بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
افزايش امنيت ارسال اطلاعات با استفاده از ترکيب استگانوگرافي و به اشتراک گذاري راز
چکيده — ارسال اطلاعات محرمانه در يک بستر عمومي همچون اينترنت ، نيازمند روش هايي است که به کمک آن ها بتوان اطلاعات را از دسترس دشمن محفوظ نگاه داشت . در اين مقاله روشي ترکيبي از رمزنگاري و استگانوگرافي جهت ارسال اطلاعات رمز و بازيابي بدون اتلاف آن ارائه ميشود. روش پيشنهادي، به ترکيب جاسازي ماتريسي و به اشتراکگذاري راز ميپردازد. باتوجه به غيرتصادفي بودن تصاوير حامل و بهره مندي از جاسازي ماتريسي و تبديل موجک ، سيستم از امنيت بالايي برخوردار است . روش هاي ارسال امن اطلاعات قادر به دست يابي همزمان به همۀ پارامترهاي مطلوب نيستند. در مقايسه با ساير روش هاي ارائه شده در اين زمينه ، روش پيشنهادي از تعاملي مناسب بين پارامترهاي اساسي سيستم ارسال اطلاعات برخوردار است . از ديگر مزاياي روش پيشنهادي، عدم استفاده از کليد رمز ميباشد که خود موجب افزايش قابل توجه امنيت سيستم ميگردد. نتايج بدست آمده بيان گر کيفيت مناسب تصاوير و ظرفيت قابل قبول ضمن بهره مندي از امنيت بالا ميباشد.
واژه هاي کليدي — استگانوگرافي؛ رمزنگاري؛ جاسازي ماتريسي؛ به اشتراکگذاري راز؛ امنيت ؛
١. مقدمه
استگانوگرافي علم جاسازي پيام رمز در تصوير پوششي ميباشد، به گونه اي که تغيير قابل ملاحظه اي در تصوير پوششي ارسالي صورت نگيرد. به عبارت ديگر استگانوگرافي، ارسال اطلاعات به مقصد است ، بطوريکه آشکارسازي توسط عاملي غير از مقصد انجام نپذيرد [١]. ساختارهاي مختلفي جهت پنهان سازي اطلاعات در تصوير حامل مطرح شده است . از جمله ساختارهاي مورد استفاده در استگانوگرافي، جاسازي ماتريسي است که نخستين بار توسط Crandall مطرح گرديد. ساختار کلي اين نوع روش ها مبتني بر تقسيم تصوير پوششي به بلوکهايي است که بعد از بلوکبندي، به منظور جاسازي بيت هاي رمز اصلاح ميگردند. براي مثال ، کد همينگ براي رسيدن به تغيير کمتر بيت هاي تصوير پوششي در جاسازي تعداد مشخصي از بيت هاي رمز مورد استفاده قرار ميگيرد [٢, ٣].
رمزنگاري علم و هنر دست يابي به امنيت بوسيلۀ رمزکردن پيام و تبديل آن به فرم غيرقابل خواندن ميباشد. رمزنگاري شامل دو بخش رمزگذاري و آشکارسازي رمز است . رمزگذاري فرايند تبديل دادة اصلي به علايم رمز مي - باشد، در حاليکه در فرايند آشکارسازي رمز بازيابي اطلاعات اصلي از علايم رمز صورت مي گيرد [٤]. به اشتراک گذاري راز١، يکي از ساختارهايي است که در رمزنگاري اطلاعات مطرح شده است . اين ساختار براي نخستين بار و بصورت مستقل توسط Shamir و Blakley (١٩٧٩) بيان گرديد. در اين شيوه ، ابتدا دادة رمز به L قسمت تبديل شده و بين L نفر تقسيم ميشود.
سپس در گيرنده با داشتن t قسمت از L قسمت اطلاعات رمز اوليه بازيابي ميشود. در اين نوع رمزنگاري با داشتن ١-t قسمت و يا کمتر از سهم ها، اطلاعاتي درمورد دادة اصلي بدست نميآيد [٥, ٦]. در رمزنگاري نيازي به استفاده از محيط حامل و پوششي نبوده ، تنها اطلاعات محرمانه رمز شده و از طريق کانال ارسال ميشوند ]٧[.
تاکنون کارهاي مختلفي جهت ارسال امن داده انجام شده است . Bedi [٨] يک طرح حوزة مکان با استفاده از الگوريتم PSO ارائه ميدهد. الگوريتم PSO جهت يافتن بهترين محل هاي پيکسل در تصوير پوششي استفاده مي - شود. در [٩] کريپتوگرافي و استگانوگرافي هردو مورد استفاده قرار گرفته اند.
