基于不可見字符的隱寫技術研究

◆張思博

基于不可見字符的隱寫技術研究

◆張思博

（北華航天工業學院 河北 065000）

本文針對僅增加加密算法的密鑰長度來達到增強安全性已經無法滿足數據安全的需求，本文對不可見字符的隱寫術進行研究，通過在文本中嵌入經過編碼的不易被發現的不可見的秘密信息，并嵌入在公開的普通載體中利用現有即時通訊工具進行傳輸，對隱蔽通信的內容還采用高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）算法進行加密對秘密信息進行了雙層保護，最后實現了一個基于客戶端服務器端（Client/Server，C/S）架構的通信系統。其中，服務器端分為用戶信息管理和響應客戶端請求兩個模塊；客戶端分為用戶登錄、發送公開消息、發送文件、不可見字符隱寫四個模塊，支持將包括漢字、英文字符和標點符號在內的各種符號編碼為不可見字符。系統的功能具有安全性和實用性，能使人們在日常通信中的信息安全得到一定的保護。

數據安全；隱寫術；不可見字符；AES加密

1 引言

隨著全球數字化和信息化的發展，信息安全和網絡安全問題近幾年得到高度關注。計算機軟硬件的快速發展，以及基于網絡的具有并行計算能力的破解技術的日漸成熟，使得僅僅通過增加加密算法的密鑰長度來達到增強安全性[1]，已經無法滿足數據安全的需求。隱寫術能夠隱藏秘密信息的存在，將秘密信息隱藏在公開信息中進行傳輸無疑為信息安全技術的探索打開了新的大門。本文研究的系統在文本中嵌入經過編碼的不易被發現的不可見的秘密信息，并嵌入在公開的普通載體中通過現有即時通訊工具進行傳輸，支持將包括漢字、英文字符和標點符號在內的各種符號編碼為不可見字符。對隱蔽通信的內容還采用AES加密算法進行加密，使得惡意用戶即使知道公開文本中藏有秘密信息，在不知道密鑰的情況下也無法破解，以確保系統的安全性和實用性。

2 系統總體設計

系統功能模塊分為服務器端和客戶端，服務器端又分為用戶信息管理模塊和響應客戶端請求模塊，客戶端又分為用戶登錄模塊、發送公開消息模塊、發送文件模塊、不可見字符隱寫模塊。不可見字符編碼采用Unicode編碼當中的不可見字符對應16進制ASCII碼，Unicode為了滿足某些地區的文本閱讀習慣而內置了一些用于格式控制的特殊編碼[2]，而這些字符只顯示為普通空格。通過不可見字符編碼能夠完整表達全部的英文字母，常見漢字以及常見符號，為每種語言中的每個字符設定了統一并且唯一的二進制編碼，滿足了跨語言、跨平臺進行文本轉換、處理的要求，具體系統設計如圖1。

圖1 系統總體設計結構圖

3 隱寫信息的嵌入與提取算法

3.1 隱寫信息的編碼

編碼算法首先應獲取秘密信息每一位的ASCII碼，之后把ASCII碼轉換為十六進制數，最后用Unicode編碼字符表示從ASCII碼轉換過來的十六進制數。考慮的中文ASCII編碼的特殊性，中文一個字符占兩個字節，則我們將每個字節分別轉為對應的ASCII碼，即一個英文字符用兩個不可見字符表示，而一個中文字符用四個不可見字符表示。

3.2 隱寫信息的嵌入

接下來是嵌入算法，第一步是獲取公開文檔或信息Ci，找到Ci中的‘.’字符；之后將Ci以字符‘.’為界截成Ca和Cb兩部分，并且‘.’字符在Ca中，最后以Ca、不可見字符串、Cb的順序形成新的字符串，不可見字符串的末尾需要加一個空格用來把它和Cb分隔開。這樣就生成了最終信息。

3.3 隱寫信息的提取

秘密信息的提取算法流程圖2所示，首先獲取到前面編碼時帶有不可見字符的文檔或公開信息Ci；之后判斷Ci的ASCII碼是否與“.”的ASCII碼“46”相同，這個步驟作為一個循環步驟，直到找到這樣的“.”，才算找到了嵌入的起始位置；第三步以“.”為界限截取Ci中“.”之后內容Si，此時Si中可能包含秘密信息；接下來判斷是否包含秘密信息，即判斷Si是否存在一個空格，這個空格也是之前編碼時做的一個標記，這個步驟也需要循環判斷直到找到第一個空格進而也就找到了嵌入的結束位置；最后，完成對秘密信息的提取，把第二步找到的‘.’和上一步找的空格之間的內容Mi做一個截取。

