基于傳輸層協(xié)議的信息隱藏技術研究.docx

目錄1緒論211選題背景和研究意義21.2隱寫分析研究現(xiàn)狀313本文研究思路和研究內(nèi)容42 傳輸層協(xié)議的信息隱藏基本原理52.1傳輸層協(xié)議概述52.1.1傳輸層簡介52.1.2傳輸層的作用和功能52.2傳輸層端口62.3用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP62.3.1 UDP用戶數(shù)據(jù)報62.3.2 UDP偽報頭72.4傳輸控制協(xié)議TCP72.4.1TCP報文段72.4.2TCP連接管理92.4.3TCP定時器102.4.4TCP重傳機制102.4.5TCP流量控制102.4.6TCP擁塞控制122.5多媒體傳輸132.5.1 多媒體、流媒體及其傳輸特點132.5.2一個多媒體傳輸?shù)睦?32.5.3實時傳輸協(xié)議RTP142.5.4實時傳輸控制協(xié)議RTCP142.5.5實時流式協(xié)議RTSP153總結(jié)16參考文獻17致謝181緒論11選題背景和研究意義信息隱藏是把一個有意義的信息隱藏在另一個稱為載體（可以是文字、圖像、聲音及視頻等）的信息中得到隱蔽載體，非法者不知道這個普通信息中是否隱藏了其他的信息，而且即使知道也難以提取或去除隱藏的信息。二十世紀九十年代以來，網(wǎng)絡信息技術在全世界范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展，它極大地方便了人們之間的通信和交流。借助于計算機網(wǎng)絡所提供的強大的多媒體通信功能，人們可以方便、快速地將數(shù)字信息(數(shù)字音樂、圖像、影視等方面的作品)傳到世界各地，一份電子郵件可以在瞬息問傳遍全球。但同時計算機網(wǎng)絡也成為犯罪集團、非法組織和有惡意的個人利用的工具。從惡意傳播計算機病毒，到非法入侵要害部門信息系統(tǒng)，竊取重要機密甚至使系統(tǒng)癱瘓；從計算機金融犯罪，到利用表面無害的多媒體資料傳遞隱蔽的有害信息等等，對計算機信息系統(tǒng)進行惡意攻擊的手段可謂層出不窮。因此，在全球聯(lián)網(wǎng)的形勢下，網(wǎng)絡信息安全非常重要，一個國家信息系統(tǒng)的失控和崩潰將導致整個國家經(jīng)濟癱瘓，進而影響到國家安全。各國政府和信息產(chǎn)業(yè)部門都非常重視網(wǎng)絡信息安全的研究和應用。密碼技術是信息安全技術領域的主要傳統(tǒng)技術之一，是基于香農(nóng)信息論及其密碼學理論的技術，一般采用將明文加密成密文的秘密密鑰系統(tǒng)或者公開密鑰系統(tǒng)，其保護方式都是控制文件的存取，即將文件加密成密文，使非法用戶不能解讀。但加密技術主要適用于文本的加密，而對音頻、視頻、圖像等多媒體數(shù)據(jù)類型來說，由于它們的數(shù)據(jù)量往往很大，如何對超大數(shù)據(jù)量的多媒體數(shù)據(jù)進行有效的加、解密仍是一個難題。而且信息加密是利用隨機性來對抗密碼攻擊的，密文的隨機性同時也暴露了消息的重要性，即使密碼的強度足以使攻擊者無法破解出明文，但他仍有足夠的手段來對其進行破壞，使得合法的接收者也無法閱讀信息內(nèi)容。隨著計算機性能的大幅度提高，軟硬件技術的迅速發(fā)展，加密算法的安全性受到了嚴重挑戰(zhàn)。由于加密技術的局限性，最近十幾年以來，一種新的信息安全技術信息隱藏技術(InformationHiding)迅速地發(fā)展起來。信息隱藏的淵源可以追溯到古希臘的隱形技術(Steganography)，其希臘文的字面意思是“掩飾性地寫”，也就是把一種信息隱藏于另一種信息中。數(shù)字化產(chǎn)品的出現(xiàn)，給這些古老的思想賦于了新的表達方式：將機密信息嵌入到公開的圖像、視頻、語音及文本文件等載體信息中，然后通過公開信息的傳輸來傳遞機密信息。對加密通信而言，可能的監(jiān)測者或非法攔截者可通過截取密文，并對其進行破譯，或?qū)⒚芪倪M行破壞后再發(fā)送，從而影響機密信息的安全：但對信息隱藏而言，可能的監(jiān)測者或非法攔截者難以從公開信息中判斷機密信息是否存在，難以截獲機密信息，從而保證機密信息的安全。為了增加破譯的難度，還可以把加密技術和隱藏技術相結(jié)合，即先對待嵌入對象進行加密得到密文，再把密文隱藏到載體對象中，最后通過載體的傳輸來傳遞機密信息，達到藏匿消息的目的。