謝建全，謝勍，黃大足

0 引言

隨著Internet的迅速發(fā)展和應(yīng)用，人們已越來越地依賴于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)信息的安全問題日益突出。為了確保重要信息在網(wǎng)上安全傳輸，目前采用的措施主要有3種[1]：安全信道、加密技術(shù)和信息隱藏。安全信道是一種專為發(fā)送者和接收者建立的信息通道，即獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，除了發(fā)送者和接收者，其他人無法訪問。安全信道的安全性好，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、代價(jià)昂貴。加密技術(shù)是將通過加密密鑰將重要信息加密成密文后再傳輸，加密后的信息需要解密密鑰才能正常解讀，沒有密鑰無法解讀信息，加密技術(shù)是一種最常用的信息安全技術(shù)。加密技術(shù)的不足之處是加密密文在傳輸過程中呈現(xiàn)出亂碼特征，同時(shí)密文預(yù)示了重要信息的存在，這容易引起攻擊者的注意和興趣，并進(jìn)而被捕獲、銷毀和竄改，從而造成傳輸失敗[2]，并且被捕獲的密文還可能被攻擊者通過各種手段進(jìn)行破解，而造成信息的失密。信息隱藏技術(shù)是將重要信息嵌入到在其他媒體(載體) 中，在基本不改變載體的外部特征及使用價(jià)值的情況下，我們的感覺器官感覺不到載體外部的變化，從而實(shí)現(xiàn)重要信息的隱秘傳遞，現(xiàn)已成為隱秘通信的重要手段[3]。信息隱藏的目的不在于限制正常的資料存取，而在于保證隱藏的信息不引起攻擊者的注意和重視，減少被侵犯的可能性，從而擺脫數(shù)據(jù)加密技術(shù)的致命缺陷?，F(xiàn)在的隱密通信方式一般都要求把消息先加密再隱藏, 即形成了“加密+隱藏”的安全通信模式，它較之單純的密碼加密方法更多了一層保護(hù)。

信息隱藏技術(shù)是一種新興的能保證信道和信源均安全的高級信息安全技術(shù)。特別在軍事上,各個(gè)國家都采用了信息隱藏技術(shù)，進(jìn)行情報(bào)、間諜活動(dòng)，用于信息戰(zhàn)領(lǐng)域中?？植婪肿右怖眯畔㈦[藏技術(shù), 早在 2001年 9月美國USA Today[4]新聞組就報(bào)道了恐怖分子頭目“拉登”可能通過隱寫圖片向其同僚傳遞重要的信息、散布消息、籌集資金、組織恐怖襲擊等，并成功地逃過美國通信監(jiān)管部門的監(jiān)控。因此信息隱藏分析技術(shù)的研究無論在軍事上、民用上都有著重要的意義。

1 LSB算法簡介及密鑰攻擊強(qiáng)度分析

目前用來作為信息隱藏的載體有文字、圖像、語音或視頻等多種不同格式的文件, 但使用方法沒有本質(zhì)的區(qū)別。其中圖像由于冗余空間大，是目前用得最多的信息隱藏載體。在基于圖像的信息隱藏技術(shù)中，有兩種隱藏技術(shù)：基于空間域的隱藏技術(shù)和基于頻率域的隱藏技術(shù)?；诳臻g域的隱藏技術(shù)是直接改變圖像元素的值, 一般是在圖像的亮度或色帶中加入隱藏的內(nèi)容。這種方法相對簡單，通常采用最不重要比特位（LSB ）嵌入法，它最早由Tirkel[5]在 1993提出?；谧儞Q域的隱藏技術(shù)首先將載體變換到變換域，將信息隱藏在變換域的系數(shù)中。常用的變換域方法有：傅立葉變換、拉普拉斯變換、離散余弦變換、小波變換等?；谧儞Q域的隱藏技術(shù)魯棒性比較好，但較難實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的隱藏。在需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的隱藏時(shí)，經(jīng)常需要用到基于空間域的隱藏技術(shù)。

LSB 算法的魯棒性比較差，但其算法簡單，加密速度快，嵌入容量比較大，因此仍是一種最常見的算法。尤其是很多情況下，隱寫分析者真正感興趣是隱藏信息的內(nèi)容，而不是破壞隱藏信息的傳輸，此時(shí)選擇LSB算法進(jìn)行信息隱藏常常是最佳的選擇。目前，LSB 算法仍在信息隱藏占有重要地位，并且在變換域也有很多算法采用了LSB算法的思想，如Fridrich 等[6]提出的基于圖像DCT 域(JPEG 圖像) 的LSB 隱寫算法，目前幾乎全部的隱寫算法中都可以找到LSB 算法的影子, Internet上常見的隱寫軟件中也大都使用LSB 算法或LSB 的衍生算法[7]。

