Nghiên cứu, tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THƠNG NGUYỄN CAO THẮNG NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Thái Nguyên - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN&TRUYỀN THƠNG NGUYỄN CAO THẮNG NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT VÀ ỨNG DỤNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 848 0101 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS HỒ VĂN CANH Thái Nguyên - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thực thân, hướng dẫn khoa học TS Hồ Văn Canh Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Tất nội dung tham khảo, kế thừa tác giả khác trích dẫn đầy đủ Em xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tác giả Nguyễn Cao Thắng ii LỜI CẢM ƠN Học viên trân trọng cảm ơn quan tâm, tạo điều kiện động viên Lãnh đạo Đại học Công nghệ thông tin & Truyền thông, Đại học Thái Nguyên, thầy cô Khoa Đào tạo sau đại học, khoa đào tạo quý phòng ban Học viện suốt thời gian qua Học viên xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới TS Hồ Văn Canh nhiệt tình định hướng, bồi dưỡng, hướng dẫn học viên thực nội dung khoa học suốt trình nghiên cứu, thực luận văn Xin chân thành cảm ơn động viên, giúp đỡ to lớn từ phía Cơ quan đơn vị, đồng nghiệp gia đình hỗ trợ học viên suốt trình triển khai nội dung nghiên cứu Mặc dù học viên cố gắng, nhiên, luận văn không tránh khỏi thiếu sót Học viên kính mong nhận đóng góp từ phía Cơ sở đào tạo, q thầy cơ, nhà khoa học để tiếp tục hồn thiện tạo sở cho nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 2020 năm Học viên Nguyễn Cao Thắng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN 1.1Giới thiệu chung giấu thông tin 1.2Lịch sử ẩn giấu thông tin 1.3Các thành phần hệ giấu tin 1.4Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.5Môi trường giấu tin 1.5.1Giấu tin ảnh 1.5.2Giấu tin audio 1.5.3Giấu tin video 1.5.4Giấu tin văn 1.6Giấu tin ảnh số 1.6.1Một số khái niệm 1.6.2Mơ hình kỹ thuật giấu 1.7Tính chất, đặc trưng giấu tin ảnh 1.7.1Phương tiện chứa có d 1.7.2Giấu tin phụ thuộc ản 1.7.3Giấu tin lợi dụng khả 1.7.4Giấu tin không làm th 1.7.5Đảm bảo chất lượng ả Kết luận Chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT GIẤU TIN MẬT TRONG ẢNH SỐ 2.1Ảnh số 2.1.1Khái niệm chung iv 2.1.2 Phân loại ảnh 2.1.3 Các định dạng ảnh 2.2 Yêu cầu giấu tin ảnh 2.2.1 Tính bảo mật 2.2.2 Tỷ lệ giấu tin 2.2.3 Tính bền vững 2.2.4 Độ phức tạp tính tốn 2.3 Hai tiêu chí đánh giá giấu tin ảnh 2.4 Một số phương pháp giấu tin ảnh 2.4.1 Giấu tin mật vào 2.4.2 Giấu tin kiểu chèn nh 2.4.3 Phương pháp giấu tin 2.4.4 Các phương pháp giấ 2.5 Một số thuật toán giấu tin ảnh 2.5.1 Thuật toán giấu tin 2.5.2 Thuật toán giấu tin V 2.5.3 Thuật toán giấu tin C 2.5.4 Thuật tốn Chen- Pan 2.6 Mã hóa thơng tin 2.6.1 Sơ lược lịch sử mậ 2.6.2 Các khái niệm 2.6.3 Phân loại Kết luận Chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI PHÁP KẾT HỢP MÃ HĨA VÀ KỸ THUẬT GIẤU THƠNG TIN TRÊN MƠI TRƯỜNG ẢNH 3.1 Mục đích u cầu 3.2 Giải pháp 3.3 Xây dựng chương trình 3.3.1 Lựa chọn phương phá 3.3.2 Giải thuật giấu tin 3.4 Cài đặt thực nghiệm 3.4.1 Cài đặt 3.4.2 Thực