信息技术赵泽茂第三章

3.1信息隐藏的发展历史3.2信息隐藏的基本原理3.3信息隐藏的算法3.4数字水印3.5隐通道技术3.6匿名通信技术小结习题3.1.1传统的信息隐藏技术

古代信息隐藏的方法可以分为两种:一种是将机密信息进行各种变换，使非授权者无法理解，这就是密码术;另一种是将机密信息隐藏起来，使非授权者无法获取，如隐写术等。

可以称它们为古代密码术和古代隐写术。我们可以把它们的发展看成两条线:一条是从古代密码术到现代密码学;一条是从古代隐写术到信息隐藏、数字水印、隐通道和匿名通信。

古代隐写术包括技术性的隐写术、语言学中的隐写术和用于版权保护的隐写术。3.1信息隐藏的发展历史

1.技术性的隐写术

技术性的隐写术由来已久。大约在公元前440年，隐写术就已经被应用了。据古希腊历史学家希罗多德记载，一位希腊贵族希斯泰乌斯为了安全地把机密信息传送给米利都的阿里斯塔格鲁斯，怂恿他起兵反叛波斯人，想出一个绝妙的主意:剃光送信奴隶的头，在头顶上写下密信，等他的头发重新长出来，就将他派往米利都送信。类似的方法在20世纪初期仍然被德国间谍所使用。实际上，隐写术自古以来就一直被人们广泛地使用。隐写术的经典手法实在太多，此处仅列举一些例子:

(1)使用不可见墨水给报纸上的某些字母作上标记来向间谍发送消息。

(2)在一个录音带的某些位置上加一些不易察觉的回声。

(3)将消息写在木板上，然后用石灰水把它刷白。

(4)将信函隐藏在信使的鞋底里或妇女的耳饰中。

(5)由信鸽携带便条传送消息。(6)通过改变字母笔画的高度或在掩蔽文体的字母上面或下面挖出非常小的小孔(或用无形的墨水印制作非常小的斑点)来隐藏正文。

(7)在纸上打印各种小像素点组成的块来对诸如日期、打印机进行标识，将用户标识符等信息进行编码。

(8)将秘密消息隐藏在大小不超过一个句号或小墨水点的空间里。

(9)将消息隐藏在微缩胶片中。(10)把在显微镜下可见的图像隐藏在耳朵、鼻孔以及手指甲里;或者先将间谍之间要传送的消息经过若干照相缩影步骤后缩小到微粒状，然后粘在无关紧要的杂志等文字材料中的句号或逗号上。

(11)在印刷旅行支票时使用特殊紫外线荧光墨水。

(12)制作特殊的雕塑或绘画作品，使得从不同角度看会显示出不同的印像。

(13)利用掩蔽材料的预定位置上的某些误差和风格特性来隐藏消息。比如，利用字的标准体和斜体来进行编码，从而实现信息隐藏;将版权信息和序列号隐藏在行间距和文档的其他格式特性之中;通过对文档的各行提升或降低三百分之一英寸来表示0或1等。

2.语言学中的隐写术

语言学中的隐写术也是被广泛使用的一种方法。最具代表性的是“藏头诗”，作者把表明真情实意的字句分别藏入诗句之中。如电影《唐伯虎点秋香》中唐伯虎的藏头诗——“我画蓝江水悠悠，爱晚亭上枫叶愁。秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕经楼。”今天，这一“我爱秋香”的藏头诗句已成

经典。

又如绍兴才子徐文才在杭州西湖赏月时挥毫写下了一首七言绝句——“平湖一色万顷秋，湖光渺渺水长流。秋月圆圆世间少，月好四时最宜秋。”每句的第一个字连起来正好是“平湖秋月”。我国还有一种很有趣的信息隐藏方法，即消息的发送者和接收者各有一张完全相同的带有许多小孔的掩蔽纸张，而这些小孔的位置是被随机选择并戳穿的。发送者将掩蔽纸张放在一张纸上，将秘密消息写在小孔位置上，移去掩蔽纸张，然后根据纸张上留下的字和空格编写一篇掩饰性的文章。接收者只要把掩蔽纸张覆盖在该纸张上就可立即读出秘密消息。直到16世纪早期，意大利数学家Cardan重新发展了这种方法，该方法现在被称为卡登格子隐藏法。国外著名的例子是GiovanniBoccaccio(1313~1375年)创作的《Amorosavisione》，据说是世界上最长的藏头诗，他先创作了三首十四行诗，总共包含大约1500个字母，然后创作另外一首诗，使连续三行押韵诗句的第一个字母恰好对应十四行诗的各字母。

3.用于版权保护的隐写术

版权保护与侵权的斗争从古到今一直在延续着。

Lorrain(1600~1682年)是17世纪一个很有名的画家，当时出现了很多模仿和假冒他的画，他使用了一个特殊的方法来保护画的版权。他自己创作了一本称为《LiberVeritatis》

的素描集的书，它的页面是交替出现的，四页蓝色后紧接着四页白色，不断重复，大约包含195幅画。事实上，只要在素描和油画作品之间进行一些比较就会发现，前者是专门设计用来作为后者的“校对校验图”，并且任何一个细心的观察者根据这本书仔细对照后就能判断给定的油画是不是赝品。我国是最早发明印刷术的国家，而且许多西方国家也承认印刷术来自中国。书籍作为流通的商品

