[Tóm tắt] Luận án 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: (1.1) 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.    N i iii tAtX 1 )sin()(  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. 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 : iii krm  (1.13) Mã khối thao tác trên khối bit có độ dài cố định. Nhiều mã khối )(txa )(' tx a  kx 'u u  'kx  ky  ky' 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, nqqq ...,,, 21 của n phần tử nppp ,...,, 21 , trong tổng số n! cách sắp xếp, được gọi là một hoán vị bậc n . Ký hiệu:        n n i qqq ppp p ...,,, ...,,, 21 21 (2.1) Ma trận hoán vị, Pi của hoán vị ip 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:   ),....,,(...,,, 2121 nn qqqppp iP (2.2) và:   -1iP),....,,(...,,, 2121 nn qqqppp  (2.3) 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:   thi DIPD , (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: NiiiPP ,...,2,1,))((1  (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:   jiDPPD thji , (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 id là vị trí mới của phần tử thứ i trong sắp xếp ban đầu. Bậc thay thế -OD được định nghĩa: ini dipOD  1 min)( (2.8) Khoảng cách hoán vị trung bình MDP của hoán vị p được định nghĩa:    n i idin pMDP 1 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          mmn n n mmnn MDP 1;12 2 1 2 1;2 2 max (2.10) 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:   n nMDPav 3 12   (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:                 ! 1... !2 1 !1 1 !0 1! ! 1! 0 n n r nD nn r r n (2.23) và công thức truy hồi tính Dn là  21)1(   nnn DDnD (2.24) với 1;0 21  DD . 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:       mnn mnn OD 122/)1( 22/ max (2.33) 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 10 Mục tiêu: Tạo hoán vị có tất cả các phần tử di chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó. Giải pháp: Tạo bộ số bộ thừa số ],...,,[c 132 g ggg ccc nn   , 11;0  njjc g j từ số nguyên g , 0 ≤ g≤ (n-1)!: gggg n cccncng n 123 !1!2...)!3()!2( 2   (2.46) Ánh xạ sang số nguyên f, 0≤ f≤ n! theo: 0!.1!2!3...)!2()!1( 1232   gggg cccncnf nn (2.47) thỏa mãn !0 nf  và 11,0  njjc j bộ thừa số ]0,,...,,[c 132g ggg ccc nn  là duy nhất với số nguyên f đáp ứng các điều kiện của thuật toán D. Đặt 0;3; 22   dvànicd i g i (2.48) Phương trình (2.47) trở thành: !1.!2....)!1()!1.( 231 ddndndf nn   (2.49) 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 )1(mod  igdi 1 idm ;  igg / ; 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)!: )!1(  nK Raymond (2.50) với n là độ dài khung hoán vị. 2.3. Lược đồ đề xuất 2.3.1. Lược đồ 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: ik 0 (2.51) Bước 2C của lược đồ đề xuất được viết: 12 tmp=Ii; (2C1) Ii=Ik ; (2C2) Ik=tmp (2C3) Do điều kiện ik 0 và giả thiết ban đầu Ii=i, nên tại bước 2C2 ta luôn có Ik<Ii hay Ik<i. Giả thiết rằng sau khi hoán vị mẫu