nghiệm 3.5 Đề xuất áp dụng vào thực tiễn công tác lĩnh vực A Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO v Ký hiệu, viết tắt AES AN-QP CNSS GCD HVS HAS IT ISO LSB MSB NIST RSA CRT GF(P) GF(2) K E D P C ϕ(n) (p, q) n x y k' k '' s r vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin Hình 1.2: Tỉ lệ phương tiện lựa chọn để giấu tin Hình 1.3: Kỹ thuật giấu tin công bố giai đoạn 1992- 2007 .7 Hình 1.4: Sơ đồ giấu tin 10 Hình 1.5: Sơ đồ trình tách tin 11 Hình 2.1: Biểu đồ Historgram ảnh nến 18 Hình 2.2: Minh họa giấu thông tin LSB ảnh cấp xám bit 22 Hình 2.3: Thay đổi bit 29 Hình 2.4: Ảnh trước sau giấu bít thơng tin 35 Hình 2.5: Phân loại hệ mật 53 Hình 2.6: Sơ đồ mật mã đối xứng 54 Hình 2.7: Hệ thống mã khóa khóa cơng khai 55 Hình 3.1: Mơ hình giải pháp kết hợp mã hóa ẩn giấu thơng tin 59 Hình 3.2: File chạy chương trình 64 Hình 3.3: Giao diện chương trình 64 Hình 3.4: Q trình nạp khóa cơng khai 65 Hình 3.5: Quá trình mã hóa RSA AES 66 Hình 3.6: Giao diện trình giấu tin 66 Hình 3.7: Chức tách liệu từ ảnh 67 Hình 3.8: Q trình giải mã thơng điệp 68 Hình 3.7: Tập ảnh gốc 69 64 3.4 Cài đặt thực nghiệm 3.4.1 Cài đặt Chương trình thiết kế, cài đặt sử dụng đơn giản, file chạy JpegSteg.exe Hình 3.2: File chạy chương trình Hình 3.3: Giao diện chương trình 65 3.4.2 Thực nghiệm Chương trình gồm có chức mã hóa RSA kết hợp mã hóa AES, ẩn giấu thơng tin q trình giải mã thơng tin 3.4.2.1 Chức mã hóa thơng điệp Để tiến hành mã hóa, trước tiên người gửi cần nạp thành phần khóa cơng khai publicKey.xml người nhận Hình 3.4: Q trình nạp khóa cơng khai Khóa cơng khai sử dụng để mã hóa khóa bí mật AES 2048 bit Sau tiến hành chọn tệp thông điệp cần mã, ta thực mã hóa file Kết thu file mã tên có phần mở rộng *.encrypted nằm thư mục với tệp thông tin cần mã hóa Đồng thời sinh file *.manifest.xml có tác dụng chứa khóa đối xứng mã hóa 66 Hình 3.5: Q trình mã hóa RSA AES 3.4.2.2 Chức giấu tin Để giấu tin tiến hành chọn ảnh không phân biệt định dạng làm phương tiện giấu nhập mật khóa giấu tin, sau chọn file thơng điệp mã hóa bên Hình 3.6: Giao diện trình giấu tin Ảnh sau giấu tin lưu thư mục với ảnh chọn làm phương tiện giấu tin 67 3.4.2.3 Chức tách liệu từ ảnh chứa tin Người nhận (B) để thực trích rút thơng tin file ảnh, trước tiên cần thực tách liệu ảnh mang tin cách chọn ảnh giấu tin nhập khóa giấu tin Ta thu tin output mã hóa Hình 3.7: Chức tách liệu từ ảnh 3.4.2.4 Quá trình giải mã thông điệp Sau tách liệu từ ảnh nhận được, để giải mã thơng điệp mã hóa, ta cần nhập thành phần khóa bí mật privateKey để tính tốn khóa đối xứng thuật tốn RSA Sau sử dụng kết thu để giải mã thông điệp nhận 68 Hình 3.8: Quá trình giải mã thơng điệp 3.4.2.5 Kết thực nghiệm Chương trình xây dựng thành cơng q trình mã hóa, giấu thông tin vào ảnh định dạng ảnh khác kết hợp thuật toán giấu tin F5 với kỹ thuật mã hóa RSA 2048 bit AES 128 bit Q trình trích xuất thơng tin giấu thực thành công Để so sánh, tác giả chọn tập ảnh tiến hành ẩn giấu thông tin vào Trên sở thống kê kết thực nghiệm tác giả đưa bảng so sánh Với tập ảnh gồm: 69 ao dai MPT hoa hau loc vung Hình 3.7: Tập ảnh gốc Ta có kết thu sau: Stt nu