且利润丰厚，在漫长的岁月中不进行版权保护是无法想像的，也是不符合事实的。从法令来看，北宋哲宗绍圣年间(1095年)已有“盗印法”，中国自宋代就确有版权保护的法令。从实物来看，现存宋代书籍中可以证实版权问题。如眉山程舍人宅刊本《东都事略》，其牌记有:“眉山程舍人宅刊行，已申上司，不许覆板。”这就相当于“版权所有，不准翻印”。1709年英国国会制定的“圣安妮的法令”，承认作者是受保护的主体，这被认为是第一部“版权法”。3.1.2数字字信息隐藏藏技术的发发展1992年年，国际上上正式提出出信息隐藏藏的概念;1996年，在在英国剑桥桥大学牛顿顿研究所召召开了第一一届信息隐隐藏学术会会议，标志志着信息隐隐藏学的正正式诞生。。此后，国国际信息隐隐藏学术会会议在欧美美各国相继继召开，至至今已举办办九届之多多。作作为隐隐秘通信和和知识产权权保护等的的主要手段段，信息隐隐藏从正式式提出到现现在十多年年的时间里里引起了各各国政府、、大学和研研究机构的的重视，取取得了巨大大的发展。。美国的麻麻省理工学学院、普渡渡大学、英英国的剑桥桥大学、NEC研究究所、IBM研究所所都进行了了大量的研研究。在国国内，许多多高等院校校和研究机机构也对信信息隐藏技技术进行了了深入的研研究。从1999年年开始，我我国已召开开了六届全全国性的信信息隐藏学学术研讨会会。国家863计划智能能计算机专专家组会同同中国科学学院自动化化研究所模模式识别国国家重点实实验室和北北京邮电大大学信息安安全中心还还召开了专专门的“数数字水印学学术研讨会会”。随随着理论论研究的进进行，相关关的应用技技术和软件件也不断推推出。如美美国Digimarc公司在在1995年开发了了水印制作作技术，是是当时世界界上唯一一一家拥有这这一技术的的公司，并并在Photoshop4.0和CoreDraw7.0中中进行了应应用。日本本电器公司司、日立制制作所、先先锋、索尼尼和美国商商用机器公公司在1999年宣宣布联合开开发统一标标准的基于于数字水印印技术的DVD影碟碟防盗版技技术。DVD影碟在在理论上可可以无限制制地复制高高质量的画画面和声音音，因此迫迫切需要有有效的防盗盗版技术。。该技术的的应用使消消费者可以以复制高质质量的动态态图像，但但以赢利为为目的的大大批量非法法复制则无无法进行。。2000年，德国国在数字水水印保护和和防止伪造造电子照片片的技术方方面取得了了突破。以以制作个人人身份证为为例，一般般要经过扫扫描照片和和签名、输输入制证机机、打印和和塑封等过过程。上述新技术术是在打印印证件前，，在照片上上附加一个个暗藏的数数字水印。。具体做法法是在照片片上对某些些不为人注注意的部分分进行改动动，处理后后的照片用用肉眼看与与原来几乎乎一样，只只有用专用用的扫描器器才能发现现水印，从从而可以迅迅速、无误误地确定证证件的真伪伪。该系统统既可在照照片上加上上牢固的水水印，也可可以经改动动使水印消消失，使任任何伪造企企图都无法法得逞。由由欧盟委员员会资助的的几个国际际研究项目目也正致力力于实用的的水印技术术研究，欧欧盟期望能能使其成员员国在数字字作品电子子交易方面面达成协议议，其中的的数字水印印系统可以以提供对复复制品的探探测追踪。。在数字作作品转让之之前，作品品创作者可可以嵌入创创作标志水水印;作作品转让后后，媒体发发行者对存存储在服务务器中的作作品加入发发行者标志志;在出出售作品拷拷贝时，还还要加入销销售标志。。经过多年的的努力，信信息隐藏技技术的研究究已经取得得了许多成成果。从技技术上来看看，隐藏有有机密信息息的载体不不但能经受受人的感觉觉检测和仪仪器设备的的检测，而而且还能抵抵抗各种人人为的蓄意意攻击。但但总的来说说，信息隐隐藏技术尚尚未发展到到可大规模模使用的阶阶段，仍有有不少理论论和技术性性的问题需需要解决。。到目前为为止，信息息隐藏技术术还没有形形成自身的的理论体系系。比如，，如何计算算一个数字字媒体或文文件所能隐隐藏的最大大安全信息息量等。尽尽管信息隐隐藏技术在在理论研究究、技术开开发和实用用性方面尚尚不成熟，，但它的特特殊作用，，特别是在在数字版权权保护方面面的独特作作用，可以以说是任何何其他技术术无法取代代的，我们们有理由相相信信息隐隐藏技术必必将在未来来的信息安安全体系中中独树一帜帜。经过多年的的努力，信信息隐藏技技术的研究究已经取得得了许多成成果。从技技术上来看看，隐藏有有机密信息息的载体不不但能经受受人的感觉觉检测和仪仪器设备的的检测，而而且还能抵抵抗各种人人为的蓄意意攻击。但但总的来说说，信息隐隐藏技术尚尚未发展到到可大规模模使用的阶阶段，仍有有不少理论论和技术性性的问题需需要解决。。到目前为为止，信息息隐藏技术术还没有形形成自身的的理论体系系。比如，，如何计算算一个数字字媒体或文文件所能隐隐藏的最大大安全信息息量等。尽尽管信息隐隐藏技术在在理论研究究、技术开开发和实用用性方面尚尚不成熟，，但它的特特殊作用，，特别是在在数字版权权保护方面面的独特作作用，可以以说是任何何其他技术术无法取代代的，我们们有理由相相信信息隐隐藏技术必必将在未来来的信息安安全体系中中独树一帜帜。信息隐藏的的目的在于于把机密信信息隐藏于于可以公开开的信息载载体之中，，信息载体体可以是任任何一种多多媒体数据据，如音频频、视频、、图像，甚甚至文本数数据等，被被隐藏的机机密信息也也可以是任任何形式。。一个很自自然的要求求是，信息息隐藏后能能够防止第第三方从信信息载体中中获取或检检测出机密密信息。1983年年，Simmons把隐蔽通通信问题表表述为“囚囚犯问题””，如图3-2-1所示。在在该模型中中，囚犯Alice和Bob被关押在在监狱的不不同牢房里里，他们准准备越狱，，故需通过过一种隐蔽蔽的方式交交换信息，，但他们之之间的通信信必须通过过狱警Willie的检查。。因此，他他们必须找找到一种办办法，可以以将秘密的的信息隐藏藏在普通的的信息里。。3.2信信息隐藏藏的基本原原理图3-2-1“囚犯问题”示意图囚犯问题根根据Willie的的反应方式式分为被动动狱警问题题、主动狱狱警问题及及恶意狱警警问题3种种。(1)被被动狱警警问题:狱狱警Willie只检查他他们之间传传递的信息息有没有可可疑的地方方，一旦发发现有可疑疑信息甚至至是非法信信息通过，，就会立即即做出相应应的反应。。(2)主主动狱警警问题:狱狱警Willie在不破坏坏公开信息息的前提下下，故意去去修改一些些可能隐藏藏有机密信信息的地方方，以达到到破坏可能能的机密信信息的目的的。比如，，对于文本本数据，他他可能会把把其中一些些词句用相相近的同义义词来代替替，而不改改变通信的的内容。(3)恶恶意狱警问问题:狱狱警Willie可可能彻底改改变通信囚囚犯的信息息，或者伪伪装成一个个囚犯，隐隐藏伪造的的机密信息息，发给另另外的囚犯犯。在这种种条件下，，囚犯可能能就会上当当，他的真真实想法就就会暴露无无遗。对这这种情况，，囚犯是无无能为力的的。不过现现实生活中中，这种恶恶意破坏通通信内容的的行为一般般是不允许许的，有诱诱骗嫌疑。。目前的研研究工作重重点是针对对主动狱警警问题。信信息息隐隐藏藏的的概概念念假设设A打打算算秘秘密密传传递递一一些些信信息息给给B，，A需需要要从从一一个个随随机机消消息息源源中中随随机机选选取取一一个个无无关关紧紧要要的的消消息息C，，当当这这个个消消息息公公开开传传递递时时，，不不会会引引起起人人们们的的怀怀疑疑，，称称这这个个消消息息为为载载体体对对象象(CoverMessage)C;把把秘秘密密信信息息(SecretMessage)M隐隐藏藏到到载载体体对对象象C中中，，此此时时，，载载体体对对象象C就就变变为为伪伪装装对对象象C1。