Tài liệu Nghiên cứu giải pháp bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- LA HỮU PHÚC NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI THỜI GIAN THỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2014 2 Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Lê Mỹ Tú 2. PGS.TS. Nguyễn Trần Lý Phản biện 1: PGS. TS Vũ Thanh Hải. Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 2: PGS. TS Phan Hữu Huân Ban Cơ yếu Chính Phủ Phản biện 3: TS. Thái Danh Hậu Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi ….. ngày ….. tháng ….. năm 2014. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Viện KH&CN quân sự - Thư viện Quốc gia Việt nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Việc bảo mật tín hiệu thoại không chỉ c ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong An ninh - Quốc phòng, mà còn có giá trị to lớn trong mọi mặt của đời sống kinh tế - xã hội. Bảo mật thông tin thoại luôn là vấn đề được quan tâm. Bảo mật thoại số cho độ mật cao, tuy nhiên thực hiện phức tạp, yêu cầu truyền trên kênh số. Bảo mật thoại tương tự, với ưu điểm thuận lợi trong thực hiện, truyền trực tiếp trên kênh thoại nên được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bảo mật mang tính chiến thuật. Phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có nhiều ưu điểm so với các phương pháp bảo mật tương tự khác. Tuy nhiên, những phương pháp này sử dụng biến đổi đầu vào là khối/khối, trực giao, chưa tận dụng đặc tính giấu lỗi của những biến đổi chồng lấp. Đồng thời tín hiệu sau khi mã hóa được sử dụng biến đổi ngược của biến đổi đầu vào. Phương pháp bảo mật biến đổi miền xáo trộn trên tập hệ số của biến đổi tuyến tính khối các mẫu tiếng nói. Lược đồ xáo trộn này quyết định đến độ mật của bộ mã hóa. Nhiều lược đồ được đề xuất trong đó lược đồ Raymond được ưu thích sử dụng, tuy nhiên do cần phải tính toán và lưu trữ số nguyên lớn nên bất tiện trong thực tế. Trên cơ sở đó Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp bảo mật thông tin thoại thời gian thực” nhằm:  Nghiên cứu đề xuất xử lý tín hiệu đầu vào trên cơ sở biến đổi chồng lấp.  Nghiên cứu đề xuất bộ xử lý tín hiệu đã mã không phụ thuộc vào biến đổi đầu vào.  Đề xuất cải tiến làm giảm độ phức tạp của lược đồ tạo khóa. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất giải pháp bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại thời gian thực theo phương pháp tương tự có chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp 2 tiếng nói tốt, không gian khóa lớn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu   Phạm vi nghiên cứu của Luận án: o Tín hiệu thoại, tiếng nói con người. o Kỹ thuật xử lý tiếng nói. o Kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại. Đối tượng nghiên cứu của Luận án: o Tiếng nói và đặc điểm của tiếng nói. o Kỹ thuật bảo mật thoại đầu cuối 4. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp tiếp cận đối tượng theoquan điểm hiện đại kết hợp với quan điểm lịch sử.  Phương pháp tiếp cận theo quan điểm hệ thống.  Phương pháp thực nghiệm, sức mạnh của thao tác phân tích, thống kê, mô phỏng phân loại cũng sẽ được sử dụng trong luận án. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học: Góp phần hoàn thiện lý thuyết về kỹ thuật mã hóa tín hiệu thoại tương tự Xây dựng cơ sở toán học biến đổi tín hiệu đã mã đầu ra.  Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xác lập các giải pháp thực hiện bảo mật thoại đáp ứng nhu cầu bảo mật trong các lĩnh vực kinh tế xã hội và cấp chiến thuật trong an ninh quốc phòng. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm 03 chương cùng với các phần mở đầu, kết luận, danh mục các công trình, bài báo khoa học đã được công bố của tác giả và 03 phần phụ lục. 3 CHƯƠNG 1 TIẾNG NÓI VÀ BẢO MẬT TIẾNG NÓI 1.1 Tiếng nói và kỹ thuật xử lý tiếng nói 1.1.1. Đặc điểm của tín hiệu thoại Tín hiệu thoại, X(t), là một dạng đặc biệt của tín hiệu âm thanh, do các âm thanh đơn sắc hợp thành, được biểu diễn như sau: N X (t )   Ai sin( i t   i ) (1.1) i 1 a) Phân loại âm thanh tiếng nói. Tín hiệu tiếng nói phân loại thành âm hữu thanh và âm vô thanh. b) Tín hiệu thoại mang tính cấu trúc. Tín hiệu thoại mang nội dung bản tin thoại, thông tin trong bản tin được thể hiện qua cấu trúc ngôn ngữ. c) Tín hiệu thoại có cơ chế biểu diễn tin theo tần số. Những âm tiết trong ngôn ngữ, đặc biệt là nguyên âm, có các cực đại (địa phương), khi biểu diễn phổ của tín hiệu, nguyên âm chính là các tần số cộng hưởng (formant). Giá trị của các formant đầu tiên (2 hoặc 3) cho phép chúng ta nhận biết thành công nguyên âm. d) Tín hiệu thoại có độ dư thừa tín hiệu lớn. Nếu quan niệm lượng thông tin thực tế mà con người cần trao đổi là số từ phát ra trong một đơn vị thời gian thì lượng tin này nhỏ hơn rất nhiều lượng thông tin mà tín hiệu thoại chứa đựng. e) Khả năng bảo vệ tin của tín hiệu thoại. Lời thoại tuân theo cấu trúc ngôn ngữ. Cuộc đàm thoại diễn ra trong ngữ cảnh nào đó. Khả năng bảo vệ tin của tín hiệu thoại gắn chặt với khả năng nhận dạng tiếng nói của con người. f) Tín hiệu thoại trong truyền thông. Tín hiệu thoại dải hẹp có dải tần hữu hạn 0,3kHz đến 3,4kHz, vẫn giữ được tính dễ hiểu, đáp ứng được nhu cầu nghe hiểu. Kỹ thuật nén tiếng nói trong truyền thông Gồm 3 bộ mã hóa: dạng sóng, tham số và lai ghép. 4 1.2. Bảo mật tín hiệu thoại đầu cuối 1.2.1. Đặc điểm, yêu cầu bảo mật tín hiệu thoại a) Độ che lấp tiếng nói được hiểu là khả năng không thể hiểu được nội dung thoại khi không giải mã. b) Độ rõ còn lại (Residual Intelligibility) hay còn được gọi là tính dễ hiểu còn lại, là khả năng khôi phục được thông tin từ bản mã. c) Độ mật. Là khả năng không giải mã được trong một khoảng thời gian, gọi là thời gian bảo mật. Độ mật còn được đánh giá bằng độ phức tạp để có thể tìm lại tín hiệu rõ. d) Chất lượng tiếng nói sau khi giải mã phải đảm bảo người nghe nhận được thông tin qua đàm thoại, nhận dạng được người nói. e) Mở rộng băng thông. Tín hiệu thoại sau khi mã hóa đảm bảo không vượt qua băng thông ban đầu mới truyền qua được kênh băng tần hẹp. f) Tính thời gian thực. Độ trễ mã hóa là không thể tránh khỏi. Nó bao gồm thời gian tính toán xử lý và kích thước khung xử lý. Độ trễ này phải được giới hạn để đảm bảo tính thời gian thực của thông tin thoại. g) Phân loại các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại. Có hai loại mã hóa tín hiệu thoại cơ bản: mã hóa tương tự và mã hóa số. 