Luận án các kỹ thuật giấu tin trong âm thanh số - Nghiên cứu ứng dụng bảo mật dữ liệu

MỞ ĐẦU Thông tin số thể hiện rõ những ưu điểm vượt trội, như dễ dàng lưu trữ, sao chép, chuyển tải, khôi phục và tăng cường chất lượng thông tin. Cùng với đó là sự phát triển của các thiết bị số, cơ sở hạ tầng và mạng internet, làm cho chúng ta rất dễ dàng tìm kiếm, sao chép và trao đổi thông tin. Bên cạnh những tiện ích mà thông tin số và mạng internet mang lại cũng nảy sinh nhiều vấn đề mới, thách thức mới đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu và giải quyết. Đó là trình trạng xâm nhập trái phép dữ liệu, lấy cắp, xuyên tạc thông tin, vi phạm và tranh chấp bản quyền các dữ liệu số [53].

Những vấn nạn, thách thức đó không chỉ riêng cho quốc gia, cá nhân, công ty hay doanh nghiệp nào mà là của tất cả mọi người sống trong thời đại công nghệ số. Ở Việt Nam, nhiều văn bản pháp luật đã được Quốc hội ban hành nhằm đảm bảo chủ quyền số, làm chủ không gian mạng, góp phần bảo đảm quốc phòng, an ninh đất nước. Một số luật tiêu biểu như Luật an ninh quốc gia số 32/2004/QH11 được Quốc hội thông qua ngày 03/12/2004; Luật Giao dịch điện tử số 51/2005/QH11 được Quốc hội thông qua ngày 29/11/2005; Luật Công nghệ thông tin số 67/2006/QH11 được Quốc hội thông qua ngày 29/6/2006; Luật an toàn thông tin mạng đã được Quốc hội thông qua ngày 19/11/2015 và có hiệu lực từ ngày 1/7/2016.Thủ tướng Chính phủ cũng ban hành quyết định số 63/QĐ-TTg ngày 13/01/2010 về việc phê duyệt Quy hoạch phát triển an toàn thông tin số quốc gia đến năm 2020. Ngoài hệ thống luật, văn bản pháp qui chúng ta cần phải có những biện pháp kỹ thuật để bảo mật dữ liệu, đảm bảo an toàn thông tin.

Bảo mật dữ liệu (data security) có nghĩa là bảo vệ dữ liệu trước các hành vi phá hoại hay các hành vi không mong muốn khác từ những người không được quyền. Các giải pháp hay được dùng để bảo mật dữ liệu là mã hoá đĩa (disk encryption), sao lưu (backup), sử dụng các thiết bị đăng nhập hệ thống, bảo mật đường truyền, che giấu dữ liệu (data masking, gồm mật mã và giấu thông tin). Trong các giải pháp đó, giải pháp che giấu dữ liệu được sử dụng nhiều. Trong một thời gian dài, mã hóa dữ liệu được sử dụng như một giải pháp chính để quyết vấn đề bảo mật thông tin.

Mã hóa thực hiện chuyển đổi dữ liệu từ bản 1 rõ sang một định dạng khác không thể đọc được, gọi là bản mã, để có thể ngăn cản những truy cập bất hợp pháp khi trao đổi dữ liệu. Nhiều hệ mã khác nhau, bao gồm hệ mật mã khóa đối xứng và hệ mật mã khóa công khai, đã được nghiên cứu và triển khai rất hiệu quả trong thực tế như hệ mã DES, RSA. Chúng ta còn có cách khác để bảo vệ thông tin, đó là thực hiện các giao dịch ngầm bên trong các giao dịch công khai, gọi là giấu tin (data hiding) hay giấu thông tin. Giấu tin là một kỹ thuật nhúng (giấu) một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác.

