Một số phương pháp phát hiện giấu tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Quốc Tuấn Nguyễn Quốc Tuấn Toán Tin-Toán Ứng Dụng MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN GIẤU TIN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Toán Tin-Toán Ứng Dụng KHOÁ 2009-2011 Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Quốc Tuấn MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÁT HIỆN GIẤU TIN Chuyên ngành : Toán Tin-Toán Ứng Dụng LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Toán Tin-Toán Ứng Dụng NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Phan Trung Huy Hà Nội – Năm 2012 Mục Lục Lời cảm ơn Lời mở đầu 3 Mở đầu 1.1 Cơ Bản Về Giấu Tin Và Phát Hiện Giấu Tin 1.2 Giấu Tin Và Mã Hóa Một Vài Phương Pháp Giấu Tin Trên Ảnh Số .6 2.1 Các định dạng ảnh số 2.2 Kỹ thuật nhúng LSB(Least Significant Bit) 2.3 Kỹ thuật giấu tin Jpeg-JSteg .7 2.4 Kỹ thuật giấu thuận nghịch HKC 10 2.5 Kỹ thuật CPT giấu tin ảnh bitmap 11 Phát Hiện Giấu Tin 14 3.1 Kỹ Thuật Visual Attack 14 3.2 Kỹ Thuật Phân Tích Thống Kê Chi-Square 17 3.3 Kỹ thuật phân tích Chi-Square cải tiến 19 3.4 Phương pháp Zhang and Ping 19 Thực Nghiệm 21 4.1 Một vài kết thực nghiệm công bố 21 4.2 Kết thực nghiệm tác giả 23 Tổng Kết 32 Tài liệu tham khảo 33 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đến TS.Phan Trung Huy, người tận tình bảo, hướng dẫn, cung cấp tài liệu để luận văn hoàn thành Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thầy tận tình giảng dậy lớp cao học Tốn Cơng Nghệ khóa 2009-2011 Trong q trình làm luận văn,tác giả gặp phải nhiều điều kiện khó khăn môi trường làm việc hướng tiếp cận vấn đề, nhiên bảo nhiệt tình TS Phan Trung Huy, tác giả bước giải khó khăn gặp phải Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến thành viên lớp cao học, có nhiều giúp đỡ lẫn học tập, đoàn kết, tạo môi trường thân thiện nghiên cứu tốt Cuối cùng, tác giả chân thành cảm ơn thầy cô, người điều hành Viện Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường học tập nghiên cứu tốt Học viên: Nguyễn Quốc Tuấn Lớp : Tốn Cơng Nghệ 2009-2011 Lời mở đầu Với phát triển mạnh mẽ internet toàn giới, tất lĩnh vực sống có diện internet Với phát triển mạnh mẽ này, yêu cầu bảo mật an tồn thơng tin mơi trường internet đặt Phương pháp bảo mật cổ điển mã hóa ngày thường bị đối tượng công mạnh với sức mạnh tảng phần cứng ngày nâng cao, việc phá vỡ hệ thống mã hóa tương lai gần Một hướng bảo mật an tồn thơng tin tiếp cận kỹ thuật giấu tin nội dung kỹ thuật số ảnh, video, Việc giấu thông tin nội dung số thường tránh ý đối tượng cơng Về độ an tồn cao so với phương pháp mã hóa Giấu tin giải pháp hiệu cho nhiều vấn đề bảo mật thông tin nay, truyền tin bí mật, bảo vệ quyền, xác thực thơng tin,… Mơi trường giấu tin đối tượng liệu đa phương tiện phổ biến ảnh số Việc an toàn thông tin giấu phương tiện mang tin đánh giá khả phát thơng tin có giấu phương tiện mang tin hay khơng Chính kỹ thuật phát giấu tin phát triển song song với kỹ thuật giấu tin nhằm để đánh giá độ an toàn hệ thống giấu tin, công cụ cho phép pháp nội dung mật ẩn giấu nhằm phục vụ cho mục đích an ninh quốc phịng Luận văn nhằm mục đích nghiên cứu kỹ thuật