信息隱藏技術在保密通信、版權保護等領域中都具有廣泛的應用價值，根據(jù)不同的應用背景，信息隱藏技術可以分為隱寫術(Steganography)和數(shù)字水印(DigitalWatermarking)兩個重要分支。數(shù)字水印主要是為了保護知識產(chǎn)權，通過在原始媒體數(shù)據(jù)中嵌入信息來證實該媒體的所有權歸屬。隱寫術主要考慮的是安全性(即統(tǒng)計特性上無法檢測隱密信息的存在)和嵌入容量，不可見性等。信息隱藏技術的發(fā)展，為社會提供一種新的隱蔽通信手段的同時也帶來了新的威脅。高度發(fā)達的計算機網(wǎng)絡使得通過互聯(lián)網(wǎng)進行信息共享和交流變得非常普遍和容易。信息隱藏技術的研究在信息安全領域中具有重要的地位，它對于軍事、情報、國家安全方面的重要意義不言而喻。它包括了數(shù)字隱寫與隱寫分析兩個方面。一方面要以盡可能隱蔽的方式將信息深藏于浩如煙海的數(shù)字多媒體信號中，毫不引起對方的懷疑而達到隱蔽通信的目的；另一方則要以各種手段檢測可疑信息的存在，尋找敵對隱蔽通信的信源，阻斷隱蔽通信的信道。設計高度安全的隱寫方法是一項富于挑戰(zhàn)性的課題，而對隱寫的準確性分析往往比隱寫本身更加困難。數(shù)字隱寫與隱寫分析的交互發(fā)展正方興未艾，成為互聯(lián)網(wǎng)時代信息戰(zhàn)技術的一個新課題。信息網(wǎng)絡上的攻防技術水平將反映一個國家的科技水平和防范意識。1.2隱寫分析研究現(xiàn)狀現(xiàn)代隱寫術及隱寫分析技術的研究工作與數(shù)字水印相比起步稍晚，到上世紀90年代中后期還處于初期。由于隱寫分析的研究時間短，研究本身的困難大，以及出于保密考慮等因素，隱寫分析方面的公開研究成果并不多。故是近幾年來國際學術界興起的一個前沿研究領域。特別是在網(wǎng)絡技術迅速發(fā)展的今天，信息隱藏技術的研究更具有現(xiàn)實意義。目前，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩枰捎脭?shù)據(jù)傳輸加密技術、信息隱藏技術、數(shù)據(jù)完整性鑒別技術；為保證信息存儲安全，必須保證數(shù)據(jù)庫安全和終端安全。信息安全的研究包括兩個主要研究方向：信息加密與信息隱藏。在信息安全的研究理論體系和應用體系中，密碼技術已經(jīng)歷了長期的發(fā)展，形成了較完整的密碼學理論體系，有一系列公認的、經(jīng)典的可靠的算法，然而，在現(xiàn)代信息科學技術的條件下的信息隱藏，雖然可以追溯到公元前，但其完備的理論體系還尚未建立。科學的發(fā)展、新技術和新工藝的應用，為信息隱藏技術的進一步發(fā)展奠定了重要基礎。信息隱藏技術作為一個跨多領域、多學科（數(shù)字信號處理、圖像處理、模式識別、數(shù)字通信、多媒體技術、密碼學、語音處理等）的技術體系，由于它與具體的應用密切相關，這也決定了信息隱藏技術研究成果的多樣性以及信息隱藏技術研究的不完善性，仍有許多技術問題需要解決。但可以相信，隨著科學技術的飛速發(fā)展，信息隱藏將有更多巧奪天工的新創(chuàng)意、新方法和新技術，將有更加廣闊的發(fā)展空間。13本文研究思路和研究內(nèi)容由于隱寫分析理論構建并不完善，隱寫分析方法評價標準也未形成系統(tǒng)，本文的研究思路是根據(jù)傳輸層協(xié)議隱寫分析原理，分析傳輸層協(xié)議的特點，針對一些具體的協(xié)議，尋找對隱寫敏感的特征參數(shù)，以實現(xiàn)基于傳輸層協(xié)議的信息隱藏技術。本文內(nèi)容主要如下：(1)信息隱藏技術的背景、研究意義，國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀。(2)傳輸層協(xié)議的基本概念和知識，著重介紹TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。2 傳輸層協(xié)議的信息隱藏基本原理2.1傳輸層協(xié)議概述2.1.1傳輸層簡介傳輸層是介于應用層和網(wǎng)絡層之間的分層網(wǎng)絡體系結(jié)構的重心部分，它的重要任務就是直接給運行在不同主機上的應用程序提供服務。傳輸層為不同主機上的應用程序提供邏輯通信。