Tài liệu Bảo đảm sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu quan hệ bằng kỹ thuật thủy vân và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ HỒNG BẢO ĐẢM SỰ TOÀN VẸN CHO CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ BẰNG KỸ THUẬT THỦY VÂN VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60 48 01 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Thế Hồng THÁI NGUYÊN - 2016 i LỜI NÓI ĐẦU Để hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Thế Hồng đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong trường Đại học Công nghệ và truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tận tình trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn các Thầy, Cô giáo trong trường TH Kinh tế - Kỹ thuật Hòa Bình đã tạo điều kiện học tập, nghiên cứu, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn cũng như trong quá trình học tập. Lời cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Thái nguyên, ngày tháng năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Hồng ii LỜI CAM KẾT Tôi xin cam đoan luận văn “Bảo đảm sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu quan hệ bằng kỹ thuật thủy vân và ứng dụng” này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Bùi Thế Hồng. Các kết quả và dữ liệu sử dụng trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố tại bất kỳ tại công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hồng iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................... i LỜI CAM KẾT ............................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................... iii Danh mục bảng các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................... vi Danh mục các bảng .................................................................................... vii Danh mục các hình vẽ ............................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ ...... 5 1.1. Các khái niệm về cơ sở dữ liệu .......................................................... 5 1.1.1. Cơ sở dữ liệu .................................................................................. 5 1.1.2. Mô hình dữ liệu quan hệ ................................................................. 5 1.1.3. Quan hệ, lược đồ quan hệ ............................................................... 7 1.2. Một số khái niệm về thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ ......................... 8 1.2.1. Thủy vân ........................................................................................ 8 1.2.2. Thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ.................................................... 9 1.2.3. Khóa thủy vân .............................................................................. 10 1.2.4. Lược đồ thủy vân.......................................................................... 11 1.2.5. Sự cần thiết của các kỹ thuật thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ........ 12 1.3. Các yêu cầu của thủy vân trên cơ sở dữ liệu quan hệ ....................... 14 1.3.1. Khả năng có thể phát hiện ............................................................ 15 iv 1.3.2. Tính bền vững và dễ vỡ ................................................................ 15 1.3.3. Khả năng cập nhật dữ liệu ............................................................ 16 1.3.4. Tính ẩn và hiện ............................................................................. 16 1.3.5. Phát hiện mù................................................................................. 17 1.4. Ứng dụng của thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ ................................. 17 1.4.1. Bảo vệ bản quyền ......................................................................... 