giấu tin ảnh số qua tìm hiểu phương pháp phát giấu tin phương tiện mang tin Trọng tâm tìm hiểu loại ảnh số sử dụng phổ biến môi trường internet Jpeg, bitmap, gif Các kỹ thuật giấu tin định dạng ảnh kèm theo phương pháp phát ảnh số có chứa thơng tin mật hay khơng Bố cục luận văn bao gồm phần là:  Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin so sánh với kỹ thuật mã hóa  Tìm hiểu vài phương pháp giấu tin ảnh số  Tìm hiểu kỹ thuật phát giấu tin  Kết thực nghiệm khả phát giấu tin Mở đầu 1.1 Cơ Bản Về Giấu Tin Và Phát Hiện Giấu Tin Thuật ngữ giấu tin hay gọi Steganography, phương pháp nhúng nội dung thông điệp vào vật mang thông tin nhằm mục đích khơng cho người khác biết tồn nội dung thông điệp cần truyền đạt Chỉ có người nhận thực biết tồn thông điệp ẩn dấu bên Chỉ có người nhận thực biết cách trích rút thơng tin mật ẩn dấu bên Vật mang tin sử dụng thường file ảnh bitmap, jpeg, gif, … hoạc file âm audio, video, … Khi thông tin mật nhúng vào vật mang tin phải đảm bảo tính : khó bị phát hiện, tức thơng tin mật nhúng vào vật mang tin không đổi nhiều vật mang tin, kích thước vật mang tin không tăng lên, thay đổi vật mang tin khó cảm nhận giác quan người Với vật mang tin ảnh kỹ thuật số, có hai phương pháp nói chung để giấu tin là: giấu tin miền tần số ảnh giấu tin miền không gian ảnh Kỹ thuật sử dụng phổ biến kỹ thuật nhúng LSB, có nghĩa bit thơng tin cần giấu giấu vào bit có giá trị thấp Trái ngược với giấu tin, phát giấu tin phương pháp đánh giá xem vật mang thơng tin có chưa thơng điệp bí mật khác bên hay không Khi phát vật mang tin có chứa thơng tin bí mật khác, nhiệm vụ việc phát giấu tin xác định kích thước thong tin giấu, tìm hiểu nội dung thơng tin giấu bên tìm cách phá hủy tin giấu làm cho người nhận khơng có khả biết thơng tin bí mật cần truyền tải Tùy vào đặc điểm khác vật mang tin phương pháp, kỹ thuật giấu tin mà ta có phương pháp phân tích khác để tìm hiểu thơng tin có giấu hay khơng Có vài phương pháp phân tích hay sử dụng để kiểm tra thơng tin có giấu hay khơng : kỹ thuật phân tích histogram, kỹ thuật so sánh cặp giá trị kiểm định X-bình phương, … Trong báo cáo này, trọng đến việc phần tích file mang thơng tin có định dạng JPEG theo chuẩn 2000 Các file ảnh có định dạng JPEG ngày sử dụng phổ biến mội trường internet tính nhỏ gọn, khẳ nén ảnh lớn mà chất lượng ảnh đảm bảo đa số nhu cầu sử dụng Các phương pháp giấu tin ảnh JPEG chủ yếu giấu tin miền tần số Đó giấu thông tin miền giá trị hệ số DCT sau phép biến đổi Furie lượng tử hóa Kỹ thuật giấu khơng gây nghi vấn quan sát ảnh mắt thường 1.2 Giấu Tin Và Mã Hóa Kỹ thuật giấu tin nói làm cho khó phát thơng điệp bí mật cần gửi đi, có người nhận thật biết có thơng điệp giấu, khác với mã hóa, người xem thơng thường khơng biết nội dung thơng tin cần giấu biết xác việc có thơng điệp bí mật gửi Việc giấu tin đảm bảo an tồn cho thơng tin mật gửi đi, nhiên có trở ngại kích thướng thơng tin mật cần gửi tùy thuộc vào kích thước vât mang tin để tránh bị phát hiện, mã hóa khơng gặp phải vấn đề Việc lựa trọn mã hóa hay giấu tin cho tin mật cần gửi phụ thuộc nhiều vào mức độ bảo mật thông tin mật, môi trường truyền tin, độ tin cậy phương pháp, tùy loại