Nghiên cứu phương pháp bảo mật ảnh MRI dựa trên kỹ thuật hỗn loạn - Luận văn

Tài liệu nghiên cứu phương pháp mã hóa và bảo mật ảnh MRI tiên tiến bằng kỹ thuật hỗn loạn, bao gồm mô hình kiểm thử và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Phạm Ngọc Thành
• Người hướng dẫn: TS. Hán Trọng Thanh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp bảo mật ảnh MRI dựa trên kỹ thuật hỗn loạn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về mã hóa ảnh MRI và kỹ thuật hỗn loạn

Mã hóa ảnh MRI là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong bảo mật thông tin y tế hiện đại. Ảnh chụp cộng hưởng từ (MRI) chứa những thông tin nhạy cảm về sức khỏe bệnh nhân, do đó cần được bảo vệ cẩn thận. Kỹ thuật hỗn loạn (Chaos-based encryption) đã nổi lên như một phương pháp hiệu quả để bảo mật các tệp ảnh y tế. Phương pháp này kết hợp các đặc tính toán học của hệ thống hỗn loạn với các thuật toán mã hóa truyền thống, tạo ra một hệ thống bảo mật mạnh mẽ và khó bị phá vỡ. Luận văn thạc sỹ của Phạm Ngọc Thành tại Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu sâu về các phương pháp này, cung cấp những giải pháp thực tế cho bảo mật ảnh y tế.

1.1. Khái niệm mã hóa ảnh MRI

Mã hóa ảnh MRI là quá trình biến đổi dữ liệu ảnh từ dạng rõ thành dạng mã hóa để ngăn chặn truy cập trái phép. Ảnh MRI được lưu trữ dưới dạng ma trận các điểm ảnh (raster), mỗi điểm chứa thông tin mức xám hoặc màu sắc. Quá trình mã hóa cần bảo đảm tính bảo mật cao trong khi vẫn giữ được chất lượng ảnh gốc sau khi giải mã. Điều này đặc biệt quan trọng trong lĩnh vực y tế nơi mà sự chính xác của dữ liệu ảnh là yếu tố sống còn.

1.2. Vai trò kỹ thuật hỗn loạn trong bảo mật

Kỹ thuật hỗn loạn dựa trên các tính chất đặc biệt của hệ thống động học phi tuyến. Những hệ thống này có khả năng tạo ra chuỗi số giả ngẫu nhiên (PRNG) với độ độc lập cao và tính không dự đoán được. Ưu điểm của mã hóa hỗn loạn bao gồm: tốc độ xử lý nhanh, yêu cầu tài nguyên tính toán thấp, và khả năng chống lại các cuộc tấn công phân tích mã mạnh mẽ. So với các hệ mật mã tiêu chuẩn (AES, RSA), phương pháp này phù hợp hơn cho ứng dụng bảo mật dữ liệu hình ảnh lớn.

II. Các phương pháp bảo mật ảnh MRI hiện nay

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để bảo mật ảnh MRI, từ các hệ mật mã chuẩn đến các kỹ thuật hỗn loạn tiên tiến. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Các hệ mật mã như AES, RSA được sử dụng rộng rãi nhưng thường có hiệu suất thấp khi xử lý dữ liệu ảnh lớn. Mã hóa dựa trên mạng Hopfield rời rạc và các mô hình CNN (Cellular Neural Network) đang được nghiên cứu như những giải pháp thay thế hiệu quả. Trong luận văn của Phạm Ngọc Thành, đã xây dựng mô hình mã hóa kết hợp nhiều phương pháp để đạt hiệu suất tối ưu trong bảo mật ảnh y tế.

2.1. Hệ mật mã chuẩn và hạn chế

Hệ mật mã chuẩn như AES, RSA đã được kiểm chứng an toàn nhưng không phù hợp với xử lý ảnh lớn. Chúng yêu cầu năng lực tính toán cao và tốc độ xử lý chậm. Quá trình mã hóa và giải mã ảnh MRI kích thước lớn có thể mất nhiều thời gian, ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống y tế. Do đó, các kỹ thuật hỗn loạn được xem là giải pháp bổ sung, cung cấp tốc độ nhanh hơn và yêu cầu tài nguyên ít hơn.

