng tiện khả giấu tin Để thực kỹ thuật nén, mã hố giấu tin mật mơi trƣờng đa phƣơng tiện vấn đề đặt cần tìm hiểu cấu trúc, đặc điểm tính chất định dạng môi trƣờng đa phƣơng tiện Chƣơng tập trung trình bày khái niệm bản, đặc điểm, tính chất kỹ thuật nén đƣợc áp dụng định dạng phổ biến nhƣ ảnh số, âm số video số nhƣ phƣơng pháp giấu tin mật định dạng Chƣơng 3: Phối hợp phƣơng pháp nén, mã hoá giấu tin mật để xây dựng ứng dụng cho liên lạc bí mật Trên sở phân tích ƣu điểm, hạn chế kỹ thuật để phối hợp phƣơng pháp xây dựng mơ hình giúp cho việc liên lạc, trao đổi thơng tin có bảo mật mạng cơng khai Mơ hình đề xuất sử dụng sở liệu vật mang để chọn vật mang “phù hợp nhất” với thơng điệp mật định, góp phần làm giảm thiểu nguy an ninh an tồn thơng tin Đây điểm cải tiến so với phần mềm có thị trƣờng Ứng dụng đƣợc xây dựng dựa kỹ thuật nén không mát thơng tin ZIP, hệ mã hố cơng khai RSA giải thuật F5 để giấu thông tin ảnh JPEG Cơ sở liệu vật mang bao gồm ảnh đƣợc download ngẫu nhiên mạng Internet Footer Page of 27 Header Page 10 of 27 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NÉN, MÃ HOÁ VÀ GIẤU TIN MẬT 1.1 Tổng quan nén thông tin 1.1.1 Nhận thức chung 1.1.1.1 Một số khái niệm Nén liệu q trình làm giảm lƣợng thơng tin “dư thừa” liệu gốc lƣợng thông tin thu đƣợc sau nén thƣờng nhỏ liệu gốc nhiều Nén liệu phổ biến hai lý do: - Do nhu cầu lưu trữ liệu: lƣợng thông tin cần lƣu trữ ngày lớn nên khơng có cách thức tổ chức vƣợt dung lƣợng thiết bị nhớ Nén liệu có tác dụng làm giảm dung lƣợng thơng tin cần lƣu trữ - Do yêu cầu truyền liệu: liệu lớn làm chậm tốc độ truyền liệu Do vậy, nảy sinh nhu cầu nén thông tin để tăng tốc độ truyền Ví dụ, lƣớt web download file Quá trình nén trình giải nén nhƣ sau: Hình 1: Quá trình nén giải nén thơng tin Ngồi thuật ngữ “nén liệu hay data compression”, ngƣời ta có tên gọi khác “mã hoá nguồn – source coding” hay “giảm độ dƣ thừa” Đó ký hiệu đầu vào (có thể bit, mã ASCII, byte, mẫu audio giá trị điểm ảnh) đƣợc phát nguồn thơng tin phải đƣợc mã hố trƣớc gửi tới đích Từ hai thập kỷ nay, có nhiều kỹ thuật nén đƣợc công bố tài liệu, phần mềm nén liệu xuất ngày nhiều thị trƣờng Footer Page 10 of 27 Header Page 19 of 27 mật phá vỡ bí mật Phân tích mã gọi Thám mã Theo nghĩa rộng, “mật mã” công cụ hiệu bảo đảm an tồn thơng tin nói chung: bảo mật, bảo tồn, xác thực, chống chối cãi,… 1.2.2.2 Khái niệm mã hoá thơng tin - Mã hóa q trình chuyển thơng tin đọc đƣợc (gọi Bản rõ) thành thơng tin “khó” thể đọc đƣợc theo cách thơng thƣờng (gọi Bản mã) Đây kỹ thuật để bảo mật thông tin - Giải mã q trình chuyển thơng tin ngƣợc lại, từ Bản mã thành Bản rõ - Thuật tốn mã hóa hay giải mã thủ tục tính tốn để mã hóa hay giải mã - Khóa mã hóa giá trị làm cho thuật tốn mã hóa thực theo cách riêng biệt sinh rõ Thơng thƣờng khóa lớn (độ dài tính ngẫu nhiên khố lớn) mã an tồn Phạm vi giá trị có khóa đƣợc gọi Khơng gian khóa - Hệ mã hóa tập thuật tốn, khóa nhằm che giấu thơng tin, nhƣ làm cho rõ Hệ mã hố đƣợc định nghĩa năm (P, C, K, E, D), đó: - P: tập hữu hạn rõ - C: tập hữu hạn mã - K: tập hữu hạn khố - E: tập hàm lập mã - D: tập hàm giải mã Với khoá lập mã ke  K, có hàm lập mã eke  E, eke: P →C Với khố giải mã kd  K, có hàm giải mã dkd  D, dkd: C→P, cho dkd(eke(x))=x, Với x  P Ở x đƣợc gọi rõ, eke(x) đƣợc gọi mã Quá trình mã hố giải mã: Footer Page 19 of 27 Header Page 20 of 27 Hình 2: Quá trình mã hóa giải mã Ngƣời gửi tin G muốn gửi tin T cho ngƣời nhận N Để đảm báo bí mật, G mã hố tin khoá lập mã ke, nhận đƣợc mã eke(T), sau gửi cho N Tin tặc trộm mã eke(T) nhƣng “khó” để hiểu đƣợc tin gốc T khơng có khố giải mã kd Ngƣời nhận N nhận đƣợc mã, họ dùng khoá giải mã kd để giải mã eke(T) nhận đƣợc tin gốc T=dkd(eke(T)) 1.2.3 Phân loại hệ mật mã Hiện có loại hệ mật mã chính: mã hố khố bí mật mã hố khố cơng khai 1.2.3.1 Hệ mã hố khố bí mật Trong hệ thống mã hóa khố bí mật, q trình mã hóa giải mã thơng điệp sử dụng mã khóa gọi khóa bí mật (secret key) hay khóa đối xứng (symmetric key) Do đó, vấn đề bảo mật thơng tin mã hóa hồn tồn phụ thuộc vào việc giữ bí mật nội dung mã khóa đƣợc sử dụng Trƣớc đây, phƣơng pháp mã hóa chuẩn DES đƣợc coi tiêu chuẩn hệ mã hóa khóa bí mật Tuy nhiên, với tốc độ khả xử lý ngày đƣợc nâng cao vi xử lý nay, phƣơng pháp mã hóa DES trở nên khơng an tồn bảo mật thơng tin Do đó, Viện Tiêu chuẩn Cơng nghệ Quốc gia Hoa Kỳ định chọn chuẩn mã hóa với độ an toàn cao nhằm phục vụ nhu cầu bảo mật thơng tin liên lạc phủ Hoa Kỳ nhƣ ứng dụng dân Thuật toán Rijndael Vincent Rijmen Joan Daeman đƣợc thức chọn trở thành chuẩn mã hóa nâng cao AES từ 02 tháng 10 năm 2000 Footer Page 20 of 27 Header Page 21 of 27 Hình 3: Mơ hình hế thống mã hố khố bí mật Hệ mã hố khố bí mật có đặc điểm sau: - Ƣu điểm: Hệ mã hố khố bí mật mã hoá giải mã nhanh Hệ mã hoá khoá cơng khai - Hạn chế: + Mã hố khóa bí mật chƣa thật an toàn với lý sau: ngƣời giải mã ngƣời mã hố phải có chung khố Khố phải đƣợc giữ bí mật tuyệt đối, biết khoá dễ xác định đƣợc khoá ngƣợc lại + Vấn đề thỏa thuận quản lý khố chung khó khăn phức tạp Ngƣời gửi ngƣời nhận phải thống với khố Việc thay đổi khố khó dễ bị lộ Khóa chung phải