Bảo mật bằng các kỹ thuật mã hoá và giấu tin

ĐẠI H Ọ C Q l i ó c GIA HÀ NỘI K HO A C Ô N G N G H Ệ « p t-j ĐINH NGỌC TRIỀU B Ả O M Ặ T M Ầ B Ằ N G H Ó A V À C Á C K Ỹ G IÁ U T H U Ậ T T IN Chuyên ngành: CỔNG NGHỆ T H Ô N G TIN Mã sổ: 1.01.10 LUẬN VÀN THẠC s ĩ K H O A HỌC CÔNG NGHE T H Ô N G TIN Thầv hưởùng dẫn: PGS-TSKH N G U Y Ễ N XUÂN H U Y Dakỉak, nãm 2004 Luân vủn Thạc sỹ: Bào mật bẳng kv thuật mã liố giấu tin LỜI NĨI D Ấ U CHƯƠNG 1: GIÓI THIỆU VẮN Đ Ề 1.1 Đặt vấn đ ề 1.2.Lịch sử bảo mật thông t i n 1.3.Các khái niệm 1.4.Phân loại hộ mật mã 10 1.5.Phần mềm máy tính cung cấp siài pháp Steaanography .I i CHƯƠNG 2: MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP MĂ HOÁ ỉ Đại cưcm2 mã h o 14 2.Các kv thuật trons bảo mật thôns tin 14 2.3 Ứ n đụng mã hóa thơng tin 21 CHƯƠNG 3: GIÁU THÔNG TIN TRONG Ả N H 27 3.1.Tổna quát aiấu thông tin (Steganooraphv) 27 2.Các khải niệm Cữ b ủ n 29 3 Một sổ thuật tốn giấu thơng tin trons ânh .35 CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH 61 Mã hóa: .62 4.2 Cài đặt 67 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỞNG PHÁT TRIẾN .72 5.1 K ết luận: 72 5.2 Hưóng phát triển .72 TÀ I LIÊU THAM K H Ả O 72 Tiếng V iê t 72 Ticng A n h 72 V.-VP PÒS-TSKI! X^KVCH Xuán Hiiv XTrỉ: Dinh Xgọc Triều Luận VIĨIỈ Thạc vỹ: Bão mật kv thuật mã hoá giâu tin L Ờ i NÓI ĐÀU N sàv nav với đời tiến vượt bậc cơng nghệ thơng tín bước ngoặt tronc lịch sừ phát triên xà hội, đưa thể giới chuyên từ kỷ nguyên công nghiệp sang kv neuvên thôna tin phát triển kinh tế tri íhức Cuộc cách mạng thơng tin kỹ thuật sổ phát minh thiết bị như: máy ảnh kỹ thuật số, máy quét, mảy in, máv hi âm kv thuật sổ v v Mạng Internet tồn cầu - nơi diễn q trình trao đổi thơnơ tin trons lĩnh vực trị, quàn sự, quốc phòng, kinh tế, thương m ại lả mơi trườna mở tiện nchì, tạo thuận ìại cho giao lưu hội nhập Bên cạnh mặt tích cực truyền thịng mạng đồng thời sinh mặt tiêu cực nạn ăn cấp quyền, xuvên tạc thông tin, truy nhập thôns: tin trái phép v.v Chính n s nshệ thơna tin đan« đón» sóp cách tích cực, hữu hiệu vảo việc đảm bảo an tồn cho thơng tin Mã hố (Cryptosraphv) thồns tin biến đổi thơng tin thành dạng khác khơng hiểu được.chỉ nsười có khố eiảì mã dạn« ban dầu,Theo phươns pháp liệu tồn máy tinh hav đườna, truyền, chinh tập tin mã hoá gày ý cho người có ý đồ truy cập thông tin tỉm cách giải mã Giấu tin (dât hiđing) ỉà q trình ẩn dừ íiệu vào mơi trườna khác tập hình ảnh, âm Dữ liệu trước ẩn mã hố nén Vi Giấu dừ liệu lả phương pháp bảo mật thông tin hữu hiệu tránh - ý cùa người khác Đây nơi dung ìuận văn gồm phần: Chương I : GIỚI THIỆU VÀ NÊU VẨN ĐÈ Chương 2: MỘT s ố PHƯƠNG PHÁP M à HOẢ Chương 3: GIÁU THƠNG TIN TRONG ẢNH Chương 4: CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH Chương 5: KÉT LUẬN VÀ HƯỞNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỰC PƠS- TSKHSẹuycn Xuàn Huy -y STH Đinh ,\\'W Triều Luận văn Thục aỹ: Bào m ật búng kỹ thuật mã haá vù giấu tin CHƯ Ơ NG I G IỚ I T H IỆ♦ U VÀ NÊU VẤN ĐỀ 1.1.