17 1.4.2. Đảm bảo sự toàn vẹn .................................................................... 18 1.4.3. Giấu vân tay ................................................................................. 19 1.5. Những tấn công trên thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ ....................... 19 1.5.1. Cập nhật thông thường ................................................................. 20 1.5.2. Tấn công có chủ đích.................................................................... 20 1.6. Hàm băm ......................................................................................... 22 1.6.1. Đặc điểm hàm băm MD5.............................................................. 22 1.6.2. Nhận xét về MD5 ......................................................................... 24 1.7. Kết luận chương .............................................................................. 24 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG LƯỢC ĐỒ THỦY VÂN ĐẢM BẢO SỰ TOÀN VẸN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ .............................................................. 26 2.1. Một số lược đồ thủy vân đảm bảo sự toàn vẹn cơ sở dữ liệu quan hệ ............................................................................................................... 26 2.1.1. Thủy vân với thuộc tính phân loại ................................................ 26 2.1.2. Thủy vân với dữ liệu kiểu số ........................................................ 27 v 2.1.3. Thủy vân với dữ liệu không phải kiểu số ...................................... 29 2.2. Xây dựng kỹ thuật thủy vân để đảm bảo sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu quan hệ ................................................................................................... 30 2.2.1. Thuật toán nhúng thủy vân ........................................................... 32 2.2.2. Thuật toán phát hiện thủy vân....................................................... 35 2.2.3. Thuật toán xóa thủy vân ............................................................... 41 2.3. Kết luận chương .............................................................................. 41 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THỬ NGHIỆM ................................................. 42 3.1. Xây dựng thử nghiệm thủy vân........................................................ 42 3.1.1. Đặt vấn đề .................................................................................... 42 3.1.2. Cơ sở dữ liệu ứng dụng ................................................................ 42 3.1.3. Thiết kế chương trình ................................................................... 44 3.2. Đánh giá kết quả thử nghiệm ........................................................... 48 3.2.1. Thử nghiệm chương trình ............................................................. 48 3.2.2. Đánh giá kết quả thử nghiệm ........................................................ 56 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 58 vi Danh mục bảng các ký hiệu và chữ viết tắt Ký hiệu Ý nghĩa của ký hiệu R r Lược đồ quan hệ Quan hệ thuộc lược đồ R v Số bộ trên quan hệ r Ω Tập thuộc tính trên quan hệ r α Giá trị cho trước K Khóa thủy vân P Mật độ thủy vân ξ Bộ dữ liệu thay đổi W Thủy vân Bộ đã thủy vân trên quan hệ t H() k S F a D Bộ trong D Hàm băm Khóa chính Kích thước tập dữ liệu D Hàm khoảng cách Giá trị thuộc tính Tập dữ liệu vii Danh mục các bảng Bảng 1.1. Biểu diễn quan hệ r ...................................................................... 13 Bảng 3.1. Một số bộ trong quan hệ Giáo viên (GiaoVien) ............................ 48 Bảng 3.2. Một số bộ trong quan hệ Môn học (MonHoc) ............................... 48 Bảng 3.3. Một số bộ trong quan hệ Sổ điểm (SoDiem) ................................. 