Đang tải... (xem toàn văn)
Thậm chí chúng ta cũng có thể tăng cường bảo mật hơn nữa bằng cách sử dụng thêm một ánh xạ hỗn loạn để mã hóa thông điệp trước khi đem XOR với vật phủ và một ánh xạ hỗn loạn khá[r]
(1)ISSN: 1859-2171 TNU Journal of Science and Technology 200(07): 75 - 81
ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP ẨN MÃ VỚI MẬT MÃ KHÔNG SỬA VẬT PHỦ
Trần Thị Xuyên, Đặng Xuân Bảo*, Hoàng Thu Phương, Nguyễn Thị Hồng Hà Học viện Kỹ thuật Mật mã TÓM TẮT
Ngày việc sử dụng đa phương tiện để trao đổi thông tin trở nên phổ biến Vì thế, vấn đề đảm bảo an tồn q trình truyền tin quan trọng, đặc biệt thơng tin bí mật Có hai cách phổ biến dùng để bảo vệ tính bí mật cho thơng tin cần trao đổi sử dụng thuật tốn mã hóa ẩn mã Thuật tốn mã hóa giúp biến rõ thành mã khơng biết khóa khơng thể giải mã Trong đó, ẩn mã lại giấu tồn thông điệp vào vật phủ khác, nên kẻ cơng khơng nghi ngờ có trao đổi thơng tin bí mật bên Để nâng cao độ an tồn, có nhiều phương pháp sử dụng ẩn mã mật mã, theo thơng điệp thường mã hóa nhúng vào vật phủ Nhưng cách này, vật ẩn mã thay đổi so với vật phủ ban đầu nên bị phát phân tích lược đồ histogram giá trị PSNR Chính dung lượng nhúng thường không nhiều để đảm bảo yêu cầu độ suốt Bài báo giới thiệu phương pháp kết hợp ẩn mã với mật mã nâng cao dung lượng nhúng mà cịn khơng thay đổi vật phủ
Từ khóa: Ẩn mã; mật mã; vật phủ; histogram; PSNR
Ngày nhận bài: 21/3/2019;Ngày hoàn thiện: 11/4/2019;Ngày duyệt đăng: 07/5/2019 A PROPOSED METHOD COMBINING STEGANOGRAPHY AND CRYPTOGRAPHY WITHOUT MODIFYING THE COVER OBJECT
Tran Thi Xuyen, Dang Xuan Bao*, Hoang Thu Phuong, Nguyen Thi Hong Ha Academy of Cryptography Techniques ABSTRACT
Recent, it is very popular to use multimedia to communicate in digital age Thus, protecting transfered data, especially confidential information, is an interested issue Two methods to protect confidential data are encryption and steganography Encryption algorithm converts a plaintext to a ciphertext and everyone only can decrypt it by the secret key While steganography hides message into a cover object, this helps to protect the existence of message from attacker To increasing security level, there are many methods combining steganography and cryptography to embed ciphertext into the cover object However, we can detect the difference between the stego object and the cover by analyzing histogram or PSNR value and embedded capacity is limited, which affects to imperceptibility In this paper, we propose a new method combining steganography and cryptography to enhance embedded capacity without modifying the cover object
Keywords: Steganography; cryptography; cover image; histogram; PSNR. Received: 21/3/2019; Revised: 11/4/2019;Approved: 07 /5/2019
(2)Trần Thị Xun Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 199(06): 75 - 81 1 Giới thiệu
