混合加密的宋詞載體文本信息隱藏技術(shù)

劉彥辰，王 箭，屈琪鋒

(南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引 言

信息隱藏和加密作為保障信息安全的兩種重要技術(shù)，一個可以隱藏秘密信息的存在，而另一個則變換了消息本身，在國防軍事、隱私保護(hù)、電子商務(wù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。與圖像、視頻等大容量信息隱藏載體相比，文本載體可提供冗余很少，不便嵌入隱藏信息[2]。但由于文本具有應(yīng)用廣泛、處理便捷等特點(diǎn)，如何設(shè)計出更好的文本信息隱藏方案則備受學(xué)界關(guān)注[3-4]。加密技術(shù)針對信息本身進(jìn)行操作，其傳輸載體和傳輸信息是相同的[5]。加密后的密文在信道中以亂碼的形式存在并通過密文截取進(jìn)行破譯或篡改[6-7]。信息隱藏處理的信息和傳輸載體是不同的，從傳輸載體的外觀看并不具有任何實際意義，隱藏在載體內(nèi)的隱寫信息很難引起攻擊者注意，從而降低了被攻擊的風(fēng)險。

現(xiàn)有的一些文本信息隱藏技術(shù)可分為基于文本排版[8-10]、語法內(nèi)容[11-12]和語義生成[13]三類，尚未有將加密技術(shù)與文本信息隱藏相結(jié)合的方案。2009年余振山等[14]在同義詞替換基礎(chǔ)上提出了利用一首宋詞詞牌作為模板的信息隱藏算法“Ci-Steg”，生成了一篇符合該詞牌名的宋詞，但該方法使用單一模板并提取每個位置的詞語作為詞典庫，僅能在模板容量限度內(nèi)嵌入很少信息?，F(xiàn)有的文本信息隱藏方法的安全性和載體隱蔽性較低，已不能滿足現(xiàn)今的應(yīng)用需求。

傳統(tǒng)的文本信息隱藏系統(tǒng)很難隱藏大量的原始信息，幾種結(jié)合加密與信息隱藏的方案大多是以圖像為載體進(jìn)行信息嵌入。王麗君等[15]提出基于DES加密與圖像載體信息隱藏的算法。程顯毅等[16]將DES加密與RSA公鑰加密算法相結(jié)合，應(yīng)用在基于語義水印的數(shù)字簽名算法中。這兩種加密算法缺點(diǎn)較為明顯：一是加密系統(tǒng)安全性和加密效率有待提高，DES算法密鑰長度短，保存和分配困難，容易被攻擊并破解；RSA算法密鑰長度過長，運(yùn)算代價高、速度慢。二是很難在文本載體中嵌入大量內(nèi)容。

文中提出了一種基于“AES-ECC”混合加密的宋詞載體文本信息隱藏方案(SCSA)。將傳輸?shù)脑夹畔⑼ㄟ^混合加密工具進(jìn)行加密后再將這些信息和加密密鑰通過宋詞文本信息隱藏系統(tǒng)進(jìn)行隱藏。加密后的原始信息在宋詞載體文本信息隱藏中進(jìn)行隱蔽傳輸，具有安全性和隱蔽性雙重安全保障。相比文獻(xiàn)[14]，詞典容量進(jìn)一步增大，設(shè)計的信息隱藏和提取方法更為靈活，進(jìn)一步提升了信息嵌入率。相比文獻(xiàn)[15]，在加密效率和加密信息安全性上更優(yōu)。相比文獻(xiàn)[16]，本方案提供了更為適合進(jìn)行隱藏信息嵌入的宋詞作為載體，嵌入率得到較大提升，并且從安全性和隱蔽性兩方面彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[16]的不足。此外，針對較長的信息輸入，提出兩種宋詞載體下的隨機(jī)格律模板選擇算法和指定格律模板算法，使信息隱藏模式更加靈活多變，不容易被攻擊者找到規(guī)律。

1 宋詞載體文本信息隱藏簡介

國內(nèi)外主流文本信息隱藏工具如Nicetext[17]、T-lex等，通過人工制定生成的風(fēng)格模板和詞典生成的載體文本具有生硬、邏輯性差、詞典容量低和極易被識別和攻擊等缺點(diǎn)，嵌入率最高僅1.5%左右。對此，引入宋詞作為文本隱寫載體。