49 Bảng 3.4. Một số bộ trong quan hệ Lớp học (LopHoc) ................................. 49 Bảng 3.5. Một số bộ trong quan hệ Điểm Tốt Nghiệp (DTN) ........................ 50 Bảng 3.6. Một số bộ trong quan hệ Văn Bằng (VanBang) ............................ 50 Bảng 3.7. Một số bộ trong quan hệ Điểm quá trình (DiemQT) ..................... 50 Bảng 3.8. Một số bộ trong quan hệ Sinh viên (SinhVien).............................. 51 Bảng 3.9. Một số bộ quan hệ GiaoVien đã thủy vân ..................................... 51 Bảng 3.10. Một số bộ quan hệ MonHoc đã thủy vân .................................... 52 Bảng 3.11. Một số bộ quan hệ SoDiem đã thủy vân...................................... 52 Bảng 3.12. Kết quả kiểm tra thủy vân khi có sự tác động thêm bộ ................ 54 Bảng 3.13. Kết quả kiểm tra thủy vân khi có sự tác động sửa bộ .................. 55 Bảng 3.14. Kết quả kiểm tra thủy vân khi có sự tác động xóa bộ .................. 55 viii Danh mục các hình vẽ Hình 1.1. Sơ đồ mô tả lược đồ nhúng thủy vân ............................................. 12 Hình 1.2. Sơ đồ mô tả lược đồ phát hiện thủy vân ........................................ 12 Hình 1.3. Sơ đồ vòng lặp chính của MD5 .................................................... 24 Hình 2.1. Sự thay đổi của tham số mật độ thủy vân phát hiện trên các tập con khác nhau có cỡ tối thiểu (N) từ tổng cộng 100.000 bản ghi. Ba đường cong trong hình này tương ứng với ba giá trị khác nhau của n và p. .................. 39 Hình 2.2. Tỷ lệ các bộ bị sửa đổi với các giá trị P khác nhau ....................... 40 Hình 3.1. Lược đồ cơ sở dữ liệu thử nghiệm ................................................. 44 Hình 3.2. Giao diện chương trình ................................................................. 45 Hình 3.3. Cửa sổ thông báo cơ sở dữ liệu đã thủy vân ................................. 46 Hình 3.4. Cửa sổ thông báo kiểm tra toàn vẹn cơ sở dữ liệu ........................ 46 Hình 3.5. Cửa sổ thông báo kiểm tra toàn vẹn cơ sở dữ liệu ........................ 47 Hình 3.6. Cửa sổ thông báo xóa thủy vân ..................................................... 47 Hình 3.7. Cửa sổ thông báo khi sai tên cơ sở dữ liệu.................................... 53 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học công nghệ thông tin, Internet đã trở thành một nhu cầu, phương tiện không thể thiếu đối với mọi người. Với lượng thông tin lớn được truyền qua mạng thì nguy cơ dữ liệu bị truy cập trái phép cũng tăng lên. Trong bối cảnh như vậy, việc thực thi quyền sở hữu dữ liệu và đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu là một yêu cầu quan trọng đòi hỏi các giải pháp đồng bộ, bao gồm các khía cạnh về kỹ thuật, về tổ chức và cả luật pháp. Đi tìm giải pháp cho những vấn đề này không chỉ giúp ta hiểu thêm về công nghệ phức tạp đang phát triển rất nhanh này mà còn đưa ra những cơ hội kinh tế mới cần khám phá. Một trong các giải pháp nhiều triển vọng là thủy vân. Thủy vân là một phương pháp dùng để bảo vệ các sản phẩm số. Nó có thể được dùng trong các lĩnh vực bảo vệ bản quyền, chống sao chép, phân biệt giả mạo,....Thủy vân là phương pháp mới dựa trên lý thuyết tổng hợp của nhiều lĩnh vực như mật mã học, lý thuyết thông tin, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu số. Mục đích của phương pháp này là dấu thêm một lượng thông tin vào sản phẩm và lượng thông tin này gọi là thủy vân. Thuỷ vân đã được sử dụng với mong muốn có thể cho phép chứng minh được tác giả và nguồn gốc của cơ sở dữ liệu để từ đó chứng minh dữ liệu là chuẩn xác. Bảo vệ bản quyền, xác thực thông tin, nhận dạng các đặc trưng duy nhất của dữ liệu quan hệ hiện đang là một nhu cầu cấp thiết và là thách thức mới đối với các kỹ thuật thuỷ vân trên cơ sở dữ liệu quan hệ. Các ứng dụng và sản phẩm số trong đó bao gồm cả