基于私鑰混合同步技術的信息隱藏方案研究

黃恒一，付三麗

（三亞學院，海南 三亞 572022）

0 引 言

信息隱藏起源于隱寫術，其目的在于保護重要的信息。早期人們用含淀粉的水寫字，用碘酒獲取隱藏的信息，但隨著信息安全應用需求逐漸嚴苛，各種信息隱藏的方法與手段被逐一發現，編碼加密、數字水印、復雜的數學加密算法等，之后人們不僅僅滿足于對信息源的保護，也開始關注信息傳播的信道，如生活中的U盾、最新的量子加密等技術。本文在信息安全研究環境下，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。傳統信息隱寫方式包括編碼加密，數字水印，音頻嵌入，數學算法加密等。隨著高性能PC機處理器的誕生，一些傳統的信息隱藏方法顯露出諸多弊端，如數學算法依賴性強、信息傳播渠道單一、人為因素泄密等，導致信息泄密風險較高[2]。

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

2 實驗仿真模型

2.1 信息M對應的二進制序列M（t）

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

圖1 文本文件轉換為二進制代碼

圖2 二進制代碼轉換為文本

由圖1得知原始信息M對應的二進制碼元序列為M（t）=01001101。信息發送方選取二進制轉換標準的原因在于現代數字化通信中廣泛使用二進制數（即“0”和“1”）及其組合表示各種信息。信息序列M （t）=01001101對應的碼圖如圖3所示。

圖3 數據M對應的碼序列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 收發雙方同步序列碼M1（t）

M1為收發雙方同步序列碼。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，由偽隨機碼序列發生器產生。同步偽隨機碼序列M1（t）看似一組雜亂無章的隨機噪聲碼，其實是按照一定規律編排起來的、可以復制的周期性的二進制序列。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）看似一組無規律隨機碼，但實際卻是一組1011110001101100111000111000的31位可復制的周期性隨機碼[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單元m1（t）序列

2.3 發送端一級調制碼S（t）

發送端調制碼 S（t）=M1⊕M。本文實驗模型 M1（t）與M（t）為異或得到的一級調制碼 S（t）。由上文可知 m1（t）=1011110001101100111000111000，收發雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2為發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為收發雙方同步序列中重復的周期碼，M1（t）為本文具體通信中用于收發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制碼S（t）對應的關系為：S（t）=M1⊕M， M1（t）和M（t）序列為模2運算后實現的擴頻[4]。擴頻后一級調制碼S（t）序列如圖6所示。

圖6 擴頻后一級調制碼S（t）序列

通過上述一級調制，可將原擬發送的幾十比特速率的電文變換成幾兆甚至幾十兆比特發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）經過一級調制后實現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 二級調制

一級調制碼S（t）與私鑰K1中的隨機碼序列部分P1（t）二級調制生成信息D（t）。二級調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）解調出真實的信息M。

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

圖7 二級調制隨機碼P1（t）序列

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

圖8 二級調制碼D（t）序列

二級調制 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

發送方模型公式M1@M@K1=D，對應通信模型如圖9所示。M1為偽隨機碼序列，用于收發兩端同步提取信息序列。M為原始信息，信息M經過二級調制產生信息D，K1為收發雙方私鑰，K1私有信道上傳輸的為一隨機碼序列由P1（t）及收發雙方同步序列M1（t）的起始參照同步信息P2組成，其中P1（t）由隨機碼生成器產生，P2參與收發雙方的同步校驗信息提取工作。公開信道中傳輸的為原始信息M對應的二級調制碼序列D（t），m1（t）=1011110001101100111000111000 為收 發 雙 方 重復的周期碼偽隨機序列碼。

圖9 信道通信模型及相關參數信息

2.6 接收端解調信息

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

2.7 技術創新

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的信息隱藏方案。通信模型中所采用的私鑰混合同步技術的信息隱藏方案較傳統隱寫法而言，避免了信息傳播渠道的單一。隱藏方案所涉及的擴頻、收發雙方的同步校驗信息及私有信道中的隨機碼序列等技術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 語

本文從通信和接收信息安全的角度出發，提出了一種基于私鑰混合同步技術的信息隱藏方案。發送方采用二級調制將真實信息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出隱藏的信息M。本文信息隱寫方案較傳統信息隱藏技術而言更安全，算法更復雜，破解難度更大。

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