為了有效地防止隱藏信息被檢測出來后造成的失密，在進(jìn)行信息隱藏時(shí)，一般都進(jìn)行了一定的預(yù)處理，如對攜密圖像進(jìn)行了置亂或混沌調(diào)制，但一旦隱藏的數(shù)據(jù)被檢測出來，再進(jìn)一步通過有關(guān)密碼分析方法，仍有可能將檢測出來的密文解密出明文，對哪些加密強(qiáng)度不高的多媒體數(shù)據(jù)尤其如此。為了提高LSB 算法的抗攻擊力, 不能簡單、順序地將密文數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到載體圖像的 LSB位，而需要有選擇性地進(jìn)行嵌入。目前的 LSB 算法在嵌入信息的位置上采用由隨機(jī)序列發(fā)生器的初始值來產(chǎn)生, 這樣在收發(fā)雙方只需要秘密地傳送一個(gè)初始值(作為密鑰) , 而不需要傳送整個(gè)偽隨機(jī)序列值。即將要隱藏的消息 M =嵌入到載體圖像的位置的 LSB位，形成載密圖像其中隱密信息的嵌入位置通過下面的方法產(chǎn)生：

利用隱寫密鑰k通過一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器G生成隨機(jī)序列y1,y2…yL，然后按如下方式產(chǎn)生消息的隨機(jī)嵌入位置xi, 1 ≤i≤L

合法的接收者擁有隱寫密鑰k, 所以可以從載密圖像S讀出嵌入消息，而隱寫分析者則試圖通過破解的方法得到隱寫密鑰k。

針對信息隱藏技術(shù)的攻擊是信息隱藏分析技術(shù)，它是伴隨著信息隱藏技術(shù)而產(chǎn)生的。目前在隱寫分析領(lǐng)域的研究基本集中于隱蔽信息的檢測[8,9]，但是獲取隱蔽信息并得到隱蔽信息的明文往往是攻擊者的終極目的。為了獲得隱蔽信息的明文，首先需要從載體中提取隱藏的信息，然后才可以做傳統(tǒng)的密碼分析恢復(fù)明文信息。從載體中提取隱藏信息最有效的方法是破譯隱寫密鑰，因此破譯隱寫密鑰是隱寫分析者最感興趣的問題之一，而提高破譯隱寫密鑰的計(jì)算復(fù)雜度則是信息隱藏者努力目標(biāo)。

如果 LSB算法在進(jìn)行消息的隨機(jī)嵌入過程中，所使用的是真正的隨機(jī)序列，隱寫分析者要破解隱寫密鑰，其實(shí)現(xiàn)步驟是先通過對比的方法找出信息隱藏的位置，然后能對密鑰空間作簡單的“窮舉”，如果密鑰空間不大，這種攻擊是能迅速完成的。

如果隱寫分析除了接收到載密對象外, 如果還得到一部分載體(比如同時(shí)擁有載密圖像和部分載體圖像) ，則攻擊者通過比較, 可以觀測到載體的部分被修改位置, 以及這些位置上的消息(消息的一個(gè)隨機(jī)抽樣, 因?yàn)榕c消息相同的載體 LSB 位并沒有被修改) , 他的目的是通過這些信息恢復(fù)隱寫密鑰從而提取全部消息。如果y1,y2…yL是相互獨(dú)立且同分布的隨機(jī)序列。一個(gè)自然的方法是窮舉所有密鑰, 生成相應(yīng)的隨機(jī)位置序列{xi} , 如果某個(gè)密鑰生成的序列可以碰撞到所有觀測到的修改位置, 則認(rèn)為得到了真密鑰, 否則作為偽密鑰拋棄。設(shè)密鑰的長度為r比特，則密鑰空間K為2r，此時(shí)的攻擊的復(fù)雜度為O（2r）。

如果隱寫分析能得到基于同一載體的兩幅載密圖像，即同一圖像被選擇兩次來發(fā)送兩個(gè)(或兩段) 不同的消息，通過比較, 可記錄二者的“差異位置” (即像素值不同的位置) , 然后試驗(yàn)“每對”密鑰, 如果某對密鑰生成的隨機(jī)位置可以覆蓋所有“差異位置”, 則認(rèn)為是真密鑰對。我們把這種方法稱為“雙密鑰碰撞攻擊”。此時(shí)的攻擊的復(fù)雜度為O（22r），不過借鑒密碼分析中的分別征服攻擊的思想，可將復(fù)雜度降為O（22r），即復(fù)雜度與已知載體圖像時(shí)相當(dāng)[10]，由此可見當(dāng)密鑰空間較小時(shí)，要得到目前的 LSB算法的隱寫密鑰是可行的，算法復(fù)雜度為O（2r）。