Ngày nay, việc liên lạc trao đổi thông tin liệu đa phương tiện thông qua mạng Internet trở nên phổ biến Song song với lợi ích nhanh chóng, tiện dụng an tồn thơng tin Người dùng mạng Internet ln có mối lo ngại nghe lén, đánh cắp, sửa đổi thông tin cách trái phép, virus hay sâu mạng, Chính việc đảm bảo an tồn thơng tin trở thành nhu cầu cấp bách hết Mật mã ẩn mã hai cách sử dụng phổ biến để nâng cao độ an tồn trao đổi thơng tin mạng Internet Các phương pháp mã hóa với hai nguyên lý chung thay xáo trộn [1] nhằm biến thông điệp dạng rõ thành mã khơng có ý nghĩa Các thuật tốn mã hóa thường sử dụng khóa bí mật khóa cơng khai để mã hóa Đối với mã hóa khóa bí mật, bên gửi bên nhận thống trước khóa khóa phải giữ bí mật Do kẻ cơng khơng biết khóa khơng thể đọc nội dung thơng tin Cịn với mã hóa khóa cơng khai, người gửi mã hóa khóa cơng khai người nhận tất người biết khóa Tuy khơng phải giải mã mã mà người nhận có khóa riêng chuyển mã thành thông điệp rõ ban đầu Một phương pháp khác có tác dụng đảm bảo tính bí mật cho liệu truyền mạng Internet ẩn mã Ẩn mã nghệ thuật che giấu truyền liệu qua vật mang tin hoàn toàn vô hại [11, p.17] Từ ẩn mã tiếng Anh Steganography có nguồn gốc từ Hi Lạp, có nghĩa cách viết che phủ che giấu bao gồm loạt phương pháp giao tiếp bí mật mà che giấu tồn thơng điệp Theo vật dùng để che giấu thông tin gọi vật gốc hay vật phủ, vật sau nhúng tin vào gọi vật mang tin hay vật ẩn mã
Có thể thấy rằng, sử dụng phương pháp mật mã, dù kẻ công
nội dung thông tin đằng sau mã dễ dàng nghi ngờ trao đổi thơng tin bí mật, từ họ tìm cách để cơng Trong đó, phương pháp ẩn mã cho phép che giấu tồn thông điệp vào liệu đa phương tiện khác tệp ảnh số, video, âm thanh, văn [10, p.20] Do kỹ thuật khiến kẻ cơng khơng có nghi vấn hay tị mị thơng điệp bí mật truyền Nói chung kỹ thuật ẩn mã thường thay bit vật phủ, chẳng hạn bit có trọng số thấp (LSB) bit thơng điệp Khi người nhận biết vị trí nhúng thơng tin cần trích xuất bit để thu thơng điệp bí mật
Với nhu cầu bảo vệ an tồn thơng tin ngày nâng cao nên có nhiều nghiên cứu kết hợp ẩn mã mật mã, đa số phương pháp hướng tới việc mã hóa thơng điệp trước sau nhúng mã nhận vào vật phủ Với cách này, kẻ công muốn thu thông điệp trước hết phải phá thuật toán ẩn mã trích xuất thơng tin Kế đó, lại phải tìm khóa thích hợp để giải mã thơng tin vừa trích xuất Biện pháp có nhược điểm vật phủ bị thay đổi so với ban đầu Chính cần phải quan tâm tới việc lựa chọn vị trí để thay bít dung lượng nhúng bị hạn chế để đảm bảo giác quan thông thường người phát biến đổi vật phủ Cách tiếp cận cần phải kiểm tra lược đồ histogram vật phủ so với vật ẩn mã giá trị PSNR để tránh phát có giấu tin Ngoài ra, phương pháp phải xem xét tới phép phân tích khác, chẳng hạn phân tích thống kê để chống lại kiểu công dạng
(3)Trần Thị Xun Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 199(06): 75 - 81
pháp áp dụng tốn hậu tố tổng qt để tìm xâu giống dài vật phủ thơng điệp, từ xác định vị trí bắt đầu kết thúc xâu lưu vị trí vào véc tơ, vật phủ hai bên thống với từ trước Thơng tin gửi cho bên nhận véc tơ bên gửi dùng véc tơ nhận để trích xuất thơng điệp vật phủ biết Kẻ cơng dù có bắt véc tơ mà hai bên trao đổi khơng có vật phủ khơng thể biết nội dung thông điệp thực Bài báo này, dựa ý tưởng giấu thông điệp mà không sửa đổi vật phủ thay xác định xâu giống dài vật phủ thông điệp chúng tơi sử dụng véc tơ nhị phân để lưu giá trị giống khác vật phủ thơng điệp, theo bit vật phủ thơng điệp giống lưu giá trị 0, ngược lại lưu giá trị vào véc tơ Việc thực đơn giản với phép tốn XOR bit thơng điệp ảnh phủ Với phương pháp đề xuất này, giấu thơng tin bít vật phủ nên dung lượng nhúng tăng lên đáng kể so với phương pháp khác Véc tơ nhị phân gửi có người nhận chủ định biết vật phủ thực để trích xuất thơng điệp Để tăng cường độ an tồn, véc tơ trước gửi cho người nhận thực mã hóa ánh xạ hỗn loạn Bài báo bao gồm phần, phần tổng hợp giới thiệu số nghiên cứu phương pháp kết hợp ẩn mã với mật mã Phần chúng tơi trình bày phương pháp đề xuất Phân tích đánh giá độ an tồn phương pháp đề xuất trình bày phần Kết luận cuối trình bày phần
