Bảo mật thông tin trên cơ sở giấu tin trong ảnh

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I KHOA C Ô N G NGHỆ TR ẦN CÔNG H O À BẢO M Ậ T T H Õ N G T IN T R Ê N c s G IẤ U T IN T R O N G Ả N H CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: 1.01.10 L U Ậ■ N V Ă N T H Ạ■ C s ĩ NGƯÒI HUỐNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH NGUYỄN X U ÂN HUY MỤC LỤC T n g MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT THÔNG TIN 1.1 Bảo mật thông tin dùng phương pháp mã hoádữ liệu 1.1.1 Thuật tốn mã hố sử dụng khố bí m ật 10 1.1.2 Các thuật toán mã hố sử dụng khố cơng khai 12 1.2 Giấu tin môi trường Multimedia 14 1.2.1 Lịch sử giấu thông t in .15 1.2.2 Bài tốn giấu thơng tin mơi trường multimedia 16 1.2.3 Phân loại phương pháp giấu tin, số khái niệm tính chất 17 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT GIẤU TIN TRONG ẢNH 2.1 Một số vấn đề liên quan tới ảnh môi trường 27 2.1.1 Mơ hình mầu 27 2.1.2 Nguyên tắc lưu trữ ảnh môi trường số 31 2.1.3 Cấu trúc số kiểu ảnh 33 2.2 Mơ hình q trình giấu thơng tin 41 2.3 Giới thiệu phương pháp giấu tin ảnh 42 2.3.1 Phương pháp sử dụng kỹ thuật LSB 43 2.3.2 Phương pháp sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh 44 2.3.3 Phương pháp sử dụng kỹ thuật "mặt nạ giác quan" 46 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN GIẤU TIN TRONG ẢNH .47 3.1 Thuật tốn giấu thơng tin khối b 47 3.1.1 Thuật toán chuẩn 47 3.1.2 Thuật toán cải tiến CPT 49 3.1.3 Thuật tốn cải tiến có tính đến vấn đề chất lượng ảnh 52 3.2 Thuật tốn giấu thơng tin sử dụng kỹ thuật LSB 56 3.2.1 Ảnh 24 bít màu ảnh đa cấp xám 56 3.2.2 Ảnh nhỏ hay 256 mầu 58 3.3 Phân tích phương pháp giấu tin ảnh sử dụng kỹ thuật LSB 61 3.3.1 Giới thiệu kỹ thuật giấu tin qua "bài toán người tù" .61 3.3.2 Mơ hình thống kê kỹ thuật LSB 63 3.3.3 Khả giấu tin kỹ thuật L S B 65 3.4 Các hạn chế kỹ thuậtgiấu t in 68 3.5 Các công biện phápkhắc phục kỹ thuật giấu t in 68 PHỤ LỤC 73 KẾT LUẬN CHUNG 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 MỞ ĐẦU Ngày nay, người đạt thành tựu to lớn lĩnh vực đời sống lĩnh vực khoa học - kỹ thuật, văn hoá - nghệ thuật, kinh doanh, kỹ thuật quân lĩnh vực khác Nhiều phát minh, sáng kiến đời nhằm phục vụ đối tượng quan trọng, người Có thực trạng nảy sinh đôi với phát minh, sáng kiến, thành tựu khoa học tiên tiến vấn đề chép quyền, giả mạo thông tin, khai thác, phá hoại thông tin cách bất hợp pháp phát triển mạnh Chính lĩnh vực lại phát sinh nhu cầu giữ bí mật thơng tin mình: hoạt động kinh doanh tính cạnh tranh thị trường dẫn tới nhu cầu bí mật thơng tin kinh doanh; lĩnh vực quân để có tiềm quân mạnh việc giữ bí mật kỹ thuật qn tối quan trọng; hoạt động văn hoá - nghệ thuật việc bảo vệ quyền tác phẩm văn hoá, nghệ thuật đặt ra; lĩnh vực khoa học - kỹ thuật vấn đề giữ quyền phát minh, sáng kiến quan tâm cách nghiêm túc Tất nhu cầu nêu đặt cho nhiệm vụ cấp bách việc bảo vệ thông tin quan trọng trước cơng từ bên ngồi Để thực nhiệm vụ đó, cần giải u cầu an tồn thơng tin bí mật thơng tin Lịch sử có kỹ thuật đưa nhằm đáp ứng yêu cầu trên, kỹ thuật mật mã (Cryptography) sau phát triển thành môn khoa học mật mã (Cryptology) Đây kỹ thuật sử dụng để mã hoá liệu nhằm biến đổi liệu có nghĩa ban đầu thành thông tin vô nghĩa đối tượng truy nhập trái phép Kỹ thuật giải yêu cầu an toàn liệu Cùng với lịch sử phát