Đặt vấn đề Hiện nav nhu cầu mật mã học đâ tăng lên nhanh chóng đo địi hỏi khác tính an tồn liệu Đẻ bảo đảm an toàn cho nội dune thông tin, người ta thường sử dụng phưcmg pháp mã hoả thôna tin, nhằm aiấu ý nghĩa Đe giữ bí mật cho thơng tin, nairừi ta tìm cách che giấu diện Xu hướng kết hợp hai kỹ thuật: mã hóa thơns tin sau đỏ che giấu thơng tin Mã hố che giấu thơng tin cỏ quan hệ chạt chẽ với Nhiều ý tưởng kỹ thuật mật mã (Cryptography) hữu ích trona cơng việc che giấu hữu thons tin Nghiên cứu việc kết hợp hai kỹ thuật mật mã che giấu ỉíệu yêu cầu cần thiết tron» việc bảo mật an tồn dừ liệu khí trao đổi thơng tin mật Sơ dồ phân cấp: • Î’ÜS- TSKIỈ Xỵitvưn Ai tán Huy S!TH; Dinh ,Vgoc Triều Luận văn Thạc Si': Bảo kỹ thuật mã hoá giấu tin 1.1.1.M ã hoá (C ryptography) Là phươns phốp biến đổi thôn» tin thành dạng thông tin khác, không hiểu nội dun° khơng giải mã; nhữns naười có khố cỏ thể giải mã dạn« thơng tin nàv để thơng tin ban đầu 1.1.2.C he giấu thơng tin (Síeganography) Steganography che giấu thòng tin bane cách ngăn cản việc xác định thông điệp ẩn (hidden m essages) Từ Steganosraphy lấy từ tiếng Hy Lạp nghĩa ỉả chồna lên từ viết (corvered writins) N ó bao aồm màn« lớn phươns pháp thơng tin bí mật để aiấu thôns tin điệp, phương pháp gồm mực vơ hình, chấm nhỏ (mierodots), hốn chuvển ký tự, C ơns nshệ số hố cho phép chúna ta ứng dụng kỳ thuật steeanoaraphy để che giấu thôna, tin tín hiệu số khác nhau, nhíma phương pháp có nhiều triển vọne che giấu thông tin ảnh số Thuật naừ "che siấu thôna tin" liên quan đến hình mờ (watermarking;) lẳn steaanoaraphv ba khía cạnh khác cùa hệ thốna che siấu theme tin: bào toàn, an toàn bền vừns Bảo toàn: Sự tham chiếu đầy đủ đến số lượng thông tin che siấu - An tồn: kẻ trộm khơng có khả phát thông tin che giấu bên dạn thông tin khác (mơi trường vị) - Bền vữns: có biến đồi mơi trường vị kỹ thuật steganography khơi phục trước phá huỳ cùa thôns tin đă che giẩu Các kỹ thuật steganography hướns đến hai mục tiêu nâng cao độ bảo nật lượn« dừ liệu siấu Tuv nhiên thuờns hai mục tiêu mâu với un» dụns, ta phải biết duns; hồ hai mục tiêu chí nàv cách hợp lý Ngoài ra, kv thuật stesanosraphv lảm cho naười xem thông thườn khôna biết cỏ mặt thơna tin aiấu trons mịi trườns vỏ '•!!!