基于私鑰混合同步技術(shù)的信息隱藏方案研究

黃恒一，付三麗

（三亞學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

信息隱藏起源于隱寫術(shù)，其目的在于保護(hù)重要的信息。早期人們用含淀粉的水寫字，用碘酒獲取隱藏的信息，但隨著信息安全應(yīng)用需求逐漸嚴(yán)苛，各種信息隱藏的方法與手段被逐一發(fā)現(xiàn)，編碼加密、數(shù)字水印、復(fù)雜的數(shù)學(xué)加密算法等，之后人們不僅僅滿足于對信息源的保護(hù)，也開始關(guān)注信息傳播的信道，如生活中的U盾、最新的量子加密等技術(shù)。本文在信息安全研究環(huán)境下，從通信和接收信息安全的角度，研究并提出了一種基于私鑰混合同步技術(shù)的信息隱藏方案[1]。

1 原理

目前信息隱藏的手段主要分為兩類，從信息源和信息傳播方式兩個角度來考慮。傳統(tǒng)信息隱寫方式包括編碼加密，數(shù)字水印，音頻嵌入，數(shù)學(xué)算法加密等。隨著高性能PC機處理器的誕生，一些傳統(tǒng)的信息隱藏方法顯露出諸多弊端，如數(shù)學(xué)算法依賴性強、信息傳播渠道單一、人為因素泄密等，導(dǎo)致信息泄密風(fēng)險較高[2]。

文中信息隱藏方案的實現(xiàn)基于信息傳播渠道這一出發(fā)點。實驗發(fā)送方模型公式：M1@M@K1=D，M1為收發(fā)雙方同步序列碼（M1為一偽隨機碼序列）、M為原始信息、信息M1經(jīng)過二級調(diào)制產(chǎn)生信息D，K1為收發(fā)雙方私鑰，由隨機碼序列P1（t）及收發(fā)雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2兩部分組成，其中P1（t）由隨機碼生成器產(chǎn)生、P2參與到收發(fā)雙方的同步校驗信息提取工作。信息D生成的二級調(diào)制過程：原始的信息M與同步序列M1形成一級調(diào)制的發(fā)送端調(diào)制碼S（t），S（t）=M1⊕M；一級調(diào)制碼S（t）與私鑰 K1中的隨機碼序列部分P1（t）二級調(diào)制生成信息D（t）。接收端通過私鑰K1和同步序列M1解調(diào)出真實的信息M。

2 實驗仿真模型

2.1 信息M對應(yīng)的二進(jìn)制序列M（t）

首先將原始文本信息通過編碼轉(zhuǎn)化為一串二進(jìn)制序列碼元M（t），M（t）二進(jìn)制碼序列的實現(xiàn)方法是利用圖1所示的二進(jìn)制文本轉(zhuǎn)換軟件實現(xiàn)文本信息與二進(jìn)制編碼信息的轉(zhuǎn)換。文中文本進(jìn)制轉(zhuǎn)換軟件目前支持英文字母與二進(jìn)制信息的編碼轉(zhuǎn)換。圖1、圖2分別對應(yīng)于文本字母信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼及二進(jìn)制編碼與文本信息之間的轉(zhuǎn)換。

圖1 文本文件轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼

圖2 二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為文本

由圖1得知原始信息M對應(yīng)的二進(jìn)制碼元序列為M（t）=01001101。信息發(fā)送方選取二進(jìn)制轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的原因在于現(xiàn)代數(shù)字化通信中廣泛使用二進(jìn)制數(shù)（即“0”和“1”）及其組合表示各種信息。信息序列M （t）=01001101對應(yīng)的碼圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)M對應(yīng)的碼序列M（t）

圖3所示的信息M（t）=01001101，其中1表示高電平，0表示低電平。

2.2 收發(fā)雙方同步序列碼M1（t）

M1為收發(fā)雙方同步序列碼。接收端通過，同步序列提取傳播信道中M1（t）序列隱藏的信息M（t）。M1為一偽隨機碼序列，由偽隨機碼序列發(fā)生器產(chǎn)生。同步偽隨機碼序列M1（t）看似一組雜亂無章的隨機噪聲碼，其實是按照一定規(guī)律編排起來的、可以復(fù)制的周期性的二進(jìn)制序列。本文選取的偽隨機碼序列如圖4所示，偽隨機碼序列中的周期重復(fù)單元m1（t）序列如圖5所示。同步偽隨機序列碼M1（t）看似一組無規(guī)律隨機碼，但實際卻是一組1011110001101100111000111000的31位可復(fù)制的周期性隨機碼[3]。