宋詞作為我國古代一種新體詩歌，具有代表音樂性的詞牌，如《滿江紅》《沁園春》《水調(diào)歌頭》等。宋詞提供天然的生成模板供信息嵌入使用。該方案首先對全部宋詞進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)不同詞牌韻律特點(diǎn)制定對應(yīng)的格律模板，并依據(jù)模板對某一詞牌下的全部宋詞進(jìn)行拆分處理得到詞典，詞典容量超過30 000詞。

1.1 宋詞格律模板制定

宋詞詞牌都有固定韻律劃分，分為“平”“仄”“中”三聲，“平”聲調(diào)長，“仄”分為“上、入、去”三聲，聲調(diào)短，“中”則代表平仄均可。根據(jù)每篇詞牌的平仄規(guī)律和分句特點(diǎn)，通過人工的方式進(jìn)行模板制定，將宋詞中的詞語結(jié)合詩詞韻律進(jìn)行劃分，劃成二詞或者三詞的韻律塊，對應(yīng)原句保留標(biāo)點(diǎn)符號，生成宋詞詞牌對應(yīng)的格律模板。以《虞美人》為例，人工制定的模板與原始宋詞對照見表1。

表1 宋詞格律模板制定表

1.2 宋詞的拆分與韻律詞典生成

根據(jù)格律模板集合，將一篇詞牌下符合指定格律模板Ti的宋詞記為CTi，每個詞牌下有多首宋詞符合該模板，符合該模板的宋詞集合記為CTi={Ak|k=1,2,…,poemsnum}。如《虞美人》中包含113首宋詞，poemsnum=113。從表1知，符號“/”將宋詞的每一句劃分成長度為二詞和三詞的韻律塊，使用blocknum表示韻律塊劃分?jǐn)?shù)量。根據(jù)宋詞的韻律規(guī)律，將每個二詞或三詞的韻律塊如“中平”、“中仄”、“平平仄”用韻律塊集合R={Rj|j=1,2,…,rhythmnum}表示，Rj表示任意韻律塊。通過宋詞拆分算法，將宋詞集合CTi中的每一首宋詞Ak拆分成詞語序列(wkR1,wkR2,…,wkRrhythmnum)，將符合同一韻律塊Rj的詞語wkRj存入韻律詞典Dj中，拆分得到韻律詞典。以《虞美人》為例，對poemsnum=113首宋詞進(jìn)行拆分，可以得到“中平”、“平仄”等韻律塊。宋詞拆分與詞典生成的算法描述如下：

算法1：宋詞拆分與詞典生成算法。

步驟1：將140篇宋詞詞牌對應(yīng)的全部首宋詞進(jìn)行格式處理，去除標(biāo)點(diǎn)符號和換行符以便機(jī)器讀取。

步驟2：初始化位置參數(shù)k為零，以及詞典集合D。對每首宋詞和對應(yīng)格調(diào)模板進(jìn)行操作，如果第i個模板的詞牌名與待處理宋詞詞牌名相同，則將位置信息i存入k中。

步驟3：依次對格律模板的每個位置進(jìn)行處理，如位置為j的詞語word[j]對應(yīng)格律模板中同一位置的韻律為rhythm，則將該詞語存入詞典D[rhythm]中。

步驟4：依次處理其余宋詞，將劃分得到的詞語存入詞典，運(yùn)行并集運(yùn)算去除重復(fù)詞語，按照詞典序排列得到完整詞典，得到“平平”等36個韻律塊。

步驟5：使用哈希函數(shù)對詞典內(nèi)全部詞語進(jìn)行散列處理，以文件流形式寫入到詞典的每個位置。

2 基于混合加密的宋詞載體文本信息隱藏算法

2.1 系統(tǒng)工作原理

傳輸雙方共同持有格律模板T和詞典D，傳輸方將原始信息通過混合加密工具AES進(jìn)行加密，使用ECC對AES密鑰進(jìn)行加密，生成數(shù)字信封與密文通過隱寫器以隨機(jī)生成模板或者指定模板方式進(jìn)行隱藏，隱藏后的隱寫信息在隱蔽信道中傳輸。接收方首先使用提取器進(jìn)行還原操作，得到數(shù)字信封和密文兩個文件。在解密過程中，使用ECC私鑰解密數(shù)字信封得到的AES密鑰，進(jìn)行AES解密操作后得到原始信息。

2.2 生成模板選擇

在格律模板集合T={Ti|i=1,2,…,n}中，共有140個模板可用于生成宋詞，用戶可以根據(jù)實際情況，選擇單一模板生成多篇宋詞和隨機(jī)選擇多個模板生成多篇宋詞兩種方案。由1.2節(jié)可知，不同的格律模板Ti包含了blocknum個劃分塊，以《虞美人》為例，共有24個劃分塊。將劃分塊按讀寫順序編號，對于每一個劃分塊Kp，其集合可以表示為：{Kp|p=1,2,…,blocknum}。