đƣợc gửi cho kênh an toàn Mặt khác, ngƣời lập mã ngƣời giải mã biết chung bí mật khó giữ bí mật Hệ mã hố khố bí mật thƣờng đƣợc sử dụng mơi trƣờng mà khố chung dễ dàng trao chuyển bí mật, chẳng hạn mạng nội để mã hố tin lớn tốc độ mã hố giải mã nhanh hệ mã hố khố cơng khai 1.2.3.2 Hệ mã hố khố cơng khai Nếu nhƣ vấn đề khó khăn đặt phƣơng pháp mã hóa khố bí mật tốn trao đổi mã khóa ngƣợc lại, phƣơng pháp mã hóa khóa cơng khai giúp cho việc trao đổi mã khóa trở nên dễ dàng Nội dung khóa cơng khai (public key) khơng cần phải giữ bí mật nhƣ khóa bí mật phƣơng pháp mã hóa bí mật Sử dụng khóa cơng khai, thiết lập quy trình an tồn để truy đổi khóa bí mật đƣợc sử dụng hệ thống mã hóa khố bí mật Footer Page 21 of 27 Header Page 22 of 27 Trong năm gần đây, phƣơng pháp mã hóa khóa công khai, đặc biệt phƣơng pháp RSA, đƣợc sử dụng ngày nhiều ứng dụng mã hóa giới xem nhƣ phƣơng pháp chuẩn đƣợc sử dụng phổ biến Internet, ứng dụng việc bảo mật thông tin liên lạc nhƣ lĩnh vực thƣơng mại điện tử Có thể định nghĩa hệ mã hố cơng khai nhƣ sau: Hệ mã hố cơng khai (Hệ mã hố khố phi đối xứng): hệ mã hố có khố lập mã khoá giải mã khác (ke khác kd) Hệ mã hoá đƣợc gọi Hệ mã hoá khố cơng khai vì: - Khố lập mã cho cơng khai, gọi khố cơng khai - Khố giải mã: giữ bí mật, gọi khố riêng hay khố bí mật Một ngƣời dùng khố cơng khai để mã hố tin nhƣng có ngƣời có khố giải mã có khả đọc đƣợc rõ Hệ mã hố cơng khai hay gọi hệ mã hố phi đối xứng đƣợc Diffie Hellman phát minh vào năm 1970 Hình 4: Mơ hình hệ thống mã hố với khố cơng khai Hệ mã hố khố cơng khai có đặc điểm sau: - Về ƣu điểm: + Hệ mã hoá cơng khai có thuật tốn đƣợc viết lần, cơng khai cho nhiều lần dùng, cho nhiều ngƣời dùng mà họ cần giữ bí mật khố riêng + Khi biết tham số ban đầu hệ mã hố, việc tính cặp khố cơng Footer Page 22 of 27 Header Page 23 of 27 khai bí mật phải “dễ” tức thời gian đa thức Ngƣời gửi có rõ P khố cơng khai “dễ” tạo mã C Ngƣời nhận có mã C khố bí mật “dễ” giải đƣợc thành rõ P + Ngƣời mã hố dùng khố cơng khai, ngƣời giải mã giữ khố bí mật Khả lộ khố bí mật khó ngƣời giữ gìn Nếu thám mã biết khóa cơng khai chúng phải đƣơng đầu với tốn “rất khó” (thƣờng lớp tốn strong hard) + Nếu thám mã biết khố cơng khai mã C việc tìm rõ P tốn “khó”, số phép thử vô lớn, không khả thi - Về hạn chế: hệ mã hố cơng khai có q trình mã hố giải mã chậm hệ mã hoá khoá đối xứng Hệ mã hố khố cơng khai thƣờng đƣợc sử dụng chủ yếu mạng công khai nhƣ Internet, mà việc trao chuyển khố bí mật tƣơng đối khó khăn Đặc trƣng bật hệ mã hố khố cơng khai khố cơng khai mã gửi kênh truyền