الگوريتم کريپتوگرافي پيام را رمز کرده ، سپس بيت هاي رمز در دو بيت کم ارزش ٢ (٦ و ٧ يا ٧ و ٨) جاسازي ميگردند. Sohag [١٠] از جاسازي ديناميک با يک کليد رمز استفاده ميکند. اين شيوه در مقابل حمله مقاوم تر ميباشد، زيرا بيت هاي پيام در يک جايگاه جاسازي ثابت نيستند. در [١١] با استفاده از کدگذاري هافمن ، پنهان سازي اطلاعات صورت گرفته است . ابتدا اطلاعات رمز از طريق هافمن کد شده و سپس با استفاده از جايگذاري LSB عمل پنهان سازي اطلاعات در تصوير پوششي انجام ميشود. Tseng [١٢] با استفاده از تعريف دو ماتريس باينري و ماتريس وزن ، به بيان روشي ماتريسي جهت جاسازي اطلاعات رمز در بلوکهاي تصوير پوششي ميپردازد. در اين روش ، حداکثر دو بيت از بلوک تصوير پوششي براي جاسازي تعداد مشخصي بيت رمز تغيير ميکند. Wang [١٣] به گسترش ماتريس جهت رسيدن به پيچيدگي محاسباتي کمتر و سرعت بيشتر در جاسازي ميپردازد.
وي با افزودن يک يا چند ستون به ماتريس ، فضاي حل را افزايش ميدهد. در حالت عادي، اين امر موجب افزايش بازدة جاسازي ميشود، اما پيچيدگي محاسبات را بصورت نمايي افزايش ميدهد. روش پيشنهادي فضاي حل را افزايش داده ، اما محاسبات بصورت خطي افزايش مييابد. Sikarwar [١٤] توسط تکنيک رمزنگاري کليد ديناميک ، مدلي براي افزايش عملکرد تکنيک - هاي استگانو بيان ميکند. اين شيوه خطر حملات آناليز را کاهش ميدهد.
مرجع [١٥] از استگانوگرافي و به اشتراکگذاري راز جهت ارسال اطلاعات استفاده ميکند. اين مرجع از استگانوگرافي تطبيقي چند پوششي ٣ براي توليد تصاوير طبيعي بهره ميبرد. Lee [١٦] با استفاده از يک کدبوک ٤ ازپيش تعريف شده به رمز کردن دو تصوير رمز در دو تصوير پوششي جهت توليد سهم ها ميپردازد. اين رمزها با استفاده از مکانيزم چرخشي بصورت همزمان در تصاوير پوششي جاسازي ميشوند. اين شيوه به کاهش خطر حملات مخرب ميانجامد.
در اين مقاله ، يک روش جديد به منظور ارسال امن داده ارائه ميشود.
مبناي اين شيوه ، ترکيب استگانوگرافي ماتريسي و به اشتراکگذاري راز مي - باشد، بطوريکه تنها با داشتن تعداد خاصي از تصاوير سهم ، گيرنده قادر به بازيابي اطلاعات رمز خواهد بود. براي اين منظور از روش ماتريسي ارائه شده در [١٧] تحت عنوان F٥ استفاده ميشود. اين روش در ادامه شرح داده خواهد شد. همچنين به منظور جاسازي پيام رمز در تصاوير سهم ، از تبديل موجک گسسته ٥ استفاده ميشود. در اينجا هدف ، ارسال داده از طريق کانال عمومي همچون اينترنت ميباشد، بطوريکه تصاوير سهم بصورت طبيعي و غيرتصادفي بوده و احتمال تشخيص وجود پيام رمز در تصاوير سهم به حداقل برسد.
ادامۀ مقاله بصورت زير سازماندهي شده است . بخش دوم به بيان مفاهيم روش پيشنهادي ميپردازد. در بخش سوم روش ترکيبي پيشنهادي مطرح مي - گردد. بخش چهارم به پياده سازي، تحليل و مقايسه پرداخته ، و درنهايت در بخش پنجم نتيجه گيري بيان ميشود.
٢. مفاهيم پايه
٢,١. الگوريتم F٥
در اين مقاله از شيوة جاسازي ماتريسي F٥ استفاده شده است . ساختار F٥ به اين صورت است که ابتدا تصوير به بلوکهايي با طول ثابت تقسيم ميشود. سپس مطابق زير حداکثر يک بيت از هر بلوک تغيير يافته و اصلاح ميگردد.
چنانچه تعداد بيت هاي هر بلوک a برابر با و تعداد بيت هاي رمز w قابل جاسازي در آن برابر با k باشد تابع هش ٦ بصورت زير تعريف ميشود:
در اينجا i فرم باينري متناظر با موقعيت iام و با طول برابر با طول w مي باشد. بنابراين f بصورت يک رشتۀ k بيتي خواهد بود. چنانچه مطابق زير، f و w ياي انحصاري ٧ شده و سپس رشته باينري حاصل به دهدهي تبديل گردد، مکان بيت اصلاح شونده مشخص ميشود.
چنانچه دهدهي ٠ = y باشد، نيازي به تغيير در بيت هاي بلوک نبوده ، در غيراينصورت بيت yام از بلوک a بايستي نقيض شود. براي بازيابي w در گيرنده کافي است بلوک اصلاح شدة a را در تابع هش قرار دهيم . رشته بيت باينري حاصل ، همان رمز جاسازي شدة w خواهد بود. در اين شيوه ، = n ميباشد.
٢,٢. به اشتراکگذاري راز
همانطور که پيشتر مطرح شد در به اشتراک گذاري راز، پيام رمز بين چند تصوير سهم پخش ميشود. هيچکدام از اين سهم ها به تنهايي حاوي اطلاعات نبوده و به يک حداقل تعداد از اين سهم ها جهت بازيابي اطلاعات رمز نياز است . براي مثال سه سهم S1,S2,S3 با طول يکسان m بيت را در نظر بگيريد. چنانچه Xor اين سه رشته براي ما تعيين کنندة پيام رمز باشد، با اعمال Xor به کمتر از سه سهم اطلاعات پيام رمز آشکار نميشود.
در عموم روش هاي به اشتراک گذاري سهم از تصاوير سهم تصادفي (بدون شکل و مفهوم خاص ) استفاده ميشود که منجر به اطلاع دشمن از وجود پيام رمز ميشود. در اينجا از تصاوير سهم طبيعي و غيرتصادفي استفاده ميشود. استفاده از جاسازي ماتريسي براي ما امکان ساخت سهم ها با اين خصوصيت را فراهم ميآورد.
٢,٣. تبديل موجک گسسته
حوزة مکان ٨ و حوزة تبديل ٩ دو حوزة مرسوم مورد استفاده در استگانوگرافي جهت جاسازي اطلاعات هستند. حوزة مکان به اصلاح مستقيم مقادير پيکسل ها ميپردازد. در حوزة تبديل ، ابتدا روابط رياضي روي مقادير پيکسل ها اعمال شده و سپس روي ضرايب حاصل اصلاح صورت ميگيرد.
اگرچه در حوزة مکان امکان پنهان سازي حجم بيشتري از داده ممکن مي - باشد، ليکن از استحکام مناسبي در مقابل حملات برخوردار نيست [١].
در اين مقاله ، از تبديل موجک گسسته استفاده شده است که نسبت به ساير تبديل ها از امنيت و استحکام بيشتري برخوردار است . مطابق شکل ١ اين تبديل تصوير را به چهار ناحيه تقسيم ميکند، که بخش فرکانس پايين حاوي اطلاعات اصلي تصوير و بخش فرکانس بالا حاوي اطلاعات اضافي است که در فشرده سازيها از بين ميرود. بنابراين براي امنيت بيشتر از بخش است .
٣. روش پشينهادي
٣,١. جاسازي رمز و توليد سهم ها
دياگرام بلوکي فرايند جاسازي روش پيشنهادي در شکل ٢ آمده است .
مطابق شکل ٢ ابتدا از تصاوير حامل تبديل موجک گرفته ، براي هر تصوير حامل کم ارزش ترين بيت ضرايب حاصل در دو ناحيۀ مياني مشخص و بصورت بلوکهاي n بيتي Cij تقسيم ميشوند. همچنين پيام رمز به قسمت هاي k بيتي wj تقسيم ميشود.
به منظور توليد سهم ها، از اعمال جاسازي ماتريسي F٥ در تصاوير حامل استفاده ميشود. بدين صورت که ابتدا بيت هاي بلوک jام مربوط به n تصوير حامل ، نظير به نظير Xor ميشوند. براي مثال چنانچه تعداد سهم ها سه باشد
اکنون aj در تابع هش (١) قرار ميگيرد و fj محاسبه ميشود. fj و wj در (٢) قرار گرفته و دهدهي yj که همان موقعيت بيت اصلاح شونده در بلوک jام است ، مشخص ميشود. اگر ٠=yj بود، نيازي به اصلاح در بلوکهاي حامل ها نداريم . براي داشتن اعوجاج مشابه بين تصاوير سهم ، در هر مرحله چنانچه نياز به اصلاح بود، بيت نظير در بلوک حاملي که داراي کم ترين اصلاح تا آن مرحله بوده تغيير ميکند. در نهايت پس از اصلاح همۀ بلوکها
مجددا از تصاویر حامل تبدیل موجک معکوس گرفته و تصاویر سهم به دست می ایند ، در این قسمت فرض بر این است که به همه L تصویر سهم جهت بازیابی رمز نیاز است .
٣,٢. بازيابي رمز
