Nghiên cứu kỹ thuật LSB và kết hợp thuật toán RSA để giấu tin trong ảnh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRẦN THẾ ANH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LSB VÀ KẾT HỢP
THUẬT TOÁN RSA ĐỂ GIẤU TIN TRONG ẢNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

TRẦN THẾ ANH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LSB VÀ KẾT HỢP THUẬT
TOÁN RSA ĐỂ GIẤU TIN TRONG ẢNH
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 0101

LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐỨC SỰ

THÁI NGUYÊN, NĂM 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~i~

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu kỹ thuật LSB và kết hợp thuật
toán RSA để giấu tin trong ảnh” là sản phẩm của riêng cá nhân, không sao
chép lại của ngƣời khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều
đƣợc trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là đƣợc tổng hợp, nghiên cứu từ
nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ và trích dẫn
rõ ràng.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo
quy định cho lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015
Học viên

Trần Thế Anh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ ii ~

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Trần Đức Sự - Ban

Cơ Yếu Chính Phủ, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trƣờng Đại học Công nghệ
Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã giảng dạy và cung cấp
cho chúng tôi những kiến thức rất bổ ích trong thời gian học cao học, giúp tôi
có nền tảng tri thức để phục vụ nghiên cứu khoa học sau này.
Tôi cũng xin cảm ơn Lãnh đạo và đồng nghiệp tại đơn vị đã tạo điều
kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những ngƣời luôn
quan tâm, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình học tập.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2015
Trần Thế Anh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ iii ~

MỤC LỤC
Trang

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ..................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................. viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẨN MÃ VÀ ẢNH SỐ ................................. 5

1.1. Giới thiệu chung về ẩn mã ......................................................................... 5
1.1.1. Khái niệm ẩn mã ................................................................................. 6
1.1.2. Nguyên lý cơ bản của ẩn mã học ........................................................ 6
1.1.3. Ẩn mã thuần túy .................................................................................. 8
1.2. Hệ mật mã RSA ......................................................................................... 9
1.2.1. Hệ thống mã hóa công khai................................................................. 9
1.2.2. Hệ mật mã khóa công khai RSA ....................................................... 11
1.3. Độ an toàn và độ an toàn hoàn hảo trong ẩn mã ...................................... 11
1.3.1. Độ an toàn của ẩn mã ........................................................................ 11
1.3.2. Độ an toàn hoàn hảo trong ẩn mã ..................................................... 12
1.3.3. Độ an toàn hoàn hảo của một hệ ẩn mã ............................................ 12
1.4. Ứng dụng của ẩn mã trong môi trƣờng thực tế ........................................ 13
1.5. Giới thiệu chung về ảnh số....................................................................... 14
1.5.1. Khái niệm ảnh số............................................................................... 14
1.5.2. Điểm ảnh ........................................................................................... 14
1.6. Các kỹ thuật giấu tin trong ảnh ................................................................ 16
1.6.1. Kỹ thuật giấu tin trên miền không gian ảnh...................................... 16
1.6.1.1. Kỹ thuật giấu tin trong khối bit ............................................ 16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ iv ~

1.6.1.2. Kỹ thuật giấu tin thay thế các bit có trọng số thấp nhất ....... 18
1.6.2. Kỹ thuật giấu tin trên miền tần số ảnh .............................................. 19
1.7. Một số dạng tấn công trong môi trƣờng ảnh số hóa ................................ 19
1.7.1. Tấn công trực quan............................................................................ 19
1.7.1.1. Tấn công trực quan dựa trên việc giấu và tìm kiếm tuần tự . 19

1.7.1.2. Tấn công trực quan dựa trên việc giấu và tìm kiếm ngẫu
nhiên....................................................................................................... 20
1.7.2. Tấn công cấu trúc .............................................................................. 21
1.7.2.1. Tấn công cấu trúc trên dung lƣợng tập tin ........................... 21
1.7.2.2. Tấn công cấu trúc dựa trên việc ẩn mã bằng bảng màu ....... 22
1.7.3. Tấn công thống kê ............................................................................. 23
CHƢƠNG 2. KẾT HỢP KỸ THUẬT LSB VÀ THUẬT TOÁN RSA GIẤU
TIN TRONG ẢNH BITMAP 24 BIT ............................................................. 24
2.1. Cấu trúc ảnh Bitmap................................................................................. 24
2.2. Kỹ thuật giấu tin LSB .............................................................................. 28
2.2.1. Quá trình giấu tin .............................................................................. 28
2.2.2. Quá trình tách tin............................................................................... 29
2.2.3. Đánh giá thuật toán ........................................................................... 30
2.3. Mô hình sử dụng kỹ thuật LSB kết hợp thuật toán RSA để tăng độ an
toàn cho việc giấu tin trong ảnh ...................................................................... 31
2.3.1. Thuật toán mã hóa khóa công khai RSA .......................................... 32
2.3.2. Mô hình giấu tin sử dụng kỹ thuật LSB kết hợp thuật toán RSA ..... 36
2.4. Đánh giá mô hình sử dụng kỹ thuật LSB kết hợp thuật toán RSA .......... 39
CHƢƠNG 3. TRIỂN KHAI CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ................. 42
3.1. Mục đích, yêu cầu .................................................................................... 42
3.2. Yêu cầu về cấu hình hệ thống .................................................................. 42
3.3. Lựa chọn định dạng file ảnh trong thực nghiệm ...................................... 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~v~

