引 言

信息隱藏起源于隱寫(xiě)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(xiě)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(duì)信息源的保護(hù)，也開(kāi)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(lèi)，從信息源和信息傳播方式兩個(gè)角度來(lái)考慮。傳統(tǒng)信息隱寫(xiě)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(jī)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(qiáng)、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(xiǎn)較高[2]。

文中信息隱藏方案的實(shí)現(xiàn)基于信息傳播渠道這一出發(fā)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)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(jī)碼序列）、M 為原始信息、信息 M1 經(jīng)過(guò)二級(jí)調(diào)制產(chǎn)生信息 D，K1為收發(fā)雙方私鑰，由隨機(jī)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(jī)碼生成器產(chǎn)生、P2參與到收發(fā)雙方的同步校驗(yàn)信息提取工作。信息 D 生成的二級(jí)調(diào)制過(guò)程 ：原始的信息 M 與同步序列 M1 形成一級(jí)調(diào)制的發(fā)送端調(diào)制碼 S（t），S（t）=M1⊕ M ；一級(jí)調(diào)制碼 S（t）與私鑰 K1中的隨機(jī)碼序列部分 P1（t）二級(jí)調(diào)制生成信息 D（t）。接收端通過(guò)私鑰 K1 和同步序列 M1 解調(diào)出真實(shí)的信息 M。

2 實(shí)驗(yàn)仿真模型

2.1 信息 M對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制序列 M（t）

首先將原始文本信息通過(guò)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(shí)現(xiàn)方法是利用圖 1 所示的二進(jìn)制文本轉(zhuǎn)換軟件實(shí)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的碼圖如圖3所示。

圖 3 數(shù)據(jù) M 對(duì)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(guò)，同步序列提取傳播信道中 M（1t）序列隱藏的信息 M（t）。M1為一偽隨機(jī)碼序列，由偽隨機(jī)碼序列發(fā)生器產(chǎn)生。同步偽隨機(jī)碼序列 M1（t）看似一組雜亂無(wú)章的隨機(jī)噪聲碼，其實(shí)是按照一定規(guī)律編排起來(lái)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(jī)碼序列如圖 4 所示，偽隨機(jī)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(jī)序列碼 M（1t）看似一組無(wú)規(guī)律隨機(jī)碼，但實(shí)際卻是一組 1011110001101100111000111000 的 31 位可復(fù)制的周期性隨機(jī)碼[3]。

圖 4 同步提取偽隨機(jī)碼 M1（t）序列

圖 5 偽隨機(jī)碼序列中的周期重復(fù)單元 m1（t）序列

2.3 發(fā)送端一級(jí)調(diào)制碼 S（t）

發(fā)送端調(diào)制碼 S（t）=M1⊕M。本文實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?M1（t）與 M（t）為異或得到的一級(jí)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(jī)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(jí)調(diào)制碼 S（t）對(duì)應(yīng)的關(guān)系為： S（t）=M1⊕M，M1（t）和 M（t）序列為模 2 運(yùn)算后實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)頻 [4]。 擴(kuò)頻后一級(jí)調(diào)制碼 S（t）序列如圖 6 所示。

通過(guò)上述一級(jí)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(jī)噪聲 碼組成的組合碼 S（t）。原始信息 M（t）經(jīng)過(guò)一級(jí)調(diào)制后實(shí)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(lái) 說(shuō)，信噪比越小，信號(hào)深埋在噪聲之中，越不易被他人捕獲， 具有極強(qiáng)的保密性 [5-7]。

2.4 二級(jí)調(diào)制

一級(jí)調(diào)制碼 S（t）與私鑰 K1 中的隨機(jī)碼序列部分 P1（t） 二級(jí)調(diào)制生成信息 D（t）。二級(jí)調(diào)制過(guò)程中最重要的部分即為 私鑰 K1 中的隨機(jī)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(kāi)信道分離， 獨(dú)立傳送給接收方。接收端通過(guò)私鑰 K1 中的隨機(jī)序列 P1（t） 和偽隨機(jī)序列 M1（t）解調(diào)出真實(shí)的信息 M。

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

圖 7 二級(jí)調(diào)制隨機(jī)碼 P1（t）序列

二級(jí)調(diào)制過(guò)程 ：D（t）=S（t）⊕ P1（t）。S（t）與 P1（t）的關(guān)系為模 2 運(yùn)算后得到的 D（t）碼序列，如圖 8 所示。

圖 8 二級(jí)調(diào)制碼 D（t）序列

二級(jí)調(diào)制 D（t）碼序列：D（t）=00000100011011001110001 110001011110001101100111000111000。接收端收到（Dt）序列碼后，通過(guò)私鑰 K1中的隨機(jī)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(kāi)的偽隨機(jī)序列碼 M1（t）進(jìn)行逆運(yùn)算提取隱藏在 D（t）序列碼中的真實(shí)信息 M[8]。

2.5 通信模型

發(fā)送方模型公式 M1@M@K1=D，對(duì)應(yīng)通信模型如圖 9 所示。M1 為偽隨機(jī)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(guò)二級(jí)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(jī)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(jī)碼生成器產(chǎn)生，P2 參與收發(fā)雙方的同步校驗(yàn)信息提取工 作。公開(kāi)信道中傳輸?shù)臑樵夹畔?M 對(duì)應(yīng)的二級(jí)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(jī)序列碼。

2.6 接收端解調(diào)信息

當(dāng)接收端接收到公開(kāi)信道收到的二級(jí)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(jí)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(jī)序列碼及 P2 參與到收發(fā)雙方的 同步校驗(yàn)信息，進(jìn)行逆運(yùn)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(xiě)法而言，避免了信 息傳播渠道的單一。隱藏方案所涉及的擴(kuò)頻、收發(fā)雙方的同步 校驗(yàn)信息及私有信道中的隨機(jī)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(yǔ)

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(jí)調(diào)制將真 實(shí)信息 M 隱藏于公開(kāi)信息序列 nm1（t）中，信息傳播過(guò)程結(jié) 合公開(kāi)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(guò)合法的算法解調(diào)出隱藏的信息 M。本文信息隱寫(xiě)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。