Nghiên cứu kỹ thuật phát hiện sự thay đổi dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG
–––––––––––––––––

LÊ THỊ HOÀNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT PHÁT HIỆN SỰ THAY ĐỔI
DỮ LIỆU TRONG CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số : 62.48.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, năm 2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, việc sử dụng các cơ sở dữ liệu quan hệ, đặc biệt là cơ sở dữ
liệu quan hệ trong các ứng dụng ngày càng tăng. Tốc độ phát triển Internet và
các cơng nghệ có liên quan hiện đang đưa đến một sức ép rất nặng nề cho
những người đảm bảo dữ liệu trong việc tạo ra các dịch vụ (thường được gọi
là các dịch vụ web hoặc các tiện ích điện tử) cho phép người dùng có thể tìm
kiếm và truy cập cơ sở dữ liệu quan hệ từ xa. Mặc dù xu hướng này là hữu ích
cho người dùng cuối nhưng nó cũng bộc lộ mối nguy hiểm cho những nhà
cung cấp dữ liệu trước những kẻ trộm cắp dữ liệu. Do đó, những nhà cung cấp

dữ liệu đòi hỏi phải có các cơng cụ hỗ trợ cho việc bảo vệ bản quyền sản
phẩm của họ, nhận dạng được những bản sao các cơ sở dữ liệu quan hệ của họ
bị đánh cắp hoặc bị xun tạc với ý đồ xấu.
Một trong những cơng cụ rất hữu ích dùng để bảo vệ bản quyền và chống
giả mạo đối với các cơ sở dữ liệu quan hệ đó là lược đồ thủy vân số. Hiện tại,
đã có khá nhiều lược đồ thủy vân được đề xuất, trong đó có thể chia thành hai
lớp. Một lớp là các lược đồ thủy vân dùng để bảo vệ bản quyền cho các cơ sở
dữ liệu quan hệ, điển hình là lược đồ thủy vân dựa vào các bit ít ý nghĩa nhất
(LSB), lược đồ thủy vân dựa vào các bit ý nghĩa nhất (MSB) và lược đồ thủy
vân dựa vào phương pháp tối ưu hóa các ràng buộc. Lớp thứ hai là các lược
đồ thủy vân dùng để đảm bảo sự tồn vẹn cho các cơ sở dữ liệu quan hệ, điển
hình là lược đồ khoanh vùng và phát hiện giả mạo cho cơ sở dữ liệu quan hệ
có thuộc tính phân loại, phát hiện giả mạo và khơi phục dữ liệu gốc cho cơ sở
dữ liệu quan hệ có khả năng chịu được một số thay đổi nhỏ trong dữ liệu.
Ngày nay, xu hướng nghiên cứu các lược đồ thủy vân dùng để đảm bảo sự
tồn vẹn cho cơ sở dữ liệu quan hệ ngày càng được quan tâm hơn từ các nhu
cầu thực tế của chủ sở hữu cơ sở dữ liệu quan hệ. Các lược đồ này thực hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2

nhiệm vụ kiểm tra xem cơ sở dữ liệu quan hệ có bị giả mạo hay khơng vì thế
mà khơng gây tốn kém cho chủ sở hữu cơ sở dữ liệu quan hệ như việc sử
dụng các lược đồ thủy vân để bảo vệ bản quyền cho cơ sở dữ liệu quan hệ. Vì
vậy, gần đây một số lược đồ thủy vân dùng để đảm bảo sự tồn vẹn cho cơ sở
dữ liệu quan hệ đã được đề xuất. Tuy nhiên, các lược đồ thủy vân chủ yếu
được sử dụng cho các cơ sở dữ liệu quan hệ chứa các thuộc tính số. Nhưng