tin khơng an tồn Có biết khố cơng khai mã thám mã khơng dễ khám phá rõ Nhƣng có tốc độ mã hố giải mã chậm nên hệ mã hố khố cơng khai dùng để mã hố tin ngắn, ví dụ nhƣ mã hố khố bí mật gửi 1.2.3.3 Kết hợp hệ mã hố khố bí mật hệ mã hố khố cơng khai Các phƣơng pháp mã hóa khố bí mật có ƣu điểm xử lý nhanh so với phƣơng pháp mã hóa khóa cơng khai Do khóa dùng để mã hóa đƣợc dùng để giải mã nên cần phải giữ bí mật nội dung khóa mã khóa đƣợc gọi khóa bí mật Ngay trƣờng hợp khóa đƣợc trao đổi trực tiếp mã khóa có khả bị phát Vấn đề khó khăn đặt phƣơng pháp mã hóa tốn trao đổi mã khóa Ngƣợc lại, phƣơng pháp mã hóa khóa cơng khai giúp cho việc trao đổi mã khóa trở nên dễ dàng Nội dung khóa cơng khai khơng cần phải giữ bí mật nhƣ khóa bí mật phƣơng pháp mã hóa khố bí mật Sử dụng khóa cơng khai, mã khóa bí mật đƣợc trao đổi an tồn theo quy trình hình vẽ dƣới đây: Footer Page 23 of 27 Header Page 24 of 27 Hình 5: Quy trình trao đổi khố bí mật sử dụng hệ mã hố khố cơng khai 1.3 Sơ lƣợc giấu tin mật 1.3.1 Các khái niệm 1.3.1.1 Khái niệm giấu tin mật Giấu tin nghệ thuật nhúng mẩu tin mật vào vật mang tin khác Giấu tin mật mã: Có thể coi nghệ thuật viết mật nhánh ngành mật mã với mục tiêu che giấu thơng tin mật Hình 6: Phân cấp lĩnh vực nghiên cứu ngành mật mã học Giấu tin mật mã có mục đích khơng để đối phƣơng phát tin cần giấu nhƣng chúng có số đặc điểm khác biệt sau: - Mật mã giấu ý nghĩa thông tin - Giấu tin giấu diện thông tin Về chất, giấu tin gần với Footer Page 24 of 27 Header Page 25 of 27 nén liệu Thuỷ ấn số giấu tin: Trong lĩnh vực bảo mật, giấu tin đƣợc phân nhánh nhƣ sau: Hình 7: Các nhánh giấu tin Thủy ấn (Water marking) lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng thông tin phục vụ xác thực, ví dụ nhƣ xác nhận quyền… Nếu thơng tin giấu định danh nhất, ví dụ nhƣ định danh ngƣời dùng, ngƣời ta gọi Fingerprinting (nhận dạng vân tay, điểm chỉ) Giấu tin mật (hay gọi viết phủ) lĩnh vực nghiên cứu việc nhúng tin mật vào mơi trƣờng phủ Trong q trình giấu tin, để tăng tính bảo mật, ngƣời ta dùng khố viết mật, ngƣời ta nói Intrinsic Steganography (giấu tin có xử lý) Để giải mã ngƣời dùng phải có khố viết mật Khố khơng phải khố dùng để lập mật mã mẩu tin, ví dụ khố để sinh hàm băm phục vụ rải tin vào môi trƣờng phủ Ngƣợc lại khơng dùng khố viết mật ngƣời ta giấu tin đơn vào mơi trƣờng phủ ngƣời ta nói Pure Steganography (giấu tin đơn thuần) Xét tính chất thuỷ ấn giống giấu tin chỗ tìm cách nhúng thơng tin mật vào môi trƣờng Tuy nhiên xét chất thuỷ ấn có nét khác số điểm: - Mục tiêu thuỷ ấn nhúng