PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA PHƯƠNG TIỆN Thông tin là một khái niệm trừu tượng, thể hiện dưới nhiều dạng thức khác nhau. Thông tin có thể phát sinh, được lưu trữ, được biến đổi trong những vật mang tin. Thông tin có thế được truyền đi, được sao chép hoặc xử lý, đế cho chúng ta các thông tin có ý nghĩa thiết thực. Thông tin được biểu hiện bằng các tín hiệu vật lý.
Trang 1Mục lục
Trang 2I CÁC VẤN ĐỀ VỀ GIẤU TIN
1 KHÁI NIỆM VỀ DẤU TIN
I.1 Khái niệm thông tin “số hoá”
Thông tin là một khái niệm trừu tượng, thể hiện dưới nhiều dạng thức khácnhau Thông tin có thể phát sinh, được lưu trữ, được biến đổi trong những vật mangtin Thông tin có thế được truyền đi, được sao chép hoặc xử lý, đế cho chúng ta cácthông tin có ý nghĩa thiết thực Thông tin được biểu hiện bằng các tín hiệu vật lý.Máy tính không thể hiểu được từ ngữ, sách báo tranh ảnh theo nghĩa thôngthường Máy tính chỉ lưu trữ, xử lý những thông tin đã được số hoá thành từng bit -giá trị nhỏ nhất của thông tin, hoặc thành một nhóm bit gọi là byte Bit có thể có haigiá trị tắt-off/mở-on, hoặc hai giá trị có/không, 0 - zero/1 - one
Máy tính được chế tạo với các thiết bị chuyến mạch (switching device), có thểchuyển trạng thái dữ liệu sang dạng những số 0 và 1 của hệ thống số nhị phân Đó
là hệ thống số bao gồm tất cả các số biểu diễn bởi hai ký hiệu 0 và 1
I.2 Khái niệm giấu tin
Giấu tin là giấu (hoặc nhúng) một lượng thông tin số vào trong đối tượng dữ liệu
số khác “Giấu tin” nhiều khi không phải chỉ hành động giấu theo nghĩa thôngthường, mà chỉ mang ý nghĩa quy ước
Giấu tin phục vụ cho hai mục đích trái ngược nhau:
Bảo mật cho những dữ liệu được giấu trong đối tượng chứa
Bảo đảm an toàn (bảo vệ bản quyền) cho chính đối tượng chứa dữ liệu giấutrong đó
Hai mục đích giấu tin phát triến thành hai lĩnh vục với yêu cầu và tính chất khác
nhau :
Giấu thông tin bí mật (Steganography)
Trang 3 Thủy vân số (Watermarking).
Hình 1: hai lĩnh vực của giấu tin
I.3 Mô hình giấu tin
I.3.1 Mô hình giấu tin vào phương tiện chứa
Hình 2: Sơ đồ giấu tin
• Đầu vào:
- Thông tin cần giấu: Tuỳ theo mục đích của người dùng, nó có thể là thôngđiệp (với giấu tin bí mật) hay là các logo, hình ảnh bản quyền
- Phương tiện chứa: các file ảnh, text, audio là môi trường để giấu tin
- Khoá: thành phần để góp phần làm tăng độ bảo mật
• Bộ nhúng thông tin: là chương trình thực hiện việc giấu tin.
Trang 4• Đầu ra: là phương tiện chứa, đã có tin giấu trong đó.
I.3.2 Mô hình tách tin từ phương tiện chứa
Diễn ra theo quy trình ngược lại với giấu tin: đầu ra là các thông tin được giấu
và phương tiện chứa
Hình3: Sơ đồ tách tin
I.4 Phân loại kỹ thuật giấu tin
Có nhiều cách để tiến hành phân loại các phương pháp giấu thông tin theo cáctiêu chí khác nhau, như theo các phương tiện chứa tin, các phương pháp tác độnglên phương tiện chứa tin, hay phân loại theo các ứng dụng cụ thể
I.4.1 Phân loại theo phương tiện chứa tin
- Giấu thông tin trong ảnh
- Giấu thông tin trong các file âm thanh
- Giấu thông tin trong video
- Giấu thông tin trong văn bản dạng text
I.4.2 Phân loại theo cách thức tác động lên phương tiện
Trang 5- Phương pháp chèn dữ liệu: tìm vị trí trong file dễ bị bỏ qua, và chèn các
dữ liệu cần giấu vào đó (vd: dữ liệu được giấu sau các ký tự EOF).