trong thực tế có khá nhiều cơ sở dữ liệu quan hệ mà các thuộc tính của chúng
có kiểu khơng phải kiểu số, ví dụ như kiểu văn bản, kiểu bộ nhớ,… Xuất phát
từ thực tế trên, em chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật phát hiện sự thay đổi
dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ”
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, đánh giá kỹ thuật thủy vân dễ vỡ trên cơ sở dữ liệu quan
hệ có các thuộc tính phân loại
Các cơng cụ lập trình và phần mềm dùng để cài đặt chương trình thử
nghiệm.
3. Hƣớng nghiên cứu đề tài
Tìm hiểu cơ bản về giấu tin và thủy vân.
Nghiên cứu và thực hiện cài đặt thử nghiệm lược đồ thủy vân dễ vỡ
dùng để phát hiện sự thay đổi dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ có các thuộc
tính phân loại.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chủ yếu ở đây là phương pháp tiếp cận lý
thuyết, sau đó áp dụng lý thuyết vào một ngơn ngữ lập trình cụ thể để kiểm
chứng. Dựa trên những kết quả kiểm chứng đó để đưa ra các kết luận và các
đề xuất nhằm hồn thành mục tiêu nghiên cứu của luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3

Cụ thể trong luận văn này, tác giả lấy thơng tin điểm tuyển sinh đầu
vào của Trường Dự bị Đại học Dân tộc Trung ương làm cơ sở dữ liệu phục vụ
cho việc kiểm chứng lý thuyết
5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Mục tiêu của đề tài có ý nghĩa khoa học và có ý nghĩa thực tiễn trong
việc phát hiện sự thay đổi dữ liệu đối với các cơ sở dữ liệu quan hệ sau khi đã
phân phối hoặc chuyển giao. Đồng thời việc “phát hiện” này cũng là một vấn
đề rất quan trọng trong mơi trường ứng dụng dựa trên Internet nhằm phát tán
và truyền tải thơng tin.
Nội dung chính của luận văn:
Tìm hiểu cơ bản về thủy vân, trình bày kỹ thuật phát hiện sự thay đổi của
dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Thực hiện cài đặt thử nghiệm. Nhận xét
đánh giá lược đồ thủy vân.
Luận văn gồm 3 chương:
Chƣơng 1: Thủy vân cơ sở dữ liệu và các vấn đề liên quan
Nhằm giới thiệu cơ bản về giấu tin và thủy vân, giấu tin và thủy vân trên
ảnh, thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ, thủy vân bền vững, thủy vân dễ vỡ.
Chƣơng 2: Nghiên cứu kỹ thuật phát hiện sự thay đổi dữ liệu trong
cơ sở dữ liệu quan hệ
Trình bày các thuật tốn nhúng thủy vân và phát hiện sự thay đổi dữ liệu
trên cơ sở dữ liệu quan hệ.
Chƣơng 3: Cài đặt và thực nghiệm
Cài đặt thử nghiệm lược đồ thủy vân dễ vỡ trong cơ sở dữ liệu quan hệ.
Đánh giá lược đồ thủy vân đã được xây dựng.
Kết luận: Tóm tắt và đánh giá các kết quả nghiên cứu đã đạt được. Đưa
ra hướng phát triển và cải tiến lược đồ thủy vân.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

4

Tơi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Bùi Thế Hồng đã tận tình

hướng dẫn, tạo mọi điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành đề tài luận văn này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

5

Chƣơng 1
THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ
VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
1.1. Tổng quan về thủy vân cơ sởdữ liệu quan hệ
1.1.1. Một số khái niệm cơ bản
1.1.1.1. Khái niệm thủy vân
Thuật ngữ “thuỷ vân” có xuất xứ từ kỹ thuật đánh dấu nước thời xưa.
Đây là kỹ thuật đánh dấu chìm một hình ảnh hay một dữ liệu nào đó lên trên
giấy nhằm mục đích trang trí và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy.
Như vậy, thơng tin cần giấu được gọi là thuỷ vân (watermark). Thuỷ vân chứa
đựng thơng tin có thể được dùng để chứng minh quyền sở hữu hoặc chống
xun tạc, giả mạo.
Có thể phân chia thủy vân thành 2 loại:
Thuỷ vân bền vững (robust watermark): là thuỷ vân tồn tại bền vững
cùng với dữ liệu, khơng dễ dàng bị phá huỷ trước những biến đổi, tấn cơng
lên dữ liệu. Các thủy vân này thường được dùng trong các ứng dụng bảo vệ
bản quyền, chứng minh quyền sở hữu.
Thuỷ vân dễ vỡ (fragile watermark): là thuỷ vân dễ bị biến dạng trước
những thay đổi hay tấn cơng lên dữ liệu. Các thủy vân này thường được dùng
trong các ứng dụng nhận thực thơng tin, đảm bảo tính tồn vẹn dữ liệu.
Các kỹ thuật thuỷ vân ngay từ khi mới ra đời đã nhận được sự quan tâm
rất lớn của các nhà khoa học. Thuỷ vân đã được nghiên cứu và áp dụng trong

