密码学技术与信息隐藏技术_李艳玲

第15卷第1期河南教育学院学报(自然科学版)Vol .15No .12006年3月Journal of Henan Institute of Education (Natural Science )Mar .2006收稿日期:2005-11-03作者简介:李艳玲(1978—),女,河南郑州人,华北水利水电学院数学系教师.密码学技术与信息隐藏技术李艳玲,张云鹏(华北水利水电学院数学系,河南郑州450008) 摘要:密码学是信息安全领域的传统而成熟的一门技术,其主要目的是把明文变成看不懂的密文.信息隐藏是信息安全领域的新方向,它以隐藏秘密信息的存在性为目的.本文简要介绍了信息安全的理论体系,并就其两个分支,即密码学和信息隐藏技术展开了讨论,介绍了它们的概念、原理、模型、特点和方法.并在此基础上讨论了把密码学和信息隐藏技术结合起来,以增强信息的安全性的方法.关键词:信息安全;密码学;信息隐藏中图分类号:TP309.7 文献标识码:B 文章编号:1007-0834(2006)01-0060-040　引言20世纪90年代以来,计算机网络技术和多媒体信息处理技术在全世界范围内得到了迅猛的发展.一方面,网络技术的发展,使得处在世界各地的人们进行信息交流更加方便、迅速和经济;另一方面,数据压缩和多媒体技术的发展,使得人们能够方便快捷地制作、加工、分发和传送各种多媒体制品,如数字化音乐、图像、影视等方面的作品,而且这种复制和传送几乎可以无损地进行.这为信息资源的充分共享提供了便利的条件.各种机密信息,如个人的信用卡账号,在崇尚效率的信息时代,都逐渐在网络中出现[1].但是,网络在给人带来便利的同时也暴露出越来越严重的安全问题.由于全球互联网是一个开放的系统,虽然普通用户可以通过网络方便、快捷地交流信息,但是恶意用户也可以通过网络想方设法抓取他感兴趣的任何信息,甚至攻击系统[1-4].信息安全的技术特征主要表现在以下几个方面[1]:完整性,信息未经授权不能改变的特性;保密性,信息不被泄露给未经授权者的特性;可用性,信息可被授权者访问并按照需求使用的特性;不可否认性,也称不可抵赖性,所有参与者都不可能否认或抵赖曾经完成的操作和承诺;可控性,对信息的传播及内容具有控制能力的特性.信息安全的研究包括两个主要的研究方向:信息加密与信息隐藏.加密使有用的信息变为看上去无用的乱码,攻击者无法读懂信息的内容从而保护信息;而信息隐藏则是将有用的信息隐藏在其他信息中,使攻击者无法发现,不仅实现了信息的保密,也保护了通信的本身.信息隐藏是信息安全领域的一个新方向,它在数字化产品的版权保护、隐蔽通信等领域的应用中越来越受到人们的重视[5-8].在信息安全的理论体系和应用技术研究中,密码技术经历了长期的发展,形成了较完整的密码学理论体系,有一系列公认的经典和可靠的算法,至今,信息加密仍是保障信息安全的最基本的手段.然而,对于信息隐藏,虽然其应用历史可追溯到古代,但是在现代信息科学技术条件下的研究和应用才刚刚开始,完备的理论体系也尚未建立.1　密码技术[1-4]密码学是把有意义的信息编码为伪随机性的乱码以保护信息的一门学科.通常把待加密的消息称为明文,加密后的消息称为密文.加密就是从明文得到密文的过程;而合法地由密文恢复出明文的过程称为解密.加密和解密所采用的规则分别称为加密算法和解密算法.加密算法和解密算法统称为密码算法.密码算法是在一组称为密钥的参数控制下进行的.1.1　古典加密算法古典加密算法包含:代码加密,通信双方预先设·60·定一组代码是一种最简单的加密方法,一直得到广泛的应用;替换加密,明文中的每个或每组字母被替换为另一个或一组字母;换位加密,代码加密和替换加密保持明文的字符顺序,只是将其替换掉或者隐藏起来.换位加密则按密钥给出的顺序重新排列明文;一次一密,如果既要保持代码加密的可靠性,又要保持换位加密的灵活性,可以采用一次一密方法.破译密文的唯一方法就是获得一份相同的密码簿.1.2　对称密码算法对称密码算法也称为传统密码算法,其特征是加密和解密采用同一个密钥.最著名的对称加密算法是数据加密标准(DE S).DE S算法是由IBM提出的,是一种分组密码算法.对称加密算法的加密速度很快,但是其主要缺陷在于密钥的分发问题.由于通信双方共享一个密钥,接受方必须得到发送方的密钥才能解密.而如何安全地分发密钥就成为一个问题.1.3　公钥密码算法Diffle和Hellman于1976年发表了“密码学的新方向”一文,提出了公钥密码算法.