- Phương pháp thay thế: thay thế các phần tử không quan trọng của phươngtiện chứa, bằng các dữ liệu của thông điệp cần giấu (vd: thay thế các bit ítquan trọng, thay thế trong miền tần số, các kỹ thuật trải phổ, thống kê )
- Phương pháp tạo các phương tiện chứa: Từ thông điệp cần chuyển đi, sẽtạo ra hợp lý phương tiện chứa, đế phục vụ cho việc truyền thông tin đó
I.4.3 Phân loại theo mục đích sử dụng
- Giấu thông tin bí mật
- Giấu thông tin thuỷ vân
I.5 Các thành phần trong kỹ thuật giấu tin
I.5.1 Phương tiện chứa tin
Để có thế che giấu thông tin an toàn và hiệu quả, ngoài việc phải có thuật toángiấu tin tốt, giao thức liên lạc đảm bảo, phương tiện chứa phù hợp cũng là yếu tốquan trọng
Phương tiện chứa C có thể là bất kỳ dạng dữ liệu nào mà máy tính có thể đọcđược như file hình ảnh, âm thanh số, bản tin dạng text Nhưng phương tiện chứaphải có đủ lượng thông tin dư thừa tối thiểu, để có thể giấu thông tin, vì dữ liệu khibiến đổi để giấu tin, có thể bị phát hiện
Có hai yêu cầu đặt ra với phương tiện chứa:
- Phương tiện chứa tin phải được giữ bí mật
- Không sử dụng phương tiện chứa tin đến lần thứ hai
Yêu cầu thứ nhất để tránh kẻ tấn công có phương tiện chứa đó, thì việc giấu tintrở lên vô nghĩa Yêu cầu thứ hai đế tránh kế tấn công có thế so sánh hai “phiênbản” phương tiện chứa đó, để phát hiện những chỗ khác nhau, dẫn đến nghi ngờ vềmột liên lạc bí mật Do đó phải huỷ toàn bộ các phương tiện chứa đã được dùng tạiphía người gửi, và phương tiện chứa sau khi đã tách lấy thông tin ở người nhận
Trang 6Để tránh việc nghi ngờ của kẻ tấn công, phương tiện chứa trước khi giấu tin (C)
và sau khi giấu tin (S), phải đảm bảo giống nhau về mặt tri giác, sau đó mới đến cácyêu cầu về thuộc tính thống kê, về chất lượng
Có thế sử dụng nhiều loại phương tiện chứa khác nhau, nhưng vì lý do phổ biến
và dễ thực hiện, ảnh luôn được coi là phương tiện chứa chủ yếu
I.5.2 Thông tin cần che giấu
Thông điệp mà hai đối tác cần trao đổi, có thể là bất cứ loại dữ liệu nào Với kỹthuật hiện nay, có thế giấu nhiều loại dữ liệu trong phương tiện chứa Do yêu cầu antoàn, kích thước của phương tiện chứa phải lớn hơn rất nhiều kích thước của thôngđiệp, nên thông điệp dạng text (có kích thước nhỏ) thường được dùng nhiều nhất.Tuy nhiên người ta có thể giấu cả ảnh, bản đồ với yêu cầu ở mức độ cần thiết,phương tiện chứa là ảnh hay bản đồ khác
I.5.3 Khoá giấu tin
Khoá giấu tin là thành phần quan trọng quyết định độ bảo mật của hệ thống giấutin Khoá giấu tin có thế phân loại theo hình thức phân phối và ta có hai hình thức:
- Phân phối khoá: Một trung tâm sản xuất, phân phối khoá tới các đối tácliên lạc theo một kênh an toàn Cách làm này khá phức tạp vì đòi hỏi mộtkênh an toàn đế chuyến khoá, khi các đối tác ở xa thì việc chuyến khoá làmột vấn đề đáng quan tâm
- Thoả thuận khoá: Hai đối tác có thể trực tiếp thoả thuận khoá với nhau haythông qua một trung tâm Khoá được quy ước lấy từ cơ sở dữ liệu nào đó
mà hai phía cùng sở hữu Cách làm này tuy có một số yếu tố bất lợi,nhưng thực hiện đơn giản hơn so với trao đổi khoá
Trong giấu tin bí mật có thể dùng cả khoá bí mật và khoá công khai
Để đảm bảo bí mật liên lạc, khoá giấu tin cần đáp ứng được hai yêu cầu:
- Một là khoá giấu tin phải đảm bảo “tính tri giác”, tóc là khoá phải góp
Trang 7phần tàng hình thông tin giấu, để tránh bị đối phương phát hiện.