邏輯通信的意思就是盡管通信的應用進程之間不是物理連接的，而從應用程序的角度來看，它們就像是物理連接的一樣。應用程序通過使用傳輸層提供的邏輯通信互相傳輸，而不用考慮用來傳送這些的物理基礎設施。2.1.2傳輸層的作用和功能傳輸層的作用： 彌補網(wǎng)絡層所提供的服務質(zhì)量的不足，以便為高層提供可靠的端到端通信。計算機網(wǎng)絡的資源子網(wǎng)中的端用戶依靠在自己主機上所增加的這個傳輸層來檢測分組的丟失或數(shù)據(jù)的殘缺并采取相應的補救措施。傳輸層的功能：1. 在網(wǎng)絡層所提供的源到目標的分組傳輸服務的基礎上，向上層提供可靠的源主機到目標主機的數(shù)據(jù)傳輸。2.當上層的協(xié)議數(shù)據(jù)包的長度超過網(wǎng)絡互聯(lián)層所能承載的最大數(shù)據(jù)傳輸單元時，提供分段和合并分段的功能。3.提供多路復用機制，由于同時存在多個高層應用，因此要求傳輸層能夠同時為多個高層應用服務，將多個高層應用復用到一個網(wǎng)絡層連接上。傳輸層是通過端口來實現(xiàn)這一功能的。圖2.1基于端口機制傳輸層為應用進程之間提供了邏輯通信2.2傳輸層端口TCP/IP：倆個主要的協(xié)議即用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP和傳輸控制協(xié)議TCPTCP協(xié)議是一個可靠的面向連接的傳輸層協(xié)議UDP協(xié)議將可靠性問題交給應用程序解決兩類端口：2.3用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDPUDP提供的是不可靠的面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務。2.3.1 UDP用戶數(shù)據(jù)報1. 源端口字段：該字段是16位長度的發(fā)送端UDP協(xié)議端口號。在UDP協(xié)議中也采用與TCP中類似的端口概念來標識同一主機上的不同網(wǎng)絡進程，并且兩者在分配方式上也是類似的，應用程序使用UDP協(xié)議而不直接采用原始IP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，最主要的原因就是UDP協(xié)議提供了標識進程的端口號。2. 目的端口字段：該字段是16位長度的接收端UDP協(xié)議端口號。3. 長度字段：該字段標記該數(shù)據(jù)報的長度，以8位長的字節(jié)長度單位，包括報頭和用戶數(shù)據(jù)。4. 校驗和字段：該字段是可選擇的，如該字段值為0則表明不進行校驗。一般來說，使用校驗和字段是必要的。檢查和的計算除了包括報頭和用戶數(shù)據(jù)外，還要加上12字節(jié)的偽首部。圖2.2 UDP報文封裝 圖2.3UDP報文格式2.3.2 UDP偽報頭 該字段只用于計算校驗和，不會在UDP數(shù)據(jù)報中發(fā)送。它由源IP地址、目的IP地址、UDP協(xié)議號（17）和UDP長度組成。 UDP數(shù)據(jù)報最大長度：由UDP數(shù)據(jù)報格式可知，UDP數(shù)據(jù)報沒有標識數(shù)據(jù)分段的字段，因而接收端無從知道所接收的數(shù)據(jù)報是否發(fā)生混序，是否是重復發(fā)送的數(shù)據(jù)報。為了避免這種情況的發(fā)生，UDP協(xié)議常用于一次性傳輸數(shù)據(jù)量較小的網(wǎng)絡應用。許多UDP應用程序的設計中，其應用程序數(shù)據(jù)被限制成512字節(jié)或更小。圖2.4UDP偽報頭格式2.4傳輸控制協(xié)議TCP TCP,即傳輸控制協(xié)議，它提供面向連接的、可靠的（沒有數(shù)據(jù)重復或丟失）、全雙工的數(shù)據(jù)流傳輸服務。2.4.1TCP報文段1. TCP報文段格式TCP的協(xié)議數(shù)據(jù)單元被稱為段，數(shù)據(jù)段分為兩部分，即段頭和數(shù)據(jù)：段頭一般為20字節(jié)（如有選項部分另加），是TCP為了實現(xiàn)端到端可靠傳輸所加上的控制信息。而數(shù)據(jù)則是指由高層即應用層來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段的大小必須首先滿足65535字節(jié)的IP包數(shù)據(jù)長度限制。