triển kỹ thuật mật mã, có hướng tiếp cận khác tới vấn đề bảo vệ thơng tin, kỹ thuật giấu tin (Steganography) Thay biến đổi nội dung, kỹ thuật giấu tin tìm cách để "nhúng" thơng tin vào mơi trường mang với mục đích che giấu, làm cho đối phương khơng nhận biết có mật thơng tin này, nói cách khác, đối phương khơng thể đưa định chắn môi trường mang có giấu thơng tin Để tăng thêm độ phức tạp truy nhập thông tin trái phép, xu hướng kết hợp hai kỹ thuật mã hố giấu tin Trong trường hợp này, thơng tin ban đầu dạng rõ mã hố kỹ thuật mật mã sau mã "nhúng" vào môi trường mang nhờ kỹ thuật giấu tin Các nghiên cứu [1,5,11,13,151 đề xuất nhiều loại môi trường mang tin khác nhau, từ môi trường đơn giản file văn môi trường phức tạp file âm thanh, hình ảnh, video gọi chung mơi trường multimedia chí mơi trường phần header gói tin TCP/IP Trong file hình ảnh (images) môi trường đề cập tới nhiều nhất, điều chứng tỏ mơi trường lý tưởng cho việc giấu thông tin Giấu tin có vai trị quan trọng việc bảo vệ thơng tin, đảm bảo yếu tố bí mật thơng tin Để tiếp thu phát triển lĩnh vực khoa học bổ ích mẻ này, vấn đề nghiên cứu kỹ thuật giấu tin yêu cầu đặt Xuất phát từ tính cấp thiết nêu trên, luận văn tốt nghiệp thực với đề tài "Bảo mật thông tin sở giấu tin ảnh" Đề tài nhằm thực nghiên cứu số vấn đề liên quan tới kỹ thuật giấu tin trình bày kết sau: > Tim hiểu yêu cầu tốn bảo mật thơng tin, từ trình bày hai hướng tiếp cận tới tốn này, hướng tiếp cận theo cách mã hoá liệu, số thuật toán mã hoá quan trọng; hướng tiếp cận thứ hai theo cách giấu thông tin, vấn đề quan trọng liên quan tới việc giấu thông tin > Từ cách tiếp cận thứ hai nêu trên, đề tài trình bày kỹ thuật giấu tin ảnh, phương pháp hay sử dụng kỹ thuật giấu tin > Đưa thuật toán giấu tin trọng tâm thuật tốn xử lý ảnh đen trắng ảnh đa cấp xám loại ảnh hay sử dụng để giấu tin lý kích thước nhỏ, dung lượng giấu mức chấp nhận, thích hợp cho việc truyền mạng thơng tin Phân tích thuật tốn giấu tin điển hình, thuật tốn giấu tin vào miền bit LSB > Đưa chương trình mơ kỹ thuật giấu tin ảnh đa cấp xám Bô cục luận văn: phần mở đầu, phụ lục, tài liệu tham khảo luận văn trình bày ba chương: Chương 1: Tổng quan toán bảo mật thông tin Chương 2: Kỹ thuật giấu tin ảnh Chương 3: Thuật tốn giấu thơng tin ảnh Các chương có nội dung cụ thể sau: Chương 1: Tìm hiểu phương pháp mã hố liệu, thuật tốn gồm hai loại là: thuật tốn mã hố dùng khố bí mật thuật tốn mã hố dùng khố cơng khai Việc giấu tin môi trường multimedia, lịch sử trình giấu thơng tin Phát biểu tốn giấu thơng tin môi trường multimedia Phân loại phương pháp giấu tin, tìm hiểu số khái niệm tính chất kỹ thuật giấu tin Chương 2: số vấn đề liên quan tới ảnh mơi trường: mơ hình mầu, nguyên tắc lưu trữ ảnh môi trường số cấu trúc số kiểu ảnh Một mơ hình tổng qt q trình giấu thơng tin trình bày Giới thiệu số phương pháp giấu tin ảnh, gồm phương pháp sử dụng kỹ thuật LSB (Least Significant Bít), phương pháp sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh (transform techniques), phương pháp sử dụng kỹ thuật "mặt nạ giác quan" (perceptual masking) Chương 3: trình bày thuật tốn giấu thơng tin, gồm: thuật tốn giấu tin khối bít, thuật tốn giấu tin sử dụng kỹ thuật LSB Phân tích kỹ thuật giấu tin vào miền bit LSB, kỹ thuật đơn giản hay sử dụng, gồm phần cụ thể: giới thiệu kỹ thuật LSB thơng qua "bài tốn