cơ sở dữ liệu quan hệ được phát triển và phân phối rộng khắp. Do cơ sở dữ liệu quan hệ có nhiều 2 ngữ cảnh ứng dụng trong đó dữ liệu trở nên thành một tài sản quan trọng, vì vậy vấn đề về quyền sở hữu và đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu phải được thực thi một cách cẩn thận. Ví dụ dữ liệu về thời tiết, dữ liệu về thị trường chứng khoán, dữ liệu về hành vi của khách hàng, dữ liệu về điều tra dân số, dữ liệu y học và khoa học, trong giáo dục, ...Việc nhúng thuỷ vân vào dữ liệu quan hệ có thể thực hiện được bởi trong thực tế, các dữ liệu thật có thể chấp nhận một dung sai nhỏ mà vẫn không ảnh hưởng đáng kể đến giá trị sử dụng của chúng. Việc quản lý bản quyền và đảm bảo sự toàn vẹn các dữ liệu quan hệ bằng thuỷ vân đã và đang trở thành một chủ đề quan trọng trong các nghiên cứu về cơ sở dữ liệu. Thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ đang nhận được nhiều sự quan tâm cũng như nghiên cứu của các chuyên gia trên thế giới và trong nước. Xuất phát từ thực tế trên, luận án lựa chọn đề tài “Bảo đảm sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu quan hệ bằng kỹ thuật thủy vân và ứng dụng”, nhằm nghiên cứu kỹ thuật thủy vân đối với cơ sở dữ liệu quan hệ nhằm xác minh sự toàn vẹn dữ liệu. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận văn là lược đồ thủy vân áp dụng trên cơ sở dữ liệu quan hệ cụ thể là nghiên cứu xây dựng nhúng và phát hiện thủy vân để đảm bảo toàn vẹn cơ sở dữ liệu quan hệ. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu xây dựng nhúng và phát hiện thủy vân để giải quyết bài toán xác minh tính toàn vẹn đối với cơ sở dữ liệu quan hệ của trường TH Kinh tế - Kỹ thuật Hòa Bình. 3 3. Hướng nghiên cứu của đề tài Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ, xây dựng lược đồ thủy vân đảm bảo sự toàn vẹn cơ sở dữ liệu quan hệ, lựa chọn phương pháp phù hợp và ứng dụng thử nghiệm dựa trên phương pháp lựa chọn. Luận văn tập trung nghiên cứu dựa trên phương pháp thủy vân đơn giản nhưng hiệu quả dựa vào việc hoán vị các thuộc tính. Ý tưởng của phương pháp này là hoán vị một vài giá trị thuộc tính trên cùng một cột của cơ sở dữ liệu trên các bộ khác nhau trong khi những thuộc tính khác được giữ nguyên. Nếu dữ liệu là số thì một thay đổi như vậy sẽ không ảnh hưởng tới bất kỳ một thống kê nào. Nếu các giá trị thuộc tính có thể được kiểm soát tự động thì cách tiếp cận này không dẫn đến một điểm yếu nào khi hầu hết các giá trị thuộc tính được giữ nguyên trừ một vài giá trị bị hoán vị giữa các bộ và đảm bảo được tính toàn vẹn đối với cơ sở dữ liệu quan hệ. Dựa trên phương pháp này nghiên cứu đưa ra lược đồ thủy vân đảm bảo sự toàn vẹn cơ sở dữ liệu mà không bị thay đổi dữ liệu gốc dù là nhỏ nhất. Ứng dụng dựa trên phương pháp nghiên cứu đưa ra để cài đặt thử nghiệm đối với cơ sở dữ liệu quan hệ nói chung và thử nghiệm trên cơ sở dữ liệu trường TH Kinh tế - Kỹ thuật Hòa Bình nói riêng. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận văn thuộc ngành khoa học máy tính nên chủ yếu sử dụng phương pháp tiếp cận lý thuyết, sau đó áp dụng những lý thuyết cụ thể sử dụng phần mềm C# để lập trình kiểm chứng. Cụ thể sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính sau: 4 - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập tài liệu về thủy vân, thủy vân trong cơ sở dữ liệu quan hệ. Từ đó nghiên cứu lý thuyết các phương pháp thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ đảm bảo sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu và bảo vệ bản quyền, đồng thời đưa ra phương pháp để giải quyết bài toán đảm bảo tính toàn vẹn cơ sở dữ liệu quan hệ. Phân tích phương pháp thủy vân dựa vào phép hoán vị các thuộc tính nhằm giải quyết bài toán. - Phương pháp thực nghiệm: Luận văn lựa chọn một số dữ liệu trong Trường TH Kinh tế - Kỹ thuật để thực hiện thủy vân. Cài