ban đầu (I1,I2,,IN) ta thu được mẫu hoán vị (U1,U2,,UN) có một phần tử thứ c không di chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó, nghĩa là: cU c  (2.52) Khi đó, tại bước 2C2, Ic=c ( tại thời điểm i=c) hay tại thời điểm i=c thì Ik=i, dẫn đến k=i; điều này trái với điều kiện ik 0 . Do vậy, Lược đồ đề xuất là lược đồ hoán vị tuyệt đối hay tất cả các mẫu ban đầu được dịch chuyển khỏi vị trí vị trí của nó. Định lý được chứng minh. Định lý 7. Lược đồ đề xuất có không gian khóa hay tổng số hoán vị có thể có là: )!1(  nKDX Chứng minh Hoán vị tạo ra của lược đồ đề xuất được quyết định bởi các giá trị ki, tương ứng được tạo ra với i =2,,n, tại bước 2B. Không gian khóa hay tổng số hoán vị có thể chính là tổng số hoán vị mà tập ki có thể tạo ra. Tập ki có thể nhận các giá trị như sau: Tại vòng thứ nhất: k2=1; Tại vòng thứ hai: k3=1,2; .. Tại vòng thứ n-1: kn-1=1,2,..,..n-2; Tại vòng thứ n: kn=1,2,..,..n-1; Do vậy, có (n-1)! cách sắp xếp để tạo thành bộ (k2,k3,,kn-1). Định lý được chứng minh. 13 Định lý 8. Giá trị MDP trung bình của lược đồ đề xuất là (n+1)/3. Chứng minh. Tương tự định lý 3, tổng số hoán vị mà lược đồ đề xuất tạo ra là KDX =(n-1)!, nếu ip là phần tử thứ i của một hoán vị, ip =1,2,i- 1,i+1,n, mỗi giá trị này xảy ra KDX/(n-1) lần trong toàn bộ tổng số hoán vị có thể và mỗi lần xảy ra thì tổng khoảng cách của nó tới các vị trí khác là: 3 1 3 )1( )1( )( 2       nDnn nn DpMDP DXDX P tổng số hoán vị mà lược đồ đề xuất tạo ra là KDX =(n-1)! Do vậy giá trị trung bình của MDP lược đồ đề xuất là (n+1)/3. Định lý được chứng minh. 2.3.3 Kết quả thực hiện Kết quả tính toán trên Matlab 6.0 lược đồ đề xuất, lược đồ Raymond với OD nhỏ nhất, OD trung bình và MPD trung bình với các giá trị khác nhau của chiều dài khung hoán vị, n thể hiện ở bảng 2.1. Bảng.2.1. Các giá trị thước đo lược đồ Raymond và lược đồ đề xuất. Lược đồ Raymond Lược đồ đề xuất n OD nhỏ nhất OD trung bình MPD trung bình OD nhỏ nhất OD trung bình MPD trung bình 16 1 1.124 5.8883 1 1.158 5.6628 32 1 1.128 10.892 1 1.155 11.078 48 1 1.141 15.691 1 1.166 16.619 64 1 1.144 20.738 1 1.261 22.04 80 1 1.145 25.483 1 1.152 27.507 96 1 1.165 30.405 1 n 32.951 112 1 1.17 35.467 1 1.176 38.758 128 1 1.178 40.312 1 1.175 44.032 144 1 1.197 44.992 1 1.186 49.769 160 1 1.193 49.906 1 1.18 55.745 14 Bảng.2.2. So sánh lược đồ đề xuất và Raymond TT Tham số Lược đồ Raymond Lược đồ đề xuất 1 Lưu trữ Số nguyên lớn cỡ (n- 1)! Mầm khóa S0 cỡ 300bit 2 Tính toán Phép tính số nguyên lớn (n-1)! Phép mod số nguyên <n 3 Mã hóa mỗi khung 1 khóa Khó khăn Thuận lợi 4 Không gian khóa KRaymond KRaymond 5 Giá trị thước đo Tương đương nhau Tương đương nhau Kết luận chương 2. Các kết quả cụ thể chương này bao gồm: (1). Nghiên cứu tổng thể về bài toán tạo khóa trong mã thoại tương tự. Tạo khóa cho mã thoại tương tự thực chất là tạo hoán vị xáo trộn. Do không phải tất cả các hoán vị đều dẫn tới tín hiệu tiếng nói đã mã có mức nghe