thông tin không lớn thƣờng biểu tƣợng, chữ ký hay đánh dấu khác vào môi trƣờng phủ nhằm phục vụ việc xác nhận quyền - Khác với giấu tin chỗ giấu tin sau cần tách lại tin thuỷ ấn tìm cách biến tin giấu thành thuộc tính vật mang - Chỉ tiêu quan trọng thuỷ ấn tính bền vững, giấu tin dung lƣợng giấu Footer Page 25 of 27 Header Page 26 of 27 - Điểm khác thuỷ ấn giấu tin thuỷ ấn vơ hình hữu hình vật mang 1.3.1.2 Các thành phần hệ giấu tin mật Các thành phần hệ giấu tin mật gồm có: - Mẩu tin mật: văn bản, hình ảnh hay tệp tin tuỳ ý (âm số, video số), trình giấu tin, chúng đƣợc chuyển thành chuỗi bit - Môi trƣờng chứa tin mật: thƣờng ảnh, nên gọi ảnh phủ hay ảnh gốc Ngồi âm số, video số, văn bản… - Khoá K: khoá viết mật, tham gia vào trình giấu tin để tăng tính bảo mật - Mơi trƣờng chứa tin mật: môi trƣờng chứa tin mật sau đƣợc nhúng tin mật vào Trong trƣờng hợp mơi trƣờng ảnh gọi ảnh mang Hình 8: Sơ đồ chung hệ giấu tin mật Xét theo góc độ tốn học, định nghĩa lƣợc đồ giấu tin nhƣ sau Gọi Ks khoá viết mật (stego key) đƣợc xác định từ tập K tất khoá viết mật; M tập tất thơng điệp đƣợc nhúng C tập tất vật mang Khi đó, lƣợc đồ giấu tin đƣợc thiết lập ánh xạ, ánh xạ nhúng Emb ánh xạ trích xuất Ext: cho Ext(Emb(c,Ks,m))=m với tất c thuộc C Ks thuộc K m thuộc M Vật mang s=Emb(c,Ks,m) đƣợc gọi stego Data 1.3.2 Tính chất giấu tin mật Footer Page 26 of 27 Header Page 27 of 27 Giấu tin mật lĩnh vực mới, đƣợc nghiên cứu, thực nghiệm theo nhiều phƣơng pháp khác Để đánh giá chất lƣợng phƣơng pháp giấu tin mật, ngƣời ta thƣờng dựa vào tiêu chí sau: a) Đảm bảo tính vơ hình Giấu tin mật làm biến đổi vật mang tin Tính vơ hình thể mức độ bị biến đổi vật mang Phƣơng pháp giấu tin mật tốt làm cho thơng tin cần giấu trở lên vơ hình vật mang, tức làm ngƣời dùng khó nhận vật mang có ẩn chứa thơng tin mật Tuy nhiên, thực tế lúc ngƣời ta cố gắng để đạt đƣợc tính vơ hình cao Ví dụ truyền hình, ngƣời ta gắn hình ảnh mờ gọi thuỷ ấn để bảo vệ quyền tin b) Khả chống giả mạo Mục đích giấu tin mật để truyền thông tin mật Nếu thám tin mật kẻ địch cố tìm cách làm sai lạc tin mật, làm giả tạo tin mật đẻ gây bất lợi cho đối phƣơng Một phƣơng pháp giấu tin tốt phải đảm bảo tin mật không bị công cách chủ động sở hiểu biết thuật tốn nhúng tin (nhƣng khơng biết khố giấu tin) có vật mang Đối với lĩnh vực thủy ấn số khả chống giả mạo yêu cầu vơ quan trọng có nhƣ bảo vệ đƣợc quyền, minh chứng tính pháp lý sản phẩm c) Dung lƣợng nhúng Dung lƣợng giấu đƣợc tính tỷ lệ lƣợng tin cần giấu so với kích thƣớc vật mang tin Các phƣơng pháp cố gắng giấu