Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 An toàn và bảo mật thông tin Với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và phát triển khoa học kĩ thuật, nhân loại đang bước vào một thời đại mới − thời đại của nền kinh tế thông tin toàn cầu. Trong những năm gần đây, rất nhiều thông tin được số hóa bao trùm trong các lĩnh vực: kinh tế, văn hóa, xã hội, giáo dục, quân sự… và được lưu trữ trên đám mây điện toán, phân phối qua hệ thống mạng. Dù rằng, Internet được sử dụng như một phương tiện giao tiếp, thuận lợi trong trao đổi thông tin theo nhu cầu. Nhưng đồng thời, môi trường Internet cũng mang đến cho con người nhiều rủi ro trong giao tiếp.
Khi công cuộc chuyển đổi số đang đi vào chiều sâu, càng nhiều thông tin số được giao tiếp từ xa qua mạng. Trong số đó, nhiều thông tin quan trọng đang được trao đổi, điều này đã thu hút sự quan tâm của nhiều người dùng trái phép như là đánh cắp, giả mạo, thay đổi nội dung thông tin có chủ đích. Ngày nay, hơn bao giờ hết, sự phát triển mạnh mẽ của các tội phạm tin học bằng các công cụ sẵn có trên mạng đã và đang làm cho các quốc gia trên toàn thế giới phải đối mặt với những đe dọa nghiêm trọng về an ninh và an toàn thông tin. Đó cũng là vấn đề nghiêm trọng kìm hãm sự phát triển về kinh tế, xã hội của các quốc gia nếu như không có giải pháp hữu hiệu ngăn chặn làn sóng ấy.
An toàn và bảo mật thông tin trở thành sự bảo đảm quan trọng cho phát triển kinh tế, xã hội trong các lĩnh vực giao tiếp, lưu trữ, chính sách nội dung và xác thực dữ liệu. Phương pháp bảo đảm sự an toàn thông tin còn gọi là kĩ thuật an toàn thông tin và an ninh mạng. Kĩ thuật này được thiết kế nhằm bảo vệ thông tin trước những đe dọa tấn công. Hiện nay, hai kĩ thuật bảo đảm sự an toàn của thông tin là mã hóa thông tin (Cryptography) và giấu thông tin (Steganography/Information hiding).
Mã hóa thông tin là kĩ thuật làm cho tin tặc không hiểu được nội dung bản tin. Mã hóa thông tin hầu hết được tiếp cận cho những ứng dụng bảo vệ sự an toàn của thông tin bằng cách diễn dịch bản tin từ dạng rõ nghĩa sang dạng vô nghĩa. Trong khi đó, giấu thông tin là kĩ thuật nhúng nội dung thông tin mật cần bảo vệ vào trong thông tin khác làm cho tin tặc không phát hiện thông tin đã giấu, hoặc nhúng nội dung thông tin vào trong thông tin khác cần được bảo vệ. Như vậy, kĩ thuật giấu tin không chỉ bảo đảm sự bí mật của thông tin được giấu trong quá trình truyền tin, mà còn bảo vệ nội dung đối tượng mang thông tin ẩn giấu.
Với những đặc điểm, tính chất kĩ thuật như vậy, giấu thông tin đang trở thành một cách tiếp cận mới trong lĩnh vực an ninh và an toàn thông tin. Nó được sử dụng nhiều cho các ứng dụng bảo mật, ngụy trang trong giao tiếp cũng như bảo vệ bản quyền nội dung thông tin, đặc 1 luan an biệt là trong các giao dịch điện tử trên môi trường Internet, một môi trường mạng mở trao đổi không tin cậy [1–7]. Trong khoa học máy tính và hệ thống thông tin, an toàn và bảo mật thông tin gồm có ba mục tiêu chính [8] như Hình 1.1: • Bí mật (Confidentiality): bảo đảm rằng thông tin cá nhân hay thông tin bí mật không bị truy cập trái phép, • Toàn vẹn dữ liệu (Integrity): bảo đảm thông tin chỉ có thể được thay đổi bởi người dùng được chỉ định, • Sẵn dùng (Availability): luôn sẵn sàng đáp ứng yêu cầu truy cập thông tin cho người dùng hợp pháp.1 Mục tiêu an toàn và bảo mật thông tin 1.2 Mã hóa thông tin và giấu thông tin Mục tiêu chính của mã hóa thông tin và giấu thông tin, sau đây gọi tắt là mã hóa tin và giấu tin, là giữ sự an toàn cho thông tin trong truyền thông giao tiếp. Tuy nhiên, để có sự phân định rõ ràng giữa hai kĩ thuật này trong các hệ thống ứng dụng an toàn thông tin, ta cần xem xét ý nghĩa gốc của từ mà nó được định danh.
Cả hai thuật ngữ đều có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp, “Mã hóa tin” – Cryptography với nghĩa là ‘Secret writing’, trong khi “Giấu tin” – Steganography mang ý nghĩa là ‘Covered writing’. Như vậy, mã hóa tin là kĩ thuật chuyển mã làm cho thông tin không còn ý nghĩa về mặt tri thức đối với bên thứ ba, bên không được chỉ định. Trong khi đó, giấu tin là kĩ thuật nhúng thông tin bên trong đối tượng mang tin nhưng không phá vỡ cấu trúc của đối tượng mang tin nhằm ngụy trang sự giao tiếp thông tin đối với bên thứ ba. Giấu tin tạo ra kênh giao tiếp an toàn giữa người gửi và người nhận được chỉ định [9].1 Mã hóa thông tin Mã hóa tin là một lĩnh vực liên quan đến các kĩ thuật ngôn ngữ học và toán học, là kĩ thuật mã hóa thông tin mà ở đó người gửi (sender) mã hóa dữ liệu ở 2 luan an dạng đọc hiểu/bản rõ (plain-text) sang dạng đọc không hiểu hay còn gọi bản mật mã (cipher-text) trước khi gửi đến cho người nhận (recipient).
Để hiểu được thông điệp, người nhận phải giải mã với khóa thích hợp và kể từ đó thông điệp không còn được bảo vệ.2 biểu diễn sơ đồ hệ mật mã khóa đồng bộ. Hơn nữa, với môi trường truyền thông đa phương tiện, các bản mật mã dễ gây chú ý đến những tin tặc và hệ thống giám sát truyền thông trên môi trường mạng. Từ đó, tin tặc luôn tìm cách thám mã để đọc những thông tin bị mã hóa đó.2 Sơ đồ hệ mật mã khóa đồng bộ [2] 1.2 Giấu thông tin Để bảo đảm an toàn thông tin, bên cạnh kĩ thuật mã hóa tin còn có kĩ thuật giấu tin. Thông tin cần giấu có thể được điều chỉnh sao cho phù hợp với đa dạng đối tượng mang tin như hình ảnh, âm thanh, video, và văn bản.
Lợi ích của giấu tin so với mã hóa tin là không bộc lộ bất kì sự khác thường nào đối với tin tặc là có thông tin được nhúng bên trong vật mang tin.3 trình bày sơ đồ hệ thống giấu tin nhằm ngụy trang sự giao tiếp hay còn gọi là giao tiếp ẩn.3 Sơ đồ hệ thống giấu tin Như vậy, mục tiêu chính của hai kĩ thuật mã hóa tin và giấu tin là bảo đảm an toàn thông tin. Tuy nhiên, có sự khác nhau quan trọng giữa hai kĩ thuật này, với mã hóa tin thì bên thứ ba có thể nhìn thấy sự giao tiếp thông tin mật giữa bên gửi và bên nhận; trong khi đó với giấu tin thì sự tồn tại của thông tin mật hoàn toàn được ẩn giấu, có nghĩa là không ai nhìn thấy sự trao đổi thông tin mật giữa bên gửi và bên nhận. 3 luan an Bảng 1.1 tóm tắt sự khác nhau chính của hai kĩ thuật bảo đảm an toàn bảo mật thông tin. Vì mã hóa tin cho phép bảo đảm thông tin được giữ bí mật và cần có khóa để đọc thông tin, do đó trong trường hợp tốt nhất tin tặc không thể giải mã.
Tuy nhiên, do bản mật mã dễ dàng bị chỉnh sửa nên tính toàn vẹn về dữ liệu không còn được bảo đảm. Với mục tiêu ẩn thông tin mật khi giao tiếp, về nguyên tắc, kĩ thuật giấu tin không bị phát hiện và dữ liệu được giữ bí mật trừ khi tin tặc tìm được cách phát hiện ra nó.1 So sánh các kĩ thuật an toàn bảo mật thông tin Mã hóa tin Giấu tin Phá vỡ ý nghĩa nội Ẩn nội dung thông dung thông tin tin, không gây hại lớn Mục tiêu đến đối tượng mang tin Bảo mật Bản mật mã không Thông tin nhúng thông tin có ý nghĩa tri thức không hiện diện Bảo mật Phụ thuộc bí mật Phụ thuộc bí mật truyền thông của khóa phương pháp nhúng Đặc tính kĩ An toàn thông Độ phức tạp thuật Hiệu quả chất lượng thuật tin toán mã hóa đối tượng mang tin Tấn công Dễ phát hiện/khó Khó phát hiện/khó trích xuất thông tin trích xuất thông tin 1.3 Giấu tin trong ảnh số Tính bí mật của thông tin liên lạc được bảo đảm chủ yếu bởi khả năng ngụy trang của thuật toán được áp dụng trên đối tượng mang tin cũng như mức độ xử lí dữ liệu, đây được xem là khả năng chống lại các nỗ lực phát hiện thông tin ẩn. Đối tượng mang tin (cover media) tốt nhất phải thỏa mãn hai điều kiện: (1) đối tượng đó phải phổ dụng: nghĩa là việc sử dụng nó để mang tin gửi đi là bình thường, không bộc lộ bất kì sự đặc biệt nào nhằm ngụy trang sự giao tiếp thông tin giữa các bên; (2) những sửa chữa liên quan đến nhúng thông tin vào đối tượng mang tin là không rõ ràng và trong suốt để không gây chú ý đối với hệ thống giám sát thông tin. Thực tế cho thấy rằng ảnh số là đối tượng mang tin tốt vì sự phổ biến của nó cũng như sự dư thừa dữ liệu bên trong ảnh.
Đó là môi trường tốt để nhúng thông tin vì ít phá vỡ màu sắc và cấu trúc ảnh.1 Ảnh số Đối với máy tính, ảnh số I là một mảng hai chiều có kích thước M×N chứa những con số biểu thị cho độ sáng của mỗi điểm ảnh (pixel) và được biểu diễn bởi hàm số: 𝐼 = {𝐼(𝑥, 𝑦) ∈ [0, 𝐵]|1 ≤ 𝑥 ≤ 𝑀, 1 ≤ 𝑦 ≤ 𝑁} (1.1) trong đó, I(x,y) là giá trị màu hay mức sáng của điểm ảnh tại hàng thứ x và cột thứ y của ma trận điểm ảnh I, B là biên độ màu sắc cực đại có thể của ảnh.4 phân loại ba kiểu màu sắc của ảnh số ‘Lena’. Dựa vào vùng của I(x,y) mà ta có thể phân loại ảnh số thành ảnh nhị phân, khi đó giá trị điểm ảnh chỉ có thể có hai giá trị biểu thị cho hai màu đen và trắng (Hình 1. Hoặc giá trị màu điểm ảnh chứa trong vòng 8 bits dữ liệu gọi là ảnh xám (Hình 1.255], còn đối với ảnh màu, giá trị màu của mỗi điểm ảnh được chứa trong 24 bits dữ liệu (Hình 1. Màu sắc của một điểm ảnh trong ảnh màu được tạo thành bởi ba thành phần màu chính: đỏ (red), xanh lá (green), và xanh dương (blue), mỗi thành phần được biểu diễn bằng 8 bits.
Như vậy, ảnh 24-bit, mỗi điểm ảnh dùng 3 bytes để biểu thị màu sắc và đạt đến 16.5 trình bày các màu thành phần của ảnh màu ‘Lena’. (a) Ảnh đen trắng (b) Ảnh xám (c) Ảnh màu Hình 1.4 Ảnh số (a) Đỏ (b) Xanh lá (c) Xanh dương Hình 1.