đặt thử nghiệm trên C# sau đó đánh giá kết quả đạt được. 5. Ý nghĩa khoa học của đề tài Nắm được một số kỹ thuật thủy vân, đưa ra cơ sở khoa học của việc lựa chọn kỹ thuật để mã hoá và giải mã thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ đảm bảo tính toàn vẹn. Xây dựng cơ sở khoa học bài toán đảm bảo tính toàn vẹn cơ sở dữ liệu quan hệ. 6. Những nội dung nghiên cứu chính Luận văn ngoài các phần mở đầu và phần kết luận, luận văn được trình bày thành ba chương như sau: Chương 1. Tổng quan thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ. Chương 2. Xây dựng lược đồ thủy vân đảm bảo sự toàn vẹn cơ sở dữ liệu quan hệ. Chương 3. Ứng dụng thử nghiệm. 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ 1.1. Các khái niệm về cơ sở dữ liệu 1.1.1. Cơ sở dữ liệu Định nghĩa 1.1: Cơ sở dữ liệu là một bộ sưu tập rất lớn về các loại dữ liệu tác nghiệp, bao gồm các loại dữ liệu âm thanh, tiếng nói, chữ viết, văn bản, đồ hoạ, hình ảnh tĩnh hay hình ảnh động....được mã hoá dưới dạng các chuỗi bit và được lưu trữ dưới dạng File dữ liệu trong các bộ nhớ của máy tính [2]. Định nghĩa 1.2: Cơ sở dữ liệu là một tập hợp các dữ liệu có liên quan với nhau, mô hình hóa các đối tượng của một phần thế giới thực (một công việc, một trường học,…) [1]. 1.1.2. Mô hình dữ liệu quan hệ Mô hình quan hệ biểu thị cơ sở dữ liệu như một tập các quan hệ. Mỗi quan hệ có thể được biểu diễn như một bảng giá trị, mỗi dòng trong bảng biểu thị một tập hợp các giá trị dữ liệu liên quan với nhau. Trong quá trình thiết kế và xây dựng các hệ quản trị cơ sở dữ liệu, người ta tiến hành xây dựng các mô hình dữ liệu. Mô hình dữ liệu phải thể hiện được các mối quan hệ bản chất của các dữ liệu mà dữ liệu này phản ánh các mối quan hệ và các thực thể trong thế giới thực. Mô hình dữ liệu phản ánh khía cạnh cấu trúc logic mà không đi sâu vào khía cạnh vật lý của cơ sở dữ liệu. Mô hình dữ liệu là một sự hình thức hóa toán học với một tập ký hiệu để mô tả dữ liệu và một tập các phép toán được sử dụng để thao tác các dữ liệu này. Khi xây dựng các mô hình dữ liệu cần phân biệt các thành phần cơ bản sau: 6 - Thực thể: Là đối tượng có trong thực tế mà chúng ta cần mô tả các đặc trưng của nó. - Thuộc tính: Là các dữ liệu thể hiện các đặc trưng của thực thể. - Ràng buộc: Là các mối quan hệ logic của các thực thể. Ba thành phần cơ bản trên được thể hiện ở hai mức: Mức loại dữ liệu: là sự khái quát hóa các ràng buộc, các thuộc - tính, các thực thể cụ thể. - Mức thể hiện: Là một ràng buộc cụ thể, hoặc là các giá trị thuộc tính, hoặc là một thực thể cụ thể. Trên thực tế có một số mô hình dữ liệu đã được nghiên cứu: - Mô hình dữ liệu mạng: Thể hiện trực tiếp các ràng buộc tùy ý giữa các loại bản ghi. Là mô hình dữ liệu được biểu diễn bởi một đồ thị có hướng. - Mô hình dữ liệu quan hệ: Các ràng buộc được thể hiện qua các quan hệ tức là bảng giá trị. Mô hình dựa trên lý thuyết tập hợp và đại số quan hệ. Vì tính chất chặt chẽ của toán học về lí thuyết tập hợp nên mô hình này đã mô tả dữ liệu một cách rõ ràng, uyển chuyển và trở thành rất thông dụng. Mô hình dữ liệu quan hệ được quan tâm là vì nó được xây dựng trên cơ sở toán học chặt chẽ. Mô hình dữ liệu quan hệ cung cấp các khái niệm chặt chẽ được hình thức hóa cao, cho phép áp dụng các cộng cụ toán học, các thuật toán tối ưu trên mô hình dữ liệu quan hệ. Mô hình dữ liệu quan hệ được trừu tượng hóa cao và chỉ dừng ở mức logic. - Mô hình dữ liệu hướng đối tượng: Cho phép biểu diễn dữ liệu tự nhiên và sát với thực tế hơn cả. Tuy nhiên cho đến nay, chưa có một cơ sở toán học tốt hình thức hóa ở mức cao, chặt chẽ đối với mô hình này. 7 1.1.3. Quan hệ, lược đồ quan hệ Định nghĩa 1.3: Quan hệ Cho U = {A1, A2, …, An} là một tập hữu hạn không rỗng các thuộc tính. Mỗi thuộc tính Ai (i =1, 2, …, ) có miền giá trị là Dom(Ai). Khi đó r là một tập các