người tù" (prisoner's problem), mô lùnh thống kê kỹ thuật LSB, tính tốn khả giấu tin kỹ thuật LSB Chương trình bày hạn chế kỹ thuật giấu tin công kỹ thuật giấu tin biện pháp khắc phục cơng Phần phụ lục luận văn trình bày cách cài đặt thuật tốn giấu tin thơng qua chương trình mơ kỹ thuật giấu tin ảnh Trong trình thực đề tài, tác giả nhận trợ giúp động viên nhiều người phải kể đến cơng sức đào tạo Thầy Cô giáo thuộc Khoa Công nghệ -Đại học Quốc Gia Hà nội Viện Công nghệ thông tin, động viên tinh thần đồng nghiệp, bạn bè gia đình Đặc biệt tác giả xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc tới PGS TSKH Nguyễn Xuân Huy, người Thầy trực tiếp hướng dẫn để mang lại kết luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỂ CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO MẬT THÔNG TIN Từ phát sinh nhu cầu bảo mật thơng tin, lồi người đưa nhiều giải pháp khác để phục vụ cho nhu cầu Với nhìn khái quát, có hai cách tiếp cận tới tốn bảo mật thơng tin cách tiếp cận thứ nhất: cố gắng biến đổi thơng tin cho người muốn khai thác thơng tin bị biến đổi hồn tồn khơng có ý nghĩa Cách tiếp cận thứ hai thông tin nên giấu vào môi trường cho dựa vào hệ thống giác quan người khơng thể nhận thấy tổn thông tin đồng thời không cảm thấy biến đổi nhỏ môi trường mang thông tin Các nghiên cứu theo hướng tiếp cận thứ hình thành nên phương pháp mã hoá liệu (Cryptology), người tận dụng khả tính tốn máy tính đưa thuật tốn mã hố để biến đổi liệu dạng vô nghĩa Việc giải mã bất hợp pháp nhằm lấy lại thông tin ban đầu (bản rõ) khó khăn thuật toán mã hoá xây dựng dựa tốn có độ phức tạp cao Trong đó, nghiên cứu theo cách tiếp cận thứ hai sâu vào việc tìm hiểu kiểu mơi trường sử dụng để giấu thơng tin vào Hướng tiếp cận hình thành nên kỹ thuật giấu tin (Steganography hay Data Hiding) Qua trình nghiên cứu, người tìm nhiều kiểu mơi trường sử dụng để giấu thông tin, chẳng hạn: file hình ảnh, âm hay video [1,2], chí giấu thơng tin vào tiêu đề gói tin theo chuẩn TCP/IP truyền mạng [5] Chương trình bày khái quát phương pháp mã hoá liệu khái niệm giấu tin mơi trường multimedia 1.1 BẢO MẬT THƠNG TIN DÙNG PHUƠNG PHÁP M Ã HỐ DỮ LIỆ U Mã hố liệu giải pháp sử dụng nhiều lịch sử bảo mật thơng tin Nhờ có mã hố liệu, thơng tin quan trọng truyền kênh truyền thơng cách an tồn, chống truy nhập không hợp lệ vào liệu Trong lịch sử mã hoá liệu nhiều thuật toán mã hoá giới thiệu coi chuẩn mực mã hoá 10 Xét phương thức phân phối khố phân chia thuật toán mã hoá thành hai loại: thuật toán mã hố sử dụng khố bí mật thuật tốn mã hố sử dụng khố cơng khai Chúng ta tìm hiểu cách khái quát vể thuật toán 1.1.1 Thuật toán mã hoá sử dụng khố bí mật 1.1.1.1 MãhốDES Một đại diện tiêu biểu cho phương pháp mã hoá liệu sử dụng khố bí mật phương pháp mã hố liệu cổ điển: mã DES Để mã hố giải mã, hai người lập mã giải mã sử dụng chung khố bí mật Giả sử X thơng tin cần mã hố; y kết phép mã hố; K khố bí mật, ta có: • Phép lập mã: E(x,K) => y • Phép giải mã: D(y,K) = D(E(x,K),K) => X Thuật toán DES sử dụng khố có độ dài 56 bit (H 1.1), mơ tả sau: • Thơng tin chia thành khối 64 bit, thuật toán DES áp dụng cho khối 64 bít • Khối liệu 64 bít cho qua hốn vị IP thứ cho kết dạng rõ có độ dài 64 bít • Kết phép hoán vị chia thành hai nửa LO RO, nửa 32 bít chạy qua 16 vịng lặp phép tốn giống nhau, liệu kết hợp với khố Đến vịng cuối ta đảo R15, L15 11 • Thực phép hốn vị ngược IP 1cho kết vòng lặp ta thu mã K, R1s=L1.ffitfinlK1á) U=R* -& U=R« ( jgĩ ) Bản mà (H 1.1 Sơ đồ thuật toán mã hoá liệu DES) Độ bảo mật thuật toán: vòng lặp thực xen kẽ liên tiếp phép dịch bít phép thay nên độ bảo mật s tâng thêm Yếu tơ' phi tuyến phép tốn s hộp s (S1,S2, ,S8) Người ta khơng biết hộp lựa chọn theo tiêu chuẩn nào, có cài hàm “ cửa sập” hay không? 