2 Các nghiên cứu liên quan
Mihir H Rajyaguru [1] đề xuất phương pháp kết hợp mật mã ẩn mã Thông điệp cần trao đổi mã hóa khóa mà tạo thiết bị sinh khóa ngẫu nhiên sau nhúng vào vật phủ
Shamim Ahmed Laskar, Kattamanchi Hemachandran [2] đề xuất phương pháp giấu liệu sử dụng kỹ thuật ẩn mã LSB kết hợp với mã hóa chuyển vị Thơng điệp trước tiên mã hóa cách xếp thành ma trận cỡ lấy chuyển vị để mã Kết q trình mã hóa nhúng vào vật phủ sử dụng kỹ thuật thay LSB
Shailender Gupta, Ankur Goyal, Bharat Bhushan [3] đề xuất lược đồ ẩn mã với mật mã để nâng cao độ an toàn Ý tưởng phương pháp trước tiên thông điệp mã hóa cách sử dụng thuật tốn RSA Diffie Hellman chuyển giá trị ASCII mã hóa sang thành dạng nhị phân Tiếp theo chuỗi nhị phân nhận nhúng vào ảnh phủ phương pháp thay LSB
(4)Trần Thị Xuyên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 199(06): 75 - 81
gán thành bít liệu Trường hợp 3, giá trị thơng điệp khơng giá trị màu xanh tiếp tục so sánh với giá trị màu xanh da trời, (+/-7 (giá trị thập phân)) mảng nhận giá trị (giá trị nhị phân 10) giá trị màu xanh da trời gán thành bít liệu Trường hợp cuối cùng, giá trị thông điệp không giá trị màu xanh da trời thực nhúng tin phương pháp LSB mảng nhận giá trị (giá trị nhị phân 11) Và trường hợp cuối bít thơng điệp nhúng vào bít LSB màu đỏ, bít nhúng vào bít LSB màu xanh bít cuối nhúng vào bít LSB màu xanh da trời Có thể thấy phương pháp cho phép nhúng dung lượng lớn với bít điểm ảnh
Trong [5] tác giả đề xuất phương pháp ẩn mã dựa lý thuyết hỗn loạn miền khơng gian, theo ánh xạ hỗn loạn dùng để mã hóa thơng điệp bí mật sau nhúng mã vào ảnh phủ Ở phương pháp này, giá trị điểm ảnh RGB thuật toán nhúng bít thơng điệp, bít nhúng vào bít LSB màu đỏ (R), bít nhúng vào bít LSB màu xanh (G) bít cịn lại nhúng vào bít LSB màu xanh da trời (B) Lý thuyết hỗn loạn áp dụng để tạo chuỗi nhị phân từ chuỗi hỗn loạn vừa sinh thông qua giá trị trung bình chuỗi gọi ngưỡng Chuỗi nhị phân mã hóa thơng điệp trước đem nhúng vào vật phủ cách XOR với chuỗi thông điệp để mã Trong phương pháp tác giả đề xuất chia thông điệp thành phần nhỏ mã hóa chuỗi hỗn loạn khác (sử dụng điều kiện khởi tạo khác nhau)
Trong [6] phương pháp ẩn mã sử dụng hai ánh xạ hỗn loạn đề xuất Ánh xạ thứ dùng để lựa chọn cách hỗn độn vị trí điểm ảnh dùng để nhúng thơng điệp vào Bằng cách gia tăng độ an
tồn khó dự đốn thơng điệp nhúng đâu Ánh xạ cịn lại dùng để giấu thơng điệp Ngồi ra, tác giả đề xuất số cách để làm tăng khó đốn tăng độ bền vững, chẳng hạn sử dụng ánh xạ hỗn loạn để xác định điều kiện khởi tạo cho ánh xạ hỗn loạn thứ hai
Trong [7] tác giả giới thiệu phương pháp truyền thông điệp an toàn cách sử dụng mật mã kết hợp với ẩn mã Bên gửi áp dụng hai thuật toán mật mã để mã hóa thơng điệp bí mật Trước tiên bên gửi mã hóa thơng điệp thuật tốn mã hóa góc (agular encryption algorithm) để biến thơng điệp thành ảnh mã hóa cách kết hợp thơng điệp với ảnh phủ Khóa q trình mã hóa ảnh phủ điểm ảnh