>' P PGS-TSKÍI Sỵuyễn Xtnin Huy STH: Đình \’iịoc Triều Luận vãn Thục sỹ: Bão Bản mã mặc kỹ thuật mã hoá giấu tin c thu đợc từ tin w, cho: c = eK(W ) w= dK(C) Rõ ràng dK hàm ngược eK Một cách cụ thê hơn, hộ mật mã bao gồm không gian bàn tin goc, khơng gian mã khơng gian khố Mơ hình kỹ thuật giấu tin đơn giản gồm: • Thuật tốn siấu thơng tin • Bộ giải mã thơng tin W K ( Sơ đồ chung cho trình giấu tin) Trong a) Secret M essage (M): thơng tin cần giấu b) Cover Data (I): liệu phủ, môi trường giấu tin c) Embedding Algorithm (E): mã hóa / giải mã ỉà chương trình, thuật tốn nhúng tin d) Key (K): khóa bí mật, sử dụng kỹ thuật »iâu tin e) Steeo Data (S): dừ ỉìệu mans tin mật Control (C): Kiểm tra thơng tin sau giải mã \H D f’Ị )>'■ĨSKH Xạuyẽn Xíhi» Huy I STH Dinh Svạc Triừìi Luận vủ>! Thạc vỹ: Bão m ật kỹ thuậl mã hoá giâu tin Thôna tin aiấu vào phương tiện mans, theo thuật tốn, sử đụng khỏa bí mật dùns chung eiừa naười sửi vả naười nhận tin (Sơ đồ ehune cho q trình siài mã) Thơna, tin mật truyền côns, khai mans, trinh eừỉ nhận xem xảy dồns thời, bỏ qua trễ đường truyền Thơna tin mật trích từ đối Urợng m ans tin sử dụne theo mục đích định trước 1.3.2.Thám mã Là cơng việc khôi phục tin wtừ mà c hàm giải mã dK Một hệ mật mã tổt hệ mã việc thám mã phải khó, tốt khơng khả thi Khó khản việc thám mâ phụ thuộc vào điểu kiện cho trước Sau ỉà tình có người thám mã: bàn tin Chì biết mã: V iệc thám mã chi dựa mẫu mẫ Điều có nghĩa wchi chu từ mã c với cách tiếp cận nàv, thông thườna ta giả thiết rang naười thám mã biết hệ mật mã dùng Giả thiết hợp lý chỗ, chãng hạn: sử dụna lưu trữ liệu dạng mã hoủ hệ thong thơng tin, hệ mật mã xác định phải dùna đển v o pỉh Vựoc Triều Luán răn Thục sỹ: Bá» mật băng c;’tc kỹ thuạt tnii hoá giấu tin VHD VOS- 7'.S'Ả'H:V{J -¿nXuừn HuV 69 NTH: Đinh ;Vgực Triều Luận vàn Thạc 'iv: Báo mật băng kv thuật mã hoá giấu tin / + N h ậ n x é t: ■ G i a ả n h g ố c v ả n h đ ã g i ấ u t i n k h ô n g c ả m n h â n đ u rơ c s k h c n h a u b n g m ắ t th n g * K í c h th c g i ữ a â n h g ố c v ả n h đ ã g i ấ u t i n l u ô n b ằ n g n h a u ■ D u n g lư ợ n g g iấ u tin ỉó n • T h ị i g ia n t h ự c h iệ n n h a n h SHD PGS- ÍSKH Sgnyén Xttán Huy 70 STH Dinh Xgọc Tri¿11 ¡.¡lận vùn Thạc sỉ: Biio mật bàng kỹ thuật mã hoá giấu tin / CHƯƠNG K É T L U Ật N V À H Ư Ớ N G P H Á T T R I Ẻ N 5.1 K ết luận: Đe tài nahiên cứu dược số vấn đề lý thuyết liên quan đến hệ mã hóa thơns tin kỹ thuật che giấu thơng tin môi trường ảnh Gốm nội dung sau: -Tim hiểu hệ mã đối xím ,frệ mã khơna đối xứng ứng (tụng hệ mã công khai cho chừ ký số -Kỹ thuật £Ĩấu tin trons, môi trườn» ảnh -Cài đặt chương trình mã hóa giấu thơng tin ảnh bitmap 24 màu 'Cơ sờ toán học phục vụ cho việc mă hóa Ìấu tin 5.2 H irớ ng p h t triên: Giấu tin trona, Audio siấu tin trons Video NHŨ: PGS- ĨSKH Nỵuyễn Xnàn Huy 71 NTH: Đinh Vẹợc Triều Luận vàn Thạc SỸ\ Bão mật kỹ thuật mã hoú VÌI ginu till ị T À I L IỆ U T H A M K H Ả O Tiens Việt [1] Lương Mạnh Bá, Nguyễn Thanh Thuỷ (1999), "Nhập xử ỉỷ ảnh sổ", N hà xuất Khoa học vả kỹ thuật, tr 17 " 33 [2] Lê Tấn H ùns, Huỳnh Quyết Thắng (2000), "Kỹ thuật đồ hoạ", Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, tr 126 - ỉ 66 [3] N guyền Xuân Huv, Trần