Giấu tin khác mã hoá ở chỗ là giấu tin giấu đi sự hiện diện của thông tin trong khi mã hoá giấu đi ý nghĩa của thông tin. Giấu thông tin nhằm hai mục đích, một là bảo mật cho dữ liệu được đem giấu, hai là bảo mật cho chính đối tượng được dùng để chứa tin. Hai khía cạnh khác nhau này dẫn đến hai khuynh hướng kỹ thuật chủ yếu của giấu tin. Khuynh hướng thứ nhất là giấu tin mật (steganography), tập trung vào các kỹ thuật giấu tin sao cho thông tin giấu được nhiều và quan trọng là người thám tin khó phát hiện được một đối tượng có chứa tin giấu bên trong hay không.

Khuynh hướng thứ hai là thuỷ vân số (watermarking), nghiên cứu cách thức đánh dấu đối tượng chứa nhằm khẳng định bản quyền sở hữu hay phát hiện xuyên tạc thông tin. Nhiều kiểu dữ liệu số có thể được chọn làm dữ liệu chứa cho bài toán giấu tin, như ảnh, video, âm thanh, văn bản, hay các gói tin được truyền trong mạng. Giấu tin là một chủ đề đã được nghiên cứu lâu dài nhưng luôn thời sự trên thế giới. Nhiều cuốn sách về giấu tin, các kỹ thuật giấu tin trong nhiều kiểu dữ liệu khác nhau đã được công bố, tiêu biểu là cuốn sách về Các kỹ thuật giấu thông tin dùng cho giấu tin mật và thủy vân số [65] của các tác giả Stefan Katzenbeisser và Fabien A.

Petitcolas công bố năm 2000; cuốn sách về Các kỹ thuật thủy vân âm thanh, các kỹ thuật thủy vân thông minh [32] của Hyoung Joong Kim và các cộng sự công bố năm 2004; cuốn sách về Các công nghệ và kỹ thuật thủy vân âm thanh số: Các ứng dụng và các tiêu chuẩn [54] của tác giả Nedeljko Cvejic và Tapio Seppänen công bố năm 2008; cuốn sách về Bảo mật đa phương tiện: Các kỹ thuật giấu tin mật và thủy vân số để bảo vệ sở hữu trí tuệ [19] của tác giả Chun-Shien Lu công bố năm 2005, cuốn 2 sách về Thủy vân số và Giấu tin mật [33] của tác giả Ingemar J. Cox công bố năm 2008; cuốn sách về Các kỹ thuật tiên tiến các ứng dụng thủy vân đa phương tiện ảnh âm thanh và video [8] của tác giả Ali Mohammad Al-Ha công bố năm 2010; hai cuốn sách của tác giả Xing He về Các kỹ thuật thủy vân số trong âm thanh và Xử lý tín hiệu, Mã hóa tri giác và Thủy vân âm thanh số công bố lần lượt vào các năm 2008 và 2011…Có nhiều hội thảo chuyên về giấu tin đã được tổ chức hằng năm, chẳng hạn như "International Workshop on Digital-forensics and Watermarking" [82] đã được tổ chức tới lần thứ 15 vào năm 2016 tại Trung Quốc. Tạp chí dành riêng cho giấu tin là “Transactions on Data Hiding and Multimedia Security” [87] đã phát triển liên tục từ năm 2006. Mặc dù đã có lịch sử lâu nhưng giấu tin hiện nay vẫn nhận được sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu về giấu tin nói riêng và an toàn thông tin nói chung, thể hiện qua các chủ đề tại các hội nghị quốc tế hằng năm, số lượng các bài báo được trình bày tại các Hội nghị hằng năm và trên các Tạp chí khoa học.

So với giấu tin trong ảnh, số lượng bài báo công bố liên quan đến giấu tin trong âm thanh ít hơn, nguyên nhân là do dữ liệu ảnh xuất hiện thường xuyên (trong các ứng dụng, website) hơn so với âm thanh và do hệ thống thị giác con người ít nhạy hơn so với hệ thống thính giác, do đó dễ khai thác để giấu tin. Đã có một số luận án thực hiện nghiên cứu về giấu tin, như của giáo sư MinWu [52], và chuyên về giấu tin trong âm thanh như của tác giả Nedeljko Cvejic [20]. Tương tự như giấu tin trong ảnh, giấu tin trong âm thanh có thể phân loại thành giấu trực tiếp trên các mẫu dữ liệu âm thanh hoặc trên miền biến đổi. Trong [21, 22, 23, 69] trình bày các kỹ thuật sử dụng phương pháp điều chỉnh các bit ít quan trọng của mẫu dữ liệu biểu diễn âm thanh để giấu tin.