bộ {r1, r2, …, rm} được gọi là quan hệ trên U với rj (j = 1, 2, …, m) là một hàm rj: U  D Ai sao cho rj.Ai Dom(Ai) (i =1, 2, …, ). Ai U Định nghĩa 1.4: Quan hệ Cho một quan hệ r xác định trên tập thuộc tính Ω = {A1, A2, …, An}. Khi đó r = Dom (A1) x Dom (A2) x … x Dom (An), trong đó Dom (Ai) là miền của thuộc tính Ai là tập các giá trị có thể của thuộc tính đó. Như vậy quan hệ r là một tập hợp các n_bộ có dạng: r = {(a1, a2, …, an) | ai Dom (Ai), i = 1, 2, …, n} Có thể xem một quan hệ như một bảng, trong đó mỗi hàng (phần tử) là một bộ và mỗi cột tương ứng với một thành phần gọi là thuộc tính. Biểu diễn quan hệ r thành bảng như sau: A1 A2 … An r1 r1.A1 r1.A2 … r1.An r2 r2.A1 r2.A2 … r2.An … … … … … rm rm.A1 rm.A2 … rm.An Bảng 1.1. Biểu diễn quan hệ r Định nghĩa 1.5: Lược đồ quan hệ Tập tất cả các thuộc tính trong một quan hệ cùng với mối liên hệ giữa chúng được gọi là lược đồ quan hệ. Lược đồ quan hệ R với tập thuộc tính U = {A1, A2, ..., An} được viết là R(U) hoặc R(A1, A2, .., An). 8 Định nghĩa 1.6: Lược đồ quan hệ Một lược đồ quan hệ R, ký hiệu là R(A1, A2, .., An) được tạo nên từ một tên quan hệ R của một danh sách các thuộc tính A1, A2, .., An. Mỗi thuộc tính Ai là tên vai trò của một miền D nào đó trong lược đồ quan hệ R [1]. 1.2. Một số khái niệm về thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ 1.2.1. Thủy vân “Thuỷ vân” là kỹ thuật đánh dấu chìm một hình ảnh, một logo, hay một dữ liệu nào đó lên trên giấy nhằm mục đích trang trí và phân biệt được xuất xứ của sản phẩm giấy. Như vậy, thông tin cần giấu được gọi là thuỷ vân (watermark). Nhúng thủy vân (watermarking) là một trong những kỹ thuật giấu dữ liệu hiện đại, là quá trình chèn thông tin vào dữ liệu đa phương tiện nhưng bảo đảm không nhận biết được, nghĩa là chỉ làm thay đổi nhỏ dữ liệu gốc. Thông thường người ta chỉ đề cập đến nhúng thủy vân số. Một tập các dữ liệu số thứ cấp - gọi là mã đánh dấu bản quyền hay thủy vân, được nhúng vào dữ liệu số sơ cấp - gọi là dữ liệu bao phủ (ví dụ như văn bản, hình ảnh, âm thanh và phim số, ...). Dữ liệu sau quá trình nhúng được gọi là dữ liệu nhúng. Thuỷ vân mô tả thông tin có thể được dùng để chứng minh quyền sở hữu hoặc chống xuyên tạc. Có hai loại thuỷ vân, đó là: thuỷ vân bền vững và thuỷ dễ vỡ. • Thuỷ vân bền vững (robust watermark): Là thuỷ vân tồn tại bền vững cùng với dữ liệu, không dễ dàng bị phá huỷ trước những biến đổi, tấn công lên dữ liệu. Các kỹ thuật này thường được dùng trong các ứng dụng bảo vệ bản quyền, chứng minh quyền sở hữu. • Thuỷ vân dễ vỡ (fragile watermark): Là thuỷ vân dễ bị biến đổi trước những biến đổi hay tấn công lên dữ liệu. Các kỹ thuật này thường được dùng trong các ứng dụng xác thực thông tin, đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu. 9 1.2.2. Thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ Hiện nay Internet phát triển với tốc độ nhanh và cùng với sự pháp triển của khoa học công nghệ các sản phẩm kỹ thuật số càng phát triển mạnh. Việc sử dụng các cơ sở dữ liệu trong các ứng dụng càng ngày càng tăng lên đang tạo ra một nhu cầu tương tự đối với thủy vân cơ sở dữ liệu. Việc bảo vệ dữ liệu khi mà Internet phát triển mạnh hiện đang đưa đến một sức ép nặng nề cho những người muốn bảo vệ dữ liệu trong việc tạo ra các dịch vụ cho phép người sử dụng tìm kiếm và truy cập cơ sở dữ liệu từ xa. Mặc dù xu hướng này là hữu ích cho người dùng cuối nhưng nó cũng bộc lộ một mối nguy hiểm cho những nhà cung cấp dữ liệu trước những kẻ trộm cắp dữ liệu. Do đó, những người cung cấp dữ liệu đòi hỏi phải có công nghệ nhận dạng được những bản sao các cơ sở dữ liệu của họ bị đánh cắp. Vì vậy, việc thực thi quyền sở hữu dữ liệu, đảm bảo sự toàn vẹn cho dữ liệu là một yêu cầu quan trọng đòi hỏi các giải pháp đồng bộ, bao gồm các khía cạnh về kỹ thuật, về tổ chức và cả luật pháp. Mặc dù vẫn