1.1.12 Các cách dùng DES Dựa tư tưởng thuật tốn DES chuẩn, tuỳ vào mục đích đối tượng sử dụng người ta có nhiều cách tuỳ biến để triển khai DES cách phù hợp có hiệu Dưới số phương pháp đề xuất: ❖ Phương pháp ECB (Electronic Codebook Mode): phương pháp này, rõ chia thành khối x!x2 xn sau sử dụng khố K để mã hố khối Kết cho mã y iy yn, với y^eKXXị) ❖ Phương pháp CFB (Cipher Feedback Mode): rõ chia thành khối x!x2 xn sau sử dụng khố K để mã hố khối Kết cho mã y iy 2.-.yn, với Yi = eKCXi©)',,!) V i> l 12 • Phương pháp CBC (Cipher Block Chaining Mode) OFB(Output Feedback Mode): dùng DES để tạo dịng từ khố Zj sau lập mã y = Xj®Zi (Í>1) Dịng khố ZjZ2 CBC xác định bởi: Z()=IV (một véctơ khởi đầu 64 bít chọn trước); Zi=eK(zM) (i> l) Trong phương pháp OFB, dòng khố ZịZ2 dịng mã y iy xác định bởi: Z0=IV (một véctơ khỏfi đầu 64 bít chọn trước); zi=eK(yi.1) (i> l); yi=Xj®Zi Các phương pháp ECB CBC nhiều Ngân hàng sử dụng làm chuẩn mật mã phương pháp CFB OFB thường sử dụng với mục đích xác nhận 1.1.2 Các thuật toán mã hoá sử dụng khố cơng khai 1.1.2.1 Hệ RSA - Rivest Shamir Adleman RSA thiết kế dựa độ phức tạp tốn phân tích số ngun tơ' lớn thừa số nguyên tố RSA hệ mật mã sử dụng khố cơng khai, người lập mã sử dụng khố cơng khai để lập mã, nhận mã, người giải mã sử dụng khoá bí mật để giải mã Một đặc điểm phương pháp thân người lập mã giải lại mã thân lập khơng có khố giải mã Mô tả hệ RSA: chọn p q số nguyên tố lớn, tất nhiên phải giữ bí mật cặp số Tính n = p*q p = c = zn K = Ị(n, b, a): ab = lmod(n)} (n, b) khố cơng khai sử dụng để lập mã, a khố bí mật sử dụng để giải mã Với K = (K \K ” ), K ’=(n,b), K ” =a, ta có phép lập mã giải mã sau: • Phép lập mã: eK (x) = bít LSB Chương trình gồm hai modul chức : module giấu thơng tin modul khơi phục thơng tin Q trình giấu tin sử dụng dãy giả ngẫu nhiên để rải bít thơng tin vào miền LSB ảnh Q trình khôi phục thông tin sử dụng lại dãy giả ngẫu nhiên để lấy thông tin từ miền LSB Thơng tin cần giấu mã hố trước nhúng vào ảnh thơng qua thuật tốn mã hốn vị đơn giản Trong trường hợp khơi phục thơng tin sau thơng tin tách khỏi ảnh áp dụng lại thuật toán mã hoá để giải mã Ngồi chương trình bổ xung số chức khác hỗ trợ cho việc kiểm tra kết giấu tin Sơ đổ th u ật tốn chức 2.1 Sơ đồ thuật tốn thực giấu byte thơng tin 2.2 Sơ đồ thuật tốn thực khơi phục byte thông tin ... Ảnh thơng tin: • bit - Grayscale • Kích thước 200 X 150 85 (H la ảnh môi trường trước giấu thông tin) V (H lb ảnh môi trường sau giấu thông tin) 86 (H lc ảnh thông tin trước giấu) (H ld ảnh thông. .. việc giấu thông tin > Từ cách tiếp cận thứ hai nêu trên, đề tài trình bày kỹ thuật giấu tin ảnh, phương pháp hay sử dụng kỹ thuật giấu tin > Đưa thuật tốn giấu tin trọng tâm thuật toán xử lý ảnh. .. nêu trên, luận văn tốt nghiệp thực với đề tài "Bảo mật thông tin sở giấu tin ảnh" Đề tài nhằm thực nghiên cứu số vấn đề liên quan tới kỹ thuật giấu tin trình bày kết sau: > Tim hiểu u cầu tốn bảo