hiểu còn lại chấp nhận được nên cần thiết phải có những tham số và ngưỡng để đánh giá hoán vị được lựa chọn. Hai tham số được sử dụng đánh giá hoán vị là khoảng cách hoán vị trung bình và bậc thay thế. Nghiên cứu sâu về lược đồ Raymond (2). Nghiên cứu sâu về lược đồ Raymond. Lược đồ Raymond có nhiều lợi thế khi cho không gian khóa lớn cỡ (N-1)! và các phần tử sau khi xáo trộn rời khỏi vị trí ban đầu của nó. Tuy nhiên lược đồ này cần phải lưu trữ và tính toán số nguyên lớn cỡ (N-1)! với N là độ dài khung hoán vị, nên gặp nhiều khó khăn trong thực tế (3). Đề xuất lược đồ cải tiến lược đồ Ray mond. Các kết quả thực hiện cho thấy lược đồ đề xuất có các thước đo tương đương lược đồ Ray mond và thuận lợi trong thực tế khi không cần lưu trữ và tính toán số nguyên lớn cỡ (n-1)!, đồng thời cho phép mã hóa mỗi khung tiếng nói 1 khóa. Nội dung của chương này liên quan đến các bài báo số [4] [5] (Danh mục các công trình khoa học đã công bố của tác giả). 15 CHƯƠNG 3 MỘT GIẢI PHÁP BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI BIẾN ĐỔI MIỀN 3.1. Đặt vấn đề Những phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có những đặc điểm:  Băng thông tiếng nói rõ /mã: 300Hz-3400Hz.  Tần số lấy mẫu sf <=8000Hz, 8 bit.  Biến đổi F có biến đổi nghịch đảo F-1 và xxFF  ))((1 .  Biến đổi F có biến đổi nhanh đáp ứng nhu cầu thời gian thực.  Được xử lý theo khung N mẫu với N =256 hoặc N=512.  Hoàn vị P và P-1 đảm bảo 12/,...,1,0))((1  NiiiPP .  Kích thước khung đầu vào bằng kích thước khung đầu ra.  Những biến đổi F đang sử dụng như DFT, DCT, FTH,...thực chất là biến đổi tín hiệu thoại sang miền tần số khối theo khối do vậy tiếng nói đầu ra mang tính nhân tạo của xử lý khối.  Hiện tại biến đổi F được áp dụng trực tiếp vào tín hiệu thoại.  Xử lý đầu ra tín hiệu mã với F-1. Từ những đánh giá trên, luận án đề xuất sử dụng biến đổi chồng lấp MDCT, kết hợp ITU-G.726 và QAM-256 làm biến đổi đầu vào; Sử dụng tính đối xứng của IFFT làm biến đổi đầu ra. 3.2. Ứng dụng biến đổi MDCT. Khối xử lý đầu vào có những yêu cầu: 1. Có biến đổi ngược xxFF  ))((1 đáp ứng yêu cầu giải mã. 2. Có thuật toán biến đổi nhanh đáp ứng tính thời gian thực. 3. Chuỗi sau khi biến đổi có độ dài không vượt quá khung tiếng nói ban đầu. Đảm bảo tín hiệu không bị mất. 3.2.1. Biến đổi MDCT. Biến đổi thuận: 16            12 0 ) 2 1 )( 2 1 (cos)()( 2 )( M n ii Mnk M nynh M kX  (3.3) với i là chỉ số khối, k=0, 1, ..., M-1. Biến đổi ngược:            1 0 ) 2 1)( 2 1(cos)(2)(ˆ M k ii Mnk M kX M ny  (3.4) với i là chỉ số khối, n=0, 1, ..., 2M-1,và toán tử cộng chồng lấp:   )(ˆ)()(ˆ)(ˆ 1 nynhMnyMnhnx iii   (3.5) với i là chỉ số khối, n=0,1,...,M-1. Cửa sổ hình sin 12,...,0, 22 1 sin)(                    Mn M nnh  (3.8) 3.2.2. Đặc tính tái tạo hoàn thiện của MDCT Biến đổi MDCT với cửa sổ hình sin có đặc tính tái tạo hoàn thiện và lọai bỏ biệt danh miền thời gian. 3.2.3. Thuật toán tính toán nhanh MDCT. Để tính toán MDCT theo công thức (3.3) độ phức tạp tính toán là O(M2). Thuật toán MDCT4 tính toán nhanh trên cơ sở tính toán nhanh DFT đưa độ phức tạp tính toán về O(M/2 log(M/2)). 