cuoi 70 Bảng 3.1: So sánh ảnh gốc ảnh giấu tin Kết thực nghiệm đáp ứng yêu cầu luận văn đề ra, thuật tốn giấu/ tách tin, mã hóa/ giải mã thơng điệp cho kết nội dung xác, đáp ứng đầy đủ mục đích yêu cầu cần đạt Một số đánh giá ảnh sau giấu tin: - Quan sát mắt thường không nhận thấy khác biệt ảnh gốc ảnh có tin giấu Đồng thời so sánh biểu đồ histogram tập ảnh gốc ảnh giấu tin tương ứng cho kết giống nhau, khác biệt - Kết tiến hành đo hệ số PSNR đạt mức cho phép, khẳng định chắn cảm nhận thị giác nhận thấy khác tập ảnh thực nghiệm tương tứng Bảng 1.1 Mối quan hệ giá trị PSNR số thí nghiệm PSNR [dB] > 37 31 -37 25–31 20–25 < 20 71 - Sử dụng kết hợp hai loại hệ mật mã AES RSA để mã hóa liệu thơng tin trước giấu góp phần hiệu vào việc bảo mật, an toàn cho nội dung tin trao đổi Đồng thời che giấu thông tin vào ảnh truyền tải cho phép khả che giấu, tránh bị phát đối phương 72 3.5 Đề xuất áp dụng vào thực tiễn công tác lĩnh vực AN-QP Trong hoạt động công tác nghiệp vụ lĩnh vực AN-QP, liên lạc đầu mối từ trung tâm huy với cán triển khai công tác nghiệp vụ cán bình phong làm cơng tác bí mật, cần che giấu thân phận, sử dụng giải pháp liên lạc công cụ hiệu Các ý kiến đạo từ lãnh đạo đến cán bộ, trinh sát, liên lạc giao việc đầu mối đặc tình cần thiết lập kênh liên lạc bí mật riêng Theo đó, người làm cơng tác nghiệp vụ gửi ảnh có nội dung đạo ẩn giấu bên ảnh cho người nhận Người nhận thực tách tin, nhận thông báo rõ thực yêu cầu nhiệm vụ giao Điều hạn chế việc lộ lọt thân phận người tham gia liên lạc, diện người sử dụng mật mã liên lạc bị ý Cơ quan đối phương khơng phát nội dung thơng tin mã hóa, nhiên dễ dàng phát tồn mã Trường hợp trung tâm từ nước cần gửi nội dung bí mật liên quan tới hoạt động nghiệp vụ cho cán bình phong, làm cơng tác nước sở Khi việc gửi tin đơn giản cần trao đổi ảnh đơn thuần, tránh nhịm ngó, nghi ngờ đối tượng Ngồi ra, bố trí mạng liên lạc cán bộ, trinh sát sử dụng kết hợp giải pháp Trong hoạt động công tác cần trao đổi, phối hợp nhịp nhàng kế hoạch nghiệp vụ, ngồi hình thức liên lạc khác, mắt xích dùng ảnh giấu tin để gửi cho Khi vừa đạt mục đích truyền nhận thơng điệp, đồng thời giữ bí mật thân phận cho người gửi nhận Tuy nhiên, thực tiễn rõ thông tin liên lạc khâu quan trọng nhất, đồng thời khâu yếu nhất, dễ bị đối phương khai thác công Do để nâng cao hiệu sử dụng giải pháp liên lạc này, luận văn 73 đề xuất, kiến nghị số kịch sử dụng để làm tăng khả che giấu hiệu trình sử dụng thực tiễn - Áp dụng thủ pháp lựa chọn ảnh gốc: ảnh không phổ biến tuyệt đối dùng lần, tránh hình thức cơng so sánh; + Sử dụng kịch liên lạc: Sử dụng môi trường kênh công khai: Gửi ảnh cách đưa lên trang web mạng, hình thức sử dụng hịm thư bí mật Người nhận việc lên để lấy thông tin ảnh tách tin Tuy nhiên số trang mạng yêu cầu cần chuẩn hóa ảnh sử dụng được, việc gây khó khăn ảnh bitmap dung lượng lớn + Sử dụng hịm thư để gửi ảnh kết hợp hình thức quy ước, chí sử dụng kiểu tiếng lóng: Có thể gửi ảnh cho dạng thơng tin bình thường Ví dụ A gửi cho B ảnh kèm theo nội dung thích mang tính thời đời thường: Giờ g ngày d, sập nhà tập thể số nhà e đường f… + Tuy nhiên để đảm bảo an tồn