3.4. Sơ đồ chức năng chƣơng trình ................................................................. 43

3.5. Sơ đồ hoạt động của chƣơng trình ........................................................... 45
3.6. Thuật toán RSA, giấu tin và trích rút tin theo kỹ thuật đề xuất ............... 48
3.6.1. Thuật toán RSA ................................................................................. 48
3.6.1.1. Tạo khóa công khai và khóa bí mật ...................................... 48
3.6.1.2. Thuật toán mã hóa ................................................................ 49
3.6.1.3. Thuật toán giải mã ................................................................ 49
3.6.2. Giấu tin .............................................................................................. 50
3.6.3. Trích rút ............................................................................................. 51
3.7. Kết quả thực nghiệm ................................................................................ 52
3.7.1. Chức năng tạo khóa........................................................................... 52
3.7.2. Chức năng giấu thông tin .................................................................. 53
3.7.3. Chức năng trích rút tin mật ............................................................... 54
3.8. Đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................................. 55
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 58
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ vi ~

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
BMP - Định dạng ảnh Bitmap (Bitmap)
BPP - Số bit trên 1 pixel (Bits per pixel)
CGA - Bộ điều hợp đồ họa màu (Color Graphics Adapter)
CPT - Kỹ thuật giấu tin (Cheng - Pan - Tseng)
DCT - Phép biến đổi Cosin rời rạc (Discrete Cosine Tranform)

DES - Hệ mật mã chuẩn (Data Encryption Standard)
EGA - Bộ điều hợp đồ họa nâng cao (Enhanced Graphics Adapter)
GIF - Định dạng ảnh Gif (Graphics Interchange Format)
LSB - Bit có trọng số thấp nhất (Least Significant Bit)
JPEG - Định dạng ảnh JPEG (Join Photographic Experts Group)
RSA - Mã hóa công khai RSA (Rivest, Shamir và Adleman)
SVGA - Bộ điều hợp đồ họa video cao cấp (Super Video Graphics
Adapter)
VGA - Bộ điều hợp đồ họa video (Video Graphics Adapter)
WEP - Thuật toán mã hóa sử dụng trên mạng không dây (Wired
Equivalent Privacy)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ vii ~

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Trang

Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin................................................................. 6
Hình 1.2. Mô hình cơ bản của kỹ thuật giấu tin................................................ 7
Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống mã hóa khóa công khai .......................................... 11
Hình 2.1. Ảnh đen trắng .................................................................................. 24
Hình 2.2. Ảnh đa mức xám ............................................................................. 25
Hình 2.3. Ảnh màu .......................................................................................... 26
Hình 2.4. Ảnh trƣớc và sau khi giấu tin bằng kỹ thuật LSB........................... 30
Hình 2.5. Sơ đồ tạo khóa, mã hóa và giải mã RSA ........................................ 34

Hình 2.6. Quá trình xử lý giấu thông điệp bí mật ........................................... 37
Hình 2.7. Quá trình trích xuất thông điệp ....................................................... 38
Hình 3.1. Sơ đồ chức năng chƣơng trình thử nghiệm ..................................... 43
Hình 3.2. Sơ đồ hoạt động của quá trình giấu tin ........................................... 45
Hình 3.3. Sơ đồ hoạt động của quá trình trích rút tin ..................................... 47
Hình 3.4. Quá trình tạo khóa ........................................................................... 53
Hình 3.5. Quá trình giấu tin của chƣơng trình ................................................ 54
Hình 3.6. Quá trình trích rút tin mật của chƣơng trình ................................... 55

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ viii ~

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1. Ý nghĩa các trƣờng trong vùng Bitmap Header ............................. 27
Bảng 2.2. Bảng số hóa thông tin cần giấu....................................................... 29
Bảng 2.3. Bảng giá trị của bản mã và bản rõ .................................................. 35
Bảng 3.1. Một số phần mềm giấu tin .............................................................. 42