nhiều mơi trường dữ liệu khác nhau như: dữ liệu đa phương tiện (hình ảnh,
text, âm thanh, video,...), hay các sản phẩm phần mềm, và gần đây là
những nghiên cứu trên mơi trường cơ sở dữ liệu quan hệ. Trong các mơi
trường dữ liệu đó thì dữ liệu đa phương tiện (đặc biệt là hình ảnh) được
nghiên cứu và áp dụng sớm nhất và là mơi trường chiếm tỷ lệ chủ yếu. Tuy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

6

nhiên, hiện nay các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu các kỹ thuật thuỷ
vân trên cơ sở dữ liệu quan hệ do nhu cầu đảm bảo an tồn cơ sở dữ liệu của
chủ sở hữu trước những tấn cơng từ bên ngồi.
1.1.1.2. Lịch sử phát triển của thuỷ vân
Tanaka (1990), Caronni và Tirkel (1993) lần lượt đưa ra những ấn bản
đầu tiên về thủy vân nhưng chưa nhận được sự quan tâm đúng mức. Đến năm
1995, chủ đề này mới bắt đầu được quan tâm và từ đó, thủy vân đã phát triển
tốc độ nhanh với nhiều hướng nghiên cứu và phương pháp thực hiện khác
nhau. Thủy vân được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như bảo vệ quyền sở
hữu, điều khiển việc sao chép, xác thực giấy tờ, đảm bảo tính tồn vẹn hay
truyền đạt thơng tin khác,... Trong đó, ứng dụng phổ biến là cung cấp bằng
chứng về bản quyền tác giả của các dữ liệu số bằng cách nhúng các thơng tin
bản quyền và đảm bảo tính tồn vẹn của dữ liệu.
1.1.1.3. Mơ hình tổng qt của lược đồ thủy vân
Trong q trình nghiên cứu và phát triển các lược đồ thủy vân, các nhà
nghiên cứu đã đưa ra các ý tưởng khác nhau cho việc đưa các thơng tin vào
trong dữ liệu. Tuy nhiên, các lược đồ thủy vân sử dụng chung một mơ hình
tổng qt và các ý tưởng sử dụng chúng để phát triển thêm. Một lược đồ thủy

vân bao gồm hai phần chính:
- Nhúng thủy vân: Đưa thơng tin cần nhúng vào dữ liệu cần bảo vệ
- Phát hiện thủy vân: Trích thơng tin đã được nhúng vào dữ liệu
Q trình nhúng thủy vân đảm nhiệm vai trò đưa các thơng tin của chủ sở
hữu vào trong dữ liệu mà khơng làm ảnh hưởng tới giá trị sử dụng của dữ
liệu. Trong q trình này, các dữ liệu đầu vào bao gồm dữ liệu cần nhúng
thủy vân, khóa thủy vân, thủy vân và các tham số khác. Trong đó:
- Dữ liệu cần nhúng có thể là dữ liệu đa phương tiện, cơ sở dữ liệu quan
hệ,… cần bảo vệ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

7

- Thủy vân có thể là một chuỗi thơng tin ở dạng văn bản, hình ảnh, hay
chuỗi bit bất kỳ. Thủy vân có thể được đưa vào trực tiếp hoặc được sinh ra
trong thuật tốn nhúng thủy vân.
- Khóa thủy vân là một đại lượng giúp tăng độ bảo mật của thủy vân và
có thể được sử dụng để chứng minh quyền sở hữu dữ liệu. Khóa thủy vân
thuộc sở hữu của chủ dữ liệu. Thơng thường, khóa thủy vân là bí mật. Trong
các hệ thống thực tế, thường sử dụng ít nhất là một khóa thủy vân thậm chí có
thể kết hợp nhiều khóa thủy vân.
- Các tham số khác có thể được sử dụng trong từng lược đồ thủy vân
khác nhau. Các tham số này thơng thường là mức ý nghĩa, các thơng số ảnh
hưởng hoặc số lượng nhóm…. Chúng có ảnh hưởng rất lớn đối với lược đồ
thủy vân và thơng thường việc xác định các tham số này khơng dễ dàng.
Các yếu tố đầu vào kết hợp với thuật tốn nhúng thủy vân sẽ trả lại kết
quả là dữ liệu mới đã được nhúng thơng tin thủy vân. Dữ liệu này sẽ được