vật mang tin mà ta có lựa trọn hợp lý Một Vài Phương Pháp Giấu Tin Trên Ảnh Số 2.1 Các định dạng ảnh số  GIF Graphics Interchange Format định dạng ảnh đưa vào năm 1987 Định dạng sử dụng bảng mầu gồm 256 mầu từ hệ RGB 24bit, matrix điểm ảnh, giá trị điểm ảnh số điểm ảnh bảng mầu Hạn chế số lượng mầu định dạng GIF làm cho định dạng phù hợp với ảnh có độ sắc nét thấp  Bitmap Trong định dạng ảnh bitmap có loại như: bitmap 1,2,4,8,16,24bit Đây số cho biết số lượng bít cần thiết để lưu trữ điểm ảnh ảnh bitmap.Với ảnh có số lượng bit pixel lớn cho ta ảnh có chất lượng độ nét cao  JPEG Jpeg (Joint Photographics Experts Group) định dạng ảnh nén, đưa vào năm 1992 Việc nén ảnh jpeg nén có thơng tin, nhiên việc thơng tin khơng làm giảm nhiều chất lượng hình ảnh Ảnh jpeg có tỷ lệ nén tốt chất lượng ảnh cao Quá trình nén giải nén jpeg mô tả đây: Quá trình nén: Hình Nén ảnh Q trình khơi phục: Hinh Giải nén 2.2 Kỹ thuật nhúng LSB(Least Significant Bit) Thơng thường, ảnh số có kích thước m x n hiểu matrix m x n điểm ảnh Trong đó, giá trị P[i,j] matrix hiểu giá trị điểm ảnh vị trí [i,j] Tùy vào loại ảnh mà số lượng byte sử dụng cho việc lưu trữ giá trị P[i,j] khác Ví dụ với ảnh bitmap 256 mầu, điểm ảnh P[i,j]được sử dụng 1byte (8bit) để lưu trữ Như với ảnh n-bit, giá trị điểm ảnh nằm khoảng [0 , ] Kỹ thuật nhúng LSB kỹ thuật thay 1bit vào bit cuối (là bit có vị trí nhỏ nhấ) giá trị điểm ản Bằng mắt thường quan sát, khó phân biệt hai giá trị mầu sắc sai khác đơn vị Chính tính chất này,kỹ thuật LSB khó làm nhận thay đổi bẳng mắt thường, với kỹ thuật này, giá trị điểm ảnh sai khác nhiều đơn vị so với ban đầu 2.3 Kỹ thuật giấu tin Jpeg-JSteg Đây kỹ thuật phổ biến giấu tin định dạng ảnh jpeg Quá trình giấu tin jpeg-jsteg tiến hành can thiệp vào trình encode ảnh jpeg Như ta biết trình chuyển đổi từ liệu RGB sang định dạng jpeg Ban đầu, toàn khối liệu RGB chia thành các khối kích thước 8x8 Tiếp q trình chuyển đổi liệu từ RGB sang dạng liệu PAL YcrBr Mỗi khối liệu 8x8 thực biến đổi cosin (Discrete Cosine Transform), sau phép biến đổi ta thu hệ số DCT (DCT Coefficient )ví dụ sau: Pixel value DCT Coefficient Hình Biến đổi DCT Sau thu khối 8x8 chứa hệ số DCT Coefficient, ta tiến hành lượng tử hóa hệ số thơng qua matrix 8x8 Ví dụ sau: DCT Coefficients Matrix lượng tử DCT Coefficient lượng tử Hình DCT coefficient Đến bước này, Jsteg thực nhúng thông tin mật vào hệ số DCT lượng tử hóa Việc nhúng diễn từ cấc hệ số khác 0, block hết chiều dài tin mật đến vị trí cuối block cuối Kỹ thuật giấu tin JSteg sử dụng thực kỹ thuật nhúng LSB chuỗi tin vào hệ sốDCT Kỹ thuật làm thay đổi giá trị hệ áp dụng cho phương pháp giấu tin không tuần tự, phương pháp giấu tin CPT 3.3 Kỹ thuật phân tích Chi-Square cải tiến Dựa kỹ thuật chi-square attach Westfeld Pfitzmann đưa trên, hai tác giả Provos Honeyman đưa cải tiến khác cho phép phân tích Chi-Square sau Thay cặp (2k, 2k+1) ta thay cặp (2k, 2k-1) tiến hành phép phân tích Chi-Square Kỹ thuật cải tiến phù hợp cho phép nhúng ngẫu nhiên (như phương pháp sử dụng thuật toán OutGuess nhúng ảnh jpeg) Tuy nhiên, phương pháp phân tích Chi-Square thường khơng áp dụng với mẫu tin giấu có kích thước nhỏ giấu cách