Quốc Dũng (2003), "Một kỹ thuật giấu tin Sỡ thuỷ ấn ành", Giáo trình [4] N gơ Q uốc Tạo (2003), "Xử ỉý ảnh”, Bài giảng [5] Trịnh Nhật Tiến (2003), "An toàn liệu", Bài giảng [6] N suvễn Văn V ỵ (2002), "Phân tích thiết kể hệ thống thơng tin đại", Nhà xuất Thốn« kê, tr 86 - 91 Tiens Anh [7 | Anil K Jain ( ỉ 986), Fundamentals o f Digital Image Processing”, Prentice Hall, Englew ood C hiffs, NJ 07632, pp 47 - 75 [8] B Pfitzmann (1996), “ Information Hiding Terminology”, Proc First ínt’ W orkshop Information Hiding, Lecture N otes in Com puter Science N o ,174, Springer - Veriag, Berlin, pp 347 - [9] D anley Harrisson (2002), ^An Introduction to Steganography”, Lecture N otes, pp - [10] Eugene T Lin and Edward J D eỉp (1998), “A Review o f Data Hiding in Digital Images”, School o f Electical and Computer Engineering Purdue U niversity W est Lafayette, Indiana, pp 15 - 39 \h'D- PuS-TSKH SịỊuyửỉt VrrtwH'.r 72 A77/ Đinh Xịịọc Triều Ln van Thac sy: Bào mût bỵing câc kÿ thuât ma hoâ giâu tin [11] Stefan Katzenbeisser, Fabien A.P Peticolas (1999), "Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking", Artech House, Boston - London, pp - 24 [12] Fabien A.P Peticolas, Ross J.Ànderson and Markus G.Kuhn (1998) “Attack on Copyright Marking System ”, Second workshop on information hiding, in vol 1525 o f Lecture, N otes in Computer Science, Portland, Oregon, U SA 14 - 17, pp 218 - 238 H ttp://w w w cs.uct.ac.za/courses/cs400w /nis/paper99/dsellars/stego.htm l [13] J.Fridrich, Applications o f data hiding in digital im ages, Center for Intelligent System , SU N Y Bingham ton, N Y 13902 - 6000, U S A , and M ission Research Corporation [14] Lisa M M arvel, Charles G Boncelet, Charles T Retter, Spread Spectrum Image Steganography, IEEE Transactions On Image, V o l.8, N o 8, August 1999, 1075-1083 [15] Mahalingam Ramkuma, Ali N.Akansu, “Information Theoretic Bounds for Data Hiding in Compressed Images”, Department o f Electrical and Computer E n g in e erin g , N ew Jersey Institute o f T echnology, N ew Jersey Center for M ultim edia Research, University H eightsm N ew ark, NJ, 07102 [16] M ahalingam Ramkumar, Ali N Akansu, A Aydin Alatan, “A Robust Data Hiding Scheme For Image Using D F T \ Department o f Electrical and Computer Engineering, N ew Jersey Institude o f T echnology, N ew Jersey Center for M ultimedia Research, University Heights, N ew ark, NJ 07102 [17] Mahalingam Ramkurmar and Ali N Akansu, “ Theoretical Capacity Measures for Data Hiding in Compressed Images”, Department o f Electrical and Computer Engineering, N ew Jersey Institute o f Technology, \ HD- Pr,S- TSKH Sj’uyèn Xiuht Hu\ 73 XTH: Dinh S!