đem sử dụng hoặc phân phối. Hình 1.1 mơ tả tổng qt q trình nhúng thủy
vân.
Thủy vân

Dữ liệu cần

Thuật tốn

Dữ liệu sau khi

nhúng thủy

nhúng thủy vân

nhúng thủy vân

vân
Khóa
thủy vân

Hình 1.1. Sơ đồ q trình nhúng thủy vân

Trong q trình sử dụng dữ liệu, khi nghi ngờ có xuất hiện giả mạo chủ sở
hữu dữ liệu có thể sử dụng q trình phát hiện thủy vân để kết luận xem dữ
liệu có bị xâm hại hay khơng. Trong q trình này, các yếu tố đầu vào là dữ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

8

liệu cần phát hiện thủy vân, khóa thủy vân, thủy vân (có thể có hoặc khơng)
và các tham số khác. Ở đây, khóa thủy vân, thủy vân, và các tham số khác
phải trùng với q trình nhúng thủy vân. Kết hợp các yếu tố này với thuật
tốn phát hiện thủy vân sẽ đưa ra kết luận về dữ liệu có bị xâm hại hay khơng.
Q trình phát hiện thủy vân được mơ tả bằng Hình 1.2.
Thủy vân

Dữ liệu cần phát

Thuật tốn phát

Kết luận về

hiện thủy vân

hiện thủy vân

dữ liệu

Khóa
thủy vân Hình 1.2. Sơ đồ q trình phát hiện thủy vân
1.1.2. Thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ
Ngày nay, các cơ sở dữ liệu quan hệ được sử dụng ngày càng nhiều trong
các ứng dụng. Do đó, những người cung cấp dữ liệu đòi hỏi phải có cơng
nghệ nhận dạng được những bản sao các cơ sở dữ liệu quan hệ của họ bị đánh
cắp.
Cho dù có khá nhiều điều có thể học hỏi được từ các kết quả đã đạt được
về thủy vân dữ liệu đa phương tiện nhưng cho đến nay vẫn còn rất nhiều

thách thức kỹ thuật mới đối với lĩnh vực thủy vân các cơ sở dữ liệu quan hệ
bởi vì các dữ liệu quan hệ và các dữ liệu đa phương tiện khác nhau ở khá
nhiều khía cạnh quan trọng. Chẳng hạn như, các phần khác nhau của một đối
tượng đa phương tiện khơng thể cắt bỏ hoặc thay thế một cách tùy ý mà
khơng gây ra những thay đổi về cảm quan trong đối tượng. Ngược lại, việc
thêm, bớt và cập nhật các bộ của một bảng quan hệ lại là những phép tốn
trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Do những khác nhau này mà các kỹ thuật được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

9

phát triển cho các dữ liệu đa phương tiện khơng thể được sử dụng trực tiếp để
thủy vân các quan hệ.
Thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ là phương pháp nhúng một lượng thơng
tin nào đó vào trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ có
thể là thuỷ vân bền vững hoặc thủy vân dễ vỡ.
Trong một số trường hợp, cơ sở dữ liệu quan hệ chứa các thuộc tính mang
ý nghĩa quan trọng khơng thể chấp nhận các sửa đổi cho các thuộc tính này
trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Thủy vân cho những cơ sở dữ liệu quan hệ như
vậy khá phức tạp đòi hỏi việc nhúng thủy vân vào trong cơ sở dữ liệu quan hệ
một cách đặc biệt. Chẳng hạn như, với các cơ sở dữ liệu quan hệ tuyển sinh
chứa thuộc tính điểm là khơng thể thay đổi (hay cơ sở dữ liệu quan hệ dân số
chứa thuộc tính số con). Cách nhúng thủy vân cho các cơ sở dữ liệu quan hệ
này có thể là đổi chỗ các bộ trong cơ sở dữ liệu quan hệ [5] hoặc xây dựng
hẳn một cơ sở dữ liệu quan hệ khác là bản sao của cơ sở dữ liệu quan hệ gốc
[2]. Ngồi ra, còn nhiều cách để sử dụng nhưng phải tùy vào từng lược đồ
thủy vân đề xuất.

