如何看待隱寫(xiě)術(shù)與信息保密

作者：馮朝雯 2018-05-18 14:40:34

在諜戰(zhàn)劇和偵探小說(shuō)中，我們經(jīng)常能見(jiàn)到這樣的場(chǎng)景——特務(wù)用藥水將情報(bào)寫(xiě)到紙上，收到情報(bào)的上級(jí)再通過(guò)顯影技術(shù)把情報(bào)還原出來(lái)。將秘密信息通過(guò)可公開(kāi)的載體進(jìn)行傳遞，且不被第三方發(fā)現(xiàn)，這就是“隱寫(xiě)術(shù)”。

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隱寫(xiě)術(shù)的英文是Steganography，來(lái)源于特里特米烏斯的一本講述密碼學(xué)與隱寫(xiě)術(shù)的著作Steganographia，該書(shū)名來(lái)源于古希臘詞匯stegons（隱藏、隱蔽）和graphia（寫(xiě)、畫(huà)），意即“隱秘書(shū)寫(xiě)”。隱寫(xiě)術(shù)的概念于1499年首次引入，但這個(gè)想法的出現(xiàn)其實(shí)在古代就有了。古羅馬古典主義詩(shī)人奧維德提出用新鮮牛奶在信上書(shū)寫(xiě)，不會(huì)留下痕跡，之后再沾上煤的灰燼，便能讀取信的內(nèi)容。

隱寫(xiě)術(shù)與加密技術(shù)

隱寫(xiě)術(shù)是隱藏信息的一種技術(shù)，它和加密的區(qū)別就在于，對(duì)加密而言，第三方是知道數(shù)據(jù)被加密的，只是不知道加密前數(shù)據(jù)是什么樣，隱寫(xiě)術(shù)則側(cè)重于讓人無(wú)法察覺(jué)數(shù)據(jù)的存在性。

加密技術(shù)以密碼學(xué)為理論基礎(chǔ)，對(duì)明文進(jìn)行加密變換，輸出密文，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息內(nèi)容的保密，如圖1所示。其實(shí)質(zhì)是使得通信的內(nèi)容在沒(méi)有正確的解密密鑰的情況下不可讀。加密技術(shù)只是設(shè)法隱藏秘密信息的內(nèi)容，可保證內(nèi)容的安全，但并不保證形式上的安全，暴露了通信的行為，容易引起懷疑，也給攻擊者留下了追蹤的線索。而隱寫(xiě)技術(shù)是近年來(lái)多媒體信息與信號(hào)處理領(lǐng)域提出的一種解決通信安全的新方法，如圖2所示。將某些特殊信息隱藏于正常載體之中，從而掩蓋特殊信息存在的事實(shí)。隱秘通信掩蓋了秘密通信的行為，不易引致攻擊者的懷疑，攻擊者也很難追蹤發(fā)信者。

圖1 信息加密示意圖

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]

圖2 隱寫(xiě)技術(shù)示意圖

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]

在實(shí)踐中，為了獲得更高級(jí)別的安全，可以結(jié)合使用兩種技術(shù)，如先利用密碼技術(shù)對(duì)秘密信息進(jìn)行加密，再通過(guò)隱寫(xiě)術(shù)將加密過(guò)后的秘密信息隱藏于載體中，通過(guò)掩蔽媒體的傳送來(lái)達(dá)到秘密信息安全傳送的目的，如圖3所示。

圖3 加密與隱寫(xiě)結(jié)合示意圖

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]