载载体体对对象象C是是正正常常的的，，不不会会引引起起人人们们的的怀怀疑疑，，伪伪装装对对象象C1与载载体体对对象象C无无论论从从感感官官(比比如如感感受受图图像像、、视视频频的的视视觉觉和和感感受受声声音音、、音音频频的的听听觉觉)上上，，还还是是从从计计算算机机的的分分析析上上，，都都不不可可能能把把它它们们区区分分开开来来，，而而且且对对伪伪装装对对象象C1的正正常常处处理理，，不不应应破破坏坏隐隐藏藏的的秘秘密密信信息息。。这样样，，就就实实现现了了信信息息的的隐隐蔽蔽传传输输。。秘秘密密信信息息的的嵌嵌入入过过程程可可能能需需要要密密钥钥，，也也可可能能不不需需要要密密钥钥，，为为了了区区别别于于加加密密的的密密钥钥，，信信息息隐隐藏藏的的密密钥钥称称为为伪伪装装密密钥钥k。。信信息息隐隐藏藏涉涉及及两两个个算算法法:信信息息嵌嵌入入算算法法和和信信息息提提取取算算法法，，如如图图3-2-2所所示示。。图3-2-2信息隐藏的原理框图信信息息隐隐藏藏的的分分类类信息息隐隐藏藏是是一一门门新新兴兴的的交交叉叉学学科科，，包包含含的的内内容容十十分分广广泛泛，，在在计计算算机机、、通通信信、、保保密密学学等等领领域域有有着着广广阔阔的的应应用用背背景景。。1999年年，，Fabien对对信信息息隐隐藏藏作作了了分分类类，，如如图图3-2-3所所示示。。图3-2-3信息隐藏的分类按照照Fabien的的分分类类，，信信息息隐隐藏藏被被分分为为四四大大分分支支。。在在这这些些分分支支中中，，隐隐写写术术和和版版权权标标识识是是目目前前研研究究比比较较广广泛泛和和热热门门的的课课题题。。根根据据密密钥钥的的不不同同，，信信息息隐隐藏藏可可以以分分为为三三类类:无无密密钥钥的的信信息息隐隐藏藏、、私私钥钥信信息息隐隐藏藏和和公公钥钥信信息息隐隐藏藏。。1.无无密密钥钥的的信信息息隐隐藏藏无密密钥钥信信息息嵌嵌入入的的过过程程为为映映射射E:C××M→→C1其中中:C为为所所有有可可能能载载体体的的集集合合;M为为所所有有可可能能秘秘密密消消息息的的集集合合;C1为所所有有伪伪装装对对象象的的集集合合。。提提取取过过程程为为映映射射D:C1→M双双方方约约定定嵌嵌入入算算法法E和和提提取取算算法法D，，算算法法要要求求保保密密。。定定义义:对对一一个个五五元元组组ΣΣ=〈〈C，，M，，C1，D，，E〉〉其其中中:C是是所所有有可可能能载载体体的的集集合合;M是是所所有有可可能能秘秘密密消消息息的的集集合合;C1是所所有有可可能能伪伪装装对对象象的的集集合合;E是是嵌嵌入入函函数数，，C××M→→C1;D是是提提取取函函数数，，C1→M。。若满满足足性性质质:对对所所有有m∈∈M和和c∈∈C，，恒恒有有D(E(c，，m))=m，，则则称称该该五五元元组组为为无无密密钥钥信信息息隐隐藏藏系系统统。。不不同同的的嵌嵌入入算算法法对对载载体体的的影影响响不不同同。。选选择择最最合合适适的的载载体体，，使使得得信信息息嵌嵌入入后后影影响响最最小小，，即即载载体体对对象象与与伪伪装装对对象象的的相相似似度度最最大大。。对对于于无无密密钥钥的的信信息息隐隐藏藏，，系系统统的的安安全全性性完完全全依依赖赖于于隐隐藏藏算算法法和和提提取取算算法法的的保保密密性性，，如如果果算算法法被被泄泄漏漏出出去去，，则则信信息息隐隐藏藏无无任任何何安安全全可可言言。。2.私私钥钥信信息息隐隐藏藏定义义:对对一一个个六六元元组组ΣΣ=〈〈C，，M，，K，，C1，D，，E〉〉其其中中:C是是所所有有可可能能载载体体的的集集合合;M是是所所有有可可能能秘秘密密消消息息的的集集合合;K是是所所有有可可能能密密钥钥的的集集合合;E是是嵌嵌入入函函数数，，C××M××K→→C1;D是是提提取取函函数数，，C1×K→→M。。若满满足足性性质质:对对所所有有m∈∈M，，c∈∈C和和k∈∈K，，恒恒有有DK(EK(c，，m，，k)，，k)=m，，则则称称该该六六元元组组为为私私钥钥信信息息隐隐藏藏系系统统。。私私钥钥信信息息隐隐藏藏系系统统需需要要密密钥钥的的交交换换。。假假定定通通信信双双方方都都能能够够通通过过一一个个安安全全的的信信道道来来协协商商密密钥钥，，并并且且有有各各种种密密钥钥交交换换协协议议，，以以保保证证通通信信双双方方拥拥有有一一个个相相同同的的伪伪装装密密钥钥k。。3.公公钥钥信信息息隐隐藏藏公钥钥信信息息隐隐藏藏类类似似于于公公钥钥密密码码。。通通信信各各方方使使用用约约定定的的公公钥钥体体制制，，各各自自产产生生自自己己的的公公开开密密钥钥和和私私有有密密钥钥，，将将公公开开密密钥钥存存储储在在一一个个公公开开的的数数据据库库中中，，通通信信各各方方可可以以随随时时取取用用，，私私有有密密钥钥由由通通信信各各方方自自己己保保存存，，不不予予公公开开。。公公开开密密钥钥用用于于信信息息的的嵌嵌入入过过程程，，私私有有密密钥钥用用于于信信息息的的提提取取过过程程。。一一个个公公钥钥信信息息隐隐藏藏系系统统的的安安全全性性完完全全取取决决于于所所选选用用的的公公钥钥密密码码体体制制的的安安全全性性。。信信息息隐隐藏藏的的特特性性与传传统统的的加加密密方方式式不不同同的的是是，，信信息息隐隐藏藏的的目目的的在在于于保保证证隐隐藏藏数数据据不不被被未未授授权权的的第第三三方方探探知知和和侵侵犯犯，，保保证证隐隐藏藏的的信信息息在在经经历历各各种种环环境境变变故故和和操操作作之之后后不不受受破破坏坏。。因因此此，，信信息息隐隐藏藏技技术术必必须须考考虑虑正正常常的的信信息息操操作作造造成成的的威威胁胁，，使使秘秘密密信信息息对对正正常常的的数数据据操操作作，，如如通通常常的的信信号号变变换换或或数数据据压压缩缩等等操操作作具具有有免免疫疫能能力力。。根据据信信息息隐隐藏藏的的目目的的和和技技术术要要求求，，它它存存在在以以下下5个个特特性性:(1)安安全全性性(Security)。。衡衡量量一一个个信信息息隐隐藏藏系系统统的的安安全全性性，，要要从从系系统统自自身身算算法法的的安安全全性性和和可可能能受受到到的的攻攻击击两两方方面面来来进进行行分分析析。。攻攻破破一一个个信信息息隐隐藏藏系系统统可可分分为为3个个层层次次:证证明明隐隐藏藏信信息息的的存存在在、、提提取取隐隐藏藏信信息息和和破破坏坏隐隐藏藏信信息息。。如如果果一一个个攻攻击击者者能能够够证证明明一一个个隐隐藏藏信信息息的的存存在在，，那那么么这这个个系系统统就就已已经经不不安安全全了了。。安安全全性性是是指指信信息息隐隐藏藏算算法法有有较较强强的的抗抗攻攻击击能能力力，，它它能能够够承承受受一一定定的的人人为为的的攻攻击击而而使使隐隐藏藏信信息息不不会会被被破破坏坏。。(2)鲁鲁棒棒性性(Robustness)。。除除了了主主动动攻攻击击者者对对伪伪装装对对象象的的破破坏坏以以外外，，伪伪装装对对象象在在传传递递过过程程中中也也可可能能受受到到非非恶恶意意的的修修改改，，如如图图像像传传输输时时，，为为了了适适应应信信息息的的带带宽宽，，需需要要对对图图像像进进行行压压缩缩编编码码，，还还可可能能会会对对图图像像进进行行平平滑滑、、滤滤波波和和变变换换处处理理，，声声音音的的滤滤波波，，多多媒媒体体信信号号的的格格式式转转换换等等。。这这些些正正常常的的处处理理，，都都有有可可能能导导致致隐隐藏藏信信息息的的丢丢失失。。信信息息隐隐藏藏系系统统的的鲁鲁棒棒性性是是指指抗抗拒拒因因伪伪装装对对象象的的某某种种改改动动而而导导致致隐隐藏藏信信息息丢丢失失的的能能力力。。所所谓谓改改动动，，包包括括传传输输过过程程中中的的信信道道噪噪音音、、滤滤波波操操作作、、重重采采样样、、有有损损编编码码压压缩缩、、D/A或或A/D转转换换等等。。(3)不可可检测性(Undetectability)。不可检检测性是指伪伪装对象与载载体对象具有有一致的特性性，如具有一一致的统计噪噪声分