其位置上的韻律塊Rj對應(yīng)的詞典行Dj內(nèi)共有Wj個詞語，計算得到每個劃分塊位置Kp可以容納的二進(jìn)制信息長度計算公式：

(1)

在格律模板《虞美人》中，整首詞可容納的信息量可表示為：

(2)

由詞典D內(nèi)的韻律詞庫Dj容量知，“中平”包含2 712個詞(11 bit)，“中仄”包含5 328個詞(12 bit)，“平平仄”包含1 567個詞(10 bit)，“仄平平”包含2 711個詞(11 bit)，“仄平”包含2 253個詞(11 bit)，經(jīng)計算整首詞容量達(dá)到270 bit。

2.2.1 指定格律模板生成

選擇格律模板庫中任一詞牌模板Ti進(jìn)行隱寫生成。模板庫中模板可嵌入信息量與模板對應(yīng)的宋詞風(fēng)格各不相同，長度較短的模板如“搗練子”、“瀟湘神”，通篇僅35字，模板容量分別為119 bit和115 bit。較長的模板如“重樓疊月”，通篇有390字，模板容量可達(dá)1 537 bit。設(shè)傳輸數(shù)據(jù)量長度L為1 000 bit，需要用到4篇長度為270 bit的《虞美人》進(jìn)行生成，多余的模板位置進(jìn)行補(bǔ)零操作以增加冗余。算法2對此過程進(jìn)行了簡要描述。

算法2：指定格律模板生成算法。

輸入：需要隱寫的秘密信息長度L，隱藏信息的模板Ti；

輸出：倍增的模板放在TEMPLETE.txt。

While(L>0)

L=L-T.length;

put T into template;

end while；

return S;

算法優(yōu)點(diǎn)在于通信雙方可根據(jù)傳輸信息長短進(jìn)行人工選擇，選取嵌入率高的模板進(jìn)行生成，在遇到緊急情況時可以更換傳輸模板，從而避免被敵手攻擊。

2.2.2 隨機(jī)選擇不同格律模板生成

算法3：隨機(jī)格律模板選擇算法。

輸入：需要隱寫的秘密信息長度L，140篇已經(jīng)預(yù)處理(按容量升序排序)的模板Ti；

輸出：生成的模板文件TEMPLETE.txt。

while(L>500)//如果超過500則可以至少放兩個模板，隨機(jī)選一個新的模板放入

k=rand(T.length);//從T.length首詞的模板中隨機(jī)選一個

put T[k] into template;

L=L-k;//除去對應(yīng)編號

end while；

l=1;//二分查找下界是1

r=T.length;//二分查找上界為模板的數(shù)量

while(l

mid=(l+r)/2;//二分查找中間模板的長度

if(mid==L) {l=mid;break};//如果長度剛好，則選取中間值

if(mid>L) r=mid+1;//如長度較短，則選取較大的一段區(qū)間

if(mid

end if；

end if；

end if；

end while；

put T[l] into template;//將編號為l的模板存入模板文件

2.3 加密信息隱寫

通過信息隱藏算法對加密后的信息進(jìn)行隱藏以生成隱寫宋詞。以1.2節(jié)給出的《虞美人》為例，格律模板第一行為“中平/中仄/平平仄？/中仄/平平仄。/”，結(jié)合韻律詞庫Dj對詞典進(jìn)行編碼。為方便舉例，對選詞數(shù)量取2的整數(shù)倍進(jìn)行表示，假設(shè)“中仄”含有16個詞，即可以表示4位。詞典編碼如表2所示。

表2 詞典編碼

接收到的加密信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼：“01101011011001010”，將這段編碼按照格律模板中每個位置的容量劃分為“3/4/3，4/3”后，將編碼按照位置容量進(jìn)行劃分，得到劃分后的編碼串“011”、“0101”、“101”、“1001”、“010”。在韻律詞典中找到對應(yīng)的詞語，分別是“青枝”、“柳雨”、“何人見”、“細(xì)雨”、“煙云起”。將詞語填入格律模板對應(yīng)的位置，就可以得到改寫的《虞美人》第一句：“青枝柳雨和人見？細(xì)雨煙云起”。在這句中嵌入了17 bit信息，若使用已生成的完整詞庫，可嵌入的容量可表示為：

(3)