ngẫu nhiên ảnh phủ Sau thuật tốn biến đổi sử dụng để kết hợp ảnh mã hóa nhận với ảnh phủ để tạo văn trung gian mã thơng điệp ban đầu Khóa thuật tốn biến đổi ảnh phủ Bản mã thơng điệp sau giấu ảnh phủ sử dụng phương pháp ẩn mã LSB với khóa bí mật Các tác giả sử dụng thuật tốn RSA để mã hóa khóa (gồm điểm ảnh khóa dùng thuật tốn LSB) truyền khóa cho người nhận
(5)Trần Thị Xun Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 199(06): 75 - 81
cây bít cịn lại nhúng vào LSB thành phần màu xanh da trời Có thể thấy dung lượng thông tin giấu phương pháp lớn, bên cạnh việc cài đặt thuật tốn dễ dàng
Có thể thấy phương pháp hầu hết phương pháp kết hợp ẩn mã với mật mã thực mã hóa thơng điệp cần trao đổi trước nhúng mã thơng điệp vào vật phủ Chính q trình nhúng thường làm thay đổi vật phủ ảnh hưởng tới chất lượng vật phủ Mặt khác để tăng dung lượng nhúng phải sử dụng nhiều bit điểm ảnh để thay bit thông điệp Do cách kết hợp phải cân hai yêu cầu ẩn mã dung lượng nhúng việc khó cảm nhận thay đổi chất lượng ảnh mắt thường Challita,K Farhat [4] đề xuất phương pháp ẩn mã kết hợp mật mã không thay đổi vật phủ Trước tiên người gửi người nhận thống sử dụng ảnh phủ để gửi thông điệp Người gửi xác định bit thông điệp mà giống với bit vật phủ lưu lại vị trí chuỗi bit giống vào véc tơ Véc tơ sau mã hóa gửi cho bên nhận Phía người nhận nhận véc tơ đối chiếu vào ảnh phủ biết để trích xuất thông tin thực mà người gửi muốn trao đổi Các tác giả áp dụng tốn tìm xâu dài sử dụng phương pháp hậu tố tổng quát để cải thiện độ phức tạp thuật tốn cịn Trong báo này, chúng tơi đề xuất giải pháp không sửa vật phủ, nhiên so với [4] phương pháp đơn giản dễ dàng cài đặt thuật toán độ phức tạp tuyến tính
3 Đề xuất phương pháp ẩn mã kết hợp mật mã không sửa vật phủ
Trong phương pháp nhúng thông điệp theo cách không sửa vật phủ lưu lại giá trị 0/1 ứng với bít giống
và khác thông điệp vật phủ vào véc tơ, vị trí nhúng đầu vật phủ thỏa thuận trước Véc tơ sau mã hóa sử dụng ánh xạ logistic để tăng cường tính bảo mật
3.1 Ánh xạ logistic
Đặc tính bật ánh xạ hỗn loạn nhạy cảm với điều kiện ban đầu, tức cần thay đổi nhỏ giá trị ban đầu giá trị sinh hồn tồn khác Chính vậy, lựa chọn sử dụng ánh xạ hỗn loạn nêu tài liệu [5] để gia tăng an tồn kẻ cơng khó đoán chuỗi hỗn loạn
3.2 Phương pháp đề xuất
(6)Trần Thị Xuyên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 199(06): 75 - 81
Thuật toán cụ thể phương pháp gồm hai trình sau:
1) Thuật tốn nhúng 2) Thuật tốn trích xuất 3.2.1 Thuật tốn nhúng
Bước 1: Nhập ảnh mang tin thông điệp cần giấu, chuyển ảnh mang tin thông điệp sang dạng nhị phân kí hiệu Bước 2: Véc tơ
Bước 3: Mã hóa véc tơ sử dụng ánh xạ hỗn loạn
Bước 4: Gửi kết mã hóa cho người nhận 3.2.2 Thuật tốn trích xuất
Bước 1: Giải mã để thu véc tơ sử dụng ánh xạ hỗn loạn
Bước 2: Chuyển ảnh phủ sang véc tơ nhị phân kí hiệu
Bước 3: Véc tơ
Bước 4: Chuyển véc tơ nhị phân thành thông điệp
Thông điệp Vật phủ Vật phủ
Chuyển sang nhị phân
Chuyển sang nhị phân
Chuyển sang kí tự
Thơng điệp Chuyển sang
nhị phân
Giải mã
Bản mã Mã hóa
Bản mã
Thống vật phủ
Truyền kênh Khơng an tồn
Hình 1.Mơ hình kết hợp ẩn mã mật mã không sửa vật phủ 4 Phân tích đánh giá
Thuật tốn đơn giản việc thực cài đặt với độ phức tạp tuyến tính Việc thực mã hóa sử dụng ánh xạ hỗn loạn bước trình nhúng tin làm tăng độ an tồn Kẻ cơng chặn bắt véc tơ nhị phân giải mã biết tham số bí mật hàm hỗn loạn mà hai bên sử dụng Có thể thấy rằng, số lượng giá trị tham số bí mật vô hạn, ưu điểm việc đảm bảo an toàn liệu dùng hàm hỗn
(7)Trần Thị Xuyên Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 199(06): 75 - 81
trong điểm ảnh Tuy nhiên với thuật tốn tận dụng tất bit điểm ảnh mà quan tâm tới thay đổi biểu đồ histogram hay giá trị PSNR Ví dụ, với ảnh phủ có kích thước , điểm ảnh biểu diễn dạng bit dung lượng thơng điệp nhúng vào Tất nhiên thuật tốn tồn nhược điểm là, kẻ công dễ dàng biết độ dài thơng điệp, bên cạnh kỹ thuật ẩn mã thường khơng gây tị mị việc truyền tin cho kẻ cơng thuật tốn chúng tơi chưa giải vấn đề thơng điệp gửi véc tơ mã hóa Ngồi vấn đề thống vật phủ thực tế điều đơn giản Mặc dù vậy, việc mã hóa véc tơ, giảm nguy lộ thông tin kẻ công biết vật phủ sử dụng Chính độ an tồn thuật tốn nằm bí mật vật phủ tham số hàm hỗn loạn
5 Kết luận
Trong báo chúng tơi đưa thuật tốn ẩn mã kết hợp với mật mã nhằm nâng cao độ an tồn q trình truyền tin Ưu điểm phương pháp không biến đổi vật phủ, dung lượng nhúng lớn nhiều so với hầu hết phương pháp ẩn mã khác Hơn thuật toán đơn giản độ phức tạp tuyến tính Tất nhiên thuật tốn tồn nhược điểm định kẻ công dễ phán đốn độ dài thơng điệp, gây ý kẻ cơng hay khó khăn việc thống vật phủ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] M H Rajyaguru, “CRYSTOGRAPHY-Combination of Cryptography and Steganography With Rapidly Changing Keys”, Int J Emerg Technol Ad Eng, 2(10), pp 329-332, 2012
[2] Shamim Ahmed Laskar, Kattamanchi Hemachandran, “High capacity data hiding using LSB steganography and encryption”, International Journal Database Management Systems, Vol.4, N0.6, 2012
[3] S Gupta, A Goyal, & B Bhushan, “Information hiding using least significant bit steganography and cryptography”, International Journal of Modern Education and Computer Science, 4(6), pp 27, 2012
[4] K Challita, & H Farhat, “Combining steganography and cryptography: new directions”, International Journal of New Computer Architectures and their Applications (IJNCAA), 1(1), pp 199-208, 2011
[5] Debiprasad Bandyopadhyay, Kousik Dasgupta, J K Mandal, Paramartha Dutta, “A novel secure image steganography method based on chaos theory in spatial domain”, International Journal of Security, Privacy and Trust Management (IJSPTM), Vol 3, No 1, 2014 [6] Anoop Kurmar Tiwari, Ajay Rajpoot, K K Shukla, S Karthikeyan, “A Robust Method for Image Steganography based on chaos theory”, International Journal of Computer Applications, (0975 – 8887) Volume 113 – No 4, 2015
[7] A Aswathy Nair, Deepu Job (2014), “A Secure Dual Encryption Scheme Combined With Steganography”, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Volume 13, Number 5, 2014
[8] Dr S Bhargavi, M J Shobha, T N Swetha, M J Pushpa, “An image steganography based on logistic chaotic map in spatial domain”, International Journal of Research In Science & Engineering, Volume Special Issue
[9] Mohammad Ahmad Alia, Abdelfatah A Yahya, “Steganography LSB Match”, European Journal of Scientific Research, ISSN 1450-216X Vol 40 No 2, pp.223-231, 2010
[10] Gregory Kipper, Investigator’s guide to steganography, CRC Press, ISBN-10: 0-8493-2433-5, 2004
[11] Neil F Johnson, Zoran Duric, and Sushil Jajodia, Information hiding: Steganography and watermarking-Attacks and countermeasures, Springer-Science+Business media, LLC, ISBN-13: 978-1-4613-6967-7