3.3. Ứng dụng G.726 và ánh xạ QAM. 3.3.1. ITU-T G.726. Thực hiện lập mã tiếng nói trên cơ sở điều chế xung mã sai phân thích nghi với dự báo và lượng tử hóa thích nghi. Sử dụng thuật toán LMS và lượng tử hóa thích nghi phản hồi. Sự thích nghi của dự báo và lượng tử hóa được thực hiện truy hồi. Chuẩn ITU-T G.726 có thể lập mã tiếng nói với các tốc độ 40kbps, 32kbps, 24kbps và 16kbps. 3.3.2. Ánh xạ QAM. Ánh xạ một số nguyên trong khoảng [0,M-1] thành số phức (Ii,Qi). Giá trị nhỏ nhất của (Ii,Qi) là (1,1) và là một thành phần của ma trận vuông LxL. 17 với : ,...3,2,1,4,  nMML n 3.4. Đề xuất xử lý đầu ra 3.4.1. Yêu cầu của bộ xử lý tín hiệu đầu ra Để đảm bảo đầu thu nhận tín hiệu mã, sau khi giải mã thu được tiếng nói nghe hiểu bộ xử lý này phải thỏa mãn những yêu cầu sau: 1. Đầu ra phải là tín hiệu thực, hay các thành phần ảo bằng không. 2. Biến đổi đầu ra là trực giao. 3. Tín hiệu đầu ra có băng tần tiếng nói 300-3400Hz. 4. Kích thước khung đầu ra không vượt quá khung đầu vào. 5. Thuật toán biến đổi này có phép biến đổi nhanh. Với biến đổi IFFT, khung độ dài NFFT= 256 mẫu, tần số lấy mẫu 8000Hz, thỏa mãn các yêu cầu trên. 3.4.2. Bộ xử lý đầu ra đề xuất Với khung có chiều dài NFFT= 256 mẫu, tần số lấy mẫu 8000Hz, lựa chọn tần số thấp nhất s . Thủ tục xử lý tín hiệu đầu ra: XLDR Bước 1. Điền khung vs chiều dài NFFT=256 toàn ‘0’; Bước 2. Chèn khung v , độ dài NP vào vs từ vị trí s đến 1 NPs . Bước 3. Thêm vào phần đối xứng: 12/,..2,1)(()(  NFFTiivsconjiNFFTvs (3.50) Bước 4.Tính tín hiệu ra thông qua IFFT: )256,(vsIFFTy  (3.51) 3.5. Bộ mã hóa đề xuất 1 3.5.1. Nguyên lý.                         )1,1(...)1,3(),1,1( )3,1(...,3,3()3,1( )1,1(...)1,3(1,1 , LLLLLL LLLLLL LLLLLL QI ii 18 Bộ mã hóa tín hiệu thoại tương tự đề xuất với mục tiêu áp dụng trong bảo mật cấp chiến thuật chỉ bảo mật bán song công có sơ đồ khối chi tiết theo như hình 3.3 và tham số như Bảng 3.1. Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ mã hóa xáo trộn tiếng nói giải pháp 1 Bảng.3.1. Tham số của bộ mã hóa đề xuất 1 TT Tham số Khoảng giá tri 1 Cấp bảo mật Chiến thuật 2 Loại truyền thông Bán song công 3 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz 4 Độ rộng băng thông tín hiệu tiếng nói đầu vào 2,9kHz:300- 3200Hz 5 Tần số lấy mẫu đầu vào 6500Hz 6 Độ dài khung tín hiệu tiếng nói đầu vào (xử lý tín hiệu MDCT) 2x208 7 Độ dài khung FFT (đầu ra kênh truyền) 256 8 Tần số DA đầu ra, AD đầu vào tiếng nói đã mã 8000 9 Số thành phần tần số xáo trộn 104 3.5.2. Thủ tục mã hóa giải mã Tín hiệu tiếng nói đầu vào )(txa được số hóa thành PCM 8 bit, sinf Hz, được chia thành các khung con với chiều dài 2*M, mỗi lần xử lý 1 khung với độ chồng lấp 50% thời gian mỗi khung mstFin 32 . Mỗi lần xử lý biến đổi MDCT cho ta chuỗi phức u có độ dài M/2 hay M hệ số biến đổi MDCT. Chuỗi phức này được hoán vị thủ tục tạo hóa HV tạo hoán vị thành chuỗi phức v . Chuỗi v này qua thủ tục XLDR tạo thành chuỗi y qua DA truyền lên kênh. 19 3.6. Bộ mã hóa đề xuất 2 Bộ mã hóa tín hiệu thoại đề xuất có sơ đồ khối chi tiết theo sơ đồ khối hình 3.4 và tham số ở bảng 3.2. Hình 3.4. Sơ đồ khối bộ mã hóa đề xuất 2 Bảng 3.2. Tham số của bộ mã hóa xáo trộn đề xuất 2 TT Tham số Khoảng giá tri 1 Cấp bảo mật Chiến thuật 2 Loại truyền thông Bán song công 3 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz 4 Độ rộng băng thông của tiếng nói đầu vào 300-3400Hz 5 Tần số lấy mẫu đầu vào 8000Hz 6 Tham số QAM 256 7 Độ dài khung FFT 256 8 Tần số DA đầu ra, AD đầu vào 8000 9 Số thành phần xáo trộn 96 3.7. Kết quả thực hiện và thảo luận. Mô phỏng thực hiện trên Matlab 6.0 với mô hình như hình 3.5. Hình3.5. Mô hình thực hiện đánh giá 20 3.6.1. Độ mật Khóa mã hóa tạo ra trong thủ tục đề xuất với số phần tử hoán vị n đạt không gian khóa cỡ (n-1)! với bộ mã hóa đề xuất 1 không gian khóa là 103! với bộ mã hóa đề xuất thứ 2 đạt cỡ 95!. Đây là không gian khóa đủ lớn. Vị trí của mẫu tiếng nói trong khung hoán vị được quyết định bởi đầu ra bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR có tính phân bố đều, xét duyệt toàn bộ những giá trị của bộ tạo số ngẫu nhiên này là không thể, do vậy độ phức tạp phân tích mã lớn. Mỗi khung tiếng nói được mã hóa với một khóa hoán vị khác nhau, dẫn đến tránh hiện tượng trùng khóa, nâng cao độ mật. 3.6.2. Độ che lấp. Hình 3.7, 3.8 là tần số của tín hiệu tiếng nói ban đầu, mã hóa và ảnh phổ của tín hiệu tiếng nói ban đầu, mã hóa, giải mã giải pháp 1. Phổ tín hiệu mã hoàn toàn khác so với tín hiệu đầu vào hay cấu trúc của tiếng nói đã bị phá vỡ. Hình 3.7. Tần số tín hiệu tiếng nói ban đầu và đã mã đề xuất 1 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 0 500 1000 1500 Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu Thêi gian f[Hz] § é lí n -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 0 20 40 60 80 100 120 Phæ biªn ®é tiÕng nãi m· Thêi gian f[Hz] § é lí n 21 Hình 3.8. Ảnh phổ tín hiệu ban đầu, mã hóa và giải mã giải pháp 1. Hình 3.10.Tần số tín hiệu tiếng nói ban đầu và đã mã giải pháp 2 Hình 3.11. Ảnh phổ tín hiệu ban đầu, mã hóa , giải mã theo giải pháp 2 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 0 500 1000 1500 2000 Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu Thêi gian f[Hz] § é lí n -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 0 200 400 600 800 Phæ biªn ®é tiÕng nãi m· Thêi gian f[Hz] § é lí n 22 Tính toán các thước đo cảm quan đối với tiếng nói đã mã và tiếng nói khôi phục lại sau khi giải mã được thể hiện ở bảng 3.3. Bảng 3.3. Thước đo cảm quan tiếng nói mã và giải mã. MDCT G.726 QAM FFT DCT TT M T M T M T M T LogSpectralDistance 8.9 0.14 12.8 0.42 LPCDistance 2.4 0.1 2.6 0.36 2.56 0.25 3.1 0.3 CepDistance 4.7 -74 5.75 -0.5 4.28 -2.8 4.6 - 17 