融合密碼技術(shù)與隱藏技術(shù)的信息安全研究.pdf

1、隨著信息處理技術(shù)和通信手段的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)的普及，圖像、音頻、視頻等信息都可以在各種通信網(wǎng)絡(luò)中迅速快捷的傳輸。這些信息關(guān)系著國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和個(gè)人穩(wěn)私等。因此，如何在互聯(lián)網(wǎng)這樣一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境下保護(hù)信息安全、通信安全成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。信息安全涵蓋很多方面：監(jiān)察安全、管理安全、技術(shù)安全、立法安全和認(rèn)知安全等。本論文主要研究技術(shù)安全中的數(shù)據(jù)安全。目前，加密和信息隱藏是保障信息安全與通信安全的兩大核心技術(shù)。加密利用數(shù)學(xué)方

2、法重新組織數(shù)據(jù)，使之變成除了合法的接受者外，任何其他人要恢復(fù)原先的信息或讀懂變化后的信息非常困難。通過(guò)使用密碼技術(shù)，人們將明文加密成敵人看不懂的密文，從而阻止了信息的泄密。但是，在如今開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)上，加密后的信息是一堆無(wú)法看懂的雜亂信息，直接引導(dǎo)竊密者發(fā)現(xiàn)哪些是他的攻擊對(duì)象，相當(dāng)于直接將目標(biāo)暴露在竊密者眼前。竊密者可以通過(guò)跟蹤密文破壞合法通信，篡改通信內(nèi)容，經(jīng)典的密鑰系統(tǒng)受到威脅。20世紀(jì)末期，隨著信息技術(shù)數(shù)字化、多媒體化

3、及計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上開(kāi)始提出并嘗試一種新的關(guān)于信息安全的概念——信息隱藏技術(shù)，即將機(jī)密資料信息秘密的隱藏于一般的文件中，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞。信息隱藏和密碼技術(shù)的區(qū)別在于：密碼保護(hù)信息的內(nèi)容，而信息隱藏不但隱藏了信息的內(nèi)容而且隱藏了信息的存在。本論文研究?jī)?nèi)容就是將加密技術(shù)和隱藏技術(shù)結(jié)合起來(lái)。在進(jìn)行信息隱藏通信之前，利用成熟的加密算法進(jìn)行置亂預(yù)處理后將秘密信息隱藏于宿主圖像中傳輸，從而增強(qiáng)秘密信息的隱蔽性；減少秘密圖像

4、的紋理特征，增加掩密信道的容量；增強(qiáng)含密圖像抗剪切和破損攻擊的能力。對(duì)于加密技術(shù)與隱藏技術(shù)結(jié)合的研究最為關(guān)心的四個(gè)主要方面是：可靠性、不可感知性，抗干擾性(魯棒性)和隱藏容量，這四者之間是互相沖突，不可能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的。本論文理論研究的重點(diǎn)就是在應(yīng)用時(shí)如何平衡這幾個(gè)方面，尋求一個(gè)新的平衡點(diǎn)：利用加密技術(shù)對(duì)原始秘密信息進(jìn)行加密置亂預(yù)處理，置亂后得到的密文只有使用正確的解密密鑰才能還原，以此增加信息的可靠性；置亂后的信息類(lèi)似于

5、隨機(jī)噪聲，對(duì)攻擊者判斷是否隱藏了信息增加了難度，增加了隱藏的不可感知性；為增加秘密信息的抗干擾性、提高載體圖像的隱藏容量，對(duì)傳統(tǒng)LSB算法進(jìn)行如下改進(jìn)：(1)根據(jù)人眼視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)顏色敏感度的理論，通過(guò)亮度公式I=0.3R+0.59G+0.11B可知，人眼對(duì)綠色最敏感，對(duì)紅色次之，而對(duì)藍(lán)色最不敏感。因此，可以用秘密信息替換每個(gè)象素RGB亮度分量最低不同個(gè)位數(shù)的比特位。實(shí)驗(yàn)表明，B分量改變最低2位比特位，G分量改變最低1位比特位，