đƣợc nhiều tin tốt nhƣng đƣợc bí mật Tuy nhiên thực tế ngƣời ta phải cân nhắc dung lƣợng tiêu khác nhƣ tính vơ hình, tính bền vững (ổn định) Footer Page 27 of 27 Header Page 28 of 27 Hình 9: Cân nhắc chất lƣợng, dung lƣợng tính bền vững d) Tính bền vững Sau giấu tin vào vật mang, thân vật mang phải trải qua biến đổi khác nhau, ví dụ nhƣ vật mang ảnh số phải qua biến đổi nhƣ lọc (tuyến tính, lọc phi tuyến) thêm nhiễu, làm sắc nét, mờ nhạt, quay, nén liệu…Tính bền vững thƣớc đo nguyên vẹn tin mật sau biến đổi nhƣ e) Độ phức tạp tính tốn Chỉ tiêu độ phức tạp giấu tin tách tin yếu tố quan trọng đánh giá phƣơng pháp giấu tin mật u cầu độ phức tạp tính tốn phụ thuộc vào ứng dụng Ví dụ ứng dụng tạo thuỷ ấn để đánh dấu quyền cần phải có độ phức tạp tính tốn cao đảm bảo chịu đƣợc công nhiều tin tặc nhằm phá huỷ thuỷ ấn 1.3.3 Ứng dụng giấu tin mật 1.3.3.1 Liên lạc bí mật Trong mã hố, mã tin mật gây ý tin tặc nhƣng tin mật đƣợc giấu vào mơi trƣờng gửi mạng máy tính gây ý tin tặc Đó ứng dụng giấu tin Hiện ngƣời ta phối hợp đồng thời nhiều giải pháp để truyền tin mật mạng công khai Đầu tiên tin mật đƣợc nén lại, sau đƣợc mã hố, cuối giấu mã vào mơi trƣờng 1.3.3.2 Bảo vệ quyền - Thuỷ ấn: Footer Page 28 of 27 Header Page 29 of 27 + Một biểu tƣợng bí mật gọi thuỷ ấn đƣợc nhúng vào tài liệu (hình ảnh, âm thanh…) để xác nhận quyền sở hữu tài liệu + Thuỷ ấn đƣợc đính lên tranh ảnh bán phân phối, thêm vào gán nhãn thời gian để chống giả tạo + Thuỷ ấn đƣợc dùng để phát xem sản phẩm có bị sửa đổi hay khơng Việc phát thuỷ ấn đƣợc thực thống kê, so sánh độ tƣơng quan cách đo đạc xác định chất lƣợng thuỷ ấn vật mang - Điểm số : tƣơng tự nhƣ số seri phần mềm Điểm số dùng để truyền thông tin ngƣời nhận sản phẩm số (không phải chủ sở hữu) nhằm chứng thực sản phẩm - Gán nhãn: Tiêu đề, giải, nhãn thời gian…có thể đƣợc nhúng vào sản phẩm số Gắn tên ngƣời lên ảnh họ, gắn tên địa phƣơng lên đồ Khi chép sản phẩm chép thơng tin nhúng vào Chủ sở hữu sản phẩm, ngƣời có khố viết mật tách xem giải Trong sở liệu ảnh, ngƣời ta nhúng từ khố để động tìm kiếm tìm nhanh ảnh Nếu khung ảnh cho đoạn phim, ngƣời ta gán thời điểm diễn kiện để đồng hình ảnh với âm Ngƣời ta gán số lần mà hình ảnh đƣợc xem để tính tiền tốn 1.3.4 Kỹ thuật công hệ giấu tin mật Tấn công hệ giấu tin mật đƣợc gọi steganalysis Đó phƣơng pháp để phát hiện, phá huỷ, trích rút hay sửa đổi thông tin mật Việc nghiên cứu biện pháp kẻ cơng hữu ích cho việc thiết kế hệ ẩn giấu thông tin tốt Việc công đƣợc coi thành công hay không tuỳ theo ứng dụng Đối với liên lạc bí mật, việc