ngẫu nhiên 3.4 Phương pháp Zhang and Ping Đây phương pháp Zhang Ping đề xuất nhằm áp dụng cho phương pháp giấu tin Jsteg Ta gọi hi giá trị tần suất hệ số DCT Coefficient i ảnh jpeg Ta có tên gọi khác hi giá trị histogram hệ số DCT Coefficient có giá trị i Đặt f0 = Và f1 = Chúng ta tính tốn giá trị = Khi giá trị vượt qua ngưỡng xác định ảnh số có chứa thơng tin giấu Phương pháp cịn ước lượng độ dài thơng tin mật giấu theo công thức 19 Phương pháp áp dụng tốt cho việc phát thông tin giấu kỹ thuật jpsteg, nhiên lại khơng áp dụng với kỹ thuật giấu tin sử dụng jphide 20 Thực Nghiệm Trong phần thực nghiệm bao gồm phần là:  kết thực nghiệm cơng bố báo, tạp chí  Các kết thực nghiệm thực tác giả 4.1 Một vài kết thực nghiệm công bố Kết thực nghiệm hai tác giả Andreas Westfeld and Andreas Pfitzmann, tiến hành phép phân tích Chi-Square ảnh giấu tin phần mềm giấu tin Jsteg Kết công bố tài liệu :‖ Attacks on Steganographic Systems Breaking the Steganographic Utilities EzStego, Jsteg,Steganos, and S-Tools—and Some Lessons Learned‖ (tài liệu tham khảo mục [3]) Kết thực ảnh jpeg Các kết thu được biểu thị biểu đồ gồm trục: Một trục biểu thị khả chứa thơng tin giấu (đơn vị %), trục biểu thị kích thước mẫu kiểm định tương ứng Hình Orignal  Kết phép phân tích với ảnh gốc cho ta biểu đồ sau: 21 Hình 10 Graph Orignal Với biểu đồ ta nhận thấy: đường mầu đen đậm bên tương ứng với giá trị 0%, tức trình kiểm định từ đầu cuối ảnh, không phát ảnh có khả giấu thơng tin mật  Kết phân tích với ảnh giấu thơng tin mật có chiều dài (tính theo bit) 50% tổng số điểm ảnh ảnh Hình 11 Stego 50% Biểu đồ cho tay thấy, khoảng 50% số lượng điểm ảnh ảnh, kết tính tốn phép phân tích Chi-Square cho ta giá trị 100%, phần cuối ảnh, kết phân tích cho giá trị Ta nhận thấy điều 22 rằng, phần đầu ảnh giấu tin, giá trị tính tốn kiểm định ChiSquare cho giá trị 100% ( = 1), phần điểm ảnh khơng có thơng tin giấu sau đó, giá trị tính tốn giảm 0% ( = 0) nhanh chóng  Kết phân tích với ảnh giấu tin tồn điểm ảnh Hình 12 Stego 100% Trên biểu đồ ta thấy, toàn kết phép tinh toán Chi-Square cho ta giá trị 100%, thấy phù hợp với trường hợp ảnh giấu tin tồn điểm ảnh 4.2 Kết thực nghiệm tác giả Kết thực nghiệm tiến hành ảnh jpeg có kích thước 40.982 Byte Số kích thước matrix điểm ảnh 400x600 Phần mềm tiến hành thực giấu tin JPHSwin Đây phần mềm mềm mã nguồn mở, phương pháp giấu tin thực phần mềm phương pháp giấu bit thông tin mật vào file ảnh Ảnh gốc ban đầu dùng để thực giấu tin là: 23 Hình 13 Test Orignal Tiến hành giấu tin chứa file msg.txt Nội dung file thay đổi để tăng kích thước tin thơng tin cần giấu Hình 14 Secret message Kích thước file thay đổi tăng dần là: 933Byte, 1.82K, 2.74K, 3.65K,4.57K, 5.48K 24 Hình 15 JPHS Tool Ảnh jpeg thực kiệm định có khẳ chứa 6K thơng tin Khuyến cáo chương trình cho file ảnh 4K thông tin mật Sau giấu tin, ảnh chứa thông tin tiến hành phân tích thơng qua cơng cụ nhỏ tác giả tự phát triển Cơng cụ thực trích xuất thông tin hệ số DCT ảnh jpeg chứa tin giấu, sau tiến hành phép kiểm định Chisquare phần kích thước ảnh Kết hiển thị biểu đồ tương quan kích thước ảnh khả chứa thơng tin vùng ảnh  Ảnh sau chứa thơng tin mật kích thước 933Byte 25 