6、R分量改變最低1位比特位不會(huì)使圖像發(fā)生人眼容易察覺(jué)的變化;(2)改變傳統(tǒng)LSB算法的替換機(jī)制。傳統(tǒng)LSB算法的替換機(jī)制為順序替換，本論文提出的嵌入方案為隨機(jī)選擇載體圖像像素，判斷該像素所代表的顏色分量后，進(jìn)行1位或2位的最低有效位替換。如此，外界對(duì)含密圖像進(jìn)行的涂、畫(huà)等惡意攻擊被分散到秘密信息的不同地方，形成了點(diǎn)狀的隨機(jī)噪聲，大大降低對(duì)視覺(jué)效果的影響，有效的提高了秘密信息的抗干擾性。另外，隨機(jī)嵌入法在不改變秘密信息抗干擾性的

7、基礎(chǔ)上，在一定程度上還可增加載體圖像的隱藏容量。本論文在理論上所作的主要工作及所取得的成果，分述如下。1)本文在第4章對(duì)IDEA加密算法進(jìn)行了研究，并在第5章對(duì)其密鑰空間進(jìn)行相應(yīng)的改善后將該算法應(yīng)用于數(shù)字圖像的顏色空間置亂上，提高秘密信息的可靠性與不可感知性；2)第6章研究了生成無(wú)重復(fù)隨機(jī)數(shù)序列問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了LSB無(wú)重復(fù)隨機(jī)嵌入方案，將外界對(duì)含密圖像的惡性攻擊分散到畫(huà)面的不同地方，提高了傳統(tǒng)LSB算法的魯棒性；隨機(jī)嵌入方案對(duì)

8、載體圖像的質(zhì)量影響大大減少，得到的含密圖像與載體圖像的峰值信噪比增加2-3dB，提高了含密圖像的不可感知性；利用無(wú)重復(fù)隨機(jī)嵌入方案在一定程度上也可提高載體圖像的隱藏容量。本論文在應(yīng)用上所作的主要工作及所取得的成果，分述如下：1)本論文第4章分析了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的功能與結(jié)構(gòu)，闡述了Visual C++生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與Visual Basic調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方法以及Visual C++與VisualBasic聯(lián)合調(diào)試的過(guò)程。并生成了

9、可供使用的IDEA動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供11個(gè)導(dǎo)出函數(shù)，10個(gè)內(nèi)部函數(shù)，可對(duì)字節(jié)數(shù)組、字符數(shù)組、整型數(shù)、字符串和文件等5種類(lèi)型的入?yún)⒆兞窟M(jìn)行加密置亂，并提供了生成密鑰的函數(shù)。利用該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，用戶(hù)可方便的對(duì)不同類(lèi)型的文件進(jìn)行加密置亂；2)Visual Basic為前臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)指定待加密文件的完整路徑，調(diào)用提供的IDEA動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的文件加、解密函數(shù)實(shí)現(xiàn)任意類(lèi)型文件的加、解密；3)Visual Basic為前臺(tái)開(kāi)

10、發(fā)工具，通過(guò)Oracle提供的0040技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Oracle數(shù)據(jù)的連接；提供提取和存儲(chǔ)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)BLOB字段中數(shù)字圖形圖像文件的功能；通過(guò)調(diào)用上步提及的IDEA動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)字圖像進(jìn)行加密置亂；4)24位BMP圖像的位平面信息繪制功能，即各個(gè)像素點(diǎn)的各個(gè)分量的相同位共同組成的新的二值圖像。利用該功能可以分析BMP圖像的位平面特性；5)繪制BMP圖像LSB與MSB信息的功能，即最低有效位信

11、息和最重要位信息，通過(guò)數(shù)值與模型分析指出LSB所蘊(yùn)含的信息對(duì)于圖像整體來(lái)說(shuō)，能量很微弱，在視覺(jué)上很難察覺(jué)，是進(jìn)行信息隱藏的有效宿主空間；6)基于本論文提出的無(wú)重復(fù)隨機(jī)嵌入方案的信息隱藏與提取功能，實(shí)現(xiàn)在BMP格式數(shù)字圖像中隱藏或提取秘密信息；7)計(jì)算圖像均方根誤差MSE與峰值信噪比PSNR：對(duì)于載體圖像和含密圖像，采用均方根誤差MSE來(lái)反映它們之間的誤差，采用峰值信噪比PSNR衡量它們之間的客觀(guān)保真度。均方根誤差越小，說(shuō)明