圖4 同步提取偽隨機碼M1（t）序列

圖5 偽隨機碼序列中的周期重復(fù)單元m1（t）序列

2.3 發(fā)送端一級調(diào)制碼S（t）

發(fā)送端調(diào)制碼 S（t）=M1⊕M。本文實驗?zāi)Ｐ?M1（t）與M（t）為異或得到的一級調(diào)制碼 S（t）。由上文可知 m1（t）=1011110001101100111000111000，收發(fā)雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2為發(fā)送方選取的同步信息M1（t）的具體信息，這部分信息和本文仿真模型的隨機碼P1（t）一起作為私鑰K1交于接收方。備注 m1（t）=1011110001101100111000111000為收發(fā)雙方同步序列中重復(fù)的周期碼，M1（t）為本文具體通信中用于收發(fā)雙方同步提取的同步序列M1（t）=Xm1（t），X視具體的通信案例而定。本文仿真模型一級調(diào)制碼S（t）對應(yīng)的關(guān)系為：S（t）=M1⊕M， M1（t）和M（t）序列為模2運算后實現(xiàn)的擴頻[4]。擴頻后一級調(diào)制碼S（t）序列如圖6所示。

圖6 擴頻后一級調(diào)制碼S（t）序列

通過上述一級調(diào)制，可將原擬發(fā)送的幾十比特速率的電文變換成幾兆甚至幾十兆比特發(fā)送速率的由電文和偽隨機噪聲碼組成的組合碼S（t）。原始信息M（t）經(jīng)過一級調(diào)制后實現(xiàn)的效果是增加了頻帶寬度，減小了信噪。從通信安全的角度來說，信噪比越小，信號深埋在噪聲之中，越不易被他人捕獲，具有極強的保密性[5-7]。

2.4 二級調(diào)制

一級調(diào)制碼S（t）與私鑰K1中的隨機碼序列部分P1（t）二級調(diào)制生成信息D（t）。二級調(diào)制過程中最重要的部分即為私鑰K1中的隨機碼序列部分P1（t）。P1（t）及收發(fā)雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2組成私鑰K1，與公開信道分離，獨立傳送給接收方。接收端通過私鑰K1中的隨機序列P1（t）和偽隨機序列M1（t）解調(diào)出真實的信息M。

P1（t）為隨機碼序列，由隨機碼生成器產(chǎn)生，本文選取隨機碼序列P1（t）=11110101，共8位，如圖7所示。

圖7 二級調(diào)制隨機碼P1（t）序列

二級調(diào)制過程 ：D（t）=S（t）⊕ P1（t）。S（t）與 P1（t）的關(guān)系為模2運算后得到的D（t）碼序列，如圖8所示。

圖8 二級調(diào)制碼D（t）序列

二級調(diào)制 D（t）碼序列：D（t）=00000100011011001110001 110001011110001101100111000111000。接收端收到D（t）序列碼后，通過私鑰K1中的隨機碼P1（t），收發(fā)雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2及信道中公開的偽隨機序列碼M1（t）進(jìn)行逆運算提取隱藏在D（t）序列碼中的真實信息M[8]。

2.5 通信模型

發(fā)送方模型公式M1@M@K1=D，對應(yīng)通信模型如圖9所示。M1為偽隨機碼序列，用于收發(fā)兩端同步提取信息序列。M為原始信息，信息M經(jīng)過二級調(diào)制產(chǎn)生信息D，K1為收發(fā)雙方私鑰，K1私有信道上傳輸?shù)臑橐浑S機碼序列由P1（t）及收發(fā)雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2組成，其中P1（t）由隨機碼生成器產(chǎn)生，P2參與收發(fā)雙方的同步校驗信息提取工作。公開信道中傳輸?shù)臑樵夹畔對應(yīng)的二級調(diào)制碼序列D（t），m1（t）=1011110001101100111000111000 為收 發(fā) 雙 方 重復(fù)的周期碼偽隨機序列碼。

圖9 信道通信模型及相關(guān)參數(shù)信息

2.6 接收端解調(diào)信息

當(dāng)接收端接收到公開信道收到的二級調(diào)制碼序列D（t）后，首先利用私有信道中的PB（t）得到發(fā)送端的一級調(diào)制碼S（t），其次利用M1（t）=1011110001101100111000111000為收發(fā)雙方重復(fù)周期碼的NM1（t）偽隨機序列碼及P2參與到收發(fā)雙方的同步校驗信息，進(jìn)行逆運算解調(diào)出發(fā)送端的原始信息M[9]。

2.7 技術(shù)創(chuàng)新

本文從通信和接收信息安全的角度，研究并提出了一種基于私鑰混合同步技術(shù)的信息隱藏方案。通信模型中所采用的私鑰混合同步技術(shù)的信息隱藏方案較傳統(tǒng)隱寫法而言，避免了信息傳播渠道的單一。隱藏方案所涉及的擴頻、收發(fā)雙方的同步校驗信息及私有信道中的隨機碼序列等技術(shù)措施都增加了信息的安全性與非法用戶破解信息的難度[10]。

3 結(jié) 語

本文從通信和接收信息安全的角度出發(fā)，提出了一種基于私鑰混合同步技術(shù)的信息隱藏方案。發(fā)送方采用二級調(diào)制將真實信息M隱藏于公開信息序列nm1（t）中，信息傳播過程結(jié)合公開信道及私有信道傳輸信息，只有接收方是合法的用戶才能通過合法的算法解調(diào)出隱藏的信息M。本文信息隱寫方案較傳統(tǒng)信息隱藏技術(shù)而言更安全，算法更復(fù)雜，破解難度更大。

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