phát chứng minh đƣợc vật có chứa tin mật đƣợc coi thành công Đối với bảo vệ quyền hay chống giả mạo việc công đƣợc coi thành công không phát thuỷ ấn mà phá huỷ hay sửa đổi nhƣng khơng làm giảm chất lƣợng vật mang Có điểm giống mã hố giấu tin mật ngƣời ta giả thiết thám tin biết trƣớc phƣơng pháp mã hoá hay giấu tin mật Nhƣ vậy, việc thám tin theo phƣơng pháp cụ thể (mã hoá hay giấu tin) phụ thuộc vào “khoá” Footer Page 29 of 27 Header Page 30 of 27 phụ thuộc vào độ phức tạp phƣơng pháp (nguyên lý Kerkhoff) Tƣơng tự nhƣ thám mã mã hoá, kỹ thuật thám tin giấu tin mật đƣợc chia thành nhóm: - Biết vật mang tin (stego-object) - Biết vật gốc (original object) vật mang tin - Biết có tin giấu vật mang tin - Biết thuật toán giấu tin - Biết thuật tốn trích (tách) tin mật Có nhiều phƣơng pháp để thám tin Thám tin phát thủy ấn hay tin mật cách phân tích trạng thái, ví dụ với ảnh thám tin cách phân tích vùng nhiễu mức ảnh Tin tặc kinh nghiệm nhận thấy vùng nhiễu mắt thƣờng Nếu biết đƣợc vật mang gốc việc thám tin đơn giản nữa, so sánh ảnh mang tin với ảnh gốc để tách nhiễu Nếu thám tin biết đƣợc có tin ẩn giấu, ngƣời ta tạo cặp ảnh gốc ảnh mang để phân tích xem xét liệu ảnh tìm hiểu có mang dấu ấn chữ ký hay tin mật hay khơng Việc phá tin mật đơn giản hay phức tạp tuỳ thuộc vào phƣơng pháp giấu tin mật Ví dụ, phƣơng pháp nhúng tin vào bit có trọng số thấp giấu tin ảnh việc phá tin mật đơn thay đổi lại bit này, nhƣ ảnh mang tin trở trạng thái ban đầu Phá tin mật phƣơng pháp giấu tin mật mà giữ ngun vật mang việc khó Vì mục tiêu thuỷ ấn phải đạt đƣợc độ bền vững cho có phá thuỷ ấn làm hỏng vật gốc Thông thƣờng ngƣời ta tìm cách áp dụng nhiều phép biến đổi vật mang với hy vọng rằng: phép biến đổi khơng có tác dụng nhƣng tổ hợp chúng giúp cho việc phá huỷ thủy ấn mà giữ đƣợc nội dung vật mang Nếu biết tin mật vật mang tin hội phá tin mật cao Nếu biết thuật tốn giấu tin kẻ thám tin dùng thử giấu tin lên nhiều vật mang khác nhau, qua dùng phƣơng pháp thống kê để tìm quy luật gây nhiễu nhƣ dùng để kiểm thử xem vật có mang tin mật hay khơng Footer Page 30 of 27 Header Page 31 of 27 1.4 Kết chƣơng Chƣơng trình bày số nội dung bản, bao gồm khái niệm, tính chất ứng dụng kỹ thuật nén thông tin, mã hố thơng tin giấu tin mật Qua nội dung vừa trình bày, thấy kỹ thuật có tác dụng biến đổi thơng tin sang dạng khác, giúp cho việc truyền tải thông tin mạng có nhiều ứng dụng thực tế Trong kỹ thuật nén thơng tin có tác dụng làm giảm lƣợng thông tin truyền tải mạng, kỹ thuật mã hố thơng tin đảm bảo an tồn cho thơng tin trao đổi