布，，使非法拦截截者无法判断断是否有隐蔽蔽信息。(4)透明性(Invisibility)。透透明性是指指利用人类视视觉系统或听听觉系统属性性，经过一系系列隐藏处理理，目标数据据必须没有有明显的降质质现象，而隐隐藏的数据无无法被看见或或听见。(5)自恢复性性(Selfrecovery)。经过一些些操作或变换换后，可能使使原图产生较较大的破坏，，如果只从留留下的片段数数据，仍能恢恢复隐藏信号号，而且恢复复过程不需要要宿主信号，，这就是所谓谓的自恢复性性。根据载体的不不同，信息隐隐藏可以分为为图像、视频频、音频、文文本和其他各各类数据的信信息隐藏。在在不同的载体体中，信息隐隐藏的方法有有所不同，需需要根据载体体的特征，选选择合适的隐隐藏算法。比比如，图像、、视频和音频频中的信息隐隐藏，利用了了人的感官对对于这些载体体的冗余度来来隐藏信息;而文本本或其他各类类数据，需要要从另外一些些角度来设计计隐藏方案。。3.3信信息隐藏的算算法因此，一种很很自然的想法法是用秘密信信息替代伪装装载体中的冗冗余部分，替替换技术是最最直观的一种种隐藏算法，，也称为空间间域算法。除除此之外，对对图像进行变变换也是信息息隐藏常用的的一种手段，，称为变换域域算法。下面面通过例子来来说明图像中中可以用来隐隐藏信息的地地方。1.图像的的基本表示一幅图像是由由很多个像素素(Pixel)点组成成的，像素是是构成图像的的基本元素。。比如，一幅幅图像的大小小是640××480，则则说明这个图图像在水平方方向上有640个像素点点，在垂直方方向上有480个像素点点。图图像可分为灰灰度图像和彩彩色图像。数字图像一般般用矩阵来表表示，图像的的空间坐标X、Y被量化化为m×n个个像素点，如如果每个像素素点仅由灰度度值表示，则则这种图像称称为灰度图像像;如果每每个像素点由由红、绿、蓝蓝三基色组成成，则这种图图像称为彩色色图像。在彩彩色图像中，，任何颜色都都可以由这三三种基本颜色色以不同的比比例调和而成成。灰度图像像的灰度值构构成灰度图像像的矩阵表示示;彩色图图像可以用类类似于灰度图图像的矩阵表表示，只是在在彩色图像中中，由三个矩矩阵组成，每每一个矩阵代代表三基色之之一。对于一幅灰度度图像来说，，如果每个像像素点的灰度度值仅取0或或1，则这种种图像称为二二值图像;如如果灰度值值的取值范围围为0~255，每个像像素点可用8bit来来表示，则记记为(a7，a6，…，a0)，其中ai=0或1(i=0，…，，7)。对于于每个像素点点来说，都取取其中的某一一位就构成了了一幅二值图图像。比如，，所有像素点点都取a0位，则这种图图像称为该图图像的第0位位位平面(即即是最低位位位平面)图像像，依次类推推，共有8个个位平面图像像。各个位平面图图像的效果如如图3-3-1所示。。图中第1张张是8位灰度度图像，后面面依次是从高高位到低位的的位平面图像像。从这几个个位平面图像像中可以看出出，较高位的的位平面图像像反映了原始始图像的轮廓廓信息，而较较低位的位平平面图像看上上去几乎与原原始图像无关关。如果我们们将原始图像像的每个像素素点的最低位位一律变成0，则图像效效果如图3-3-2所示示，显而易见见，这两幅图图像的差别是是非常小的，，人眼视觉很很难感知。图3-3-18位灰度图像的8个位平面图3-3-2原始图像与最低位为0的图像2.空间间域算法基于图像低位位字节对图像像影响较小的的原理，下面面给出一个24位彩色图图像的信息隐隐藏算法，算算法示意图见见图3-3-3。图3-3-3字节替换方法示意图算法过程描述述如下:

(1)将待隐隐藏信息(称称为签名信息息)的字节长长度写入BMP文件标头头部分的保留留字节中。

(2)将签名名信息转化为为二进制数据据码流。(3)将BMP文件图像数数据部分的每每个字节的最最低位依次替替换为上述二二进制数码流流的一个位。。依依照上述算算法，一个24位的彩色色图像经空间间域变换后的的图像如图3-3-4所所示。图3-3-4一个24位的彩色图像变换前后的对比图(a)未嵌入信息;(b)嵌入信息后;(c)被隐藏的信息由于原始24位BMP图图像文件隐藏藏信息后，其其数据部分每每字节数值最最多变化1位位，该字节代代表的像素最最多只变化了了1/256，因此已已隐藏信息的的BMP图像像与未隐藏信信息的BMP图像用肉眼眼是看不出差差别的。如如果将将BMP文件件图像数据部部分的每个字字节最低4位位依次替换为为签名信息二二进制数码流流的4位，则则由于原始24位BMP图像文件隐隐藏信息后，，其数据部分分字节数值最最多变化为16，该字节节代表的像素素最多变化了了1/16，，因此已隐藏藏信息的BMP图像与未未隐藏信息的的BMP图像像(如图3-3-5所示示)用肉眼能能看出差别。。图3-3-5最低４位替换隐藏图像对比图(a)未嵌入信息;(b)嵌入信息后;(c)被隐藏的信息3.变换(频)域算法法空间域算法的的最大缺点是是健壮性差，，很难抵抗包包括有损压缩缩、低通滤波波等在内的各各种攻击。另另外，空间域域中信息隐藏藏算法只能嵌嵌入很小的数数据量。图像像的频域算法法指对图像数数据进行某种种变换，这种种方法可以嵌嵌入大量的比比特而不引起起可察觉的降降质，当选择择改变中频或或低频分量(DCT变换换除去