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

~1~

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, Internet là môi trƣờng phổ biến cho việc trao đổi thông tin
giữa các nhà cung cấp và ngƣời sử dụng. Do đó, vấn đề an toàn dữ liệu trên
mạng luôn luôn là một thách thức đối với các nhà quản lý và các nhà nghiên
cứu. Các thông tin trên Internet có thể dễ dàng bị làm giả mạo, sai lệch và bị
đánh cắp bởi hacker trong quá trình truyền tải dữ liệu. Thông tin của cá nhân,
tổ chức hoặc quốc gia đứng trƣớc nguy cơ bị xâm nhập bất cứ lúc nào. Cùng
với nó là vấn nạn ăn cắp bản quyền, xuyên tạc thông tin,... ngày càng gia tăng.
Vì vậy, vấn đề đặt ra làm thế nào để đảm bảo đƣợc sự an toàn, và toàn vẹn
thông tin trong quá trình truyền tải trên Internet. Hai giải pháp cho vấn đề này
là mã hóa và giấu thông tin có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ quá trình
truyền tải thông tin mật. Sự xác thực và bản quyền trong môi trƣờng trao đổi
công cộng. Việc tìm giải pháp cho những vấn đề này giúp ta hiểu thêm về một
công nghệ đang phát triển và còn tạo ra những cơ hội mới [1].
Một dạng quan trọng của kỹ thuật giấu tin đó là kỹ thuật ẩn mã
(Steganography), nó đã xuất hiện từ rất lâu nhƣng việc ứng dụng của kỹ thuật
này trên dữ liệu số mới xuất hiện gần đây. Steganography là kỹ thuật che giấu
thông tin nhằm ngăn chặn việc phát hiện sự tồn tại của những thông điệp
đƣợc ẩn trong một đối tƣợng số. Mục tiêu chính của ẩn mã là liên lạc an toàn
theo một cách thức mà khó có thể phát hiện và tránh những nghi ngờ trong
quá trình truyền tải. Đối với kỹ thuật này, những thông tin cần bảo mật sẽ
đƣợc ẩn trong một đối tƣợng khác (gọi là môi trƣờng giấu tin) sao cho sau khi
giấu tin, sự biến đổi của đối tƣợng này là rất khó nhận biết, đồng thời vẫn có
thể lấy lại đƣợc thông điệp đã đƣợc giấu đi khi cần. Với Steganography, các
kẻ tấn công khó xác định đƣợc là có thông tin đƣợc giấu ở trong đó hay
không, đó chính là ƣu điểm của hƣớng tiếp cận này so với mã hóa [2].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

~2~

Kỹ thuật LSB là một trong những kỹ thuật đƣợc sử dụng trong ẩn mã.
Tuy nhiên, LSB đơn thuần có độ an toàn không cao, dễ bị kẻ tấn công trích
xuất thông tin đƣợc giấu. Bởi vậy, ngƣời ta thƣờng sử dụng kỹ thuật này với
sự hỗ trợ từ các thuật toán mã hóa nhằm nâng cao độ an toàn, hạn chế việc
thông tin đƣợc giấu bị trích xuất bởi những kẻ tấn công.
Sau khi tiến hành nghiên cứu các tài liệu liên quan đến lĩnh vực giấu tin
trong đa phƣơng tiện và nhận thấy các kỹ thuật trên đều cho kết quả tốt với
việc đảm bảo đƣợc tính chất ẩn của thông tin đƣợc giấu và không làm ảnh
hƣởng đến chất lƣợng của dữ liệu gốc. Với mong muốn phát triển các kỹ thuật
giấu thông tin nhằm bảo vệ các thông tin mật trong quá trình trao đổi. Đƣợc
sự sự đồng ý, động viên của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu kỹ thuật LSB và kết hợp thuật toán RSA để giấu tin trong
ảnh” làm vấn đề nghiên cứu cho luận văn cao học của mình. Mong rằng kết
quả của đề tài khi đƣợc triển khai thực tế sẽ góp phần tăng thêm độ an toàn
cho các thông tin mật trong quá trình trao đổi.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu hệ thống lý thuyết liên quan đến ẩn mã và ảnh số
phục vụ cho việc giấu tin trong dữ liệu đa phƣơng tiện. Tìm hiểu và đánh giá
phƣơng pháp ẩn mã dựa trên kỹ thuật LSB kết hợp với thuật toán mã hóa
khóa công khai RSA, từ đó xây dựng một phần mềm để giấu thông điệp dạng
text vào trong ảnh Bitmap 24 bit.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Với mỗi dữ liệu đa phƣơng tiện có các định dạng, tính chất, đặc trƣng
khác nhau. Để xây dựng một kỹ thuật giấu tin trên các dữ liệu này thƣờng đòi

hỏi các thuật toán phức tạp. Trong luận văn này, ngoài việc tìm hiểu khát quát
về giấu tin, các kỹ thuật giấu tin. Nghiên cứu một số kỹ thuật giấu tin bằng
LSB và thuật toán mã hóa RSA để giấu thông tin mã hóa vào hình ảnh. Luận
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~3~

văn còn tập trung nghiên cứu về cấu trúc ảnh Bitmap và triển khi thực nghiệm
giấu tin trong ảnh có định dạng BMP.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu tƣ liệu kết hợp với triển khai
thực nghiệm. Trên cơ sở nguyên cứu tổng hợp từ các kỹ thuật giấu tin trong
ảnh. Luận văn đƣa ra một kỹ thuật giấu tin mới và tiến hành cài đặt chƣơng
trình thực nghiệm giấu tin trong ảnh Bitmap 24 bit.
5. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý thuyết:
- Tiếp cận một hƣớng nghiên cứu trong lĩnh vực an toàn và bảo mật
thông tin. Đây là phƣơng pháp mới và phức tạp. Phƣơng pháp này đang đƣợc
xem nhƣ một giải pháp có nhiều triển vọng cho vấn đề bảo vệ bản quyền,
nhận thức thông tin và điều khiển truy cập ứng dụng trong an toàn và bảo mật
thông tin.
- Trình bày tƣơng đối đầy đủ một hệ thống lý thuyết giấu tin và đƣa ra
một mô hình kết hợp để thực hiện giấu tin trong ảnh.
Về thực tiễn:
Với việc triển khai thực tế của đề tài, sẽ góp phần tăng thêm độ an toàn
cho các thông tin mật trong việc bảo vệ và truyền thông tin mật.
6. Bố cục của luận văn