源端口：主叫方的TCP端口號。目標端口：被叫方的TCP端口號。發(fā)送序號（SEQ）:1.SYN=0表示數(shù)據(jù)段第一個數(shù)據(jù)字節(jié)的序號，即該數(shù)據(jù)段在發(fā)送方的數(shù)據(jù)流中的位置；2.SYN=1表示建立本次連接的初始序號。確認序號（ACK）:下一個期望接收的TCP數(shù)據(jù)段號，順序號和確認號共同用于TCP服務中的確認、差錯控制。頭長：TCP頭長，以32位字長為單位。實際上相當于給出數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)段中的開始位置。預留：未用的6位，為將來的應用而保留，目前置為“0”。控制字段（CTL）:共6個控制字段，每個占一位bit.TCP數(shù)據(jù)段有多種應用，如建立或關閉連接、傳輸數(shù)據(jù)、攜帶確認等，這些控制字段用于給出與數(shù)據(jù)段的作用及處理相關的控制信息。字段位值=1時有效。窗口：窗口的大小表示本方可以接收的數(shù)據(jù)量，以八位字長為計量單位。TCP使用可變大小的滑動窗口來進行流量控制。校驗和：用于對數(shù)據(jù)段頭和數(shù)據(jù)進行校驗，以判斷接收的數(shù)據(jù)是否有錯。緊急指針：給出從當前段序號到緊急數(shù)據(jù)位置的偏移量。任選項：提供一種增加額外設置的方法，如最大TCP分段的大小的約定。填充：當任選項字段長度不足32位字長時，需要加以填充。數(shù)據(jù)：來自高層即應用層的協(xié)議數(shù)據(jù)。圖2.5TCP報文段的格式2. TCP報文段選項圖2.6TCP選項2.4.2TCP連接管理1. 建立TCP連接 TCP實現(xiàn)的是面向連接的數(shù)據(jù)傳輸服務，即是一種虛電路的數(shù)據(jù)交換方式，在數(shù)據(jù)傳輸以前需要在源主機和目標主機之間創(chuàng)建相應的虛電路連接。TCP序列號是一個32位的字段，用以標識從TCP發(fā)送端向TCP接受端發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)流，它保證了傳輸?shù)目煽啃?。正常的TCP連接建立分三步，具體原理如圖2.7所示。圖2.7三次握手的報文序列圖2.8三次握手清除延遲的連接請求2. 關閉TCP連接圖2.9關閉TCP連接3. 復位TCP連接2.4.3TCP定時器TCP設置多個定時器幫助其完成所承擔的服務。1.重傳定時器 2.連接建立定時器3.ACK延時定時器4.持續(xù)定時器5.?；疃〞r器6.閑置定時器.2.4.4TCP重傳機制1. 為什么采用自適應重傳算法 圖2.10數(shù)據(jù)鏈路層和TCP往返時間的概率密度2. 自適應重傳算法圖2.11確認的二義性2.4.5TCP流量控制1. 可變滑動窗口流量控制 TCP實體在端設備中為每個連接開設兩個緩沖區(qū)，一個是接收緩沖區(qū)，用來接收對方發(fā)送來的數(shù)據(jù)，另一個是發(fā)送緩沖區(qū)，TCP實體從應用進程接收數(shù)據(jù)，存貯在發(fā)送緩沖區(qū)。為了防止由于發(fā)送端與接收端之間的不匹配而引起數(shù)據(jù)丟失，TCP采用滑動窗口進行流量控制。圖2.12TCP數(shù)據(jù)流編號與滑動窗口示意圖2.13TCP可變滑動窗口流量控制示例2. 零窗口和堅持定時器3. 糊涂窗口綜合癥及其對策圖2.14接收應用程序工作慢引起的SWS2.4.6TCP擁塞控制1. 網(wǎng)絡擁塞現(xiàn)象圖2.15擁塞時的網(wǎng)絡性能2. 擁塞控制的基本策略 為了解決因網(wǎng)絡傳輸能力導致?lián)砣膯栴}，TCP對流量控制方法進行了改進，增加了一個擁塞窗口。這樣發(fā)送方TCP就有兩個窗口：一是接收方通告窗口，反映的是接收方的數(shù)據(jù)接收能力；一是擁塞窗口，反映的是網(wǎng)絡的傳輸能力。而發(fā)送方可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)，即發(fā)送窗口的大小取這兩個窗口的最小值。