1.2.2. Phương pháp mã hóa tương tự Sơ đồ khối chung được thể hiện ở hình 1.4. Hình 1.4. Nguyên lý chung của bộ mã hóa tiếng nói tương tự a) Kỹ thuật mã biên độ. Là kỹ thuật đơn giản, những mẫu tiếng nói riêng biệt được sắp xếp lại trật tự. 5 b) Kỹ thuật mã miền tần số. Tín hiệu tiếng nói được bảo mật thông qua thực hiện xáo trộn trên thành phần tần số của tín hiệu tiếng nói. c) Kỹ thuật mã miền thời gian. Tín hiệu tiếng nói được chia thành những đoạn thời gian và thứ tự của những đoạn tín hiệu này được thay đổi đi để thu được tín hiệu mã. d) Kỹ thuật mã hai miền. Những bộ mã hóa tiếng nói này thực hiện thao tác mã trên cả miền thời gian và miền tần số đồng thời. e) Kỹ thuật mã biến đổi miền. Thông qua một biến đổi, tín hiệu tiếng nói được chuyển sang biểu diễn ở miền khác. Thao tác bảo mật được thực hiện trên tập hệ số của biến đổi này. Những biến đổi được dùng là biến đổi trực giao, đảm bảo không tăng nhiễu khi truyền qua kênh truyền. 1.2.3. Phương pháp mã số. a) Nguyên lý. Phương pháp mã hóa số tín hiệu thoại được thực hiện theo sơ đồ khối hình 1.10. xa (t ) x 'a (t ) u u' xk  xk ' yk  y'k  Hình 1.10. Sơ đồ khối của phương pháp mã số b) Những thuật toán mã hóa Mã dòng là một dạng biến đổi loạt, biến đổi tuần tự bản rõ R thành bản mã M theo bit. Bộ tạo dãy khoá K sinh ra dãy các bit (k1,k2,...,ki,...) và được cộng modul 2 với dãy các bit bản rõ (r1,r2,...,ri,...) để có kết quả bản mã : mi  ri  ki (1.13) Mã khối thao tác trên khối bit có độ dài cố định. Nhiều mã khối 6 được miêu tả như là mạng Feistel, trên cơ sở chia khối dữ liệu thành hai nửa, trong đó một nửa thao tác trên nửa kia. 1.2.4. Các thước đo cảm quan. a) Khoảng cách lô-ga-rít phổ b) Thước đo khoảng cách LPC c) Thước đo khoảng cách phổ. d) Phổ đoạn tỷ lệ tín trên tạp Kết luận chương 1 Các kết quả chính mà Chương 1 đạt được bao gồm: 1. Tín hiệu thoại có những đặc điểm riêng, dẫn đến bảo mật tín hiệu thoại có những đặc trưng riêng. Do nhận biết tiếng nói là chủ quan con người nên để đánh giá theo giải tích hiệu suất của bảo mật tín hiệu thoại là bài toán rất khó, ngoài việc nghe thử trực tiếp tín hiệu mã các nhà nghiên cứu đã dùng các thước đo cảm quan để đánh giá một cách tương đối những kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại. 2. Nhiều phương pháp bảo mật tín hiệu thoại đã được đề xuất với mục tiêu tăng độ che lấp tiếng nói, giảm độ rõ còn lại, tăng độ mật với không gian khóa lớn, độ phức tạp phân tích mã cao; giảm trễ mã hóa để đảm bảo tính thời gian thực. Tuy nhiên, các kỹ thuật bảo mật thoại tương tự ít quan tâm đến khả năng che dấu lỗi của biến đổi đầu vào và biến đổi đầu ra phụ thuộc biến đổi đầu vào (chính là biến đổi ngược của biến đổi đầu vào), đồng thời để cho không gian khóa lớn cần đòi hỏi độ phức tạp tính toán lớn. 3. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp biến đổi đầu vào có khả năng che dấu lỗi, biến đổi đầu ra độc lập với biến đổi đầu vào và cải tiến lược đồ tạo khóa cho không gia khóa lớn và độ phức tạp tính toán thấp. Đồng thời, luận án cũng chỉ ra cách thức áp dụng phương pháp trên vào bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực nhằm tạo ra chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp tốt và độ mật cao. 7 CHƯƠNG 2 TẠO KHÓA TRONG BẢO MẬT THOẠI TƯƠNG TỰ 2.1. Bài toán chọn khóa Tạo khóa trong mã hóa thoại tương tự là tạo ra hoán vị xáo trộn các thành phần của tín hiệu tiếng nói. Không phải tất cả các hoán vị đều dẫn tới tín hiệu tiếng nói đã mã có độ che lấp tốt mà chỉ có một tập con là phù hợp để sử dụng xóa trộn tiếng nói. Một sắp xếp lại thứ i, q1 , q2 , ..., qn của n phần tử p1 , p 2 ,..., pn , trong tổng số n! cách sắp xếp, được gọi là một hoán vị bậc n . Ký hiệu:  p1 , p2 , ..., pn   pi   q , q , ..., q n   1 2 (2.1) Ma trận hoán vị, Pi của hoán vị pi này là ma trận vuông (nxn) mà mỗi cột của nó có một giá trị bằng 1, các giá trị khác bằng 0 thỏa mãn:  p1 , p2 , ..., pn Pi  (q1 , q2 ,...., qn ) (2.2)  p1 , p2 , ..., pn   (q1 , q2 ,...., qn )Pi-1 (2.3) và: với Pi-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận Pi. Để S biểu diễn tập những khóa hoán vị và S-1 là tập những khóa đảo hoán vị. Về lý thuyết S nên thỏa mãn hai điều kiện sau:  Tất cả những khóa trong S phải tạo ra những tiếng nói không hiểu được.  Đối với mỗi khóa, Pi, trong S tồn tại 1 và chỉ 1 P-1i, trong S -1 mà P-1 có thể sử dụng để giải mã tiếng nói đã được mã hóa bởi P. Sử dụng những khóa khác phải tạo ra tiếng nói không hiểu được. Để I biểu diễn ma trận với tất cả những phần tử của nó nằm ở những vị trí ban đầu. Tính khó hiểu được tạo ra bởi ma trận, Pi, có thể 8 liên quan đến tham số, D(Pi,I) đo khoảng cách từ Pi tới I. Yêu cầu đầu tiên có thể chuyển đổi thành:   D Pi , I  Dth (2.4) Dth là một giá trị ngưỡng được lựa chọn cho giới hạn khó nghe của tín hiệu mã tới một mức chấp nhận được. Đòi hỏi thứ hai yêu cầu hai vấn đề: 1) Ánh xạ hoán vị phải là 1-1, nghĩa là: P 1 ( P(i ))  i, i  1,2,..., N (2.5) N là chiều dài khung hoán vị. 2) Sự so sánh giữa hai khóa. Khoảng cách giữa bất kỳ một cặp khóa ít nhất là ngưỡng, được hiểu là: D Pi , Pj   Dth i  j (2.6) Rất khó khăn để thiết lập thuật toán xây dựng lý thuyết tập S từ N! hoán vị. Thay thế nó, những nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều những tham số khác nhau để có thể thu được giải tích của một xấp xỉ ảnh hưởng tạo ra bởi tham số D lý tưởng. Hai tham số được dùng để đánh giá hoán vị MDP(Mean Permution Distance) và OD (Order of Displacement). Với mọi hoán vị bậc n , ký hiệu d i là vị trí mới của phần tử thứ i trong sắp xếp ban đầu. Bậc thay thế -OD được định nghĩa: OD( p)  min i  d i 1i  n (2.8) Khoảng cách hoán vị trung bình MDP của hoán vị p được định nghĩa: MDP( p )  1 n  i  di n i 1 (2.9) 2.2.1. Thước đo MDP trong hoán vị. a) MDP lớn nhất. Định lý 1: MDP lớn nhất trong tất cả các hoán vị bậc n được tính: 9 MDPmax n   2 n  1  2 2n n  2m; m  1 (2.10) n  2m  1; m  1 b) MDP trung bình của tất cả các hoán vị Định lý 3 . MDP trung bình của tất cả các hoán vị bậc n là: MDPav n   2 1 3n (2.16) 2.1.2. Thước đo OD trong hoán vị a) Không gian khóa của hoán vị tuyệt đối Định lý 4. Không gian khóa của hoán vị n phần tử mà mỗi hoán vị đều là hoán vị tuyệt đối là: n Dn  n! r 0  1r 1 1 1  1n   n!    ...   r! n!   0! 1! 2! (2.23) và công thức truy hồi tính Dn là Dn  (n  1)Dn 1  D n  2  (2.24) với D1  0; D2  1 . b) Giá trị OD lớn nhất Định lý 5: Giá trị lớn nhất của bậc thay thế OD của hoán vị của n phần tử là: n / 2 ODmax   (n  1) / 2 n  2m n  2m  1 2.2. Lược đồ Raymond. 