Dựa trên đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu, luận văn sẽ đƣợc phân làm 3
chƣơng chính với các nội dung cụ thể nhƣ sau:
Chương 1. Tổng quan về ẩn mã và ảnh số.
Ở chƣơng này đề tài sẽ đi vào tìm hiểu các khái niệm về ẩn mã và ảnh
số, mục đích cũng nhƣ tính cấp thiết của việc giấu tin trong đa phƣơng tiện,
trong đời sống thông tin và truyền tin hiện nay.
Tìm hiểu một môi trƣờng cụ thể mà luận văn sử dụng để giấu tin là ảnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~4~

số. Khái quát một số ứng dụng và các tấn công trên hệ thống giấu tin.
Chương 2. Kết hợp kỹ thuật LSB và thuật toán giấu tin trong ảnh
Bitmap 24 bit.
Trong chƣơng này sẽ đi vào tìm hiểu về cấu trúc của hình ảnh Bitmap và
thuật toán RSA. Và nghiên cứu quá trình giấu tin và tách thông tin trên ảnh.
Từ đó đề xuất mô hình kết hợp giữa kỹ thuật LSB và thuật toán RSA để
giấu tin trong ảnh.
Đánh giá thuật toán nhƣ độ phức tạp hay tính an toàn, bảo mật của thông
tin đƣợc giấu.
Chương 3. Xây dựng chương trình thử nghiệm
Chƣơng này sẽ đƣa ra mục đích, yêu cầu cũng nhƣ mô tả sơ đồ chƣơng
trình thực nghiệm đã đƣợc xây dựng. Lựa chọn định dạng file ảnh để thử
nghiệm thuật toán đƣợc mô tả tại Chƣơng 2. Mô tả thuật toán mã hóa RSA,
giấu và trích rút thông tin trong ảnh trên mô hình kết hợp đã đƣợc đề xuất
trong chƣơng 2. Các kết quả thực nghiệm và đối sánh. Đồng thời đánh giá kết
quả thực nghiệm đạt đƣợc và đƣa ra các khả năng ứng dụng của chƣơng trình

thực nghiệm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~5~

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ẨN MÃ VÀ ẢNH SỐ
1.1. Giới thiệu chung về ẩn mã
Theo xu hƣớng phát triển của các kỹ thuật giấu tin hiện nay, và dựa trên
mục đích sử dụng khác nhau, kỹ thuật giấu tin có thể đƣợc ra làm 2 loại lớn:
Ẩn mã và Thủy vân số.
• Ẩn mã (Steganography): Che giấu thông tin bí mật vào môi trƣờng gốc,
đòi hỏi dung lƣợng tin cần giấu càng lớn và độ an toàn càng cao càng tốt.
Ẩn mã thuần túy (Pure Steganography)
Ẩn mã có xử lý (Intrinsic Steganography)
• Thủy vân số (Watermarking): Che giấu thông tin mà đòi hỏi độ bền
vững cao của thông tin đó.
Thủy vân bền vững: Thƣờng đƣợc ứng dụng trong bảo vệ bản quyền.
Thủy vân đƣợc nhúng trong sản phẩm nhƣ một hình thức dán tem bản quyền.
Trong trƣờng hợp này, thủy vân phải tồn tại bền vững cùng với sản phẩm
nhằm chống lại việc tẩy xóa, làm giả hay biến đổi phá hủy thủy vân.
Thủy vân dễ vỡ: Là kỹ thuật nhúng thủy vân vào trong một đối tƣợng
sao cho khi phân bố sản phẩm trong môi trƣởng mở nếu có bất kỳ phép biến
đổi nào làm thay đổi sản phẩm gốc thì thủy vân đã đƣợc giấu trong đối tƣợng
sẽ không còn nguyên vẹn nhƣ trƣớc khi giấu.
Thủy vân ẩn: Cũng giống nhƣ giấu tin, thủy vân ẩn không thể nhìn thấy
bằng mắt thƣờng.