Segmental SSNN 0.02 30 0.05 33 -1.8 31 -37 29 (M: tiếng nói mã, T: tiếng nói tái tạo) Từ những kết quả trên cho thấy độ che lấp tiếng nói tốt. 3.6.3. Khả năng chống nhiễu và chất lượng tiếng nói Sau khi giải mã chất lượng tiếng nói tốt, nghe hiểu được nội dung, nhận dạng được người nói. Với giải pháp 1, cho khả năng che giấu lỗi của lược đồ mã hóa đề xuất, cho độ lợi chống nhiễu cỡ 1dB 3.6.4. Tính thời gian thực Với giải pháp 1, độ phức tạp tính toán: O(M/2 log(M/2))+ NP( phép gán+ mod+ Đổi vị trí). + O(N log(N)). Với độ phức tạp này hoàn toàn có thể thực hiện trong hệ thống thời gian thực. Độ dài khung mã hóa 32ms, với hai khung chồng lấp độ trễ của bộ mã hóa đề xuất 1 cỡ 64ms+ thời gian tính toán Kết quả thực hiện bộ mã hóa đề xuất 1 với Kit DSK5416, trên mô hình mã hóa, giải mã tại chỗ cho thấy tiếng nói sau khi giải mã đáp ứng được tính thời gian thực. Kết luận chương 3 Trong chương 3 đã thực hiện các vấn đề: 23 1.Luận án đề xuất ứng dụng biến đổi MDCT làm biến đổi đầu vào cho mã hóa thoại tương tự cấp chiến thuật. Với lợi thế của biến đổi MDCT, chất lượng tiếng nói cảm quan được cải thiện đáng kể, tăng khả năng che dấu lỗi đạt cỡ 1dB. Đồng thời, với thuật toán tính nhanh trên cơ sở FFT, đáp ứng được tính thời gian thực. 2. Bộ mã thoại tương tự biến đổi miền xử lý trực tiếp trên tín hiệu thoại số đầu vào, chưa tận dụng đặc tính giảm độ dư thừa ngôn ngữ của các thuật toán nén tiếng nói. Do vậy, luận án sử dụng chuẩn nén ITU-T G.726 kết hợp ánh xạ QAM cho xử lý tín hiệu đầu vào, cho tiếng nói đã mã có độ che lấp tốt hầu như loại bỏ hoàn toàn độ rõ còn lại. 3. Biến đổi đầu ra đã mã hóa thường được sử dụng là biến đổi nghịch đảo của biến đổi đầu vào. Luận án đề xuất sử dụng biến đổi IFFT trong xử lý tín hiệu đã mã để chủ động trong việc điều khiển băng thông, nhằm đảm bảo tín hiệu đã mã hóa không vượt quá băng thông tín hiệu thoại, giúp định dạng tín hiệu đã mã hóa phá vỡ cầu trúc tiếng nói 4. Kết quả thực hiện hai bộ mã hóa do luận án đề xuất với lược đồ mã hóa đề xuất chương 2 cho độ che lấp tốt, không gian khóa lớn, chất lượng tiếng nói tái tạo đầu ra đảm bảo hoàn toàn đạt được yêu cầu bảo mật tín hiệu thoại. Bộ mã hóa 1 mà luận án đề xuất có độ phức tạp tính toán thấp đảm bảo bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực. KẾT LUẬN Luận án đạt được những kết quả: Nghiên cứu tổng quan về bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại, phân tích đặc trưng của tiếng nói cho thấy bảo mật tín hiệu thoại ngoài việc đáp ứng độ mật, còn phải đáp ứng yêu cầu về độ che lấp tiếng nói, độ rõ còn lại, tính thời gian thực và yêu cầu về băng thông. Nghiên cứu về bài toán tạo khóa trong mã thoại tương tự, nhiều khóa hoán vị cho tiếng nói đã mã có độ che lấp thấp, do vậy cần có những tham số và ngưỡng lựa chọn để đánh giá khóa tạo ra. Với thước đo và ngưỡng được lựa chọn này, cần có những đánh giá lại về không gian khóa có thể tạo ra. Hai thước đo được