直流流分量)来嵌嵌入信息时，，健壮性可以以大大提高。。常用的频域域信息隐藏算算法有DFT(离散傅里里叶变换)、、DCT(离离散余弦变换换)和DWT(离散小波波变换)。Hartunt等人提出出了一种DCT域信息隐隐藏算法，其其方法是首先先把图像分成成8×8的不不重叠像素块块，经过分块块DCT得到到由DCT系系数组成的频频率块，然后后随机选取一一些频率块，，将秘密信息息嵌入到由密密钥控制选择择的一些DCT系数中。。该算法是通通过对选定的的DCT系数数进行微小变变换以满足特特定的关系来来表示一个比比特的信息的的。在提取秘秘密信息时，，可选取相同同的DCT系系数，并根据据系数之间的的关系抽取比比特信息。其其思想类似于于扩展频谱通通信中的跳频频(frequencyhopping)技技术，特点是是数据

改变变幅度较小，，且透明性好好，但是其抵抵抗几何变换换等攻击的能能力较弱。基基于DFT和和DWT的算算法与上述算算法具有相似似的原理。这种以变换域域算法为代表表的通用算法法普遍采用变变换技术，以以便在频率域域实现秘密信信息叠加，并并借鉴扩展频频谱通信等技技术对秘密信信息进行有效效的编码，从从而提高了透透明性和鲁棒棒性，同时还还适当利用滤滤波技术对秘秘密信息引入入的高频噪声声进行了消除除，从而增加加了对低频滤滤波攻击的抵抵抗力。该方方