圖2 秘密信息提取算法

3.4 隱寫信息的解碼

字符的解碼算法，首先應對Mi的內容進行讀取；之后對每一個字符逆的Unicode編碼找到對應的ASCII編碼；最后，根據ASCII碼轉換出相應的實際字符；如果遇到中文字符，會自動根據編碼規則將四位不可見字符編碼轉為ASCII碼后合并為一個中文字符。

4 AES加密算法

相對于其他傳統加密算法，AES在擴散性、混淆性和數據加解密效率、安全性等方面具有較為明顯的優勢。目前已經成為廣泛應用的高級加密規范，尤其在數據信息的傳輸加密方面，已經逐步取代了傳統數據加密標準算法[3]。

AES為分組密碼，首先將明文分成長度相同的組，一次加密一組數據，AES將128位的輸入明文分組和輸入密鑰都被分成16個字節[3]，明文分組用字節為單位的正方形矩陣描述，稱為狀態矩陣。本系統使用的AES分組長度為 128 bit，密鑰的長度也使用128位。接下來進行10輪加密，前九輪變換相同，按字節代替、行移位、列混合和輪密鑰加為序進行運算[4]。其中，字節代替是指根據AES定義的S盒和逆S盒進行相應字節的替換；行移位是進行一個循環左移位操作；列混合是將經行移位后的狀態矩陣與固定的矩陣相乘來得到混淆后的狀態矩陣；輪密鑰加是指128位輪密鑰同狀態矩陣中的數據進行逐位異或操作[5]。在算法的每一輪中，狀態矩陣的內容不斷發生變化，最后，將結果作為密文輸出。而AES解密算法其實是AES加密算法輪函數的一個逆過程。

5 系統效果展示

本系統基于C/S架構實現了一個應用隱寫技術的通信系統，客戶端利用本系統互相發送文件或公開信息。客戶端具備普通通信系統的登錄、聊天、個人主界面以及個人設置界面等功能界面，隱寫信息的嵌入和提取界面為本系統的主功能界面，包括文本信息的嵌入和提取以及文本文件中隱寫信息的嵌入和提取。如圖3所示，客戶端可以通過隱寫技術在文本消息中將可見的秘密信息轉換為不可見字符，在公開信息文本框和秘密信息文本框分別輸入公開信息和隱寫信息，用戶可自行選擇是否需要AES加密并手動輸入密鑰，一鍵導入功能可以將嵌入隱寫信息的文本傳送到聊天窗體；本系統還支持可以在常見的各類文本文件中嵌入或提取不可見字符。

6 總結與展望

本文對不可見字符的隱寫術進行研究，應用并實現了一個基于C/S架構的通信系統。本系統使用Unicode中的不可見字符映射秘密信息，為每種語言中的每個字符設定了統一并且唯一的二進制編碼，滿足了跨語言、跨平臺進行文本轉換、處理的要求，將轉換后的不可見字符嵌入到公開信息中進行傳輸。從增加信息的安全性角度出發，實現了利用AES加密算法對秘密信息進行雙層保護。系統具有隱蔽性好、信道容量大等優點，實現了英文文本、常見字符以及漢字文本的隱寫。

下一步的研究方向重點在于研究改進的隱寫算法來擴展文本的類型，拓寬隱寫信息的傳播渠道，從而打破隱寫數據傳輸的限制進一步增強隱私保護的安全性；另外，還將從提高人們的安全意識出發，拓寬隱寫技術的應用領域，使隱寫技術適應于更多的傳輸載體，在大數據時代為信息安全保駕護航。

圖3 隱寫信息在文本中的嵌入

[1]謝錦生.數字圖像水印技術研究[D].合肥工業大學，2007.

[2]Mir N.Copyright for web content using invisible text watermarking[J].Computers in Human Behavior，2014，30（30）：648-653.

[3]高家奇，李斌勇，等. 高級加密AES算法研究及性能分析[J]. 網絡安全技術與應用，2019（010）：28-30.

[4]陳曉宇. AES算法中輪變換改進研究[J]. 電腦知識與技術，2020，16（08）：239-241.

[5]于游，付鈺，吳曉平. 基于AES加密存儲的磁盤銷毀策略[J]. 網絡與信息安全學報，2018，004（004）：72-76.