設(shè)詞典庫容量進(jìn)一步擴(kuò)大，可嵌入的信息量會進(jìn)一步增大。算法4對加密信息隱藏過程進(jìn)行了描述。

算法4：加密信息隱寫算法。

輸入：待隱寫的加密信息，宋詞模板庫文件TEMPLETE.txt；

輸出:包含隱寫信息的多篇完整宋詞S。

m’=0;

Len=0;

m’=strToBinstr(m);

For the input secret message m, all converted to binary coded m;’//對于輸入秘密消息m，全部轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼m’

if(m’.getLength()

rsta();//重新生成模板

end if；

if(m’.getLength( )

end if；

for each block∈tido

Len=log(Wj);

B=the next Len binary number in m’;

n=binToDec(B);//將B由二進(jìn)制編碼轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制編碼存入n;

word[i]=n;//word[i];表示這個韻律下詞典里面的第i個詞

S.add(word[i]); //將每個詞填入宋詞S的每個位置

end for；

return S;

2.4 隱寫信息提取

接收方收到含有隱藏信息的宋詞后，通過詞典D和宋詞格律模板庫T，以提取算法經(jīng)還原得到秘密信息m'。由上一節(jié)所示，接收到的隱寫宋詞一句為“青枝柳雨和人見？細(xì)雨煙云起。”根據(jù)這句對應(yīng)的詞牌《虞美人》在對應(yīng)位置的格律模板“中平/中仄/平平仄？/中仄/平平仄。/”將這句詞劃分為“青枝”、“柳雨”、“何人見”、“細(xì)雨”、“煙云起”的詞語序列，由表3可以進(jìn)一步得到秘密信息m'=“01101011011 001010”。算法5對隱寫信息提取過程進(jìn)行了描述。

算法5：秘密信息提取算法(Extract)。

輸入：宋詞模板T，生成的包含秘密信息的隱寫宋詞S；

輸出:加密消息m。

m’=null;for eachblock∈tido //對多篇宋詞每篇按照格律的劃分進(jìn)行操作

for each word∈D[rhythm] do //對于每個劃分塊進(jìn)行操作

if(word[i]==blockword) //第i個詞和這個位置的詞對應(yīng)

k=i; 將位置信息i記錄為k

break；

end if；

end for；

Len=log(Wj);

k’=decToBin(k);

m’=m’.add(k’);//迭代生成二進(jìn)制秘密信息m’

end for；

m=binToStr(m’);//將二進(jìn)制下的秘密信息m’進(jìn)行還原returnm;

3 安全性分析與性能分析

3.1 安全性分析

該方案提出的隱藏算法使用了宋詞這種天然生成模板進(jìn)行生成，隱寫宋詞在長短、句式、韻律以及詞牌等語言要素上與原始宋詞毫無區(qū)別，攻擊者得到了隱寫宋詞后無法通過機(jī)器進(jìn)行檢測和分析。同時，由于經(jīng)混合加密操作后生成的密文信息是一串不具有任何意義的亂碼，相當(dāng)于對原始信息人為地加入了隨機(jī)噪聲，無形中為原始信息增加了另一重安全。

3.2 性能分析

該系統(tǒng)使用的AES-ECC混合加密工具和隱寫提取算法，選取10個長度為100字的中文文本樣本，對加密、隱藏、提取和解密過程時長進(jìn)行測試，采用的實驗平臺為Visual Stdio2013，運(yùn)行環(huán)境為Windows 10，64位操作系統(tǒng)，基于Core(TM) i5-3230 M，2.6 GHz的處理器，4 GB內(nèi)存。時耗對比如圖1所示。

圖1 SCSA運(yùn)行過程耗時對比

4 實 驗

4.1 實驗結(jié)果

在對宋詞的預(yù)處理中，得到了《暗香》等140個格律模板作為生成模板以及來自《全宋詞》2 538首宋詞經(jīng)拆分后，刪除了生僻漢字且經(jīng)過去重和哈希重置后容量達(dá)30 278詞的詞典。混合加密工具和隱寫算法對輸入的信息語種無要求，在隱寫過程中會將加密信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制來表示。當(dāng)輸入的待傳信息為1 024 bit的毛澤東七律詩《長征》時，使用隨機(jī)選擇模板算法密文文件和數(shù)字信封進(jìn)行隱寫，生成的隱寫宋詞如圖2所示。