- Hai là khoá đồng thời phải đủ mạnh, để nếu đối phương có nghi ngờ vàkiểm tra phương tiện chứa, cũng “khó” thể lấy được thông tin giấu trongđó
2 CÁC GIAO THỨC GIẤU TIN
Khi một thuật toán giấu tin được sử dụng, thuật toán đó sẽ nằm trong khuôn khổmột giao thức xác định, thích hợp để xử lý dữ liệu
Theo lý thuyết, có ba kiểu giao thức cơ bản: giấu tin thuần tuý, giấu tin với khoá
bí mật, giấu tin với khoá công khai Trong đó kiểu giấu tin sau cùng được xây dựngtrên nguyên tắc mật mã khoá công khai
2.1 Giấu tin thuần thuý
Giấu tin thuần tuý là hệ thống giấu tin, không yêu cầu phải trao đổi trước một sốthông tin bí mật
Trong hệ thống giấu tin thuấn tuý, người giấu tin và người tách tin phải thựchiện cùng một thuật toán nhúng và tách thông tin, thuật toán này phải được giữ bímật
Định nghĩa 1: Giấu tin thuần tuý
Bộ bốn giá trị = (C, M, D, E) được gọi là Hệ giấu tin thuần tuý trong đó:
C là tập các phương tiện chứa thông tin có thể, M là tập các thông điệp cần giấu
Trang 8hiệu quả, khi đó đối phương không những phát hiện được việc liên lạc bí mật, màcòn lấy được cả thông tin giấu trong đó.
Phương pháp giấu tin thuần tuý phải được kết hợp với việc mã hoá thông tin.Trước tiên việc mã hoá sẽ làm tăng độ bảo mật của thông điệp, sau đó nhúng bản
mã vào trong phương tiện chứa Cách này sẽ làm tăng độ bảo mật và vẫn đảm bảotính vô hình của kênh liên lạc, nó thực sự khó khăn cho việc phát hiện hay tấn côngcác thông điệp
2.2 Giấu tin sử dụng khoá bí mật
Đối với hệ thống giấu thông tin thuần tuý, độ an toàn phụ thuộc hoàn toàn vào
độ bí mật của thuật toán giấu và tách thông tin
Để cho hệ thống an toàn hơn, người ta thực hiện trao đổi một số thông tin bí mậtgiữa hai đối tác Trong hệ thống giấu tin với khoá bí mật, người gửi chọn phươngtiện chứa thông tin, sử dụng khoá bí mật k, tiến hành nhúng thông điệp vào phươngtiện chứa tin đó Giấu tin với khoá bí mật vẫn phải đảm bảo phương tiện chứa(trước và sau khi giấu tin) phải giống nhau về cảm nhận, đế tránh kẻ giám sát pháthiện được phiên liên lạc Đây là một tiêu chuẩn khi chọn khoá
Định nghĩa 2: Giấu tin sử dụng khoá bí mật
Bộ năm giá trị = (C, M, K, Dk, Ek) được gọi là hệ giấu tin sử dụng khoá bí mật,trong đó:
C là tập các phương tiện chứa có thể, M là tập các thông điệp cần giấu với |C| > |M|, K là tập các khoá bí mật
Ek: C M K C và Dk: C K M với điều kiện Dk(Ek(c, m, k), k) = m
với mọi m € M, c € C và k € K
Giao thức truyền thông tin bằng giấu tin sử dụng khoá bí mật, yêu cầu cácbên tham gia phải trao đổi khoá trước
Trang 9Có thế dùng một số đặc tính của chính phương tiện chứa làm khoá, hàm bămtính toán các giá trị này để làm khoá Người nhận cũng tính hàm băm trên chính cácgiá trị này, để lấy khoá giải mã tách thông tin.