这是密码学历史上的又一个里程碑.它既有效地克服了对称密码算法的密钥分发困难,又可用于数字签名等功能,为网络时代的信息安全提供了新的理论和技术基础.公钥密码算法有两个密钥:一个公开作为加密密钥,称为公钥;另一个作为用户专用的解密密钥,称为私钥.这样,甲方要发送秘密信息给乙方,只要用乙方的公钥来对信息加密并发送给乙方,掌握对应私钥的乙方就可以对加密消息进行解密,而任何其他人都无法解密.这样,通信双方就再也无须交换密钥了.公钥密码算法的缺点在于其速度较慢,因而不适合用于加密数据量大的文件.在实际应用中,人们通常把对称密码算法和公钥密码算法结合在一起使用,这就是混合密码系统.1.4　混合密码系统在混合密码系统中,用对称密码算法加密数据文件,而用公钥密码算法来传送对称密码算法使用的密钥.这样既利用了对称密码算法的加密速度,又有效地解决了密钥分发问题.2　信息隐藏技术[5-8]信息隐藏是一种将秘密信息隐藏在公开的载体信号上的信息安全技术.现代信息隐藏技术来源于古老的隐写术(Steganography).Steganography一词来源于希腊语,其原意为“Covered Writing”,历史上有许多信息伪装的实例.例如在古希腊战争中,为了军事情报的安全传送,将情报文在奴隶的头皮上以隐藏在头发里,在一次和二次世界大战中使用的隐写墨水、空心硬币及微型照片等.尽管有许多信息伪装的实例,但在以往的技术条件下,应该说信息伪装的应用是极有限的.现代的信息隐藏,或者更严格地称为信息伪装的研究可以追溯到Simmons于1983年提出的有代表性的“罪犯问题”.在该问题的背景中,监狱中的两名罪犯Alice和Bob准备策划一次越狱行动.他们之间的任何通信联络必须经过看守Willie,如果Willie 发现Alice和Bob之间有任何加密信息的传送,他将会挫败他们的计划.此问题的提出引起研究信息隐藏课题的热潮.目前,研究比较广泛和热烈的课题是数字水印技术和技术上的隐写术(即数据隐藏技术)两大类.数字水印是在数字媒体中嵌入某种不可感知的信息,对数字媒体起标志和版权保护的作用.此时有价值的是数字媒体的外观表现,人们并不需要知晓水印信息的内容,而只关心水印是否存在、改动及删除.数字水印广泛用于网络数字产品的版权保护、网上数据传输及存储过程中数据的完整性鉴证、电子商务中的行为认证和票据防伪.由于数字水印技术是保障网络社会正常秩序的一项重要信息安全手段,因此该技术的研究受到人们关注.数据隐藏是指将秘密信息隐藏于其他公开的数字媒体中,使秘密信息能够在通信网络中安全传输的信息安全技术.对于实施隐蔽通信的发送方和接收方而言,所嵌入的秘密数据为兴趣之所在,而其外观表现仅为信息的隐藏载体.载体内容已无任何意义.信息隐藏技术应满足如下三个要求:(1)不可觉察性:将秘密信息隐藏在载体信号中以后,载体信号的变化对于人的视觉、听觉和计算机统计分析是不可觉察的,即信息的嵌入不应明显降低原数字媒体的质量;(2)鲁棒性:即使嵌有秘密信息的数字媒体经过压缩、缩放、滤波等一定程度的攻击性操作后,仍能以较低错误率恢复秘密信息,即要求信息隐藏技术有一定的抗干扰能力;(3)容量:一定载体能够隐藏秘密信息的数据量.显然,信息隐藏的三个要求是相互矛盾的,需要根据应用需求加以权衡.在一般情况下,数据隐藏在满足不可觉察性的前提下,更侧重于隐藏容量,而对鲁棒性的要求较低.而数字水印同样在满足不可觉察性的前提下,对鲁棒性要求更高.·61·数据隐藏和数字水印的通用模型如图1和图2所示.图1　数据隐藏的模型图2　数字水印的一般模型 图中载体信号可以是文本、音频、图像和视频.由于图像数据的空间冗余和视觉冗余较大,具有更适宜于隐蔽通信的特性,因此大多以数字图像作为覆盖信号.信息之所以能够隐藏在多媒体数据中是因为:(1)多媒体信息本身存在很大的冗余性.从信息论的角度看,未经压缩的多媒体信息的编码效率是很低的,所以将某些信息嵌入到多媒体信息中进行秘密传送是完全可行的,并不会影响多媒体信息本身的传送和使用;(2)人眼和人耳对某些信息都有一定的掩蔽效应,比如人眼对灰度的分辨能力只有十几个灰度级.利用人的这些特点,可以很好地将信息隐藏而不被发觉.根据作用域不同,信息隐藏算法大致可以分为两类:空间域算法和变换域算法.2.1　空间域算法视觉特性研究表明,人眼的亮度分辨力与颜色分辨力是有限的.图像中灰度或颜色的微小变化在视觉中有时无明显的响应,即人眼具有视觉冗余特性.