法同样适适用于数字水水印的嵌入。。如如图3-3-6所示，以以一幅图像为为例，分别给给出用DFT域、DCT域和DWT域算法嵌入入信息后生成成的图像，的的确，通过肉肉眼很难区分分是否嵌入了了秘密信息，，必须通过计计算机分析才才能判断。图3-3-6原始图像与经过DFT域、DCT域和DWT域算法嵌入信息后生成的图像(a)原始图像;(b)DFT域;(c)DCT域;(d)DWT域多媒体通信业业务和Internet的快速发展展给信息的广广泛传播提供供了前所未有有的便利，各各种形式的多多媒体作品(包括视频、、音频和图像像等)纷纷以以网络形式发发布。然而而，任何人都都可以通过网网络轻而易举举地获得他人人的原始作品品，甚至不经经作者的同意意任意复制、、修改，这些些现象严重侵侵害了作者的的知识产权。。为了防止这这种情况的发发生，保护作作者的版权，，人们提出了了数字水印的的概念。3.4数数字水印印数字水印类似似于信息隐藏藏，它也是在在数字化的信信息载体(指指多媒体作品品)中嵌入不不明显的记号号(也称为标标识或者水印印)隐藏起来来，被嵌入的的信息包括作作品的版权所所有者、发行行者、购买者者、作者的序序列号、日期期和有特殊意意义的文本等等，但目的不不是为了隐藏藏或传递这些些信息，而是是在发现盗版版或发生知识识产权纠纷时时，用来证明明数字作品的的来源、版本本、原作者、、拥有者、发发行人以及合合法使用人等等。通常被嵌嵌入的标识是是不可见或不不可观察的，，它与源数据据紧密结合并并隐藏其中，，成为源数据据不可分离的的一部分，并并可以经历一一些不破坏源源数据的使用用价值的操作作而存活下来来。这样的标标识可以通过过计算机操作作被检测或者者被提取出来来。显而易见见，数字水印印是数字化的的多媒体作品品版权保护的的关键技术之之一，也是信信息隐藏的重重要分支。。1.数数字水水印的的基本本原理理人们利利用视视觉和和听觉觉的冗冗余特特性，，在多多媒体体作品品中添添加标标识后后并不不影响响作品品的视视听效效果，，并且且还能能通过过计算算机操操作部部分或或全部部恢复复隐藏藏信息息，即即水印印信息息。从从版权权保护护的角角度来来看，，不论论攻击击者如如何对对源数数据实实施何何种破破坏行行为，，水印印信息息都是是无法法被去去掉的的。与与加密密技术术不同同，数数字水水印技技术不不能阻阻止盗盗版行行为。。通用的的数字字水印印算法法一般般包含含水印印生成成算法法、水水印嵌嵌入和和提取取/检检测3个方方面。。其中中，水水印生生成算算法主主要涉涉及怎怎样构构造具具有良良好随随机特特性的的水印印，并并且出出于水水印安安全性性考虑虑，有有的算算法在在水印印嵌入入之前前采用用其他他相关关技术术先对对水印印进行行嵌入入预处处理，，如扩扩频、、纠错错编码码或加加密等等。以以下仅仅就水水印的的嵌入入和提提取/检测测两个个方面面进行行介绍绍。水水印嵌嵌入模模型框框架如如图3-4-1所示示。图3-4-1水印嵌入模型框架在数字字水印印的嵌嵌入过过程中中，可可先对对被保保护的的数字字产品品C和和数字字水印印W进进行预预处理理。此此预处处理可可以是是任何何一种种变换换操作作(如如DCT、、DFT、、小波波变换换、傅傅里叶叶-梅梅林变变换等等)或或一些些变换换操作作的组组合，，也可可以为为空操操作(这时时嵌入入水印印为空空间域域水印印)等等。用用户密密钥K表示示数字字水印印嵌入入算法法的密密钥，，CW是嵌入入水印印后输输出的的数字字产品品。水水印提提取模模型框框架如如图3-4-2所示示。图3-4-2水印提取模型框架数字水水印提提取过过程的的输出出有两两种可可能:一一种是是直接接提取取水印印，得得到提提取出出的水水印W1;另一一种是是得到到水印印是否否存在在的结结论。。水水印印提取取过程程中，，原始始数字字载体体是可可选择择的，，它取取决于于具体体嵌入入算法法，有有些算算法需需要原原始载载体，，有些些则不不需要要。利利用上上述数数字水水印框框架，，可以以分析析目前前提出出的各各种数数字水水印方方案。。大部部分数数字水水印算算法都都是在在预处处理和和嵌入入算法法上做做文章章。根根据预预处理理的不不同，，可以以把各各种水水印方方案分分类，，如空空间域域水印印(预预处理理为空空操作作)、、变换换域水水印(预处处理为为各种种变换换)。。变换换域水水印中中又根根据变变换域域的不不同，，分为为DCT域域水印印、小小波变变换域域水印印等。。除了了预处处理的的不同同，还还有嵌嵌入算算法的的不同同，它它们的的一些些组合合就构构成了了多种种多样样的数数字水水印算算法。。2.数数字水水印算算法数字水水印技技术涉涉及许许多研研究领领域，，包括括图像像处理理、数数字通通信、、密码码学和和信号号检测测与估估计等等。以以数字字图像像产品品为例例，根根据水水印嵌嵌入图图像的的方式式不同同，目目前的的水印印技术术可大大致分分为空空间域域技术术和变变换域域技术术，对对于其其他数数字产产品，，例如如，音音频和和视频频产品品所使使用的的算法法也基基本类类似。。1)空空间域域技术术空空间间域技技术是是最早早的也也是最最简单单的水水印算算法，，其原原理就就是通通过改改变图图像中中某些些像素素值来来加入入信息息，再再通过过记录录提取取这些些信息息来检检测水水印。。该类类算法法中典典型的的是前前面提提到的的LSB法法。该该方法法可保保证嵌嵌入的的水印印不可可见，，但是是由于于使用用了不不重要要的图图像像像素位位，算算法的的鲁棒棒性差差，水水印信信息很很容易易因滤滤波、、图像像量化化、几几何变变形的的操作作而被被破坏坏。另另外一一个常常用的的方法法是利利用像像素的的统计计特征征将信信息嵌嵌入像像素的的亮度度值中中。Patchwork方法法是随随机选选取N对像像素点点，然然后通通过增增加像像素对对中一一个点点的亮亮度值值，而而相应应降低低另一一个点点的亮亮度值值的调调整来来隐藏藏信息息，这这样整整个图图像的的平均均亮度度保持持不变变。适适当地地调整整参数数，Patchwork方法法对JPEG压压缩、、FIR滤滤波以以及图图像裁裁剪有有一定定的抵抵抗力力，但但该方方法嵌嵌入的的信息息量有有限。。为为了嵌嵌入更更多的的水印印信息息，可可以将将图像像分块块，然然后对对每一一个图图像块块进行行嵌入入操作作。还还有一一种适适用于于文档档类数数据的的数字字水印印算法法，主主要是是通过过轻微微改变变字符符间距距、行行间距距，或或增加加、删删除字字符特特征(如底底纹线线)等等方法法来嵌嵌入水水印，，或是是在符符号级级或语语义级级加入入水印印。例例如，，可以以用big替换换文本本中的的large。。图图3-4-3给出出了一一幅LSB法嵌嵌入水水印图图像的的示例例。图3-4-3LSB法嵌入水印图像示例(a)未嵌入水印;(b)嵌入水印后;(c)被隐藏的水印2)变变换换(频频)域域算法法同同信信息隐隐藏算算法类类似，，空间间域算算法存存在鲁鲁棒性性差、、抗攻攻击能能力差差等缺缺点，，采用用变换换域算算法嵌嵌入水水印，，可大大大提提高健健壮性性。常常用的的频域域水印印算法法有DFT、DCT和DWT等。。该类类水印印算法法同信信息隐隐藏的的变换换域算算法相相似，，隐藏藏和提提取信信息操操作复复杂，，隐藏藏信息息量不不能很很大，，但抗抗攻击击能力力强。。图图3-4-4给出出了一一幅图图像用用DCT域域变换换法嵌嵌入水水印的的示例例。图3-4-4DCT域变换隐藏水印图像对比图(a)未嵌入水印;(b)嵌入水印后;(c)被隐藏的水印由于隐隐通道道问题题在信信息安安全方方面特特别是是机密密性信信息的的泄露露方面面的重重要性性，美美国国国防部部可信信计算算机系系统评评估准准则(TCSEC)中规规定，，在B2及及以上上安全全级别别的安安全系系统设设计和和开发发过程程中，，必须须进行行隐通通道分分析。。