Với cách này, không phải trao đổi khoá trên kênh an toàn, nhưng vì hàm bămkhông phải là bí mật, nên việc liên lạc bí mật sẽ không đảm bảo
Có thế chọn các thành phần quan trọng trong phương tiện chứa đế làm khoá, cácthành phần đó nếu bị thay đối sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng tới phương tiện chứa, và
có thể nhận ra được
2.3 Giấu tin với khoá công khai
Hệ thống giấu tin với khoá công khai cũng yêu cầu có hai khoá: khóa bí mật vàkhóa công khai Khóa công khai được lưu trong Cơ sở dữ liệu khoá công khai,giống như mật mã với khoá công khai, và được dùng trong quá trình nhúng thôngtin Khoá bí mật chỉ người nhận mới biết và được dùng trong quá trình tách lấythông tin, tái tạo lại thông điệp ban đầu
Cách dễ nhất để xây dựng hệ thống giấu tin với khoá công khai là sử dụng hệmật mã với khoá công khai Giả sử hai đối tác đã trao đối khoá công khai của thuậttoán mã hoá công khai
Nguyên lý của giấu tin với khoá công khai là dùng hàm giải mã D đế giải mãtrên mọi phương tiện chứa thông tin c, mà không cần quan tâm việc nó chứa haykhông chứa thông điệp bí mật (D là hàm trên tập C) Trong trường hợp phương tiệnchứa không có thông tin thu được khi giải mã, ta chỉ thu được các phần tử ngẫunhiên m, ta gọi là các phần tử “ngẫu nhiên tự nhiên ” của phương tiện chứa
Trong giao thức giấu tin với khoá công khai, khi cố gắng đế tách tin, kẻ tấn công chỉ có thể nhận được các thông tin “ngẫu nhiên”, vì không có khoá giải mã tương ứng
Trang 103 GIẤU TIN TRONG DỮ LIỆU ĐA PHƯƠNG TIỆN
3.1 Giấu tin trong ảnh
Giấu tin trong ảnh, hiện nay, là bộ phận chiếm tỉ lệ lớn nhất trong các hệ giấu tintrong đa phương tiện, bởi lượng thông tin được trao đổi bằng ảnh là rất lớn, mặtkhác giấu tin trong ảnh đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng bảo vệ thông tinnhư: nhận thực thông tin, xác định xuyên tạc thông tin, bảo vệ bản quyền tác giả,điều khiển truy cập, giấu thông tin mật Chính vì thế vấn đề này đã nhận được sựquan tâm rất lớn của các cá nhân, tố chức, trường đại học, và viện nghiên cứu trênthế giới
Thông tin được giấu vào dữ liệu ảnh nhưng chất lượng ảnh ít thay đối, và “khó”biết được đằng sau ảnh đó mang thông tin có ý nghĩa Ngày nay, khi ảnh số đã đượcdùng phổ biến, thì giấu tin trong ảnh đã đem lại nhiều ứng dụng quan trọng trongđời sống xã hội
Ví dụ như các nước phát triển, chữ kí tay đã được số hoá, lưu trữ, sử dụng như là
hồ sơ cá nhân của các dịch vụ ngân hàng và tài chính, nó được dùng đế nhận thựctrong các thẻ tín dụng của người tiêu dùng
Một đặc điểm của giấu tin trong ảnh là thông tin được giấu trong ảnh một cách
vô hình Nó như là một cách mà truyền thông tin mật cho nhau mà người khác
“khó” thế biết được, bởi sau khi giấu tin, thì chất lượng ảnh gần như không thayđổi, đặc biệt là đối với ảnh mầu hay ảnh xám
3.2 Giấu tin trong audio
Giấu tin trong audio mang đặc điểm riêng, không giống với giấu tin trong đốitượng đa phương tiện khác Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảmbảo tính chất ẩn của thông tin được giấu, đồng thời không làm ảnh hưởng đến chấtlượng của dữ liệu gốc Để đảm bảo yêu cầu này, kỹ thuật giấu tin trong ảnh phụthuộc vào hệ thống thị giác của con người - HVS (Human Vision System), kỹ thuật
10
Trang 11giấu tin trong audio lại phụ thuộc vào hệ thống thính giác HAS (Human AuditorySystem).