Thủy vân hiện: Là loại thủy vân hiện ngay trên sản phẩm và mắt thƣờng
có thể nhìn thấy đƣợc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~6~

Hình 1.1. Phân loại kỹ thuật giấu tin
1.1.1. Khái niệm ẩn mã
Steganography có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp: Stegos có nghĩa là
“Cover” - Che đậy và Grafia có nghĩa là “Writing” – Văn bản. Cover Writing
đƣợc hiểu là văn bản đƣợc che đậy. Do vậy, Steganography là khoa học và
nghệ thuật về thông tin liên lạc vô hình. Kỹ thuật này đƣợc thực hiện thông
qua việc che giấu sự tồn tại của thông tin bằng việc ẩn nó vào một thông tin
khác [2].
1.1.2. Nguyên lý cơ bản của ẩn mã học
Hiện nay có rất nhiều khía cạnh và ứng dụng đƣợc phát triển từ khái
niệm ẩn mã Steganography nhƣng hầu hết chúng đều dựa trên một mô hình,
một nguyên lý cơ bản chung nhƣ sau:
Alice muốn chia sẻ một thông điệp bí mật (Secret Message) với Bob,
bằng cách chọn ngẫu nhiên một thông điệp bao phủ (Cover Message hay môi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~7~

trƣờng giấu tin) có thể là ảnh, văn bản, audio… Alice nhúng thông điệp bí
mật vào môi trƣờng giấu tin, kết hợp với khóa bí mật (Secret Key) sẽ thu
đƣợc thông điệp mang tin mật (Stego Message) để truyền cho Bob nhằm tránh
sự nghi ngờ của bên thứ ba. Điều này cần đƣợc thực hiện hết sức cẩn thận, để
chắc chắn rằng bên thứ ba Wendy chỉ biết thông điệp chứa tin mật là vô hại
và không thể phát hiện ra thông điệp bí mật đƣợc chứa trong đó [3].

Hình 1.2. Mô hình cơ bản của kỹ thuật giấu tin
Tuy vậy, trong thực tế không phải dữ liệu nào cũng có thể đƣợc sử dụng
làm vật phủ trong truyền tin mật, bởi vì sự thay đổi thực hiện trong quá trình
giấu tin phải đƣợc coi là không nhìn thấy đối với những ngƣời không liên
quan đến quá trình truyền thông. Điều này đòi hỏi vật phủ phải có một lƣợng
dữ liệu dƣ thừa đủ để giấu thông tin mật, hay nói cách khác là đủ để thay thế
đƣợc thông tin mật.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~8~

Nếu một ngƣời tấn công truy nhập đƣợc vào hai “phiên bản” của một vật
phủ thì sẽ dễ dàng phát hiện sự có mặt của thông tin mật và thậm chí có thể
xây dựng lại đƣợc những thông tin đó. Vì vậy, một vật phủ không nên đƣợc
sử dụng hai lần. Do đó, để tránh việc sử dụng lại, cả ngƣời gửi và ngƣời nhận
phải huỷ bỏ các vật phủ đã đƣợc sử dụng trong quá trình truyền tin.
Trong quá trình giấu tin, để làm tăng tính bảo mật của thông điệp cần
giấu, có thể dùng nhiều phƣơng pháp khác nhau. Tuy nhiên, về cơ bản thì có

hai loại giao thức ẩn mã học, đó là ẩn mã thuần tuý và ẩn mã có xử lý.
1.1.3. Ẩn mã thuần túy
Một hệ ẩn mã trong đó không trao đổi các thông tin bí mật hay một khóa
bí mật (Secret Key) đƣợc goi là hệ ẩn mã thuần túy.
Định nghĩa Hệ ẩn mã thuần túy (Pure Steganography):
, trong đó

Một bộ

thông điệp cần giấu với điều kiện | |

|

là tập các vật phủ có thể,
|

Quá trình gắn tin đƣợc mô tả bởi ánh xạ
nhúng thông điệp

vào thông điệp chứa

là tập

là một hàm

(hay còn gọi là hàm gắn tin) và

là hàm giải mã thông điệp sao cho

(

)

với mọi

đƣợc gọi là một hệ ẩn mã thuần túy.
Trong hầu hết các hệ ẩn mã, tập các vật phủ

có thể đƣợc chọn nhƣ tập

các ảnh số, hoặc tập các văn bản, video hay âm thanh. . ., hai bên có thể trao
đổi mà không bị nghi ngờ. Quá trình gắn tin đƣợc thực hiện sao cho giữa vật
phủ

và thông điệp bí mật tƣơng ứng trông tƣơng tự nhau. Tính chất tƣơng

tự có thể đƣợc định nghĩa qua một hàm tƣơng tự, ta có định nghĩa sau:
Định nghĩa Hàm tương tự:
Cho

là một tập không rỗng

Một hàm sim:

đƣợc gọi là hàm tƣơng tự trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

nếu

~9~

Trong trƣờng hợp ảnh số hoặc âm thanh số, tƣơng quan giữa hai tín hiệu
có thể đƣợc dùng làm hàm tƣơng tự. Nhƣ vậy, hầu hết các hệ ẩn mã trong
thực tế đều cố gắng thoả mãn điều kiện
và

(

)

với mọi

.
Một ngƣời tấn công phải không đƣợc quyền truy nhập vào các vật phủ sử

dụng trong truyền thông mật. Ngƣời gửi có thể tạo vật phủ bằng kĩ thuật ghi
âm hoặc quét ảnh. Với mỗi quá trình truyền tin, một vật phủ đƣợc chọn một
cách ngẫu nhiên. Tuy nhiên, ngƣời gửi có thể tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu các
vật phủ dùng đƣợc và chọn một vật phủ mà quá trình gắn tin sẽ làm thay đổi ít
nhất nó. Một quá trình lựa chọn nhƣ vậy có thể đƣợc thực hiện thông qua hàm
tƣơng tự sim. Khi mã hoá, ngƣời gửi chọn một vật phủ với