$oc Triéu Lt/an vân Thac vv: Biio mât bang câc kÿ thuât mil hoâ giâu tin N ew Jersey Center for Multimedia Research, University Heights, Newark, NJ 07102 [18] Martin Kutter, Fridric Jordan, Frank Bossen, “.D igital Signature o f Color Images using Amplitude Modulation”, 1015 Lausanne Switzerland [19] N eil F.Johnson, Sushil Jajodia, Steganalysis o f Images Created Using Current Steganography Software, Center for Secure Information Systems, George M ason University, Fairfax, Virgina 22030- 4444 [20] N iels Provos, Peter Honeyman, Detecting Steganographic Content on the Internet, CITI Technical Report 01-11 [21] R Ohbuchi, Data Embedding Algorithms fo r Geometrical and Non- Geomrical Tagets in Three-Dimensional Polygonal Models, Computer Com m unication, Eisevier Science B.V [22] R Z W ang, C F Lin, and J C Lin Image Hiding by LSB Substitution and G enetic Algorithm, Proceedings o f International Symposium on Multimedia Information Processing, Chung-Li, Taiwan, R.O.C, Decem bei 9 ,6 -6 [23] W Bender, D Gruhl, N M orimoto, A Lu, Techniques for data hiding, /BMSystem Journal Vol 35, N o 3& 4, 1996 - MIT M edia Lab \'i/L~>- TSKH \guyên Huy 74 S'TH: Dinh ,\:goc Triùu Luận ván Thục Vi': Bào mật kỹ thuật mã hơá giấu tin PỈIỤ LỤC Cơ sỏ' tốn học Thuột tốn Euciide D ì m « thuật t o n đề tim ước số c h u n g lớn nh ấ ĩ c ủ a số n a u y ê n đ n ° a v b C h o a b N a > b > ! Đặt a=T0, b=rj B ằ n « cách t h ự c dãv tiên tiếp cá c p h é p chia, ta có: r o = q i r ^ r 2, íron g - TSkH.y nr ifì iủi! //:•■> Xj Mang giá trị Offset byte băt đâu vùng; liệu V77/ Dinh VỊỊOCTriều Luận văn Thạc sỹ: Bảo mật kv thuật mã hoá giấu tin 334 Kich thước ảnh 338 442 446 550 554 4*N Độ phân giải ngang Độ phân giải theo chiêu đoc Sô màu sử dụng ảnh Các màu quan trọng ảnh Bảng màu * Tính băng bytes kích thước ảnh nén Tính băng pixels/meter Tính băng pixels/meter Palette màu: ảnh nhỏ hit màu có paỉette màu Sau đãv ỉà bảng màu Đ ịa O ffset i (0 RgbBlue iI RgbGreen :2 RgbRed :3 RgbReserved • Ý nglũa Ị i i Giá trị cho màu xanh blue Tên I Giá trị cho màu xanh Green 1 Giá tri cho màu đò i Ị Dự trữ BitmapData: Phần nằm sau phần palette màu ảnh BMP Đây phần chứa giá trị màu điểm ảnh BMP Các dòng ảnh lưu từ lên trên, điểm ảnh lưu từ trái sang phải Giá trị điểm ảnh lả số trỏ tởi phần tử màu tương ứng Palette màu SHD p GS-TSKHXqityenXiuì/1 tiuy 82 STH: Đinh Triếu ... Thạc sv: Bú« mật kỹ thuật mã hố VÌI giấu tin 1.4.1.Hệ mã đổi xứng (hệ cổ điển) Quá trinh mã hoá giải mã sử clụns thuật toán đối xứng lảm khoá V iệc để ]ộ bàn tin mã hoá thuật toán khoá cỉễ dàng... kỹ thuật mã h»á giấu tin Trong bảo mật đùng khố bí mật cịn gọi !à hệ bảo mật đổi xứng (symmetric cryptography), khố bí mật đỏ sử dụng cho hai tiến trinh mã hoả giải mã Hệ thống dùng khoá bi mật. .. thức mã hoá, key dùng cho mã hố ỉẫn giải mã tron» hệ mật mã đổi xứng Với cách khác dim s khố khác cho mã hố aiải mã hệ mật mã không đối xứns Vấn đề bảo mật ứns dụn° nhiều lĩnh vực hơn, khơn« lả mã