3. TCP擁塞控制策略 圖2.16慢啟動和擁塞避免控制策略示例圖2.17TCP Reno擁塞控制策略示例2.5多媒體傳輸2.5.1 多媒體、流媒體及其傳輸特點多媒體的含義是使用計算機交互式綜合技術和數(shù)字通信網(wǎng)技術處理多種表示媒體文本、圖形、圖像和聲音，使多種信息建立邏輯連接，集成為一個交互系統(tǒng)。多媒體技術把電視式的視聽信息傳播能力與計算機交互控制功能結(jié)合起來，創(chuàng)造出集文、圖、聲、像于一體的新型信息處理模型，使計算機具有數(shù)字式全動態(tài)、全屏幕的播放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息功能，具有控制和傳輸多媒體電子郵件、電視會議等視頻傳輸功能，將使計算機進入家庭、藝術及生活的各個方面，從而極大地影響人們的生活及生產(chǎn)方式。流媒體指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術的連續(xù)時基媒體，如：音頻、視頻或多媒體文件。流式媒體在播放前并不下載整個文件，只將開始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，流式媒體的數(shù)據(jù)流隨時傳送隨時播放，只是在開始時有一些延遲。流媒體實現(xiàn)的關鍵技術就是流式傳輸。具有連續(xù)性、實時性、時序性等特點。2.5.2一個多媒體傳輸?shù)睦訄D2.18音頻/視頻點播系統(tǒng)圖2.19使用媒體服務器進行音頻/視頻播放2.5.3實時傳輸協(xié)議RTP1.RTP在協(xié)議棧中的位置圖2.20RTP協(xié)議在Internet協(xié)議棧中的位置2.RTP會話（RTP session）圖2.21RTP分組格式及其封裝2.5.4實時傳輸控制協(xié)議RTCP2.5.5實時流式協(xié)議RTSP圖2.22RTSP與RTP/RTCP3總結(jié)隱寫術把通信內(nèi)容嵌入到圖像、音頻、聲音或其它數(shù)字媒體中進行傳輸，以達到保密通信的目的。現(xiàn)代隱寫技術不僅對信息本身進行加密，而且隱藏了通信的存在性，因此具有很高的安全性。隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體技術的飛速發(fā)展，隱寫術的應用也越來越廣泛，這對信息安全研究帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。隨著多媒體技術和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展及廣泛應用，對圖像、音頻、視頻等多媒體內(nèi)容的保護成為迫切需要解決的問題。多媒體內(nèi)容的保護包括版權保護和內(nèi)容完整性保護。由于現(xiàn)有計算機的計算能力不斷翻番以及網(wǎng)絡分攤計算技術的不斷完善，因此傳統(tǒng)的加密方法已受到極大的挑戰(zhàn)，而新興的信息隱藏技術則可以進一步增強系統(tǒng)的安全性與可靠性。信息隱藏技術用于多媒體保護，它是將一些標識信息直接嵌入到被保護的多媒體數(shù)據(jù)中，但是不影響原始內(nèi)容的使用價值，而且不易被察覺或注意到。利用這些隱藏在多媒體數(shù)據(jù)中的信息，可以達到確認數(shù)據(jù)擁有者、購買者或進行數(shù)據(jù)鑒定的真實性。此外，利用信息隱藏技術還可以實現(xiàn)電子商務中需要的匿名機制以及在軍事、國防工業(yè)中實現(xiàn)隱藏通信。不過，基于傳輸層協(xié)議的信息隱藏技術畢竟是一門新興的科學，它涉及到通信與信息理論、計算機網(wǎng)絡與應用、信號檢測與估計、數(shù)據(jù)壓縮技術等多種科學知識。但是到目前為止還尚未形成一個完整的理論體系，特別是還沒有一個統(tǒng)一的評判標準，仍有許多的問題尚未解決。可以說，這是一個充滿活力但又墾待開拓的研究領域，而對于國內(nèi)這一問題的研究正處于起步階段。本文主要做了以下工作：系統(tǒng)介紹了信息隱藏技術的背景、研究意義，以及國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀傳輸層協(xié)議的基本概念和知識，著重介紹TCP協(xié)議和UDP協(xié)議?；趥鬏攲訁f(xié)議的信息隱藏技術的研究目前是一個非常活躍的研究領域，應用市場前景十分廣闊。由于隱