Trong các trường hợp còn lại, cơ sở dữ liệu quan hệ chứa các thuộc tính
chấp nhận được những thay đổi nhỏ trên thuộc tính mà khơng làm ảnh hưởng
đến giá trị sử dụng của cơ sở dữ liệu quan hệ. Khi đó, việc nhúng thủy vân
cho cơ sở dữ liệu quan hệ này dễ dàng hơn so với trường hợp trước.
Ví dụ, dữ liệu khí tượng được sử dụng để xây dựng các mơ hình dự báo
thời tiết. Độ chính xác của vectơ gió và nhiệt độ tương ứng trong dữ liệu này
được đo chính xác đến 1.8 m/s và 0.5 o C. Các sai số được đưa vào do thuỷ
vân có thể dễ dàng được hạn chế trong sự cho phép của các dữ liệu này. Hay
một ví dụ khác đáng chú ý là các nhà xuất bản sách khi in các bảng tốn học
(như các bảng logarit và lịch thiên văn) thường cố ý đưa vào một số lỗi nhỏ
để có thể dễ dàng nhận dạng các bản sao bị ăn cắp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

10

Đối với hầu hết các cơ sở dữ liệu quan hệ trong đó có chứa các tham số
thì những sai lệch do hệ thống thuỷ vân gây ra có thể được điều chỉnh sao cho
chúng nằm trong miền dung sai của độ đo. Việc đánh giá độ đo và ảnh hưởng
của thủy vân đến giá trị sử dụng của cơ sở dữ liệu quan hệ khi nhúng thủy vân
rất quan trọng quyết định giá trị sử dụng của lược đồ thủy vân được xây dựng
có tốt hay còn chưa tốt.
Đối với cơ sở dữ liệu quan hệ, khóa thủy vân, kiểu dữ liệu và việc sử
dụng các cơng cụ hỗ trợ cho việc nhúng thủy vân vào trong cơ sở dữ liệu là
một trong những vấn đề cơ bản của một lược đồ thủy vân. Các khái niệm cơ
bản về chúng sẽ được trình bày ở phần tiếp theo.
1.1.3. Khái niệm về khóa thủy vân
Khóa thủy vân là một khái niệm dành cho các thuật tốn thủy vân cơ sở

dữ liệu mà trong đó ta có sử dụng đến một số dữ liệu làm khóa để tạo ra thủy
vân hoặc nhận biết thủy vân trong cơ sở dữ liệu. Khóa thủy vân được sử dụng
phải là khóa bí mật. Tức là, khóa thủy vân chỉ có chủ sở hữu cơ sở dữ liệu
hoặc cơ quan mà chủ sở hữu cơ sở dữ liệu đăng ký quyền sở hữu có được.
Khi khóa thủy vân bị lộ hoặc bị lấy cắp, thì có thể sẽ mất đi cơ sở dữ liệu.
Khóa thủy vân chính là mấu chốt của thủy vân cơ sở dữ liệu có sử dụng
khóa thủy vân. Thơng thường, khóa thủy vân là đại diện cho quyền sở hữu cơ
sở dữ liệu của chủ sở hữu.
Khóa thủy vân có thể được nhúng vào trong cơ sở dữ liệu bằng nhiều
cách. Điều quan trọng ở đây chính là việc ta giấu khóa thủy vân vào trong cơ
sở dữ liệu như thế nào để khơng bị phát hiện đồng thời vẫn có thể lấy ra được
thủy vân giúp cho việc chứng minh được quyền sở hữu cơ sở dữ liệu của chủ
sở hữu. Hay nói cách khác, việc đưa khóa vào trong cơ sở dữ liệu là một trong
những vấn đề quan trọng của bài tốn bảo vệ bản quyền cơ sở dữ liệu quan hệ
hay đảm bảo tính tồn vẹn của cơ sở dữ liệu có sử dụng khóa. Phương pháp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>