Tài liệu Luận văn thạc sĩ thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ dựa trên kỹ thuật tối ưu hoá áp dụng thuật toán tìm kiếm theo mẫu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN THỊ HẠNH THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ DỰA TRÊN KỸ THUẬT TỐI ƢU HOÁ ÁP DỤNG THUẬT TOÁN TÌM KIẾM THEO MẪU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên – 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN THỊ HẠNH THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ DỰA TRÊN KỸ THUẬT TỐI ƢU HOÁ ÁP DỤNG THUẬT TOÁN TÌM KIẾM THEO MẪU Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 604801 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI THẾ HỒNG Thái Nguyên - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN THỊ HẠNH THỦY VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ DỰA TRÊN KỸ THUẬT TỐI ƢU HOÁ ÁP DỤNG THUẬT TOÁN TÌM KIẾM THEO MẪU Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 604801 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS BÙI THẾ HỒNG Thái Nguyên – 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Công trình được hoàn thành tại: ....................................................................... ................................................................................................... ....................... Người hướng dẫn khoa học: .................................................................................... (Ghi rõ họ tên, chức danh khoa học, học vị) Phản 1:........................................................................................ biện Phản 2:......................................................................................... biện Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Vào hồi...... giờ...... ngày....... tháng........ năm 20... Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên Và thư viện Trường/Khoa:……………………………. (Ghi tên thư viện đơn vị) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. “Nghiên cứu và Phát triển Kỹ thuật Thuỷ vân Cơ sở Dữ liệu Quan hệ”, Báo cáo kết quả nghiên cứu của đề tài cơ sở 2008, 12/2008, Phòng CSDL & LT. [2]. Bùi Thế Hồng, Nguyễn Thị Thu Hằng, Lƣu Thị Bích Hƣơng, “Thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ, ĐH Thái Nguyên, 2009. [3]. Vũ Ba Đình, “Giấu thông tin trong cơ sở dữ liệu không gian”, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ Quân sự, số 4, 30-37 [4]. R. Agrawal, J. Kiernan, “Watermarking Relational Databases” in Proceedings of the 28th VLDB Conference, Hong Kong, China, 2002. [5]. R. Agrawal, P. J. Haas, and J. Kiernan. “Watermarking relational data: framework, algorithms and analysis*”. The VLDB Journal (2003). [6]. R. Sion, M. Atallah, S. Prabhakar.“Watermarking Relational Databases” CERIAS TR 2002-28*. Center for Education and Research in Information Assurance, Computer Sciences, Purdue University, 2002. [7]. R. Sion, M. Atallah, and S. Prabhakar. “Rights Protection for Relational Data”. IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, 16(6), June 2004. [8]. R. Sion, “Proving ownership over categorical data”. ICDE 2004. [9]. M. Shehab, E. Bertino, A. Ghafoor. “Watermarking Relational Databases using Optimization Based Techniques”. CERIAS Tech Report 2006-41. [10]. www.watermarkingworld.org. [11]. W. Bender, D. Gruhl, N. Morimoto, A. Lu, “Techniques for data Hiding” IBM SYSTEMS JOURNAL, VOL 35, NOS 3&4, 1996. [12]. Stefan Katzenbeisser and Fabien A.P.Petitcolas, “Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking”.Artech House Boston London. [13]. Michael Arnold, Martin Schmucker and Stephen D. Wolthusen, “Techniques and Applications of Digital Watermarking and Content Protection”. Artech House Boston London. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan : Luận văn “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ dựa trên kỹ thuật tối ưu hóa áp dụng thuật toán tìm kiếm theo mẫu” là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chân thành cám ơn các Thầy trong Viện Công nghệ thông tin Việt Nam đã truyền đạt cho tôi kiến thức trong suốt những năm học ở trường. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Bùi Thế Hồng đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 11 năm 2009 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Hạnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỤC LỤC BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................... 5 LỜI MỞ ĐẦU Chƣơng 1-TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THUỶ VÂN 11 1.1. Kỹ thuật giấu tin và những vấn đề cơ bản về kỹ thuật giấu tin ........ 