cho thơng tin liên lạc cần sử dụng nhiều giải pháp, biện pháp liên lạc khác nhau, vận dụng “nghệ thuật” yếu tố biện pháp nghiệp vụ để tránh bị đối phương nghi ngờ, phát Căn yêu cầu thực tiễn công tác kết nghiên cứu đạt được, thiết nghĩ thực tế công tác liên lạc địi hỏi cần có nhiều loại hình, hình thức khác Vì quan điểm khoa học công tác nghiệp vụ, luận văn giải đề xuất hình thức, biện pháp liên lạc thực tiễn công tác lĩnh vực AN-QP 74 Kết luận chương Trong chương trình bày yêu cầu chương trình giấu tin Đã tiến hành nghiên cứu, phân tích lựa chọn giải pháp kết hợp mã hóa kỹ thuật ẩn giấu thông tin ảnh Trên sở xây dựng mơ hình thuật tốn ứng dụng, luận văn sâu nghiên cứu xây dựng chương trình ẩn giấu thông tin ảnh kết hợp mật mã khóa bí mật mật mã khóa cơng khai Đồng thời tổ chức cài đặt thực nghiệm đạt kết tốt Qua cho thấy rõ hiệu việc giấu thơng tin nhằm tăng tính bí mật cho liệu, đáp ứng mục tiêu luận văn Đã nghiên cứu đề xuất mơ hình triển khai ứng dụng giải pháp thực tiễn công tác lĩnh vực an ninh quốc phòng, dựa tổ chức hoạt động cơng tác nghiệp vụ mang tính đặc thù 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian học tập, tìm hiểu, nghiên cứu với giúp đỡ tận tình Phịng, Khoa q thầy cô Đại học Công nghệ thông tin truyền thông, hướng dẫn TS Hồ Văn Canh, luận văn “Nghiên cứu tìm hiểu kỹ thuật giấu tin mật ứng dụng” hoàn thành, đạt kết đề sau: Đã tổ chức nghiên cứu tổng quan kỹ thuật ẩn giấu thông tin ảnh, bao gồm khái niệm, phân tích thành phần mơ hình hệ giấu tin Đồng thời trình bày chi tiết tính chất, đặc trưng kỹ thuật ẩn giấu thông tin ảnh Tiến hành nghiên cứu đặc điểm, tính chất ảnh số, yêu cầu tiêu chí, phương pháp kỹ thuật ẩn giấu thông tin ảnh Trên sở giới thiệu, mơ tả sâu phân tích số thuật toán giấu tin ảnh tiêu biểu Mặt khác luận văn nghiên cứu khái quát lĩnh vực mật mã mã hóa thơng tin Trong giới thiệu nội dung chung khái niệm, phân loại mô tả nguyên lý hoạt động hệ mật khóa cơng khai, hệ mật khóa bí mật Luận văn nghiên cứu, phân tích lựa chọn giải pháp kết hợp mật mã với kỹ thuật ẩn giấu thông tin ảnh cách sử dụng thuật toán giấu F5 kết hợp hai hệ mật mã RSA 2048 bit AES 128 bit Đồng thời nghiên cứu xây dựng chương trình ứng dụng thân thiện với người dùng, đáp ứng đầy đủ tiêu, yêu cầu kỹ thuật; tổ chức cài đặt thực nghiệm thực tiễn Từ đưa số đề xuất áp dụng vào thực tiễn công tác liên lạc lĩnh vực AN-QP nơi học viên công tác Hướng nghiên cứu Hiện đề tài đề xuất giải pháp, chưa nghiên cứu giải pháp tối ưu khác ứng dụng khóa ngẫu nhiên, mật mã đường cong eliptic.v.v Do đó, đề tài tiếp tục nghiên cứu thêm trình triển khai ứng dụng thực tiễn; tiến hành mở rộng nghiên cứu với định dạng ảnh, loại liệu đa phương tiện khác nhau, lựa chọn giải pháp mã hóa có độ bảo mật cao ứng dụng mã hóa đường cong elliptic Đồng thời tiếp tục nghiên cứu kết hợp kỹ 76 thuật nén để làm tăng khả ứng dụng, sử dụng thực tiễn phục vụ công tác liên lạc lĩnh vực AN-QP 77 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Thế Hồng, Nguyễn Văn Tảo “Kỹ thuật thuỷ vân sử dụng phép biến đổi sóng nhỏ rời rạc ma trận số giả ngẫu nhiên”, Hội nghị Khoa học kỷ niệm 30 năm Viện Công