2.2. Phương pháp hỗn loạn Giải pháp tiên tiến

Mã hóa hỗn loạn sử dụng các hàm hỗn loạn với đặc tính số mũ Lyapunov cao để tạo khóa mã hóa. Phương pháp này cho phép mã hóa ảnh nhanh chóng với độ an toàn cao. Kỹ thuật hỗn loạn có thể áp dụng trên các mạng lưới IoT trong y tế hiện đại. Khóa mã hóa được tạo từ vectơ giá trị đầu (IV) và các tham số hỗn loạn, tạo ra độ ngẫu nhiên cao và khó bị dự đoán, đáp ứng yêu cầu bảo mật tối cao cho ảnh MRI.

III. Xây dựng mô hình mã hóa và giải mã ảnh MRI

Quá trình xây dựng mô hình mã hóa ảnh MRI bao gồm nhiều bước: trước tiên, ảnh được biểu diễn dưới dạng ma trận số, sau đó áp dụng kỹ thuật hỗn loạn để tạo khóa mã hóa. Khóa được tạo từ các tham số hỗn loạn được khởi tạo bằng vectơ giá trị đầu (IV) độc lập. Quá trình mã hóa biến đổi từng điểm ảnh theo từng cách nhất định dựa trên khóa mã hóa. Quy tắc giải mã (D) được thiết kế ngược lại, cho phép khôi phục ảnh gốc từ bản mã hóa bằng cách sử dụng khóa chính xác. Mô hình này đảm bảo rằng chỉ những người có khóa hợp lệ mới có thể truy cập ảnh gốc.

3.1. Quá trình mã hóa sử dụng hỗn loạn

Quy tắc mã hóa (E) áp dụng hàm hỗn loạn để biến đổi ảnh gốc. Đầu tiên, một bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên (PRNG) hỗn loạn tạo ra chuỗi khóa dựa trên tham số khóa ban đầu. Chuỗi này sau đó được sử dụng để thực hiện các phép toán hoán vị và thay thế (substitution-permutation) trên dữ liệu ảnh. Biểu đồ phân bố (histogram) của ảnh gốc được phá vỡ hoàn toàn, làm cho việc phân tích thống kê trở nên không khả thi. Độ bảo mật của quá trình này phụ thuộc vào độ phức tạp của hàm hỗn loạn được sử dụng.

3.2. Đánh giá an toàn trong mô hình

An toàn của mô hình được đánh giá thông qua các tiêu chí bảo mật: khả năng chống lại phân tích mã (cryptanalysis), độ nhạy với thay đổi khóa, và tính không dự đoán được của bản mã. Luận văn của Phạm Ngọc Thành cung cấp các thử nghiệm chi tiết kiểm chứng rằng mô hình mã hóa đề xuất có thể chống lại các cuộc tấn công phổ biến. Kết quả cho thấy kỹ thuật hỗn loạn là một lựa chọn an toàn và hiệu quả cho bảo mật ảnh MRI trong thực tế.

IV. Ứng dụng và triển khai bảo mật ảnh MRI trong thực tế

Bảo mật ảnh MRI không chỉ là vấn đề lý thuyết mà cần được triển khai thực tế trong các bệnh viện và trung tâm y tế. Các hệ thống lưu trữ ảnh DICOM phải tuân thủ các tiêu chuẩn bảo mật quốc tế và luật pháp về bảo vệ dữ liệu cá nhân. Kỹ thuật hỗn loạn có thể được tích hợp vào các hệ thống quản lý hình ảnh y tế hiện đại. Với sự phát triển của các mạng lưới IoT trong y tế, việc mã hóa ảnh MRI trở nên ngày càng quan trọng để ngăn chặn các cuộc tấn công mạng. Các nhà các nhà cung cấp chứng nhận (CA) cần cấp chứng chỉ số (digital signature) để xác thực tính xác thực của dữ liệu ảnh y tế.