12 1.1.1. Khái niệm giấu tin .......................................................................... 12 1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin ........................................................ 14 1.1.3. Mục đích của giấu tin ..................................................................... 15 1.1.4. Môi trường giấu tin ......................................................................... 17 1.2. Cơ sở lý thuyết về thuỷ vân ................................................................. 21 1.2.1. Khái niệm thuỷ vân và nhúng thuỷ vân ........................................... 21 1.2.2. Lịch sử phát triển của thuỷ vân ....................................................... 21 1.2.3. Mô hình hệ thống tổng quát quá trình nhúng và thuỷ vân ............... 22 1.2.4. Một số ứng dụng của thuỷ vân ........................................................ 24 Chƣơng 2-THUỶ VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ DỰA TRÊN KỸ THUẬT TỐI ƢU ÁP DỤNG THUẬT TOÁN TÌM KIẾM THEO MẪU 25 2.1. Giới thiệu về thuỷ vân cơ sở dữ liệu .................................................. 25 2.2. Mô hình chi tiết hệ thống thuỷ vân cơ sở dữ liệu ............................... 27 2.3. Phân hoạch dữ liệu .............................................................................. 29 2.4. Nhúng thuỷ vân ................................................................................... 32 2.4.1 Mã hoá bít đơn.............................................................................. 32 2.4.2. Thuật toán tìm kiếm theo mẫu ....................................................... 37 2.4.3. Thuật toán nhúng thuỷ vân ........................................................... 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 2.5. Đánh giá ngƣỡng giải mã .................................................................... 40 2.6. Phát hiện thuỷ vân ............................................................................... 43 2.7. Kiểu tấn công ....................................................................................... 45 Chƣơng 3 – CÀI ĐẶT LƢỢC ĐỒ THUỶ VÂN CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ BẰNG KỸ THUẬT TỐI ƢU THUẬT TOÁN TÌM KIẾM THEO MẪU ............................................................................................... 47 3.1. Giới thiệu về kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu .......................................... 47 3.2. Mô tả ứng dụng ................................................................................... 48 3.2.1. Cơ sở của ứng dụng ........................................................................ 48 3.2.2. Giả thiết .......................................................................................... 48 3.2.3. Một số kết quả thực nghiệm đạt được ............................................. 49 PHỤ LỤC.............................................................................................. …..58 KẾT LUẬN ............................................................................................... ..59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………...60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Từ Tiếng Anh Giải thích HVS Human Vision System Hệ thống thị giác của con người HAS Human Auditory System Hệ thống thính giác của con người PS Pattern Search Tìm kiếm theo mẫu GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền MAC Message Authetication Code Mã xác thực thông tin MD5 Message Digest algorithm 5 Hàm băm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn quá trình giấu tin ....................................... ……21 Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn quá trình giải mã tin .................................. ……21 Hình 1.3. Sơ đồ phân loại kỹ thuật giấu tin ......................................... ……21 Hình 1.4. Sơ đồ nhúng thuỷ vân ......................................................... ……21 Hình 1.5. Sơ đồ khôi phục thuỷ vân ........................................................... 21 Hình 2.1. Các thời kỳ mã hoá và giải mã thuỷ vân ..................................... 