lựa chọn sử dụng là bậc thay thế và khoảng cách hoán vị trung bình. 24 Nghiên cứu về kỹ thuật xử lý tín hiệu đầu vào, đầu ra đã mã của các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại tương tự biến đổi miền. Để đảm bảo không gia tăng nhiễu kênh truyền, tính thời gian thực và tiếng nói tái tạo chấp nhận được, những kỹ thuật xử lý đầu vào là những biến đổi trực giao có thuật toán tính toán nhanh. Trong khi đó, để đảm bảo tín hiệu có thể truyền được kênh thoại, xử lý đầu ra đã mã thường là biến đổi ngược của biến đổi xử lý tín hiệu đầu vào. Đóng góp mới của luận án: Trên cơ sở lược đồ tạo khóa Raymond, luận án đề xuất lược đồ tạo khóa sử dụng bộ tạo số giả ngẫu nhiên, làm giảm độ phức tạp tính toán và tài nguyên thiết bị, cho phép mã hóa mỗi khung tiếng nói với một khóa. Kết quả chứng minh của luận án cho thấy lược đồ cải tiến do luận án đề xuất có các thước đo, không gian khóa là tương đương với lược đồ của Raymond. Với mục tiêu nâng cao chất lượng tiếng nói tái tạo và khả năng giấu lỗi, luận án đề xuất sử dụng biến đổi chồng lấp trực giao MDCT trong xử lý tín hiệu tiếng nói đầu vào. Thực nghiệm mô phỏng đã khẳng định tính đúng đắn của giải pháp do luận án đề xuất và độ lợi SNR thu được cỡ 1dB. Đồng thời luận án còn đề xuất sử dụng chuẩn ITU-T G.726 kết hợp ánh xạ QAM trong biến đổi xử lý đầu vào, nhằm loại bỏ hầu như hoàn toàn âm điệu tiếng nói trong tín hiệu đã mã. Thực nghiệm mà luận án tiến hành cho thấy tín hiệu đã mã gần như tín hiệu nhiễu trắng, không còn cấu trúc và âm điệu. Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu đầu ra đã mã trên cơ sở sử dụng tính đối xứng của biến đổi IFFT cho phép chủ động lựa chọn băng thông đáp ứng được kênh truyền đồng thời góp phần thay đổi hình dạng của tín hiệu trên đường truyền. Hướng nghiên cứu tiếp theo: Hướng nghiên cứu tiếp là tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện các ánh xạ loại bỏ được âm điệu tiếng nói, các ánh xạ có thể thay thế, không cần sử dụng thuật toán nén tiếng nói để giảm độ phức tạp tính toán của bộ mã hóa. 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CÔNG BỐ 1. La Hữu Phúc ,”Bảo mật trong mạng GSM”, Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS, số 9,10-2010 trang 30-34 2. La Hữu Phúc ,”Truyền dữ liệu qua kênh thoại GSM bằng tiếng nói tổng hợp”, Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS, số 9,10-2010 trang 62-68 3. La Hữu Phúc “Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT”. Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS số 29,2-2014 trang 46-52 4. La Hữu Phúc “Một lược đồ tạo khóa cho bảo mật thoại tương tự”. Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS số 30,4-2014 trang 22-26. 5. La Hữu Phúc, Nguyễn Hồng Quang, Dương Phúc Phần (2014), “Không gian khóa trong mã hóa xáo trộn tiếng nói”, Báo cáo tại Hội nghị Quốc gia lần thứ 7 về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR) Thái nguyên ngày 19- 20/6/2014.