系统统中存存在的的隐通通道能能够使使得攻攻击者者绕过过所有有的安安全保保护机机制而而妨害害系统统的机机密性性。3.5隐隐通通道道技技术术隐隐通通道的的概念念隐通道道的概概念最最初是是由Lampson于1973年年提出出的，，从那那以后后，有有不同同定义义试图图从不不同角角度来来描述述隐通通道的的本质质和特特性。。TCSEC中中一个个比较较通泛泛的定定义是是“能能让一一个进进程以以违反反系统统安全全策略略的方方式传传递消消息的的信息息通道道”。。也也就是是说，，隐通通道是是指在在系统统中利利用那那些本本来不不是用用于通通信的的系统统资源源、绕绕过强强制存存取控控制进进行非非法通通信的的信息息信道道，并并且这这种通通信方方式往往往不不被系系统的的存取取控制制机制制所检检测和和控制制。定义:隐隐通道道是指指系统统用户户用违违反系系统安安全策策略的的方式式传送送信息息给另另一用用户的的机制制，在在一个个系统统中，，给定定一个个安全全策略略模型型(如如强制制安全全模型型)M及其其解释释I(M)，I(M)中中的任任何两两个主主体I(Sh)和I(SI)之间间的任任何潜潜在的的通信信是隐隐蔽的的，当当且仅仅当两两个相相应主主体Sh和SI的任何何通信信在安安全模模型M中是是非法法的。。从本质质上来来说，，隐通通道的的存在在反映映了安安全系系统在在设计计时所所遵循循的安安全模模型的的信息息安全全要求求与该该系统统实现现时所所表现现的安安全状状况之之间的的差异异是客客观存存在的的。由由于现现实系系统的的复杂杂性以以及该该系统统设计计时在在性能能和兼兼容性性方面面的考考虑因因素，，使得得严格格遵守守某安安全策策略模模型是是不现现实的的。这这就是是目前前所有有的安安全系系统所所实现现的安安全机机制都都是某某个安安全模模型在在一定定程度度上的的近似似。事事实说说明，，没有有绝对对安全全的系系统，，隐通通道问问题的的提出出与解解决是是为了了缓解解和限限制这这种隐隐患。。隐隐通通道的的分类类隐通道道的分分类主主要有有3种种方法法。根根据隐隐通道道的形形成，，隐通通道可可分为为存储储隐通通道(StorageCovertChannels)和时时间隐隐通道道(TimingCovertChannels);根根据据隐通通道是是否存存在噪噪音音，隐隐通道道可分分为噪噪音隐隐通道道(NoisyCovertChannels)和和无噪噪音隐隐通道道(NoiselessCovertChannels);根根据隐隐通道道所涉涉及的的同步步变量量或信信息的的个数数，隐隐通道道可分分为聚聚集隐隐通道道(AggregatedCovertChannels)和非非聚集集隐通通道(NoaggregatedCovertChannels)。。下下面对对这几几种分分类方方法分分别进进行介介绍。。1.存存储储隐通通道和和时间间隐通通道如如果一一个隐隐通道道涉及及对一一些系系统资资源或或资源源属性性的操操作(如是是否使使用了了一个个文件件)，，接收收方通通过观观察该该资源源及其其属性性的变变化来来接收收信息息所形形成的的隐通通道，，则称称为存存储隐隐通道道。接接收方方通过过感知知时间间变化化来接接收信信息所所形成成的隐隐通道道，则则称为为时间间隐通通道。。它们们最突突出的的区别别是:时时间隐隐通道道需要要一个个计时时基基准，，而存存储隐隐通道道不需需要。。在具具有高高安全全级别别的发发送进进程与与具有有低安安全级级别的的接收收进程程之间间，存存储隐隐通道道和时时间隐隐通道道的存存在均均要求求系统统满足足一定定的条条件。。形成存存储隐隐通道道的基基本条条件如如下:(1)发发送者者和接接收者者必须须能存存取一一个共共享资资源的的相同同属性性。(2)发发送者者必须须能够够通过过某种种途径径使共共享资资源的的共享享属性性改变变状态态。(3)接接收者者必须须能够够通过过某种种途径径感知知共享享资源源的共共享属属性的的改变变。(4)必必须有有一个个初始始化发发送者者与接接收者者通信信及顺顺序化化发送送与接接收事事件的的机制制。下下面以以利用用文件件读写写进行行信息息传输输的存存储隐隐通道道为例例进行行简单单介绍绍。如图3-5-1所示示，在在一个个安全全操作作系统统中，，用户户A的的安全全级别别为H(高高级别别)，，用户户B的的安全全级别别为L(低低级别别)，，FileA的安安全级级别为为H，，FileB的安安全级级别为为L，，系统统采用用强制制访问问控制制机制制，主主体不不可读读安全全级别别高于于它的的数据据，主主体不不可写写安安全级级别低低于它它的数数据，，也就就是““下读读上写写”的的安全全策略略模型型。按按如下下步骤骤，就就可以以完成成信息息的交交换。。图3-5-1基于“下读上写”安全策略的隐通道第一步步:用用户户B在在FileA中写写入““Start””字符符串，，表明明信息息传输输开始始。第第二步步:用用户户A监监控FileA，，当它它发现现FileA中出出现““Start””字符符串时时，表表明已已经和和用户户B同同步。。第第三三步:用用户A读文文件FileB，，表示示传输输二进进制1;用用户A不读读文件件FileB，表表示传传输二二进制制0，，同时时监控控FileA。第第四步步:用用户户B尝尝试写写FileB，当当它写写失败败时，，表示示用户户A正正在读读FileB，即即表示示传输输了二二进制制1，，否则则就是是二进进制0，用用户B将该该二进进制信信息写写入FileA。。第五步步:当当用用户A监控控到FileA被被写入入了数数据后后，可可以通通过检检查数数据知知道用用户B收到到的信信息是是否正正确，，然后后进行行第二二个数数据的的传输输。第第六步步:反反复复进行行第三三步至至第五五步操操作，，直到到信息息传输输完毕毕。第第七步步:信信息息传输输完毕毕后，，用户户B在在FileA中写写入““End””，表表示传传输结结束。。第第八八步:用用户A监控控到FileA中中出现现“End”字字符串串后，，结束束传输输。形成时时间隐隐通道道的基基本条条件如如下:(1)发发送送者和和接收收者必必须能能存取取一个个共享享资源源的相相同属属性。。(2)发发送送者和和接收收者必必须能能存取取一个个时间间基准准，如如实时时时钟钟。(3)发发送者者必须须能够够调整整自己己的响响应时时间，，使其其为感感知共共享资资源的的共享享属性性改变变的接接收者者响应应时间间。(4)必必须有有一个个初始始化发发送者者与接接收者者通信信及顺顺序化化发送送与接接收事事件的的机制制。值得注注意的的是:有有一些些隐通通道同同时表表现出出了存存储隐隐通道道和时时间隐隐通道道的特特性(如磁磁臂隐隐通道道)。。通通常，，一些些存储储资源源与一一些临临时行行为(如查查找时时间)相关关，所所以涉涉及对对它们们的操操纵同同时表表现出出了存存储隐隐通道道和时时间隐隐通道道的特特性。。并且且，时时间隐隐通道道中的的时间间基准准是一一个很很宽松松的概概念，，接收收者能能够感感知事事件发发生顺顺序和和发送送者能能够影影响事事件发发生顺顺序的的机制制都可可称为为时间间基准准。2.噪噪音隐通通道和无无噪音隐隐通道在一个隐隐通道中中，如果果信息发发送者发发送的信信息能够够被接收收方完全全正确接接收，也也就是信信息发送送者所发发送的信信息与接接收者所所接收的的信息一一致，那那么这个个隐通道道可称为为无噪音音隐通道道。如果果信息发发送者发发送的