4.1. Triển khai trong hệ thống y tế

Trong các cơ sở y tế hiện đại, bảo mật ảnh MRI được thực hiện thông qua các khóa mã hóa được quản lý bởi các nhà cung cấp dịch vụ tin tưởng. Quy trình quản lý khóa (key management) cần đảm bảo rằng khóa mã hóa được lưu trữ an toàn và chỉ những nhân viên được phép mới có thể truy cập. Hệ thống cần hỗ trợ cả mã hóa nhanh chóng lẫn giải mã chính xác để không làm gián đoạn quy trình chẩn đoán. Kỹ thuật hỗn loạn cung cấp một cân bằng tốt giữa hiệu suất và bảo mật.

4.2. Các thách thức và hướng phát triển tương lai

Những thách thức chính trong bảo mật ảnh MRI bao gồm: quản lý khóa hiệu quả, tương thích với các hệ thống cũ, và tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế. Hướng phát triển tương lai bao gồm kết hợp mã hóa hỗn loạn với các tiêu chuẩn mã hóa công khai (PKCS) để tạo ra hệ thống bảo mật hybrid. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và khả năng chống lại các cuộc tấn công mới, đặc biệt là trong bối cảnh phát triển của công nghệ mạng Nơ ron tế bào (CNN) và máy học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẬT MÃ HÓA VÀ KỸ THUẬT HỖN LOẠN SỬ DỤNG TRONG BẢO MẬT Trước khi ứng dụng vào xây dựng một hệ thống mã hóa sử dụng kỹ thuật hỗn loạn, đầu tiên cần phải hiểu tổng quan về mật mã học, các thành phần chính của một hệ mật và các đặc điểm của các thành phần này, các hệ mật mã phổ biến hiện nay và các phương thức thám mã. Sau đó cần biết kỹ thuật hỗn loạn là gì, việc áp dụng kỹ thuật hỗn loạn trong bảo mật có những ưu điểm gì so với các hệ mật hiện đại. Những ưu điểm đó chính là lý do luận văn chọn bảo mật ảnh MRI bằng kỹ thuật hỗn loạn. Tổng quan về mật mã hóa Với việc Internet ngày càng phát triển nhanh chóng, công nghệ thông tin đươc ứng dụng vào mọi mặt của đời sống, kinh tế, chính trị, xã hội.

Song song với quá trình phát triển đó thì những mối đe dọa cũng xuất hiện ngày càng nhiều, do đó yêu cầu về việc có một cơ chế, giải pháp để bảo vệ sự an toàn và bí mật của các thông tin nhạy cảm, quan trong ngày càng trở nên cấp thiết. Mật mã học chính là ngành khoa học đảm bảo cho mục đích này. Khó có thể thấy một ứng dụng Tin học có ích nào lại không sử dụng các thuật toán mã hóa thông tin. Giới thiệu Trong mật mã học, mã hóa là phương pháp để biến thông tin (phim ảnh, văn bản, hình ảnh.) từ định dạng bình thường sang dạng thông tin không thể hiểu được nếu không có phương tiện giải mã.

Một số khái niệm cơ bản trong mã hóa: - Bản rõ (plaintext or cleartext): Chứa các xâu ký tự gốc, thông tin trong bản rõ là thông tin cần mã hoá để giữ bí mật. - Bản mã (ciphertext): Chứa các ký tự sau khi đã được mã hoá, mà nội dung được giữ bí mật. - Mật mã học (Crytography): Là nghệ thuật và khoa học để giữ thông tin được an toàn. - Sự mã hoá (Encryption): Quá trình che dấu thông tin bằng phương pháp nào đó để làm ẩn nội dung bên trong gọi là sự mã hoá.

4 - Sự giải mã (Decryption): Quá trình biến đổi trả lại bản mã bản thành bản rõ gọi là giải mã. - Mô hình chung một hệ thống mã hóa và giải mã: nr Quá trình n Quá trình nr c ha i Hình 1-1: Mô hình chung một hệ thống mã hóa và giải mã 1. Thành phần của 1 hệ thống mật mã Hệ mật mã: là một hệ bao gồm 5 thành phần (P, C, K, E, D) thỏa mãn các tính chất sau: • P (Plaintext) là tập hợp hữu hạn các bản rõ có thể. • C (Ciphertext) là tập hợp hữu hạn các bản mã có thể.