Đối với các vật phủ là bản thu âm hoặc quét ảnh thì ngƣời gửi có thể số
hóa nhiều lần, do sự nhiễu trong thiết bị số hóa, với mỗi lần nhƣ vậy sẽ thu
đƣợc một vật phủ đƣợc coi là hơi khác, ngƣời gửi có thể lựa chọn một vật phủ
phù hợp nhất cho quá trình gắn tin của mình.

1.2. Hệ mật mã RSA
1.2.1. Hệ thống mã hóa công khai
Vấn đề phát sinh trong các hệ thống mã hóa quy ƣớc (mã hóa cổ điển) là
việc quy ƣớc chung mã khóa k giữa ngƣời gửi A và ngƣời nhận B. Trên thực
tế, nhu cầu thay đổi nội dung của mã khóa k là cần thiết, do đó, cần có sự trao
đổi thông tin về mã khóa k giữa A và B. Để bảo mật mã khóa k, A và B phải
trao đổi với nhau trên một kênh liên lạc thật sự an toàn và bí mật. Tuy nhiên,
rất khó có thể bảo đảm đƣợc sự an toàn của kênh liên lạc nên mã khóa k vẫn
có thể bị phát hiện bởi ngƣời C!
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ 10 ~

Ý tƣởng về hệ thống mã hóa khóa công khai đƣợc Martin Hellman,
Ralph Merkle và Whitfield Diffie tại Đại học Stanford giới thiệu vào năm
1976. Sau đó, phƣơng pháp Diffie-Hellman của Martin Hellman và Whitfield
Diffie đã đƣợc công bố. Năm 1977, trên báo "The Scientific American", nhóm
tác giả Ronald Rivest, Adi Shamir và Leonard Adleman đã công bố phƣơng
pháp RSA, phƣơng pháp mã hóa khóa công khai nổi tiếng và đƣợc sử dụng
rất nhiều hiện nay trong các ứng dụng mã hóa và bảo vệ thông tin. RSA
nhanh chóng trở thành chuẩn mã hóa khóa công khai trên toàn thế giới do tính
an toàn và khả năng ứng dụng của nó.
Một hệ thống khóa công khai sử dụng hai loại khóa trong cùng một cặp
khóa: khóa công khai (Public key) đƣợc công bố rộng rãi và đƣợc sử dụng để
mã hóa thông tin, khóa bí mật hay khóa riêng (Private key) đƣợc sử dụng để
giải mã thông tin đã đƣợc mã hóa bằng khóa công khai. Các phƣơng pháp mã
hóa này khai thác những ánh xạ f mà việc thực hiện ánh xạ ngƣợc f –1 rất khó

so với việc thực hiện ánh xạ f. Chỉ khi biết đƣợc mã khóa bí mật thì mới có
thể thực hiện đƣợc ánh xạ ngƣợc f –1.
Khi áp dụng hệ thống mã hóa khóa công khai, ngƣời A sử dụng khóa
công khai để mã hóa thông điệp và gửi cho ngƣời B. Do biết đƣợc khóa bí
mật nên B mới có thể giải mã thông điệp mà A đã mã hoá. Ngƣời C nếu phát
hiện đƣợc thông điệp mà A gửi cho B, kết hợp với thông tin về khóa công
khai đã đƣợc công bố, cũng rất khó có khả năng giải mã đƣợc thông điệp này
do không nắm đƣợc khóa bí mật của B.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ 11 ~

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống mã hóa khóa công khai
1.2.2. Hệ mật mã khóa công khai RSA
RSA đƣợc lấy tên 3 chữ cái đầu của 3 tác giả R.L.Rivest, A.Shamir và
L.Adleman ở MIT (Trƣờng Đại học Công nghệ Massachusetts) vào năm 1977
[8]. RSA đƣợc biết đến nhiều nhất và sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nó dựa
trên các phép toán lũy thừa trong trƣờng hữu hạn các số nguyên theo modulo
nguyên tố. Cụ thể, mã hóa hay giải mã là các phép toán luỹ thừa theo modulo
số rất lớn. Việc thám mã, tức là tìm khóa bí mật khi biết khóa công khai, dựa
trên bài toán khó là phân tích một số rất lớn đó ra thừa số nguyên tố. Ngƣời ta
chứng minh đƣợc rằng, phép lũy thừa cần O((log n)3) phép toán, nên có thể
coi lũy thừa là bài toán dễ. Chú ý rằng ở đây ta sử dụng các số rất lớn khoảng
1024 bit, tức là cỡ 10350. Tính an toàn dựa vào độ khó của bài toán phân tích
ra thừa số của các số lớn.
1.3. Độ an toàn và độ an toàn hoàn hảo trong ẩn mã