2 抗密鑰分析的LSB隱寫算法

通過前面的分析不難看出，隱寫分析者在分析隱寫密鑰時(shí)，可以通過修改位置的比較用窮舉的方法來確定隱寫密鑰k，在此過程中，對于已知載體的隱寫分析首先要解決的是需要知道多少個(gè)修改位及具體位置，否則無法確定真?zhèn)蚊荑€，即不能破解隱寫密鑰，而對于重復(fù)使用同一載體的隱寫分析則是通過兩幅載密圖像的差異位來進(jìn)行的，并建立在差異位都是消息的嵌入位這一前提的。因此要解決抗密鑰分析問題，最好的方法是讓分析者無法確定多少個(gè)修改位置，其基本方法為：為此在嵌入隱藏信息時(shí)，對所有像素的 LSB位均進(jìn)行改寫，其中消息仍采用隨機(jī)嵌入方法，隨機(jī)嵌入位置也采用前面所述的方法確定，而在不需嵌入消息的位置（不需嵌入消息的像素）的 LSB位則嵌入白噪聲或其它隨機(jī)信號。其算法描述如下：

不失一般性, 以256級灰度級的圖像為例進(jìn)行討論。包含N個(gè)像素點(diǎn)的 256 色圖像記作N維向量嵌入信息后的載密圖像為其中ci和si都是取值于[0 , 255 ] 的整數(shù), 1 ≤i≤N。用表示嵌入消息(一般為密文序列) ;

(1) 進(jìn)行消息隱藏時(shí)，首先通過密鑰k1生成周期長度不小于N的偽隨機(jī)序列并用替換掉的 LSB位或按某種規(guī)則用ri對ci進(jìn)行疊加操作，得到新的載體圖像為

(2) 用隱寫密鑰k2通過一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器G生成隨機(jī)序列再后按如下方式產(chǎn)生消息的隨機(jī)嵌入位置xi, 1 ≤i≤L

在進(jìn)行隱藏信息提取時(shí)，接收者只需擁有隱寫密鑰k2,就可以從載密圖像SN讀出嵌入消息，再利用消息的解密密鑰可將解密成明文。由于在進(jìn)行消息嵌入時(shí)時(shí)用mi替換掉的 LSB 位，因此本算法的消息提取可實(shí)現(xiàn)盲提取。在使用此算法時(shí)，對用同一載體隱藏不同的消息時(shí)，密鑰k1應(yīng)互不相同。

由以上算法可知，載密圖像SN是在原始圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行兩次嵌入而成的，并且將原始圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的LSB位均嵌入了信息，只是有些像素點(diǎn)嵌入的是隱藏信息，而有些嵌入的是沒有實(shí)際意義的噪聲，因此隱寫分析無法確定有多少個(gè)位置被用來嵌入隱藏信息和消息的嵌入位置，從而無法通過窮舉的方法及修改位置比較的辦法來破解k2，從而能抵御針對隱寫位置密鑰的攻擊。該算法使得攜密后的圖像不僅在外觀上影響甚微,同時(shí)在很多像素點(diǎn)嵌入的是噪聲信號,其表現(xiàn)為隨機(jī)的、自然的噪聲,很難用常規(guī)的分析方法檢測出來,因此在另一方面提高了LSB算法的安全性。在使用此算法時(shí)，對用同一載體隱藏不同的消息時(shí)，密鑰應(yīng)互不相同。

3 結(jié)論

LSB算法是一種典型的空間域信息隱藏算法，雖然其魯棒性差，但由于其隱藏的信息量大，且其思想可以應(yīng)用到DCT等頻域隱藏算法中，因此LSB算法在信息隱藏中仍占有非常重要的地位，對基于LSB算法的攻擊是隱寫分析者仍然很感興趣的問題。為了提高抗攻擊力,人們對LSB算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的 LSB算法在嵌入位置上通過密鑰來控制，因此又出現(xiàn)了針對隱寫位置密鑰的攻擊。本文提出了一種改進(jìn)的LSB隱寫算法，在已知載體圖像或已知多幅用同一載體進(jìn)行信息隱藏的載密圖像的情況下，仍可以抵御針對隱寫位置密鑰的攻擊，可進(jìn)一步提高LSB算法的安全性。同時(shí)該思想也可應(yīng)用于基于頻域的隱藏算法中。在信息隱藏的安全性方面有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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[2] 夏煜,郎榮玲,曹衛(wèi)兵等.基于圖像的信息隱藏檢測算法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)綜述[J] ,計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2004,41(4):728-735.

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[10] 張衛(wèi)明,劉九芬,李世取.LSB隱寫術(shù)的密鑰恢復(fù)方法[J] ,中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,44(3):29-33.