26 Hình 2.2. Bảng biểu diễn các ký hiệu sử dụng trong thuật toán …………31 Hình 2.3: Phân phối của tập S i   i trên trục số………………………….36 Hình 2.4. Biểu diễn Sigmoid(α,τ ) tại τ = 0 và α = {1, 2, 8}……………..39 Hình 2.5. Lược đồ ngưỡng giải mã………………………………………..42 Hình 3.1. Bảng thống kê kết quả thực nghiệm …………………………… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 LỜI MỞ ĐẦU Trong thực tế việc chứng minh quyền sở hữu đối với các cơ sở dữ liệu quan hệ sau khi đã phân phối hoặc chuyển giao đang là một vấn đề quan trọng trong các môi trường ứng dụng dựa trên Internet và trong nhiều ứng dụng phân phối sản phẩm. Trong những năm gần đây, công nghệ thông tin phát triển với tốc độ chóng mặt về cả phần cứng và phần mềm, đặc biệt là tốc độ phát triển của Internet và các công nghệ có liên quan đã đưa đến một tiểm năng chưa từng có đối với việc truy nhập và phân phối lại các sản phẩm kỹ thuật số. Sự phát triển của công nghệ đa phương tiện với khả năng sao chép mô phỏng đã mở ra nhiều hướng mới cho sự phát triển kỹ thuật thuỷ vân, đặt biệt là lĩnh vực bảo mật cơ sở dữ liệu. Thuỷ vân cơ sở dữ liệu cũng không nằm ngoài quy luật phát triển đó. Ban đầu, thuỷ vân được sử dụng để nhúng vào các sản phẩm đa phương tiện như âm thanh, hình ảnh …Nhưng hiện nay, thuỷ vân đã được ứng dụng vào một lĩnh vực hết sức mới mẻ có liên quan đến quyền sở hữu trí tuệ. Đó là lĩnh vực thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ, đây là một trong những lĩnh vực quan trọng và có ứng dụng nhiều trong cuộc sống. 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. Xuất phát từ thực tế đó, luận văn lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật thủy vân cơ sở dữ liệu quan hệ dựa trên kỹ thuật tối ưu hóa áp dụng thuật toán tìm kiếm theo mẫu”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Tính cấp thiết của đề tài - Ngày nay, Internet đã và đang phát triển với tốc độ nhanh, cùng với sự phát triển đó thì các công nghệ và các ứng dụng được phân tán trên Internet rất nhiều. Chính vì vậy, việc chứng minh quyền sở hữu đối với các cơ sở dữ liệu quan hệ sau khi đã phân phối hoặc chuyển giao đang là một vấn đề rất quan trọng trong các môi trường ứng dụng dựa trên internet và trong nhiều ứng dụng phân phối sản phẩm. - Trong một bối cảnh như vậy, việc thực thi quyền sở hữu 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 chúng ta vẫn chưa có được những giải pháp toàn diện như vậy nhưng trong các năm gần đây, các kỹ thuật thuỷ vân đã đóng một vai trò quyết định nhằm giải quyết vấn đề về quyền sở hữu này. - Cho đến nay, mới chỉ có một vài cách tiếp cận đối với bài toán thuỷ vân dữ liệu quan hệ. Tuy nhiên, những kỹ thuật này không bền vững đối với các tấn công thuỷ vân. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung Nghiên cứu kỹ thuật thuỷ vân cơ sở dữ liệu dựa trên kỹ thuật tối ưu hóa để mã hoá và giải mã thuỷ vân. Trong đó tập trung nghiên cứu kỹ thuật phân hoạch dữ liệu không phụ thuộc vào các bộ được đánh dấu để định vị các phân hoạch, và nghiên cứu kỹ thuật phát hiện thủy vân dựa vào một ngưỡng tối ưu. Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu kỹ thuật thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ có áp dụng kỹ thuật tối ưu hoá như một bài toán tối ưu hoá có ràng buộc. Đồng thời trình bày kỹ thuật hữu hiệu để giải bài toán tối ưu này bằng thuật toán tìm kiếm theo mẫu và xử lý các ràng buộc của chúng. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học của đề tài - Đưa ra cơ sở khoa học của việc lựa chọn kỹ thuật tối ưu để mã hoá và giải mã thuỷ vân trong đó sử dụng kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu để giải quyết bài toán. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả của đề tài có ý nghĩa rất lớn đối với Ngành công nghệ thông tin trong việc chứng minh quyền sở hữu đối với các cơ sở dữ liệu quan hệ sau khi đã phân phối hoặc chuyển giao đang là một vấn đề rất quan trọng trong các môi trường ứng dụng dựa trên internet và trong nhiều ứng dụng phân phối sản phẩm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu, hiểu rõ và trình bày về kỹ thuật tối ưu để mã hoá và giải mã thuỷ vân. - Nghiên cứu và sử dụng công cụ để mô tả kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết cơ sở về thuỷ vân cơ sở dữ liệu - Nghiên cứu ứng dụng và mô tả chi tiết về kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu. Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu kỹ thuật thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ và mô tả kỹ thuật tối ưu trong đó áp dụng kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu Các kết quả nghiên cứu dự kiến cần đạt đƣợc  Kết quả về học thuật: Nghiên cứu kỹ thuật thuỷ vân cơ sở dữ liệu  Kết quả về phát triển ứng dụng: Áp dụng kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu để mô tả và phát triển ứng dụng trong thực tế Kết cấu của luận văn Bố cục của luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận và ba chương. Nội dung các chương được tổ chức như sau: Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật giấu tin và thuỷ vân Chương này trình bày một số khái niệm về kỹ thuật giấu tin, các vấn đề cơ bản của kỹ thuật giấu tin. Đồng thời cũng trình bày khái niệm cơ bản về thuỷ vân, và đặc biệt đưa ra sơ đồ chi tiết về thuỷ vân. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  10  Chương 2: Thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ dựa trên kỹ thuật tối ưu áp dụng thuật toán tìm kiếm theo mẫu Chương này trình bày quá trình mã hoá, giải mã thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ bằng kỹ thuật tối ưu áp dụng thuật toán tìm kiếm theo mẫu. Chương 3: Phát triển ứng dụng thuỷ vân cơ sở dữ liệu quan hệ dựa trên kỹ thuật tối ưu áp dụng thuật toán tìm kiếm theo mẫu Chương này trình bày ứng dụng của kỹ thuật tối ưu, kỹ thuật tìm kiếm theo mẫu trong quá trình nhúng thuỷ vân. Cùng với một số kết quả cài đặt của ứng dụng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  11  Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT GIẤU TIN VÀ THUỶ VÂN Cuộc cách mạng thông tin kỹ thuật số đã đem lại những thay đổi sâu sắc trong xã hội và trong cuộc sống. Những thuận lợi thông tin kỹ thuật số mang lại cũng đề ra những thách thức và cơ hội mới cho quá trình đổi mới. Sự ra đời những phần mềm có tính năng mạnh, các thiết bị mới như máy ảnh kỹ thuật số, máy quét chất lượng cao, máy in, máy ghi âm kỹ thuật số, v.v…, đã với tới thế giới tiêu dùng rộng lớn để sáng tạo, xử lý và thưởng thức các dữ liệu đa phương tiện. Mạng Internet toàn cầu đã biến thành một xã hội ảo nơi diễn ra quá trình trao đổi thông tin trong mọi lĩnh vực chính trị, quân sự, quốc phòng, kinh tế, thương mại… Và chính trong môi trường mở và tiện nghi như thế xuất hiện những vấn nạn, tiêu cực đang rất cần đến các giải pháp hữu hiệu cho vấn đề an toàn thông tin như nạn ăn cắp bản quyền, nạn xuyên tạc thông tin, truy nhập thông tin trái phép v.v.. 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 giấu tin, được nghiên cứu phát triển trong khoảng 10 năm gần đây. Để hiểu rõ về nguồn gốc của thuỷ vân, trước tiên chúng ta tìm hiểu phương pháp giấu thông tin, thuỷ vân là một thành phần của phương pháp giấu tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  12  1.1. Kỹ thuật giấu tin và những vấn đề cơ bản về kỹ thuật giấu tin 1.1.1. Khái niệm về giấu tin Từ trước đến nay, nhiều phương pháp bảo vệ thông tin đã được đưa ra, trong đó giải pháp dùng mật mã được ứng dụng rộng rãi nhất. Thông tin ban đầu được mã hoá, sau đó sẽ được giải mã nhờ khoá của hệ mã. Đã có nhiều hệ mã phức tạp được sử dụng như DES, RSA, NAPSACK..., rất hiệu quả và phổ biến. Một phương pháp mới khác đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới, đó là phương pháp giấu tin. Giấu thông tin là kỹ thuật nhúng một lượng thông tin số nào đó vào trong một đối tượng dữ liệu số khác. Một trong những yêu cầu cơ bản của giấu tin là đảm bảo tính chất ẩn của thông tin được giấu đồng thời không làm ảnh hưởng đến chất lượng của dữ liệu gốc. Sự khác biệt chủ yếu giữa mã hoá thông tin và giấu thông tin là mã hoá làm cho các thông tin thể hiện là có được mã hoá hay không, còn với giấu thông tin thì người ta sẽ khó biết được là có thông tin giấu bên trong. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  13  Thông tin giấu Phương tiện chứa (audio, ảnh, video ) Bộ nhúng thông tin Phương tiện chứa đã được giấu tin Phân phối Khoá Hình 1.1. Sơ đồ biểu diễn quá trình giấu tin Khoá Phương tiện chứa đã được giấu tin Phương tiện chứa (audio, ảnh, video ) Bộ giải mã tin Kiểm định Thông tin giấu Hình 1.2. Sơ đồ biểu diễn quá trình giải mã Hai sơ đồ trên hình 1.1 và 1.2 biểu diễn quá trình giấu tin và quá trình giải tin. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  14  1.1.2. Phân loại các kỹ thuật giấu tin Do kỹ thuật giấu thông tin số mới được hình thành trong thời gian gần đây nên xu hướng phát triển chưa ổn định. Nhiều phương pháp mới, theo nhiều khía cạnh khác nhau đang và chắc chắn sẽ được đề xuất, bởi vậy một định nghĩa chính xác, một sự đánh giá phân loại rõ ràng chưa thể có được. Sơ đồ phân loại sau đây được Fabien A. P. Petitcolas đề xuất năm 1999. Giấu thông tin (Information hiding) Giấu tin bí mật (steganography) Nhúng thuỷ vân (Watermarking) Thuỷ vân bền vững (Robust Copyright marking) Thuỷ vân ẩn (Imperceptible watermarking) Thuỷ vân “dễ vỡ” (Fragile Watermarking) Thuỷ vân hiện (Visible watermarking) Hình 1.3. Phân loại kỹ thuật giấu tin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn