MỞ ĐẦU Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc cho xã hội và trong cuộc sống con ngƣời. Bên cạnh những thuận lợi mà thông tin kỹ thuật số mang lại cũng nảy sinh những thách thức và cơ hội cho quá trình đổi mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng rất mạnh, các thiết bị mới nhƣ máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lƣợng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số…đã giúp ngƣời dùng có thể sáng tạo, xử lý và thƣởng thức các dữ liệu đa phƣơng tiện. Mạng Internet toàn cầu trở thành một xã hội ảo, nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thƣơng mại…Và chính trong môi trƣờng mở và tiện nghi nhƣ thế đã xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin nhƣ nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép.
Nhiều phƣơng pháp bảo vệ thông tin đã đƣợc đƣa ra trong đó phƣơng pháp dùng mật mã học là giải pháp đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất. Các hệ mật mã đã đƣợc phát triển nhanh chóng và đƣợc ứng dụng rất phổ biến cho đến tận ngày nay. Sử dụng các hệ này, thông tin ban đầu sẽ đƣợc mã hoá thành các ký hiệu vô nghĩa, sau đó sẽ đƣợc lấy lại thông qua việc giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có rất nhiều những hệ mã phức tạp đƣợc sử dụng, bao gồm các hệ mã hóa khóa đối xứng nhƣ DES, 3-DES, AES, hệ mã hóa khóa công khai nhƣ RSA.Phƣơng pháp mật mã hoá đã đƣợc chứng minh là rất hiệu quả và có nhiều ứng dụng trong thực tiễn.
Một phƣơng pháp khác đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rất mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới đó là phƣơng pháp giấu tin mật. Trong khi phƣơng pháp mã hoá nhằm bảo vệ nội dung của thông tin thì phƣơng pháp giấu tin mật lại che giấu sự có mặt của thông tin bằng cách giấu thông tin này vào thông tin khác. Đây là phƣơng pháp mới và phức tạp, đƣợc xem nhƣ một công nghệ chìa khoá cho vấn đề bảo vệ bản quyền, nhận thực thông tin và kiểm soát truy cập…ứng dụng trong an toàn và bảo mật thông tin. Nhiều kỹ thuật giấu tin mật đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng trên nhiều định dạng đa phƣơng tiện khác nhau nhƣ âm thanh số, ảnh số và video số.
Có thể nói, phƣơng pháp mã hóa và phƣơng pháp giấu tin mật đều có những ƣu, nhƣợc điểm nhất định. Trên thực tế, ngƣời ta đã áp dụng cả hai phƣơng pháp này để giúp cho việc đảm bảo an toàn thông tin khi trao đổi. Để tăng dung lƣợng thông tin đƣợc trao đổi, ngƣời ta cũng thƣờng kết hợp thêm các kỹ thuật nén thông tin. Trong phạm vi luận văn này, chúng tôi tập trung nghiên cứu một số nội dung cơ bản của các kỹ thuật nén thông tin, mã hoá thông tin, giấu tin mật trong dữ liệu đa phƣơng tiện, trên cơ sở đó nghiên cứu phối hợp các phƣơng pháp này để xây dựng ứng dụng giúp cho việc đảm bảo an toàn khi trao đổi thông tin trên mạng máy tính, đáp ứng nhu cầu liên lạc bí mật ngày càng tăng hiện nay, đặc biệt là cho lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng.
Ngoài ra, nhằm tăng tính thực tế cho ứng dụng, chúng tôi cũng đƣa ra ý tƣởng sử dụng cơ sở dữ liệu vật mang nhằm chọn vật mang ―phù hợp nhất‖ cho việc chứa thông tin mật cần giấu. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Luận văn gồm 3 chƣơng, cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về nén, mã hoá và giấu tin mật. Chƣơng này tìm hiểu tổng quan về các kỹ thuật nén thông tin, mã hoá thông tin và giấu tin mật. Nội dung đề cập là các khái niệm cơ bản, tính chất, đặc điểm, ứng dụng và một số vấn đề có liên quan của các kỹ thuật này.
Chƣơng 2: Môi trƣờng đa phƣơng tiện và khả năng giấu tin. Để có thể thực hiện các kỹ thuật nén, mã hoá và giấu tin mật trong môi trƣờng đa phƣơng tiện thì vấn đề đặt ra là cần tìm hiểu cấu trúc, đặc điểm và tính chất của các định dạng trong môi trƣờng đa phƣơng tiện. Chƣơng này tập trung trình bày các khái niệm cơ bản, đặc điểm, tính chất và các kỹ thuật nén đƣợc áp dụng đối với các định dạng phổ biến nhƣ ảnh số, âm thanh số và video số cũng nhƣ phƣơng pháp giấu tin mật trong các định dạng này. Chƣơng 3: Phối hợp các phƣơng pháp nén, mã hoá và giấu tin mật để xây dựng ứng dụng cho liên lạc bí mật.
Trên cơ sở phân tích những ƣu điểm, hạn chế của từng kỹ thuật để phối hợp các phƣơng pháp trên xây dựng mô hình giúp cho việc liên lạc, trao đổi thông tin có bảo mật trên mạng công khai. Mô hình đề xuất còn sử dụng cơ sở dữ liệu vật mang để có thể chọn những vật mang ―phù hợp nhất‖ với một thông điệp mật nhất định, góp phần làm giảm thiểu nguy cơ mất an ninh an toàn thông tin. Đây là một điểm cải tiến so với các phần mềm hiện có trên thị trƣờng hiện nay. Ứng dụng đƣợc xây dựng dựa trên kỹ thuật nén không mất mát thông tin ZIP, hệ mã hoá công khai RSA và giải thuật F5 để giấu thông tin trong ảnh JPEG.
Cơ sở dữ liệu vật mang bao gồm các ảnh đƣợc download ngẫu nhiên trên mạng Internet. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÉN, MÃ HOÁ VÀ GIẤU TIN MẬT 1. Tổng quan về nén thông tin 1. Nhận thức chung 1.
Một số khái niệm cơ bản Nén dữ liệu là quá trình làm giảm lƣợng thông tin ―dư thừa‖ trong dữ liệu gốc và do vậy lƣợng thông tin thu đƣợc sau nén thƣờng nhỏ hơn dữ liệu gốc rất nhiều. Nén dữ liệu phổ biến vì hai lý do: - Do nhu cầu lưu trữ dữ liệu: lƣợng thông tin cần lƣu trữ ngày càng lớn nên nếu không có cách thức tổ chức thì sẽ vƣợt quá dung lƣợng của các thiết bị nhớ. Nén dữ liệu có tác dụng làm giảm dung lƣợng thông tin cần lƣu trữ. - Do yêu cầu truyền dữ liệu: dữ liệu lớn sẽ làm chậm tốc độ truyền dữ liệu.
Do vậy, nảy sinh nhu cầu nén thông tin để tăng tốc độ truyền. Ví dụ, khi lƣớt web hoặc khi download file. Quá trình nén và quá trình giải nén nhƣ sau: Hình 1: Quá trình nén và giải nén thông tin Ngoài thuật ngữ ―nén dữ liệu hay data compression‖, ngƣời ta còn có tên gọi khác ―mã hoá nguồn – source coding‖ hay ―giảm độ dƣ thừa‖. Đó là bởi vì các ký hiệu đầu vào (có thể là các bit, các mã ASCII, các byte, các mẫu audio hoặc các giá trị điểm ảnh) đƣợc phát ra bởi một nguồn thông tin nào đó và phải đƣợc mã hoá trƣớc khi gửi tới đích.
Từ hơn hai thập kỷ nay, có rất nhiều kỹ thuật nén đã đƣợc công bố trên các tài liệu, các phần mềm nén dữ liệu đã xuất hiện ngày càng nhiều trên thị trƣờng. Tuy nhiên, chƣa có phƣơng pháp nén nào đƣợc coi là phƣơng pháp vạn năng vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố và bản chất của dữ liệu gốc. Các thông số quan trọng của nén - Tỷ lệ nén (compression ratio) : Tỷ lệ nén là một trong các đặc trƣng quan TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 trọng nhất của mọi phƣơng pháp nén. Nhìn chung, có thể định nghĩa tỷ lệ nén nhƣ sau: Tỷ lệ nén có thể đƣợc tính theo bpb (bit per bit).
Trong nén ảnh thì bpb cũng có nghĩa là ―bits per pixel‖; trong các phƣơng pháp nén văn bản, ngƣời ta thƣờng đề cập đến bpc (bits per character). - Nhân tố nén (compression factor) : là nghịch đảo của tỷ lệ nén. Nhân tố nén đƣợc tính theo công thức sau: - Hiệu suất nén: đƣợc tính theo công thức: Hiệu suất nén = 100 x (1- Tỷ lệ nén) %. Tuy nhiên, cũng phải thấy rằng những chỉ số của một phƣơng pháp nén chỉ có giá trị với chính sự nén đó, vì hiệu quả của nén còn phụ thuộc vào kiểu dữ liệu định nén.
Tỷ lệ nén cũng chỉ là một trong các đặc trƣng cơ bản của phƣơng pháp nén. Nhiều khi tỷ lệ nén cao cũng chƣa thể nói rằng phƣơng pháp nén đó là hiệu quả hơn các phƣơng pháp khác, vì còn các chi phí khác nhƣ thời gian, không gian và thậm chí cả độ phức tạp tính toán nữa. Thí dụ nhƣ nén phục vụ trong truyền dữ liệu: vấn đề đặt ra là hiệu quả nén có tƣơng hợp với đƣờng truyền không. Cũng cần phân biệt nén dữ liệu với nén băng truyền.
Mục đích chính của nén là làm giảm lƣợng thông tin dƣ thừa và dẫn tới giảm kích thƣớc dữ liệu. Tuy vậy, đôi khi quá trình nén cũng làm giảm băng truyền tín hiệu số hoá thấp hơn so với truyền tín hiệu tƣơng tự. Nguyên tắc của nén dữ liệu Các nguyên tắc, kỹ thuật và giải thuật để nén các loại dữ liệu khác nhau đƣợc phát triển bởi nhiều ngƣời, và đều dựa trên các khái niệm về thống kê, biến đổi Fourier và các dạng biến đổi khác… Có nhiều phƣơng pháp nén dữ liệu. Chúng dựa trên các ý tƣởng khác nhau để phù hợp với các loại dữ liệu khác nhau và tạo ra các kết quả khác nhau, nhƣng tất cả đều dựa trên cùng một nguyên tắc là nén dữ liệu bằng cách loại bỏ dƣ thừa từ dữ liệu gốc trong file nguồn.
Các dữ liệu không ngẫu nhiên đều có một cấu trúc nhất định và cấu trúc này có thể đƣợc khai thác để thu đƣợc biểu diễn nhỏ hơn của dữ liệu, một biểu diễn trong đó không có cấu trúc có thể nhận thức đƣợc. Ví dụ, trong văn bản tiếng Anh, ký tự E xuất hiện thƣờng xuyên trong khi ký tự Z TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 lại rất ít khi xuất hiện. Đây gọi là loại dƣ thừa bảng chữ cái. Để thực hiện nén, ngƣời ta thực hiện gán các mã kích thƣớc thay đổi cho các chữ cái, với E nhận mã ngắn nhất và Z nhận mã dài nhất.
Một loại dƣ thừa khác là dƣ thừa theo ngữ cảnh, ví dụ nhƣ chữ cái Q hầu nhƣ luôn đƣợc theo sau bởi chữ cái U. Ý tƣởng của nén bằng cách giảm bớt dƣ thừa gợi ý đƣa ra luật chung của nén dữ liệu: ―gán các mã ngắn hơn cho các sự kiện chung (các symbol hoặc các phrase) và các mã dài đối với các sự kiện hiếm‖.