隱寫(xiě)術(shù)的應(yīng)用

1.嵌入圖像

將秘密信息編碼嵌入到數(shù)字圖像中是目前使用最廣泛的一種隱寫(xiě)。

人眼對(duì)數(shù)字圖像的某些區(qū)域并不敏感，圖像中若只發(fā)生微小的變化，僅憑人眼很難區(qū)分，這種特性被稱(chēng)為人類(lèi)視覺(jué)有限性，嵌入圖像的隱寫(xiě)術(shù)正是利用了這一特性。絕大多數(shù)的文本、圖像、密文或其他任何形式的媒體都可以生成比特流嵌入到數(shù)字圖像中。隨著數(shù)字圖像廣泛的使用，載體為數(shù)字圖像的隱寫(xiě)也在持續(xù)增長(zhǎng)。在Internet的每個(gè)網(wǎng)站上，都存在著數(shù)字圖像，所以數(shù)字圖像成為最有效的隱藏信息的載體。最典型的圖像由640×480像素組成，在256色（8位)的圖像中幾乎能隱藏大約300K字節(jié)的信息。高質(zhì)量的圖像由1024×768像素組成，在24位的圖像中能隱藏大約2兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。并且這些圖像文件都需要使用壓縮技術(shù)來(lái)減少圖像的大小，以便圖像在Internet上使用和傳輸。

目前，流行著很多壓縮算法，其中最常用的有三種圖像格式:BMP，GIF和JPEG。在Internet上選擇用于隱寫(xiě)術(shù)的圖像時(shí)，我們首先選擇BMP和GIF。因?yàn)檫@兩種格式的圖像能提供無(wú)損壓縮。壓縮的圖像可以精確的還原。而JPEG壓縮算法不能提供無(wú)損壓縮，它使用的技術(shù)是使用移動(dòng)點(diǎn)計(jì)算傳送圖像到整數(shù)矩陣。這種變換處理可能產(chǎn)生錯(cuò)誤并能消除一部分圖像，但人眼是不能覺(jué)察的，但是對(duì)于隱藏的信息可能造成破壞或改變。

下面給出將密文放入圖版中的例子。密文是密鑰，密鑰是經(jīng)過(guò)加密算法生成的，需要經(jīng)過(guò)Internet這種開(kāi)放的環(huán)境中傳送出去。通過(guò)編寫(xiě)的隱寫(xiě)軟件，將密鑰嵌入了原始圖片。如圖4所示。對(duì)讀者而言，這兩幅圖是相同的，但在第二幅圖中已經(jīng)嵌入了密鑰，所以對(duì)第三方而言，是感覺(jué)不到密鑰的存在的，這樣就達(dá)到了秘密傳輸密鑰的目的。當(dāng)接收者收到圖片，可以用隱寫(xiě)軟件提取出密鑰。

圖4 原始圖片與嵌入密鑰圖片對(duì)比

圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]

2.嵌入音頻

音頻中的隱寫(xiě)是根據(jù)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)(Human Auditory System，HAS)來(lái)進(jìn)行的，眾所周知，對(duì)相同頻率的音頻信號(hào)，人與人之間的敏感度有很大差異，所以在隱寫(xiě)術(shù)中對(duì)音頻進(jìn)行編碼是具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)工作。聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)中存在一個(gè)聽(tīng)覺(jué)閾值電平，低于這個(gè)電平的聲音信號(hào)就聽(tīng)不到，聽(tīng)覺(jué)閾值的大小隨聲音頻率的改變而改變，每個(gè)人的聽(tīng)覺(jué)閾值也不同。大多數(shù)人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)2kHz～ 5kHz之間的聲音最敏感。一個(gè)人是否能聽(tīng)到聲音取決于聲音的頻率，以及聲音的強(qiáng)度是否大于該頻率對(duì)應(yīng)的聽(tīng)覺(jué)閾值。因?yàn)槿祟?lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的范圍。根據(jù)人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的這一特性，可以將秘密信息隱藏到強(qiáng)度較弱的頻率中，也就是說(shuō)，某段聲音頻率的強(qiáng)度之上，人能聽(tīng)到，這一強(qiáng)度之下，人就不能聽(tīng)到這段聲音，那么，就可以將相應(yīng)的時(shí)間軸上的信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻率軸上，計(jì)算出各頻率的強(qiáng)度，然后將秘密信息嵌入到比這些頻率強(qiáng)度低的各頻率中去。根據(jù)人對(duì)音強(qiáng)敏感度不同，還可以將秘密信息加載到較高強(qiáng)度的不同比特中。音頻隱寫(xiě)中通常使用三種流行編碼：最低位編碼，相位編碼和擴(kuò)頻。在Internet網(wǎng)上,每個(gè)站點(diǎn)幾乎都有音頻媒介，秘密信息就可以嵌入這類(lèi)媒體。最流行使用的媒體的格式是wav和mp3。