• K (Key) là tập hợp các bản khoá có thể. • E (Encrytion) là tập hợp các quy tắc mã hoá có thể. • D (Decrytion) là tập hợp các quy tắc giải mã có thể. Quá trình mã hóa được tiến hành bằng cách áp dụng hàm toán học E lên thông tin P, vốn được biểu diễn dưới dạng số, để trở thành thông tin đã mã hóa C.

Quá trình giải mã được tiến hành ngược lại: áp dụng hàm D lên thông tin C để được thông tin đã giải mã P. Độ dài khóa Độ an toàn của thuật toán mã hoá cổ điển phụ thuộc vào hai điều đó là độ dài của thuật toán và độ dài của khoá. Nhưng độ dài của khoá dễ bị lộ hơn. Giả sử rằng độ dài của thuật toán là lý tưởng, khó khăn lớn lao này có thể đạt được trong thực hành.

Hoàn toàn có nghĩa là không có cách nào bẻ gãy được hệ thống mã hoá trừ khi cố gắng thử với mỗi khoá. Nếu khoá dài 8 bits thì có 28 = 256 khoá có thể. Nếu khoá dài 56 bits, thì có 256 khoá có thể. Giả sử rằng siêu máy tính có thể thực hiện 1 triệu phép tính một giây, nó cũng sẽ cần tới 2000 năm để tìm ra 5 khoá thích hợp.

Nếu khoá dài 64 bits, thì với máy tính tương tự cũng cần tới xấp xỉ 600,000 năm để tìm ra khoá trong số 264 khoá có thể. Nếu khoá dài 128 bits, nó cần tới 1025 năm, trong khi v ũ trụ của chúng ta chỉ tồn tại cỡ 1010 năm. Như vậy với 1025 năm có thể là đủ dài. Trước khi yên tâm với hệ mã hoá có độ dài khoá đủ dài đã chọn, hãy nên nhớ rằng một nửa khác cũng không kém phần quan trọng đó là thuật toán phải an toàn nghĩa là không có cách nào bẻ gãy trừ khi tìm được khóa thích hợp.

Điều này không dễ dàng nhìn thấy được, hệ thống mã hoá nó như một nghệ thuật huyền ảo. Một điểm quan trọng khác là độ an toàn của hệ thống mã hoá nên phụ thuộc vào khoá, không nên phụ thuộc vào chi tiết của thuật toán. Nếu độ dài của hệ thống mã hoá mới tin rằng trong thực tế kẻ tấn công không thể biết nội dung bên trong c ủ a thuật toán. Nếu tin rằng giữ bí mật nội dung của thuật toán, tận dụng độ an toàn của hệ thống tốt hơn là phân tích những lý thuyết sở hữu chung thì đó là một sai lầm.

Và thật ngây thơ hơn khi nghĩ rằng một ai đó không thể gỡ tung mã nguồn hoặc đảo ngược lại thuật toán. Giả sử rằng một vài kẻ thám mã có thể biết hết chi tiết về thuật toán của. Giả sử rằng họ có rất nhiều bản mã, như họ mong muốn. Giả sử họ có một khối lượng bản rõ tấn công với rất nhiều dữ liệu cần thiết.

Thậm chí giả sử rằng họ có thể lựa chọn bản rõ tấn công. Nếu như hệ thống mã hoá của có thể dư thừa độ an toàn trong tất cả mọi mặt, thì hệ thống đó đã có đủ độ an toàn cần thiết. Quản lý khóa công khai Trong thực tế, quản lý khóa là vấn đề khó nhất của an toàn hệ mã hóa. Để thiết kế an toàn thuật toán mã hoá là một việc là không phải dễ dàng nhưng để tạo và lưu trữ khoá bí mật là một điều khó hơn.

Kẻ thám mã thường tấn công cả hai hệ mã hoá đối xứng và công khai thông qua hệ quản lý khoá của chúng. Đối với hệ mã hoá công khai việc quản lý khoá dễ hơn đối với hệ mã hoá đối xứng, nhưng nó có một vấn đề riêng duy nhất. Mỗi người chỉ có một khoá công khai, bất kể số người ở trên mạng là bao nhiêu. Chứng nhận khoá công khai Chứng nhận khoá công khai là xác định khoá thuộc về một ai đó, được quản lý bởi một người đáng tin cậy.

Chứng nhận để sử dụng vào việc cản trở sự cố gắng thay thế một khoá này bằng một khoá khác. Nó lưu trữ thông tin về Bob (người gửi bản tin) như tên, địa chỉ,. và nó được viết bởi ai đó mà Eva (người nhận bản tin) tin tưởng, người đó thường gọi là CA(certifying authority). Bằng cách xác nhận cả khoá và thông tin về Bob.

CA xác nhận thông tin về Bob là đúng và khoá công khai thuộc quyền sở hữu của Bob. Eva kiểm tra lại các dấu hiệu và sau đó cô ấy có thể sử dụng khoá công khai, sự an toàn cho Bob và không một ai khác biết. Quản lý khóa phân phối Trong một vài trường hợp, trung tâm quản lý khoá có thể không làm việc. Có thể không có một CA (certifying authority) nào mà Eva và Bob tin tưởng.

Có thể họ chỉ tin tưởng bạn bè thân thiết hoặc họ không tin tưởng bất cứ ai. Quản lý khoá phân phối, sử dụng trong những chương trình miền công khai, giải quyết vấn đề này với người giới thiệu (introducers). Người giới thiệu là một trong những người dùng khác của hệ thống anh ta là người nhận ra khoá công khai của bạn anh ta. Các hệ mật mã Mật mã học hiện đại dựa theo cách phân loại theo khóa chia làm 2 nhánh chính: Hệ mật mã đối xứng và hệ mật mã phi đối xứng.

Hệ mật mã đối xứng Thuật toán đối xứng hay còn gọi thuật toán mã hoá cổ điển. Thuật toán này còn có nhiều tên gọi khác như thuật toán khoá bí mật, thuật toán khoá đơn giản, thuật toán một khoá. Đây là thuật toán mà tại đó khoá mã hoá có thể tính toán ra được từ khoá giải mã. Trong rất nhiều trường hợp, khoá mã hoá và khoá giải mã là giống nhau.

Thuật toán này yêu cầu người gửi và người nhận phải thoả thuận một khoá trước khi thông báo được gửi đi, và khoá này phải được cất giữ bí mật. Độ an toàn 7 của thuật toán này vẫn phụ thuộc vào khoá, nếu để lộ ra khoá này nghĩa là bất kỳ người nào cũng có thể mã hoá và giải mã hệ thống mật mã. Sự mã hoá và giải mã của thuật toán đối xứng biểu thị bởi : EK ( P ) = C (1.2) K1 K2 nr h a n i nr c Hình 1-2: Hệ mật mã đối xứng Trong đó: • K1 có thể trùng K 2 , • Hoặc K1 có thể tính toán từ K 2 • Hoặc K 2 có thể tính toán từ K1 Ưu điểm: • Xử lý nhanh Nhược điểm: • Các phương pháp mã hoá cổ điển đòi hỏi người mã hoá và người giải mã phải cùng chung m ộ t khoá. Khi đó khoá phải được giữ bí mật tuyệt đối, do vậy ta dễ dàng xác định một khoá nếu biết khoá kia.

• Hệ mã hoá đối xứng không bảo vệ được sự an toàn nếu có xác suất cao khoá người gửi bị lộ. Trong hệ mã hóa, khoá phải được gửi đi trên kênh an toàn nếu kẻ địch tấn công trên kênh này có thể phát hiện ra khoá. • Vấn đề quản lý và phân phối khoá là khó khăn và phức tạp khi sử dụng hệ mã hoá cổ điển. Người gửi và người nhận luôn luôn thông nhất với nhau về vấn đề khoá.

Việc thay đổi khoá là rất khó và dễ bị lộ. 8 • Khuynh hướng cung cấp khoá dài mà nó phải được thay đổi thường xuyên cho mọi người trong khi vẫn duy trì cả tính an toàn lẫn hiệu quả chi phí sẽ cản trở rất nhiều với việc phát triển hệ mật mã cổ điển. Thuật toán đối xứng có thể được chia ra làm hai thể loại, mật mã luồng (stream ciphers) và mật mã khối (block ciphers). Mật mã luồng mã hóa từng bit của thông điệp trong khi mật mã khối gộp một số bit lại và mật mã hóa chúng như một đơn vị.

Cỡ khối được dùng thường là các khối 64 bit.