Trong [76] trình bày kỹ thuật giấu tin sử dụng patchwork. Trong [72] trình bày thuật toán giấu dựa vào phân tích đặc trưng của dữ liệu chứa. Một số nghiên cứu dựa vào đặc trưng không phân biệt được sự thay đổi về pha của hệ thống thính giác con người để giấu tin, như trong các nghiên cứu [55, 71]. Một số nghiên cứu giấu tin trong tệp âm thanh dựa vào kỹ thuật nén của định dạng của tệp, như [59] áp dụng để giấu cho định dạng nén mp3, trong [60] áp dụng để giấu cho định dạng PCM.

So với miền thời gian, các thuật toán giấu trên 3 miền tần số có độ bền vững cao hơn. Các nghiên cứu được trình bày trong [27, 41, 49, 50, 51] thực hiện giấu tin trên miền tần số, sử dụng phép biến đổi Fourier. Một miền biến đổi khác cũng được dụng để giấu tin là miền biến đổi wavelet, được trình bày trong các nghiên cứu [29, 75]. Một số phương pháp giấu sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu trong ngành viễn thông để giấu tin như trong [26, 46, 45].

Về tình hình nghiên cứu trong nước, hiện đã có một số luận án tiến sĩ nghiên cứu về lĩnh vực giấu tin. Luận án của tác giả Vũ Ba Đình [1] nghiên cứu về giấu tin trong ảnh, cụ thể là bản đồ số. Luận án của tác giả Nguyễn Ngọc Hà [2], Nguyễn Văn Tảo [5] nghiên cứu về giấu tin trong ảnh và các ứng dụng của giấu tin. Tác giả Nguyễn Hải Thanh đã phát triển các thuật toán giấu tin trong ảnh và ứng dụng trong mã đàn hồi [4].

Tác giả Lưu Thị Bích Hường trong luận án của mình đã nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật thủy vân trên cơ sở dữ liệu quan hệ [3]. Một số tác giả khác cũng chọn đề tài nghiên cứu về lĩnh vực giấu tin trong ảnh làm đề tài luận án và đang trong giai đoạn hoàn thành. Chủ đề giấu tin cũng đang được một số nhóm nghiên cứu tại các trường đại học quan tâm, như nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu tại Đại học giao thông vận tải, nhóm nghiên cứu tại Đại học Hải Phòng. Các luận án trong nước trước đây chủ yếu chọn ảnh làm dữ liệu chứa, chưa có luận án nghiên cứu về lĩnh vực giấu tin trong âm thanh.

Giấu tin trong âm thanh cũng đã được một số tác giả khác nghiên cứu, tuy nhiên số lượng các bài báo công bố bằng tiếng Việt trên các tạp chí khoa học và hội nghị, hội thảo quốc gia vẫn còn ít. Mặc dù trên thế giới, các nghiên cứu về giấu tin trong dữ liệu đa phương tiện nói chung và dữ liệu âm thanh nói riêng là không mới, nhưng đối với chúng ta, việc nghiên cứu và nắm rõ các kỹ thuật giấu tin là cần thiết, giúp chúng ta chủ động về mặt kỹ thuật và có những biện pháp để quản lý, theo dõi, phát hiện trao đổi tin. Hiện nay vẫn còn một số vấn đề về giấu tin trong âm thanh cần phải được nghiên cứu và giải quyết. Thứ nhất là vấn đề về giấu tin sao cho ít làm thay đổi dữ liệu chứa nhất.

Vấn đề thứ hai là kiểm tra lại tin giấu bên trong có bị thay đổi, có thể do chủ ý của người thám tin hay do nhiễu, hay không. Vấn đề tiếp theo là nghiên cứu 4 cách giấu sao cho người thám tin không phát hiện được dữ liệu có chứa tin và rất khó lấy được tin giấu nếu như không biết khóa.