Chương 1. GIẤU THÔNG TIN VÀ GIẤU TIN TRONG ÂM THANH Chương này của luận án trình bày những nội dung chung về giấu thông tin và giấu tin trong âm thanh. Bên cạnh trình bày các yêu cầu và ứng dụng của giấu tin, chương này cũng trình bày cách biểu diễn âm thanh số, các đặc trưng cơ bản của âm thanh số, tính chất của hệ thống thính giác của con người, là cơ sở để có thể thực hiện được giấu tin trong âm thanh. Giấu thông tin 1.
Lịch sử giấu thông tin Từ giấu thông tin (steganography) bắt nguồn từ Hi Lạp và được sử dụng cho tới ngày nay, có nghĩa là tài liệu được phủ (covered writing) [58]. Một câu chuyện về thời Hy-Lạp cổ đại do Herodotus ghi lại kể về giấu thông tin. Demeratus, một người Hy-Lạp, cần thông báo cho Sparta rằng Xerxes định xâm chiếm Hy-Lạp. Để tránh bị phát hiện, Demeratus đã bóc lớp sáp ra khỏi các viên thuốc và khắc thông báo lên bề mặt các viên thuốc này, sau đó bọc lại các viên thuốc bằng một lớp sáp mới.
Bằng cách này, những viên thuốc được để ngỏ và lọt qua mọi sự kiểm tra một cách dễ dàng. Người Romans cổ đã dùng mực không màu để viết các thông báo bí mật giữa những hàng văn tự thông thường. Khi bị hơ nóng, những dòng chữ được viết từ loại mực này sẽ trở nên sẫm màu và có thể đọc được. Công nghệ thông tin đã tạo ra những môi trường giấu tin mới vô cùng tiện lợi và phong phú.
Ta có thể giấu tin trong văn bản, ảnh, âm thanh, video, các tệp cơ sở dữ liệu hoặc thậm chí trong các gói tin được truyền trên đường truyền mạng. Ý tưởng về che giấu thông tin đã có từ rất lâu nhưng kỹ thuật này được dùng chủ yếu trong quân đội và trong các cơ quan tình báo. Ngày nay giấu tin không chỉ dùng cho mục đích an ninh, quân sự mà còn để phục vụ các mục đích tích cực như bảo vệ bản quyền các tài liệu số, kiểm soát sao chép. Các thành phần của hệ giấu tin Một hệ giấu tin gồm có các thành phần chính sau đây: 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + Thông điệp mật (secret message): có thể là văn bản, hình ảnh, âm thanh.
Trong quá trình giấu tin, chúng được chuyển thành chuỗi các bit. + Dữ liệu chủ hay môi trường sẽ chứa tin mật (host signal): dữ liệu có thể chọn làm dữ liệu chủ là tệp ảnh, tệp âm thanh, tệp video hay tệp cơ sở dữ liệu, văn bản. + Khoá K: là khóa tham gia vào quá trình giấu tin để tăng tính bảo mật. + Dữ liệu mang tin hay môi trường đã chứa tin mật (stego signal).
Sơ đồ của một hệ giấu tin như sau : Khoá Khoá Dữ liệu chủ Quá trình Dữ liệu Môi trường Quá trình Dữ liệu chủ Giấu tin mang tin mạng Giải tin Thông điệp mật Thông điệp mật Hình 1. Sơ đồ của hệ giấu tin 1. Các yêu cầu của hệ giấu tin Có nhiều phương pháp giấu tin cho những kiểu dữ liệu khác nhau. Để đánh giá chất lượng của một phương pháp giấu tin, người ta dựa vào một số tiêu chí sau: 1.
Tính “vô hình” Khi giấu tin vào trong các dữ liệu chủ sẽ làm thay đổi ít nhiều dữ liệu chủ. Nếu phương pháp giấu tin tốt, sẽ làm cho thông tin mật trở nên “vô hình” trên dữ liệu mang tin và người ta “khó có thể” nhận ra trong dữ liệu mang tin có chứa tin mật hay không. Đối với phương pháp giấu tin trong ảnh, tính vô hình thể hiện ở việc không nhìn thấy, không phân biệt được sự khác nhau giữa ảnh gốc và ảnh chứa tin giấu. Đối với phương pháp giấu tin trong âm thanh, tính vô hình thể hiện ở chỗ không phân biệt được sự khác nhau khi nghe tệp âm thanh gốc và tệp âm thanh chứa tin.
Khả năng chống giả mạo Mục đích của “giấu tin” là để truyền đi thông tin mật. Nếu không thể do thám tin mật, thì người thám tin cũng cố tìm cách làm sai lạc tin mật, làm giả mạo tin mật 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com để gây bất lợi cho đối phương. Một phương pháp giấu tin tốt sẽ đảm bảo tin mật không bị tấn công một cách có chủ đích trên cơ sở những hiểu biết đầy đủ về thuật toán giấu tin (nhưng không biết khoá) và có tệp mang tin. Đối với lĩnh vực thủy vân số thì khả năng chống giả mạo là đặc tính vô cùng quan trọng, vì có như vậy mới bảo vệ được bản quyền, chứng minh tính pháp lý của sản phẩm (người khác không thể hay rất khó có thể thay đổi thông tin bản quyền trên sản phẩm).
Tính bền vững Sau khi tin được giấu vào đối tượng chứa, các tệp mang tin được truyền qua các kênh công cộng và có thể phải qua hay chịu các biến đổi khác nhau, chẳng hạn như phép lọc, thêm nhiễu, cắt bớt dữ liệu hay lấy mẫu lại. Tính bền vững thể hiện ở sự nguyên vẹn, không thay đổi (hay thay đổi không đáng kể) của thông tin được giấu sau những biến đổi như vậy. Dung lượng tin giấu Dung lượng tin giấu được tính bằng tỷ lệ của lượng tin cần giấu so với kích thước đối tượng gốc. Các phương pháp giấu tin mật đều cố gắng giấu được càng nhiều tin trong dữ liệu gốc càng tốt nhưng vẫn giữ được bí mật.
Độ phức tạp tính toán “Độ phức tạp” của thuật toán giấu và giải tin cũng là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá một phương pháp giấu tin. Chỉ tiêu này cho chúng ta biết “tài nguyên” (thời gian và bộ nhớ) tốn bao nhiêu dùng cho một phương pháp giấu tin. Với người có quyền trong hệ thống giấu tin thì thời gian thực hiện phải “nhanh”, nhưng với người thám tin thì việc giải tin phải là bài toán “khó”. Ba thuộc tính quan trọng mà một hệ giấu tin nào cũng mong muốn đạt cao nhất, đó là chất lượng, số lượng và tính bền vững.
Thuộc tính chất lượng yêu cầu sự sai khác giữa dữ liệu gốc và dữ liệu mang tin càng ít càng tốt. Thuộc tính số lượng yêu cầu giấu càng nhiều tin càng tốt. Thuộc tính bền vững yêu cầu khó thay đổi hay xóa tin giấu trong dữ liệu mang tin. Tuy nhiên ba đặc tính này lại ảnh hưởng lẫn nhau, khi đề cao một đặc tính này thì sẽ ảnh hưởng đến các đặc tính còn lại.
Ví dụ, khi ta muốn giấu nhiều tin hơn vào trong một ảnh thì ta phải thay đổi nhiều điểm ảnh hơn 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com để giấu tin, dẫn đến chất lượng của ảnh chứa tin sẽ giảm hơn so với ảnh gốc. Các ứng dụng thủy vân quan tâm nhiều đến thuộc tính bền vững trong khi ứng dụng giấu tin mật quan tâm nhiều đến thuộc tính dung lượng. Mối quan hệ giữa ba thuộc tính thể hiện như hình 1. Khi ta tăng dung lượng (số lượng bit) giấu thì ảnh hưởng đến chất lượng tệp mang tin, hay khi tăng tính bền vững của tin giấu thì phải giảm dung lượng giấu cũng như giảm chất lượng tệp mang tin.
Chất lượng (quality) Bền vững (robustness) Dung lượng (capacity) Hình 1. Mối quan hệ giữa ba yếu tố chất lượng – dung lượng – bền vững 1. Phân loại giấu tin Giấu tin có thể phân loại theo đặc trưng, tính chất và ứng dụng. Ta có thể phân loại các kỹ thuật giấu tin theo kiểu tài liệu dùng làm dữ liệu chứa (văn bản, ảnh, âm thanh, video.), theo miền xử lý (miền dữ liệu trực tiếp hay miền biến đổi), hay theo mục đích giấu tin.
Infomation hiding Giấu thông tin Steganography Watermarking Giấu tin mật Thuỷ vân số Robust Copyright marking Fragile Watermarking Thuỷ vân bền vững Thuỷ vân “dễ vỡ” Imperceptible Watermarking Visible Watermarking Thuỷ vân không nhìn thấy được Thuỷ vân có thể nhìn thấy được Hình 1. Phân loại giấu tin dựa vào mục đích ứng dụng 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nếu phân theo mục đích giấu tin thì ta có giấu tin mật và thủy vân số. Giấu tin mật (steganography) là kỹ thuật nhúng “mẩu tin mật” vào “môi trường giấu tin” (môi trường phủ). Trong quá trình giấu tin ta có thể dùng khoá (stego-key) để tăng tính bảo mật.
Trong giấu tin mật, khoá không phải dùng để mã hóa mẩu tin mà thường được dùng để xác định vị trí “rải tin mật” vào môi trường giấu tin. Mục đích của giấu tin mật là bảo vệ thông tin được giấu. Thuỷ vân số là kỹ thuật nhúng “dấu ấn số” vào một “tài liệu số” nhằm chứng thực (đánh dấu, xác thực) nguồn gốc hay chủ sở hữu của “tài liệu số” này. Như vậy mục đích của thuỷ vân số là bảo vệ môi trường giấu tin, bằng cách biến tin giấu thành một thuộc tính của vật mang tin [33].
Các kỹ thuật giấu tin được trình bày trong luận án được phân loại theo miền xử lý, bao gồm miền dữ liệu của âm thanh (miền thời gian) và miền biến đổi. Tấn công hệ thống giấu tin Tấn công một hệ giấu tin bao gồm các phương pháp để phát hiện, phá huỷ, trích rút hay sửa đổi tin giấu trong dữ liệu mang. Việc nghiên cứu các biện pháp của những người thám tin sẽ hữu ích cho việc thiết kế một hệ giấu tin tốt. Việc tấn công được coi là thành công hay không tuỳ theo ứng dụng.
Đối với liên lạc bí mật, việc phát hiện và chứng minh được một đối tượng có chứa tin mật được coi là thành công. Đối với bảo vệ bản quyền hay chống giả mạo, thì việc tấn công được coi là thành công nếu không chỉ phát hiện ra thuỷ vân mà còn có thể phá huỷ hay sửa đổi nó. Các thuật toán tấn công hệ giấu tin cũng tương tự như các thuật toán tấn công các hệ mã. Nếu như người thám tin có tệp gốc thì sẽ thực hiện so sánh từng bit với tệp nghi ngờ chứa tin giấu để tìm thông tin mật.
Đó là lý do tại sao những tệp quá phổ biến (tệp âm thanh trong các CD hay các tệp ảnh trên Internet) thường không được sử dụng làm đối tượng chứa. Một số tấn công thường gặp là phân tích tệp chứa tin để tìm và/hoặc xóa tin, đối sánh với dữ liệu gốc để lấy hoặc thay thế tin mật, chuyển định dạng, nén, thêm nhiễu để làm mất tin …Sức mạnh của một thuật toán giấu tin phụ thuộc vào khả năng vượt qua các tấn công. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các ứng dụng của giấu tin 1.
Liên lạc bí mật Giấu tin có thể được sử dụng để liên lạc bí mật giữa người gửi và người nhận.