《夜游宮》夢燕均歡見也,慶歲歲懶攜相繼。掛也山亭算未有。酒消磨謾贏得欺賀晏。歸魂年華占,料帶角飄紅無覓。盡了柔條幾心酌。六千場紀(jì)今辰想當(dāng)時?！耳p鴣天》更祝論長翠巖屏,寒猿睡魂怕春知。年時天竺漂流處,風(fēng)骨歡離何處嬌。唱新詞,更何疑。骨清番做步溪橋。風(fēng)寒暮暮流云碎,相和回惶度管弦?！锻h(yuǎn)行》葡萄夢驚,江南雨,歸路林泉入覲。晚蟬鎮(zhèn)護(hù),樹色桃源,夢去星橫橋畔。獨(dú)步瓊珠,開口屢更深掩,消得茂林凝皓。滿疏籬,林表葡萄每臨。清和,宮女影凝日下,瞻圣主,陽臺俄頃。何遜身世,屢更稱少,歡伯宴游政爾。啟母楊花,張緒弄涼如人道,恨遠(yuǎn)慧刀臨流。步月來爇白,璿樞爇白。

圖2 生成的隱寫宋詞

當(dāng)輸入1 024 bit信息經(jīng)混合加密工具處理后，生成AES加密后的1 024 bit密文和長為160 bit的AES密鑰文件(數(shù)字信封)，使用隨機(jī)模板選擇算法將生成4篇不同詞牌宋詞?？梢娀旌霞用懿⑽磶磉^高的通信壓力，反之對系統(tǒng)安全性的提升非常顯著，也避免了通信雙方進(jìn)行密鑰協(xié)商所帶來的不便。

4.2 對比分析

本節(jié)將對文中方案的兩種隱寫宋詞生成方法嵌入率進(jìn)行分析以及和當(dāng)前Nicetext以及Ci-steg等主流文本信息隱藏方案進(jìn)行對比。

使用的140篇宋詞格律模板長短不一，較長的模板如298個字的《鶯啼序》，244字的《哨遍》；較短的模板如43字的《相見歡》。經(jīng)實驗得知，模板提供的信息嵌入率與模板長度無關(guān)，較短的模板也可以提供很高的嵌入率。如138字的《過秦樓》，嵌入率可達(dá)到28.13%，60字的《河瀆神》，嵌入率也達(dá)到了27.5%，反之《鶯啼序》只有26.5%，嵌入率最低的模板《漁歌子》也達(dá)到了20.15%。故而模板的嵌入率與每個劃分塊的韻律詞典容量相關(guān)，包含大容量韻律詞典的模板可以提供較高的嵌入率，進(jìn)一步增大詞典容量是提高嵌入率的一種途徑。在實驗中，當(dāng)輸入1 024 bit的10個加密信息樣本后，使用隨機(jī)模板生成算法與指定單一模板(《念奴嬌》等)算法生成隱寫宋詞，得到的嵌入率對比如圖3所示。

由圖3可見，隨機(jī)模板生成算法在運(yùn)行10次時得到的平均嵌入率達(dá)到了24.2%，雖然不如一些指定模板，但因其每次均能生成不同詞牌宋詞，可以動態(tài)找尋長短較為匹配的模板，模板利用率較高，生成方式更為靈活，令攻擊者無規(guī)律可尋，安全性較強(qiáng)。

同時，將本方案SCSA(單一模板STSA與隨機(jī)模板RTSA)和Ci-steg[14]、Nicetext的信息嵌入率進(jìn)行比較，分別輸入1 024 bit的10個不同樣本數(shù)據(jù)。不同方案的嵌入率對比如圖4所示。

圖3 SCSA兩種生成方案的嵌入率對比

圖4 SCSA方案與其他方案的嵌入率對比

由圖4可見，STSA因選擇模板不同，嵌入率保持在20.15%～28.13%；RTSA嵌入率平均在24.2%，Ci-steg維持在16.1%，而Nicetext僅為1.5%左右。相比現(xiàn)有方案，文中方案在嵌入率和安全性上有了大幅提升，且性能更好。

5 結(jié)束語

文中提出了一種全新的文本信息隱藏算法，結(jié)合AES算法和ECC算法設(shè)計了一種混合加密工具，應(yīng)用于宋詞載體文本信息隱藏系統(tǒng)中。與現(xiàn)有隱寫工具相比，具有嵌入率高、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)。后期將加以改進(jìn)，如將唐詩、現(xiàn)代題材詩詞中符合平仄韻律的詞語加入詞典庫以提高詞典容量，提高載體的嵌入率；對詞典進(jìn)行處理，將不同詞性的詞語進(jìn)行分類，在生成宋詞時按照詞性加以區(qū)分，可使生成的宋詞連貫性更強(qiáng)，從而提高信息隱藏系統(tǒng)的隱蔽性。

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