融合密码技术与隐藏技术的信息安全研究

摘要

随着信息处理技术和通信手段的飞速发展以及互联网的普及，图像、音频、视频等信息都可以在各种通信网络中迅速快捷的传输。这些信息关系着国家安全、经济发展和个人稳私等。因此，如何在互联网这样一个开放的环境下保护信息安全、通信安全成为当今世界研究的热点。信息安全涵盖很多方面：监察安全、管理安全、技术安全、立法安全和认知安全等。本论文主要研究技术安全中的数据安全。目前，加密和信息隐藏是保障信息安全与通信安全的两大核心技术。加密利用数学方法重新组织数据，使之变成除了合法的接受者外，任何其他人要恢复原先的信息或读懂变化后的信息非常困难。通过使用密码技术，人们将明文加密成敌人看不懂的密文，从而阻止了信息的泄密。但是，在如今开放的互联网上，加密后的信息是一堆无法看懂的杂乱信息，直接引导窃密者发现哪些是他的攻击对象，相当于直接将目标暴露在窃密者眼前。窃密者可以通过跟踪密文破坏合法通信，篡改通信内容，经典的密钥系统受到威胁。20世纪末期，随着信息技术数字化、多媒体化及计算机通信技术的发展，国际上开始提出并尝试一种新的关于信息安全的概念——信息隐藏技术，即将机密资料信息秘密的隐藏于一般的文件中，然后再通过网络传递。信息隐藏和密码技术的区别在于：密码保护信息的内容，而信息隐藏不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在。本论文研究内容就是将加密技术和隐藏技术结合起来。在进行信息隐藏通信之前，利用成熟的加密算法进行置乱预处理后将秘密信息隐藏于宿主图像中传输，从而增强秘密信息的隐蔽性；减少秘密图像的纹理特征，增加掩密信道的容量；增强含密图像抗剪切和破损攻击的能力。对于加密技术与隐藏技术结合的研究最为关心的四个主要方面是：可靠性、不可感知性，抗干扰性(鲁棒性)和隐藏容量，这四者之间是互相冲突，不可能同时达到最优的。本论文理论研究的重点就是在应用时如何平衡这几个方面，寻求一个新的平衡点：利用加密技术对原始秘密信息进行加密置乱预处理，置乱后得到的密文只有使用正确的解密密钥才能还原，以此增加信息的可靠性；置乱后的信息类似于随机噪声，对攻击者判断是否隐藏了信息增加了难度，增加了隐藏的不可感知性；为增加秘密信息的抗干扰性、提高载体图像的隐藏容量，对传统LSB算法进行如下改进：(1)根据人眼视觉系统对颜色敏感度的理论，通过亮度公式I=0.3R+0.59G+0.11B可知，人眼对绿色最敏感，对红色次之，而对蓝色最不敏感。因此，可以用秘密信息替换每个象素RGB亮度分量最低不同个位数的比特位。实验表明，B分量改变最低2位比特位，G分量改变最低1位比特位，R分量改变最低1位比特位不会使图像发生人眼容易察觉的变化;(2)改变传统LSB算法的替换机制。传统LSB算法的替换机制为顺序替换，本论文提出的嵌入方案为随机选择载体图像像素，判断该像素所代表的颜色分量后，进行1位或2位的最低有效位替换。如此，外界对含密图像进行的涂、画等恶意攻击被分散到秘密信息的不同地方，形成了点状的随机噪声，大大降低对视觉效果的影响，有效的提高了秘密信息的抗干扰性。另外，随机嵌入法在不改变秘密信息抗干扰性的基础上，在一定程度上还可增加载体图像的隐藏容量。本论文在理论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章对IDEA加密算法进行了研究，并在第5章对其密钥空间进行相应的改善后将该算法应用于数字图像的颜色空间置乱上，提高秘密信息的可靠性与不可感知性；2)第6章研究了生成无重复随机数序列问题，实现了LSB无重复随机嵌入方案，将外界对含密图像的恶性攻击分散到画面的不同地方，提高了传统LSB算法的鲁棒性；随机嵌入方案对载体图像的质量影响大大减少，得到的含密图像与载体图像的峰值信噪比增加2-3dB，提高了含密图像的不可感知性；利用无重复随机嵌入方案在一定程度上也可提高载体图像的隐藏容量。本论文在应用上所作的主要工作及所取得的成果，分述如下：1)本论文第4章分析了动态链接库的功能与结构，阐述了Visual C++生成动态链接库与Visual Basic调用动态链接库的方法以及Visual C++与VisualBasic联合调试的过程。并生成了可供使用的IDEA动态链接库。该动态链接库提供11个导出函数，10个内部函数，可对字节数组、字符数组、整型数、字符串和文件等5种类型的入参变量进行加密置乱，并提供了生成密钥的函数。利用该动态链接库，用户可方便的对不同类型的文件进行加密置乱；2)Visual Basic为前台开发工具，通过指定待加密文件的完整路径，调用提供的IDEA动态链接库提供的文件加、解密函数实现任意类型文件的加、解密；3)Visual Basic为前台开发工具，通过Oracle提供的0040技术实现与Oracle数据的连接；提供提取和存储Oracle数据库BLOB字段中数字图形图像文件的功能；通过调用上步提及的IDEA动态链接库实现对Oracle数据库中存储的数字图像进行加密置乱；4)24位BMP图像的位平面信息绘制功能，即各个像素点的各个分量的相同位共同组成的新的二值图像。利用该功能可以分析BMP图像的位平面特性；5)绘制BMP图像LSB与MSB信息的功能，即最低有效位信息和最重要位信息，通过数值与模型分析指出LSB所蕴含的信息对于图像整体来说，能量很微弱，在视觉上很难察觉，是进行信息隐藏的有效宿主空间；6)基于本论文提出的无重复随机嵌入方案的信息隐藏与提取功能，实现在BMP格式数字图像中隐藏或提取秘密信息；7)计算图像均方根误差MSE与峰值信噪比PSNR：对于载体图像和含密图像，采用均方根误差MSE来反映它们之间的误差，采用峰值信噪比PSNR衡量它们之间的客观保真度。均方根误差越小，说明两幅图像越相似；峰值信噪比越大，说明载体图像的保真度越好，两幅图像越接近。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 信息安全研究综述

1.1基本概念与分支

1.1.1密码技术

1.1.2隐藏技术

1.2研究意义

1.3研究现状

1.3.1加密技术研究现状

1.3.2信息隐藏技术研究现状

1.3.3置乱技术研究现状

1.4发展趋势

1.5论文主要研究内容

第2章 密码技术概述

2.1密码技术

2.2密钥管理

2.2.1概述

2.2.2密钥的分类

2.2.3密钥产生技术

2.2.4密钥有效期

2.4分组密码体制

2.4.1分组密码设计原理

2.4.2分组密码的工作模式

2.4.3分组密码的分析方式

第3章 信息隐藏概述

3.1信息隐藏技术的发展

3.2信息隐藏系统基本模型

3.2.1无密钥信息隐藏系统

3.2.2私钥信息隐藏系统

3.2.3公钥信息隐藏系统

3.3信息隐藏的特点

3.4信息隐藏的方法

3.4.1空间域算法

3.4.2变换域算法

3.5信息隐藏的攻击

3.5.1信息隐藏的分析

第4章 IDEA加密算法研究

4.1 IDEA加密算法

4.1.1 IDEA概述

4.1.2 IDEA基本运算

4.1.3 IDEA算法描述

4.2 IDEA密码的子密钥生成

4.3 IDEA算法安全性

4.4制作IDEA算法动态链接库

4.4.1 Cipher动态链接库功能概述

4.4.2 VC创建动态链接库DLL的方法

4.5 VB调用动态链接库DLL方法

4.5.1 VB调用动态链接库DLL

4.5.2 VB和VC之间数组参数的传递方法

4.5.3 VB和VC联合调试

第5章 数字图像置乱变换研究

5.1图像置乱的功能与特征

5.2图像置乱定义

5.3基于IDEA加密算法的图像置乱

5.3.1基于Cipher动态链接库的加密过程

5.3.2置乱效果分析

5.3.3抗攻击实现

5.3.4密钥空间的改善

第6章 数字图像信息隐藏算法研究

6.1 BMP图像格式

6.2传统LSB算法

6.2.1传统LSB替换机制

6.2.2传统LSB的信息隐藏量

6.2.3图像位平面特征

6.2.4 LSB与MSB

6.3改进LSB的嵌入方案

6.4基于IDEA加密算法与改进LSB嵌入方案的信息隐藏系统

6.4.1系统嵌入流程

6.4.2系统提取过程

第7章 实验结果与分析

7.1图像感知评价

7.2抗攻击实验

7.3隐藏容量

第8章 总结与展望

8.1论文的主要工作与结论

8.1.1理论上的工作及成果

8.1.2应用上的工作及成果

8.2不足及进一步工作

8.2.1本论文的不足

8.2.1进一步工作

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果