Một vấn đề khó khăn ở đây là hệ thống thính giác của con người nghe được cáctín hiệu ở các giải tần rộng và công suất lớn, nên đã gây khó dễ đối với các phươngpháp giấu tin trong audio Nhưng thật may là HAS lại kém trong việc phát hiện sựkhác biệt các dải tần và công suất, điều này có nghĩa là các âm thanh to, cao tần cóthể che giấu được các âm thanh nhỏ thấp một cách dễ dàng Các mô hình phân tíchtâm lí đã chỉ ra điểm yếu trên, và thông tin này sẽ giúp ích cho việc chọn các audiothích họp cho việc giấu tin
Vấn đề khó khăn thứ hai đối với giấu tin trong audio là kênh truyền tin Kênhtruyền hay băng thông chậm sẽ ảnh hưởng đến chất lượng thông tin sau khi giấu Vídụ để nhúng một đoạn java applet vào một đoạn audio (16 bit, 44.100 Hz) có chiềudài bình thường, thì các phương pháp nói chung cũng cần ít nhất là 20 bit/s
Giấu tin trong audio đòi hỏi yêu cầu rất cao về tính đồng bộ và tính an toàn củathông tin Các phương pháp giấu tin trong audio đều lợi dụng điểm yếu trong hệthống thính giác của con người
3.3 Giấu tin trong video
Cũng giống như giấu tin trong ảnh hay trong audio, giấu tin trong video cũngđược quan tâm, và phát triến mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng như điều khiến truy cậpthông tin, nhận thực thông tin và bảo vệ bản quyền tác giả
Các kỹ thuật giấu tin trong video phát triển mạnh mẽ, và cũng theo hai khuynhhướng là thuỷ vân số và data hiding Một phương pháp giấu tin trong video đượcđưa ra bởi Cox, là phương pháp phân bố đều Ý tưởng cơ bản là phân phối tin giấudàn trải theo tần số của dữ liệu chứa (gốc) Người ta đã dùng hàm cosin riêng và hệ
số truyền sóng riêng để giấu tin.Trong các thuật toán khởi nguồn, kỹ thuật cho phépgiấu ảnh vào video, nhưng thời gian gần đây các kỹ thuật cho phép giấu cả âmthanh và hình ảnh vào video Phương pháp Swanson đã giấu theo khối, đã giấu
11
Trang 12được 2 bít vào khối 8*8 Gần đây nhất là phương pháp Mukherjee, giấu audio vàovideo sử dụng cấu trúc lưới đa chiều.
Kỹ thuật giấu tin sử dụng cả đặc điểm thị giác và thính giác của con người
4 PHƯƠNG PHÁP GIẤU TIN TRONG MÔI TRƯỜNG ĐA PHƯƠNG
TIỆN
Có nhiều phương pháp giấu tin trong các phương tiện chứa, nhưng trong phầnnày chỉ xin trình bày phương pháp thay thế Đó là thay thế các phần tử ít quan trọngcủa phương tiện chứa bằng các bit của thông điệp cần chuyển đi
Các giá trị của Cj là {0,1}, khi đó là ảnh đen trắng
Các giá trị của Cj nằm trong (0, 256), trường hợp đó là các ảnh lượng tử hoá haycác ảnh số
Ảnh màu là phương tiện được sử dụng nhiều nhất hiện nay, có nhiều cách biểudiễn màu, trong đó hệ màu RGB là phổ biến nhất
Phương tiện chứa đã có tin giấu, ký hiệu là s, là chuỗi các phần tử Si, và độ dài
phương tiện chứa (đã có giấu tin) không thay đổi
Khoá được dùng để giấu tin, ký hiệu là k
Thông điệp bí mật cần giấu là m, có độ dài là l(m) Các bit của m là mi, ta có 1 <
i < l(m) nii có giá trị là 0,1 trừ trường hợp đặc biệt
4.2 Nguyên lý giấu tín bằng cách thay thế
12
Trang 13Giấu tin bằng cách thay thế hiện đang rất phổ biến, kỹ thuật giấu tin này khônglàm tăng kích thước của phương tiện chứa Khi kết hợp với các thuật toán khác để
“khảo sát môi trường” quanh điểm cần giấu tin, kẻ giám sát rất khó phát hiện đượccác thông tin cần giấu
Lưu ý là giấu tin ở đây không có nghĩa là hành động giấu thực tế, việc giấu tindựa vào các quy ước Nếu tính chất nào đó của một phần tử trong phương tiện chứathoả mãn điều kiện, thì xem như đã giấu tin vào phần tử đó
Khi giấu tin mật, người ta có thể giấu tin trong nhiều loại phương tiện chứa khácnhau, tuy nhiên với điều kiện kỹ thuật hiện nay, phương tiện chứa là ảnh được lựachọn nhiều nhất, bởi tính phổ biến của ảnh và các phương tiện tạo ảnh số, đồng thờiđáp ứng được yêu cầu bảo mật và dung lượng Phương tiện chứa như âm thanh sốhiện nay cũng rất phổ biến, nhưng gặp nhiều khó khăn do kỹ thuật giấu tin phức tạphơn
Có hai cách thay thế:
Thay thế các bit ít quan trọng (LSB) (Least Significant Bit) được thực hiện
với ảnh màu (ví dụ loại 16 bit và 24 bit) và ảnh đa cấp xám
Với các loại ảnh này, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng số lượng lớn các bit,vai trò các bit là không giống nhau Nếu có sự thay đổi ở các bit ít quan trọng nhất,thì phương tiện chứa cũng bị biến động không đáng kể, và đối phương cũng khónhận ra Người giấu tin sẽ thay thế các bit LSB trong phương tiện chứa tin bằng cácbit của thông điệp bí mật Người nhận có thể dễ dàng tách các tin mà anh ta có hiếubiết nhất định về thuật toán giấu thông tin mật và khoá giấu thông tin
Thay thế các bit trong các vùng ma trận ảnh:
Phương pháp này khó thực hiện hơn, nhưng bù lại có tác dụng hơn so với việcthay thế LSB
13
Trang 14Ta hãy xét các file ảnh đen trắng, mỗi điểm ảnh chỉ được biểu diễn bằng một bit
có trạng thái 0 hoặc 1, biểu diễn điểm đó là đen hay trắng Người ta không thế vậndụng phép thay thế LSB và cũng không thế tuỳ tiện đảo bit 0 1 hay ngược lại, vìlàm như vậy sẽ dễ xuất hiện các chấm màu lạ, dễ bị phát hiện
Người ta phải chia ma trận ảnh ra thành các khối không giao nhau, thường là cáckhối hình vuông, hình chữ nhật Dựa trên các tính chất của mỗi khối đó, người tagiấu tin bằng phép đảo bít theo quy ước
4.3 thay đổi các bit ít quan trọng nhất
Ý tưỏng
Ta biết rằng khi một số được biếu diễn bằng một dãy các giá trị nhị phân, vai tròcủa các bit là rất khác nhau trong dãy đó, khi các bit ít quan trọng mà bị thay đổi, thìgiá trị mà nó biểu diễn thay đổi không đáng kể
Thuật toán
Thay thế các bit LSB (các bit ít quan trọng nhất) có lẽ là kỹ thuật đơn giản nhấttrong các kỹ thuật giấu tin Ta xét phương tiện chứa là ảnh, sẽ trình bày các bước cơbản của thuật toán giấu tin, qua việc thay đổi LSB
- Lựa chọn tập con {Ji, , ji(m)} các phần tử trong phương tiện chứa
- Thực hiện thay đối LSB của Cj bởi mj (mj có giá trị 0 hoặc 1)
Khi tách thông tin ra khỏi phương tiện chứa, người ta thực hiện ngược lại: cácđiểm tương ứng được lựa chọn, các bit LSB của các phần tử được lựa chọn này,được tách ra theo đúng quy ước, rồi tất cả được ghép lại để có được thông tin banđầu
Thuât toán 4.3.1: Quá trình nhúng bằng phương pháp thay đối LSB