1.3.1. Độ an toàn của ẩn mã
Một hệ ẩn mã đƣợc gọi là không an toàn nếu nhƣ kẻ tấn công chứng
minh đƣợc sự tồn tại của thông điệp bí mật. Để phá một hệ ẩn mã, kẻ tấn công
phải thực hiện ba bƣớc: phát hiện, rút thông tin và vô hiệu hóa thông tin. Nếu
kẻ tấn công không thể khẳng định hay xác nhận giả thiết của hắn về sự tổn tại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ 12 ~

của thông điệp bí mật trong vật phủ thì lúc đó hệ ẩn mã đƣợc coi là an toàn về
lý thuyết.
1.3.2. Độ an toàn hoàn hảo trong ẩn mã
Cachin đƣa ra một định nghĩa lý thuyết thông tin hình thức về an toàn
của hệ ẩn mã. Ý tƣởng chính là việc lựa chọn vật phủ xem nhƣ một biến ngẫu
nhiên

với phân bố xác suất

. Việc gắn các thông điệp mật đƣợc xem nhƣ

một hàm định nghĩa trong . Gọi

là phân bố xác suất của

là tập

tất cả các thông điệp mang tin mật đƣợc sinh ra bởi hệ ẩn mã. Nếu một vật

phủ

không bao giờ đƣợc sử dụng nhƣ một vật phủ sau khi gắn tin thì
. Để tính đƣợc

, phân bố xác suất trên

và

trƣớc. Sử dụng định nghĩa Entropy tƣơng đối
và

phải đƣợc cho

giữa hai phân bố

trên tập :

PC (c)

 P (c) log P (c)
cC

là

C

S

Đo độ không hiệu quả khi giả sử phân bố là

trong khi phân bố thực sự

(tác động của quá trình gắn tin trên phân bố

có thể đo đƣợc). Cụ thể,

chúng ta định nghĩa độ an toàn của một hệ ẩn mã theo

.

1.3.3. Độ an toàn hoàn hảo của một hệ ẩn mã
Giả sử

là một hệ ẩn mã,

gắn tin gửi trên kênh,

là phân bố xác suất của các vật phủ sau khi
đƣợc gọi là

là phân bố xác suất của

- an toàn

đối với ngƣời tấn công thụ động nếu

và gọi là an toàn một cách hoàn hảo nếu
Do

.

nếu và chỉ nếu hai phân bố là bằng nhau, chúng ta có

thể kết luận rằng một hệ ẩn mã là an toàn một cách hoàn hảo về mặt lý thuyết,
nếu nhƣ quá trình gắn tin vào vật phủ không làm thay đổi phân bố xác suất
của . Chúng ta có thể xây dựng một hệ ẩn mã với độ an toàn hoàn hảo.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ 13 ~

Định lý: Tồn tại một hệ ẩn mã có độ an toàn hoàn hảo
Chứng minh
Chúng ta sẽ đƣa ra một chứng minh có tính chất xây dựng. Giả sử
tập các xâu bit có độ dài n.
mật
đó



là phân bố đều trên , và

. Ngƣời gửi chọn ngẫu nhiên một



là

là một thông điệp

và tính

, trong

là toán tử XOR bit. Vật phủ thu đƣợc sau khi gắn tin mật s sẽ đƣợc phân

bố đều trên , do vậy
điệp mật

và

. Trong quá trình rút tin, thông

có thể đƣợc xây dựng lại bằng cách tính

.

1.4. Ứng dụng của ẩn mã trong môi trƣờng thực tế
Kỹ thuật ẩn mã có rất nhiều ứng dụng trong môi trƣờng thực tế, một
trong số đó có thể kể đến các ứng dụng sau:
• Lưu trữ và đảm bảo các thông tin bí mật: Trong ứng dụng này, việc
đảm bảo tính bí mật cho thông điệp cần giấu chính là điều quan trọng nhất.
Steganography cung cấp cho chúng ta khả năng che giấu đi sự tồn tại của dữ
liệu mật, gây khó khăn cho việc phát hiện có thông tin đƣợc ẩn và tăng độ an
toàn của dữ liệu đƣợc mã hóa. Trong thực tế, khi chúng ta sử dụng một kỹ
thuật ẩn mã, chúng ta nên chọn một môi trƣờng nhúng phù hợp với kích thƣớc
của dữ liệu cần giấu, đặc biệt, vật phủ càng lớn hơn so với thông điệp thì càng

tốt, và nên loại bỏ môi trƣờng nhúng ban đầu để đảm bảo sự an toàn và tính bí
mật cho thông tin.
• Liên lạc bí mật: Trong nhiều trƣờng hợp, sử dụng mật mã có thể gây ra
sự chú ý ngoài mong muốn. Ngƣợc lại, việc giấu tin trong một vật phủ nào đó
rồi gửi đi trên kênh truyền lại ít gây sự chú ý hơn. Ta có thể sử dụng ẩn mã để
gửi đi một bí mật thƣơng mại, một bản vẽ hoặc các thông tin nhạy cảm.
• Gán nhãn: Tiêu đề, chú giải, nhãn thời gian và các minh họa khác có
thể đƣợc nhúng vào ảnh, khi đó việc sao chép ảnh sẽ sao chép cả các dữ liệu
trong đó. Tuy nhiên chỉ chủ sở hữu của bức ảnh này mới có thể tách ra và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ 14 ~