kỹ thuật giấu tin mật có tác dụng che giấu hoạt động trao đổi thông tin cách giấu thông tin vật mang.Về chất, kỹ thuật nén thông tin giấu tin mật giống Việc kết hợp phƣơng pháp đƣợc trình bày chƣơng sau Chƣơng giới thiệu số kiểu liệu đa phƣơng tiện phổ biến, bao gồm âm số, ảnh số video số, khả giấu tin mật áp dụng định dạng Footer Page 31 of 27 Header Page 32 of 27 CHƢƠNG MÔI TRƢỜNG ĐA PHƢƠNG TIỆN VÀ KHẢ NĂNG GIẤU TIN 2.1 Âm số 2.1.1 Tính chất tín hiệu âm Tham số để đo tín hiệu âm tần số Khi tần số dao động khơng khí đạt mức từ 20 đến 20000 Hz tai ngƣời nghe thấy âm Ngồi ra, âm đƣợc đo thơng qua tham số khác, biên độ Biên độ biến đổi làm âm êm nhẹ hay ầm ĩ Dải động mà ngƣời nghe đƣợc rộng: giới hạn dƣới ngƣỡng nghe đƣợc giới hạn ngƣỡng đau (pain) Ngƣỡng nghe đƣợc dạng sóng hình sin 1-kHz 0.000283 dyne/cm2 (1 dyn = 10-5 N, dyn/cm2=0.1 Pa = 9.86923 x 10-7 atm) Biên độ dạng sóng hình sin tăng từ ngƣỡng nghe đƣợc theo hệ số từ 100000 đến 1000000 trƣớc đạt tới ngƣỡng đau Rất khó khăn làm việc với dải biên độ lớn, biên độ âm thƣờng đƣợc biểu diễn decibel (dB) Cho trƣớc hai dạng sóng có biên độ đỉnh X Y, thƣớc đo chênh lệch tính dB hai biên độ dB=20log10(X/Y) Nếu ngƣỡng nghe đƣợc tín hiệu 1-kHz (nhƣ nói đây) 0.000283 dyne/cm2, đƣợc sử dụng làm tham chiếu cho dB ngƣỡng đau hầu hết tai ngƣời đạt tới mức áp suất âm khoảng 100 đến 120 dB Tóm lại, mức âm xung quanh mà tai ngƣời nghe thấy đƣợc mô tả thuật ngữ decibel (dB), tỷ lệ với âm yên lặng mà nghe đƣợc Sóng âm liên tục theo thời gian biên độ: thay đổi theo thời gian biên độ có giá trị khoảng nghe thấy đƣợc Hình 10 thí dụ sóng âm Footer Page 32 of 27 Header Page 33 of 27 Hình 10: Sóng âm 2.1.2 Biểu diễn âm số Dạng sóng âm liên tục đƣợc chuyển sang tín hiệu điện liên tục microphone Thí dụ, dạng sóng âm hình 11 chuyển đổi thành tín hiệu điện có hình dạng Tín hiệu điện thƣờng đo vơn Loại tín hiệu với biên độ thời gian liên tục đƣợc gọi tín hiệu tƣơng tự Footer Page 33 of 27 ... tập trung nghiên cứu số nội dung kỹ thuật nén thơng tin, mã hố thơng tin, giấu tin mật liệu đa phƣơng tiện, sở nghiên cứu phối hợp phƣơng pháp để xây dựng ứng dụng giúp cho việc đảm bảo an tồn trao... Bản mã) Đây kỹ thuật để bảo mật thơng tin - Giải mã q trình chuyển thông tin ngƣợc lại, từ Bản mã thành Bản rõ - Thuật tốn mã hóa hay giải mã thủ tục tính tốn để mã hóa hay giải mã - Khóa mã hóa. .. Mật mã giấu ý nghĩa thông tin - Giấu tin giấu diện thông tin Về chất, giấu tin gần với Footer Page 24 of 27 Header Page 25 of 27 nén liệu Thuỷ ấn số giấu tin: Trong lĩnh vực bảo mật, giấu tin