利用视觉冗余特性,可在空间域中实现秘密信息的隐藏.最典型的空间域信息隐藏算法为L SB (Least Significant Bit )算法.其原理就是通过修改表示数字图像的颜色(或颜色分量)的位平面,通过调整数字图像中对感知不重要的比特来嵌入秘密数据.LSB 算法的主要优点是简单易行,隐藏容量较大,不可见性较好.但是由于携带秘密数据的图像中每个像素的最后一位就是所嵌入的秘密信息,该方法的安全性很差.可以通过将LSB 算法与信号处理技术相结合,对该方法进行改进,如采用加扰、置乱和白化等对秘密信息进行预处理来提高隐藏信息的安全性和可靠性.2.2　变换域算法变换域算法是对覆盖信号做某种正交变换,将秘密信息嵌入到变换系数中,使秘密信息的能量有选择地分布于数字媒体的不同变换域分量中.算法原理如下:首先对载体图像数据f (x ,y )进行正交变换T :f (x ,y )TF (u ,v ),通过嵌入算法g 将秘密信息嵌入到变换域系数中,即F (u ,v )gF ＊(u ,v ),最后,对改变后的变换域系数进行反变换F ＊(u ,v )T -1f ＊(x ,y ),于是,秘密信息被隐藏在载密图像f ＊(x ,y )中.可使用的正交变换形式有离散傅立叶变换,离散余弦变换,小波变换等.由于变换域算法依据人眼对于不同空间频率的敏感性,因此适当选择秘密信息的嵌入位置和嵌入强度可以使秘密信息的嵌入具有良好的鲁棒性和不可觉察性.此时嵌入信息的容量可有更大的灵活性.变换域隐藏处理算法比空间域算法复杂.为了进一步提高信息隐藏的安全性和可靠性,也应对秘密信息进行某些预处理.3　密码技术和信息隐藏的结合信息隐藏与传统的信息加密都是信息安全技术,但是它们又有明显的区别,各有优点.传统的密码技术以隐藏信息的内容为目的,使加密后的文件变得难以理解,但很容易引起拦截者的注意而遭到截获、破解和攻击.而信息隐藏以隐藏秘密信息的存在为目的,其外在表现为载体信息的外部特征.在实际应用中,信息隐藏与信息加密有机地结·62·合在一起,把待传送的信息加密后再隐藏在其他信息中,可以达到既保护信息内容又能隐藏信息存在的双重保护作用.密码技术与信息隐藏相结合的通信系统原理如图3所示.系统同时结合了密码技术和信息隐藏技术的优点,在实际应用中具有很好的效果.在大多数系统中,为了提高隐藏的安全性,秘密信息在隐藏前都要经过一些预处理,如加扰、置乱等技术;同时,为了提高系统的可靠性,还可以使用差错控制编码技术,这可以抵抗传输过程中以及某些处理(如压缩处理)引入的部分噪声,从而使得系统具有一定的自我抗噪能力.4　总结图3　加密信息隐藏的原理框图 密码学与信息隐藏是信息安全领域的两个不同的分支,它们具有不同的技术特征与方法.但是它们的目的都是一样的,即保护通信信息的安全性不受截获和攻击.在当今的网络化信息时代,单纯的加密已经不能满足应用的安全性要求.密码学与信息隐藏的结合,是技术发展的必然趋势.参考文献[1]　陈彦学.信息安全理论与实务[M ].北京:中国铁道出版社,2001:18～29.[2]　卢开澄.计算机密码学———计算机网络中的数据保密与安全[M ].北京:清华大学出版社,2002:55～73.[3]　杨明,胥光辉,等译.密码编码学与网络安全:原理与实践[M ].北京:电子工业出版社,2001:156～183.[4]　王育民,刘建伟.通信网的安全———理论与技术[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2002:56～77.[5]　吴秋新,钮心忻,杨义先,等译.信息隐藏技术———隐写术与数字水印[M 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-ple ,the modal ,the characteristic and methods of the two branc hes that are cryptography and steganography .Then the paper discusses the combination of the cryptography and steganography to enhance the security of the information .Key words :information security ;cryptography ;steganography·63·。