nghệ thông tin, 2006 [2] Bùi Thế Hồng, Phạm Trung Thành “Tìm hiểu kỹ thuật giấu tin ảnh”, Đại học Thái Nguyên, 2011 [3] Đỗ Minh Đức, Luận văn “Nghiên cứu xây dựng giải pháp giấu tin đơn giản, an toàn”, 2011 [4] Hồ Văn Canh, Nguyễn Lan Hương, Lương Việt Nguyên “Nghiên cứu đề xuất phương pháp giấu tin an toàn, hiệu quả”, 2011 [5] Hồ Văn Canh, Hồng Xn Long “Nghiên cứu thuật tốn giấu tin mật miền không gian ảnh bitmap”, Đại học Thái Nguyên, 2015 [6] Nguyễn Xuân Huy, Trần Quốc Dũng: Giáo trình giấu tin thủy vân ảnh; 2003 Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên Công nghệ số 25, 2009; [7] Nguyễn Xuân Huy, Trần Đức Nam “Giấu tin ảnh bitmap”, Đại học Thái Nguyên, 2011 [8] Phan Đình Diệu “Lý thuyết mật mã An tồn thơng tin”, NXB ĐHQG HN, 2006 [9] Trịnh Nhật Tiến, Bài giảng “Một số vấn đề an toàn liệu” ĐHQG HN, 2004 [10] Vũ Hoàng Dương, Luận văn cao học “Kết hợp kỹ thuật mã hóa thông tin giấu tin mật đối tượng liệu đa phương tiện”, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2015 78 Tiếng Anh [11] A K Jain Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice - Hall, 1989 [12] B Chen and G Wornell “Quantization index modulation: A class of provably good methods for digital watermarking and information embedding”, IEEE Trans Info, 2010 [13] D Coltuc and J M Chassery “Very fast watermarking by reversible contrast mapping” IEEE Signal Processing Lett, 2007 [14] G Xuan, Q Yao, C Yang, J Gao, P Chai, Y Q Shi, Z Ni “Lossless Data Hidding Using Histogram Shifting Method Based on Integer Wavelets”, Proc 5th Digital watermarking workshop, IWDW, 2006 [15] Ingemar Cox, Jeffrey Bloom, Matthew Miller, Ton Kalker, Jessica Fridrich Digital Watermarking and Steganography, Second Edition, Morgan Kaufmann Press, USA, 2008 [16] Jessica Fridrich Steganography in digital media: principles, algorithms, and applications, Cambridge University Press, 2009 [17] K Sullivan, U Madhow, S Chandrasekaran and B S Manjunath, “Steganalysis of Spread Spectrum Data Hiding Exploiting Cover Memory”, 2005 [18] Min Wu, Multimedia Data Hiding, Princeton University, USA, 2001; [19] Niesl Provos, Peter Honeyman Hide and seek: An introduction to steganography, Published by The IEEE computer society, 2003 [20] N Provos “Defending Against Statistical Steganalysis”, 10th USENIX Security Symposium, Washington, 2001 [21] P M Kumar, K L Shunmuganathan “A reversible high embedding capacity data hiding technique for hiding secret data in images”, International Journal of Computer Science and Information Security (IJCSIS), 2009 ... kỹ thuật giấu tin Chương 2: Nghiên cứu số kỹ thuật giấu tin mật ảnh số Chương 3: Nghiên cứu xây dựng giải pháp kết hợp mã hóa kỹ thuật giấu thông tin ảnh 3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN. .. 2.4.1 Giấu tin mật vào 2.4.2 Giấu tin kiểu chèn nh 2.4.3 Phương pháp giấu tin 2.4.4 Các phương pháp giấ 2.5 Một số thuật toán giấu tin ảnh 2.5.1 Thuật toán giấu tin 2.5.2 Thuật toán giấu tin. .. tin 1.2Lịch sử ẩn giấu thông tin 1.3Các thành phần hệ giấu tin 1.4Phân loại kỹ thuật giấu tin 1.5Môi trường giấu tin 1.5. 1Giấu tin ảnh 1.5. 2Giấu tin audio 1.5. 3Giấu tin