chưa có được những giải pháp toàn diện như vậy nhưng trong các năm gần đây, các kỹ thuật thuỷ vân đã đóng vai trò quyết định nhằm giải quyết vấn đề này. Những kỹ thuật như vậy cho phép người chủ dữ liệu có thể nhúng một thuỷ vân ẩn vào dữ liệu. Việc nhúng thông tin an toàn đòi hỏi thuỷ vân được nhúng trong dữ liệu không thể bị làm giả mạo hoặc bị tẩy xoá một cách dễ dàng. Nhúng ẩn có nghĩa là thuỷ vân không thể nhìn thấy được trong dữ liệu. Hơn nữa, việc phát hiện thuỷ vân được thực hiện theo phương pháp mù, tức là không đòi hỏi dữ liệu gốc cũng như thuỷ vân gốc. Đã có một số kỹ thuật thuỷ vân được phát triển để nhúng thủy vân phim, âm thanh, ảnh và dữ liệu văn bản. Định nghĩa 1.7: Thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ Thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ là một kỹ thuật nhúng một số thông tin nào đó (được gọi là thông tin thủy vân W) vào cơ sở dữ liệu quan hệ nhằm 10 mục đích bảo vệ bản quyền hoặc đảm bảo sự toàn vẹn cho cơ sở dữ liệu này. Thủy vân có thể ở dạng ẩn hoặc hiện và có thể là bền vững hoặc dễ vỡ. Một thuỷ vân có thể được áp dụng cho một cơ sở dữ liệu quan hệ, chẳng hạn như có các thuộc tính mang một đặc điểm là những thay đổi nhỏ tại một số giá trị của chúng không làm ảnh hưởng đến các ứng dụng. Ví dụ, dữ liệu khí tượng được sử dụng để xây dựng các mô hình dự báo thời tiết. Độ chính xác của vectơ gió và nhiệt độ tương ứng trong dữ liệu này được đo chính xác đến 1.8 m/s và 0.5oC. Các sai số được đưa vào do thuỷ vân có thể dễ dàng được hạn chế trong sự cho phép của các dữ liệu này. Hay một ví dụ khác các nhà xuất bản sách khi in các bảng toán học (như các bảng logarit và lịch thiên văn) thường cố ý đưa vào một số lỗi nhỏ để có thể dễ dàng nhận dạng các bản sao bị ăn cắp. 1.2.3. Khóa thủy vân Để chủ sở hữu của cơ sở dữ liệu có thể giữ bí mật cho thông tin thủy vân W và là người duy nhất có thể tìm lại được thông tin này thì cần phải trộn W với một dữ liệu được gọi là khóa do chính chủ cơ sở dữ liệu lựa chọn. Thông tin thứ hai này được gọi là khóa thủy vân và được định nghĩa như sau: Định nghĩa 1.8: Khóa thủy vân Khóa thủy vân là một lượng dữ liệu do chủ sở hữu cơ sở dữ liệu lựa chọn và nhằm mục đích xác định thủy vân trong lược đồ thủy vân. Ký hiệu là K. Khóa K sẽ được kết hợp với thủy vân W để nhúng vào cơ sở dữ liệu. Khóa thủy vân chính là mấu chốt của lược đồ thủy vân cơ sở dữ liệu có sử dụng khóa thủy vân. Khóa thủy vân sẽ được nhúng vào trong cơ sở dữ liệu quan hệ bằng nhiều cách. Thông thường khóa thủy vân sẽ được nhúng với dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ rồi đưa vào trong thuật toán sử dụng. Điều quan trọng ở 11 đây chính là việc ta giấu khóa thủy vân vào trong thuật toán như thế nào để không bị phát hiện đồng thời có thể chứng minh được đây chính là cơ sở dữ liệu quan hệ của mình. Hay nói cách khác, việc đưa khóa vào trong cơ sở dữ liệu quan hệ là một trong những điểm quan trọng của bài toán bảo vệ bản quyền và đảm bảo sự toàn vẹn dữ liệu trong cơ sở dữ liệu quan hệ có sử dụng khóa. Một trong những cách giấu khóa hữu hiệu nhất là sử dụng hàm băm vì kỹ thuật này đảm bảo được yêu cầu bảo mật cũng như chi phí tính toán. 1.2.4. Lược đồ thủy vân Lược đồ thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ bao gồm 2 phần: nhúng thủy vân và phát hiện thủy vân. Khi nhúng thủy vân, một khóa thủy vân K do chủ sở hữu cơ sở dữ liệu tự chọn sẽ được sử dụng để nhúng thủy vân W vào cơ sở dữ liệu gốc. Sau khi nhúng thủy vân, các cơ sở dữ liệu sẽ được đưa vào trong môi trường Internet. Để xác minh quyền sở hữu của một cơ sở dữ liệu đáng ngờ, quá trình xác minh cơ sở dữ liệu bị nghi ngờ được thực hiện như là đầu vào và bằng cách sử dụng khóa thủy vân K (được sử dụng trong giai đoạn nhúng) thủy vân nhúng (nếu có) được lấy ra và so sánh với các thông tin thủy vân ban đầu.