Hình 16 Secret msg 933 Byte Kết phân tích là: Hình 17 Steganalysis 933 Byte  Ảnh sau chứa thông tin mật kích thước 1.82K 26 Hình 18 Secret msg 1.82K Kết phân tích là: Hình 19 Steganalysis 1.82K  Ảnh sau chứa thơng tin mật kích thước 2.74K 27 Hình 20 Secret msg 2.74K Kết phân tích là: Hình 21 Steganalysis 2.74K Ảnh sau chứa thơng tin mật kích thước 3.65K 28 Hình 22 Secret msg 3.65K Kết phân tích là: Hình 23 Steganalysis 3.56K Ảnh sau chứa thông tin mật kích thước 4.57K 29 Hình 24 Secret msg 4.57K Kết phân tích là: Hình 25 Steganalysis 4.57K  Ảnh sau chứa thơng tin mật kích thước 5.48K 30 Hình 26 Secret msg 5.48K Kết phân tích là: Hình 27 Steganalysis 5.48K 31 Tổng Kết Luận văn trình bày vài hệ thống giấu tin định dạng ảnh jpeg, định dạng ảnh phổ biến môi trường internet Các hệ giấu tin định dạng ảnh jpeg sử dụng phổ biến là:  Jsteg-Jpeg  JHide  Kỹ thuật giấu thuận nghịch miền hệ số DCT  Kỹ thuật CPT giấu tin Tiếp theo luận văn trình bày kỹ thuật phương pháp sử dụng xác định ảnh có giấu thơng tin hay không Kỹ thuật sử dụng bao gồm kỹ thuật là: Visual attack, phân tích Chi-Square  Kỹ thuật Visual attack sử dụng cho ảnh đơn giản mầu sắc, với cách nhúng tin mật kỹ thuật LSB đơn giản  Kỹ thuật phân tích Chi-Square kỹ thuật phân tích tính ngẫu nhiên matrix liệu điểm ảnh Với ảnh số thơng thường tính ngẫu nhiên thấp, với ảnh giấu tin có phân bố LSB điểm ảnh Luận văn trình bày phương pháp Chi-Square, áp dụng để phân tích ảnh jpeg giấu tin theo kỹ thuật jsteg-jpeg Jhide  Kết việc phân tích cịn giúp ta ước lượng kích thước thơng tin mật giấu có Cuối vài kết thực nghiệm tác giả nghiên cứu bao gồm:  Các kết thực nghiệm công bố tạp chí uy tín  Kết thực nghiệm tác giả kỹ thuật phân tích Chi-Square 32 Tài liệu tham khảo [1] Kwangsoo Lee, Andreas-Westfeld, and Sangjin Lee, ―Category of attack for LSB Steganalysis of JPEG images‖, Center for Information Security Technologies Korea University, Seoul, Korea,2008 [2] Christy A Stanley, ―Pairs of Values and the Chi-squared Attack‖, Department of Mathematics, Iowa State University, May 1, 2005 [3] Andreas Westfeld and Andreas Pfitzmann, ―Attacks on Steganographic Systems Breaking the Steganographic Utilities EzStego, Jsteg,Steganos, and STools—and Some Lessons Learned‖, Dresden University of Technology Department of Computer Science D-01062 Dresden, Germany [4] Hồ Thị Hương Thơm, Hồ Văn Canh,Trịnh Nhật Tiến, ―Phát ảnh giấu tin sử dụng kỹ thuật giấu thuận nghịch dựa dịch chuyên Histogram‖, 10/09/2010 [5] Edmund Y Lam, Member, IEEE, and Joseph W Goodman ,―A Mathematical Analysis of the DCT Coefficient Distributions for Images‖, 10, OCTOBER 2000 33 ... 1.1 Cơ Bản Về Giấu Tin Và Phát Hiện Giấu Tin 1.2 Giấu Tin Và Mã Hóa Một Vài Phương Pháp Giấu Tin Trên Ảnh Số .6 2.1 Các định dạng ảnh số 2.2... an tồn thơng tin giấu phương tiện mang tin đánh giá khả phát thơng tin có giấu phương tiện mang tin hay khơng Chính kỹ thuật phát giấu tin phát triển song song với kỹ thuật giấu tin nhằm để đánh... thực nghiệm khả phát giấu tin Mở đầu 1.1 Cơ Bản Về Giấu Tin Và Phát Hiện Giấu Tin Thuật ngữ giấu tin hay gọi Steganography, phương pháp nhúng nội dung thông điệp vào vật mang thơng tin nhằm mục