2.2.1. Ánh xạ một hoán vị tới một chỉ số 2.2.2. Ánh xạ một một số nguyên tới hoán vị 2.2.3. Lược đồ hoán vị Raymond (2.33) 10 Mục tiêu: Tạo hoán vị có tất cả các phần tử di chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó. Giải 0  c gj  j; pháp: bộ từ số nguyên 1  j  n 1 g  (n  Tạo 2)!cng 2 số g bộ thừa số c g  [c ng2 , c ng3 ,..., c1g ] , , 0 ≤ g≤ (n-1)!: (2.46) g  (n  3)!c n3  ...  2!c g2  1!c 1g Ánh xạ sang số nguyên f, 0≤ f≤ n! theo: (2.47) f  (n  1)!c gn2  (n  2)!c gn3  ...  3!c g2  2!c 1g  1!.0 thỏa mãn 0  f  n! và 0  c j  j, 1  j  n  1 bộ thừa số g g g c  [c n 2 , c n3 ,...,c1g ,0] là duy nhất với số nguyên f đáp ứng các điều kiện của thuật toán D. Đặt di  c g i  2 ; 3  i  n; và (2.48) d2  0 Phương trình (2.47) trở thành: (2.49) f  d n .(n  1)!d n 1 (n  1)!...  d3 .2! d 2 .1! Áp dụng vào thuật toán P. Thuật toán D (Lược đồ xáo trộn Raymond) : Cho trước một số nguyên g, 0≤g≤(n-1)!, một hoán vị của n phần tử (U1,U2,…,Un) được tạo ra mà tất cả phần tử trong (U1,U2,…,Un) thay đổi vị trí so với vị trí ban đầu của nó và chỉ có một hoán vị duy nhất với 1 số nguyên g. 1. Khởi tạo (U1,U2,…,Un) theo thứ tự tăng dần. 2. với i=2 tới n a. Đặt d i  g mod ( i  1) m  d i  1 ; g  g / i  ; b. Đổi chỗ Um và Ui Lược đồ hoán vị Raymond có bậc thay thế, OD nhỏ nhất bằng 1 và chưa đặt vấn đề khoảng cách hoán vị trung bình, MPD. Không gian khóa, KRaymond cỡ (n-1)!: K Raymond  ( n  1)! với n là độ dài khung hoán vị. 2.3. Lược đồ đề xuất 2.3.1. Lược đồ (2.50) 11 Lược đồ đề xuất: Lược đồ xáo trộn thực hiện với khung xáo trộn có độ dài N. Bộ tạo số ngẫu nhiên trên cơ sở thanh ghi dịch tuyến tính phản hồi (LFSR Linear Feedback Shift Register ) với mầm khởi tạo cho bộ tạo số giả ngẫu nhiên S0 Bước 1: Khởi tạo bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR với S0. Bước 2: Với khung thứ j, j=1,…, mẫu ban đầu (I1,I2,…IN). với i=2,…N 2A. Rịj=một số ngẫu nhiên 8 bit từ bộ tạo số giả ngẫu nhiên; 2B. k= Rij mod (i-1) +1. 2C. Đổi vị trí giữa Ii và Ik Lược đồ được thực hiện trên cơ sở ứng dụng bộ tạo số ngẫu nhiên LFSR rõ ràng có lợi thế hơn lược đồ của Raymond do không phải tính toán và lưu trữ số nguyên lớn cỡ (N-1)! mà chỉ cần bộ tạo số ngẫu nhiên và lưu khởi tạo S0, là mầm khóa cho mỗi cuộc liên lạc, được gọi là khóa phiên. Đồng thời với mỗi mầm khóa S0, thì mỗi khung tiếng nói ban đầu được sử dụng một khóa khác nhau tùy thuộc vào chu kỳ của bộ tạo giả ngẫu nhiên, trong khi với mỗi khóa là số nguyên lớn cho trước, trong lược đồ Raymond, các khung tiếng nói rõ đều mã hóa với một khóa. 2.3.2. Các thuộc tính của lược đồ đề xuất Định lý 6. Lược đồ đề xuất là lược đồ hoán vị tuyệt đối hay tất cả các phần tử được dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó. Chứng minh: Không làm mất tính tổng quát, giả thiết rằng mẫu ban đầu (I1,I2,…,IN) là các số nguyên có giá trị từ 1 đến N nghĩa là I1=1, I2=2,..., IN=N. Từ bước 2B của lược đồ đề xuất ta có: 0k i Bước 2C của lược đồ đề xuất được viết: (2.51) 12 tmp=Ii; (2C1) Ii=Ik ; (2C2) Ik=tmp (2C3) Do điều kiện 0  k  i và giả thiết ban đầu Ii=i, nên tại bước 2C2 ta luôn có Ik - Xem thêm -