xem các thông tin này vì họ có khóa mật. Ngoài ra, nhờ việc ẩn mã, họ có thể
gán từ khóa vào cơ sở dữ liệu ảnh để từ đó, việc tìm kiếm bức ảnh sẽ nhanh
chóng hơn. Đối với video, ngƣời ta có thể gán thời điểm diễn ra sự kiện vào
một khung ảnh để có thể đồng bộ hình ảnh với âm thanh. Đặc biệt, ta cũng có
thể gán số lần ảnh đƣợc xem để tính tiền thanh toán theo số lần xem.
1.5. Giới thiệu chung về ảnh số
1.5.1. Khái niệm ảnh số
Ảnh số là một tập hợp các điểm màu nằm trên một bề mặt phẳng, nhằm
mục đích mô tả, ghi lại những cảm nhận thị giác của con ngƣời hoặc một đối
tƣợng vật lý nào đó.
1.5.2. Điểm ảnh
Điểm ảnh – Pixel (Picture Element) là đơn vị cơ bản nhất cấu tạo nên
một hình ảnh, nó thƣờng đƣợc hiểu nhƣ là một thành phần nhỏ nhất của một
hình ảnh.

Điểm ảnh – Pixel là một phần tử của ảnh số tại tọa độ

với độ xám

hoặc một màu nhất định. Kích thƣớc và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó
đƣợc chọn thích hợp sao cho mắt ngƣời cảm nhận đƣợc sự liên tục về không
gian và mức xám hoặc màu của ảnh số gần nhƣ ảnh thật. Điểm ảnh đƣợc nhận
biết nhƣ là những khối màu, hình vuông, rất nhỏ. Một hình ảnh có thể đƣợc
cấu thành từ hàng triệu điểm ảnh, càng nhiều điểm ảnh thì hình ảnh càng chi
tiết và rõ nét.
Trong một hình ảnh, các điểm ảnh đƣợc sắp xếp gọn gàng thành cột và
hàng. Phép tính dùng để đo kích thƣớc số điểm ảnh trên cột dọc và hàng
ngang của hình ảnh đƣợc gọi là Độ phân giải – Resolution. Khi nói một hình
ảnh có kích thƣớc “779 x 498 pixel” tức là có 779 điểm ảnh trên hàng ngang
và 498 điểm ảnh trên hàng dọc. Hoặc, khi nói một màn hình có độ phân giải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




~ 15 ~

là “1024 x 768 pixel” nghĩa là màn hình đó có 1024 hàng điểm ảnh, và 768
cột điểm ảnh. Độ phân giải càng cao thì ảnh càng đẹp và rõ nét.
Mỗi một pixel có thể nhận một hoặc nhiều các bit tín hiệu điện tử, dùng
để kích hoạt chúng. Số lƣợng các màu sắc khác nhau trên hình ảnh phụ thuộc
vào số bit trên một pixel (Bits per pixel – bpp). Số bit mà pixel có thể nhận
đƣợc phân loại nhƣ sau:
• 1bpp (1bit trên một pixel): Đây là đặc trƣng của loại màn hình

Monochrome Monitor (màn hình đen trắng). Mỗi một pixel có thể đƣợc bật
hoặc tắt, hoặc đƣợc gán giá trị hoạt động là 0 và 1. Khi một pixel nhận giá trị
1, nó đƣợc bật, khi đó sẽ có màu xanh nhạt hoặc màu vàng đậm. Khi một
pixel nhận giá trị 0, nó ở trạng thái tắt, pixel tắt có màu đen.
• 2bpp (2bit trên một pixel): Là đặc trƣng của loại màn hình CGA (Color
Graphic Adaptor), cho phép hiển thị 4 màu. Một pixel sẽ nhận đƣợc 2 bit tín
hiệu, khi đó:
Giá trị “00” biểu diễn màu đen.
Giá trị “01” biểu diễn màu đỏ.
Giá trị “10” biểu diễn màu xanh.
Giá trị “11” biểu diễn màu trắng.
• 4bpp (4bit trên một pixel): Đây là đặc trƣng của loại màn hình EGA
(Enhanced Graphics Adaptor), cho phép hiển thị 4 bit kết hợp với nhau tạo
thành 16 màu riêng biệt, đƣợc biểu diễn từ 0000 đến 1111.
• 8bpp (8bit trên một pixel): Đây là đặc trƣng của loại màn hình VGA
(Video Graphics Adaptor), cho phép hiển thị 8 bit kết hợp thành 256 nhóm 8
bit từ 00000000 đến 11111111, tƣơng đƣơng với 256 màu.
• 24 bpp (24bit trên một pixel): Là đặc trƣng của loại màn hình SVGA
(Super Video Graphics Adaptor), cho phép hiển thị 24 bit tín hiệu kết hợp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN