信息隱藏在信息安全技術(shù)課程中教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置的研究

綦科　謝冬青　熊偉

【摘 要】本文在分析現(xiàn)有計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)信息安全技術(shù)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，針對(duì)信息隱藏技術(shù)的發(fā)展及其在信息安全技術(shù)中所占地位的重要程度，從教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兩個(gè)方面探索信息隱藏在信息安全技術(shù)課程中的設(shè)置安排。

【關(guān)鍵詞】信息隱藏；信息安全技術(shù)課程；教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)設(shè)置

【Abstract】This paper analyses the teaching and experiment contents of information security lesson in computer applied technology， explores the teaching and experiment arrangement of stegnagraphy according to the development of information hiding and its important degree in information security technology.

【Key words】Stegnagraphy； Information security lesson； Teaching and experiment contents

0 前言

信息安全技術(shù)是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的一門(mén)涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、密碼技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合性學(xué)科，課程的理論性強(qiáng)，涉及的知識(shí)面寬，對(duì)學(xué)生的理論與實(shí)踐兩方面的要求均較高。

目前，信息安全技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科中發(fā)展最快的專業(yè)之一[1]。經(jīng)典的信息安全技術(shù)[2]包括：密碼技術(shù)、防火墻技術(shù)、防入侵技術(shù)、病毒技術(shù)、黑客攻防技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)安全技術(shù)、安全管理等，這些內(nèi)容都在信息安全技術(shù)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了相應(yīng)的章節(jié)，既給學(xué)生奠定信息安全理論基礎(chǔ)，又強(qiáng)化動(dòng)手能力，樹(shù)立理論聯(lián)系實(shí)際的觀念。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展、現(xiàn)代社會(huì)信息化的發(fā)展，信息安全技術(shù)也在不斷的發(fā)展和豐富。

信息隱藏技術(shù)作為信息安全中的一項(xiàng)重要技術(shù)，近十年來(lái)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的重視，出于對(duì)保護(hù)多媒體產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)的需求，出于密碼技術(shù)的局限性而又必須進(jìn)行隱密通信的特殊需求，信息隱藏中的數(shù)字水印技術(shù)和數(shù)字密寫(xiě)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。因此，鑒于當(dāng)前本科信息安全技術(shù)課程中缺乏講授信息隱藏內(nèi)容的不足，本文針對(duì)信息隱藏技術(shù)的發(fā)展及其在信息安全技術(shù)中所占地位的重要程度，從教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容兩個(gè)方面探討信息隱藏在信息安全技術(shù)本科課程中的設(shè)置安排，以期豐富和完善信息安全技術(shù)在本科階段的教學(xué)和實(shí)踐。

1 信息隱藏的發(fā)展和特點(diǎn)

信息隱藏技術(shù)是利用公開(kāi)、有實(shí)際意義的多媒體數(shù)據(jù)，將某一機(jī)密信息秘密地隱藏于另一公開(kāi)信息中，通過(guò)對(duì)公開(kāi)信息的傳輸來(lái)傳送秘密信息，攔截者難以從公開(kāi)信息中判斷秘密信息的存在性，從而保證秘密信息的安全性。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，信息隱藏技術(shù)作為信息安全和管理及知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等領(lǐng)域的主要手段，正得到廣泛的研究與應(yīng)用[3]。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，信息隱藏技術(shù)已經(jīng)成為信息安全領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。這種技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域就是數(shù)字水?。―igital Watermarking），它著眼于在多媒體數(shù)據(jù)中嵌入標(biāo)記，以保護(hù)數(shù)字媒體知識(shí)版權(quán)或進(jìn)行多媒體認(rèn)證，主要包括易損水印和穩(wěn)健水印二個(gè)分支。隨著版權(quán)保護(hù)的重要性和緊迫性日益突出，數(shù)字水印日益受到重視而得到快速發(fā)展。

除了用于版權(quán)保護(hù)的數(shù)字水印外，信息隱藏的另一重要分支是數(shù)字密寫(xiě)（Steganography）和密寫(xiě)分析（Steganalysis）。數(shù)字密寫(xiě)是將秘密信息隱藏在公開(kāi)載體信息中，使得在傳遞公開(kāi)載體的同時(shí)傳遞秘密信息并且不被人察覺(jué)。與數(shù)字水印不同的是，數(shù)字密寫(xiě)著眼于隱藏信息本身的隱秘性，以達(dá)到秘密通信的目的，其基本要求是隱藏信息具有足夠的嵌入容量和極高的安全性，但對(duì)穩(wěn)健性要求不高。目前，文本、三維模型、圖像、音頻、視頻都已經(jīng)成為數(shù)字密寫(xiě)技術(shù)的載體，除了用于軍事目的外，數(shù)字密寫(xiě)技術(shù)正向著視音頻產(chǎn)品、遠(yuǎn)程教學(xué)、醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、移動(dòng)多媒體通信等廣泛的民用和商業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。而密寫(xiě)分析是一種與密寫(xiě)相對(duì)抗的技術(shù)，其目的在于分析、提取、還原/破壞隱藏的秘密信息，其重要性體現(xiàn)在二個(gè)方面：一方面，以各種手段分析檢測(cè)密寫(xiě)信息的存在，可以尋找敵對(duì)隱蔽信息的信源，阻斷隱蔽通信的通道；另一方面，密寫(xiě)分析研究可以反過(guò)來(lái)促進(jìn)密寫(xiě)技術(shù)的發(fā)展，增強(qiáng)隱蔽通信的安全性；如研究針對(duì)常規(guī)的信號(hào)處理和攻擊方法，可以提高密寫(xiě)算法的魯棒性；研究相關(guān)的分析檢測(cè)理論模型可以評(píng)估、改進(jìn)信息隱藏算法性能；研究針對(duì)性地選取載體信號(hào)可以提高密寫(xiě)算法不可感知性，進(jìn)一步增強(qiáng)算法的安全性等。

從以上信息隱藏的內(nèi)容可知，信息隱藏的特點(diǎn)在于：

1）涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理、信息編碼、信號(hào)處理、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、視聽(tīng)覺(jué)特性等領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，是一個(gè)跨越多個(gè)學(xué)科的領(lǐng)域，因此教學(xué)內(nèi)容涉及面廣，對(duì)學(xué)生的先修課程和基礎(chǔ)知識(shí)要求較高。

2）信息隱藏技術(shù)在不斷的攻防過(guò)程中不斷發(fā)展，其知識(shí)內(nèi)容更新快，實(shí)踐性強(qiáng)，必須要安排實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，讓學(xué)生自己去應(yīng)用，才能真正地掌握、理解和應(yīng)用。

鑒于以上信息隱藏的內(nèi)容和特點(diǎn)，鑒于信息隱藏的研究有著現(xiàn)實(shí)的意義和廣闊的應(yīng)用前景，非常有必要在信息安全課程中添加信息隱藏領(lǐng)域的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2 信息隱藏教學(xué)內(nèi)容設(shè)置

信息隱藏教學(xué)的目的是：使學(xué)生全面掌握信息安全技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)技能和創(chuàng)新素質(zhì)。為此，需按照知識(shí)—能力—素質(zhì)結(jié)構(gòu)的要求，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)信息隱藏教學(xué)內(nèi)容，合理的制定教學(xué)計(jì)劃。

在信息隱藏教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，應(yīng)該遵循下述基本理念：

1）信息隱藏領(lǐng)域包括兩大分支：數(shù)字水印和數(shù)字密寫(xiě)，分別有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域，因此在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，應(yīng)該二者并重。

2）由于信息隱藏的載體多種多樣，包括文本、三維模型、圖像、音頻、視頻等，而教學(xué)課時(shí)有限，不可能兼顧所有類(lèi)型載體的信息隱藏技術(shù)，因此在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，應(yīng)該選擇發(fā)展最早、最快、應(yīng)用范圍最廣的圖像信息隱藏作為教學(xué)主線。

3）鑒于信息隱藏僅僅是信息安全技術(shù)將教學(xué)中的一個(gè)方面，因此綜合考慮教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)量的占比，分配10個(gè)學(xué)時(shí)的總教學(xué)時(shí)間，其中理論教學(xué)6個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)4個(gè)學(xué)時(shí)。

按信息安全技術(shù)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)要求，信息隱藏教學(xué)可包含以下內(nèi)容：

1）2個(gè)學(xué)時(shí)的數(shù)字水印技術(shù)及其應(yīng)用。

教學(xué)內(nèi)容包括：數(shù)字水印的一般性框架和模型；數(shù)字水印的分類(lèi)；數(shù)字水印的經(jīng)典算法；數(shù)字水印的經(jīng)典應(yīng)用；數(shù)字水印攻擊及性能評(píng)價(jià)；數(shù)字版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)及其組成。

由于數(shù)字水印主要包含空域算法和變換域算法，因此選取Patchwork算法作為空域經(jīng)典算法和基于離散余弦變換的數(shù)字水印算法作為變換域經(jīng)典算法作為教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握數(shù)字水印的基本原理及其應(yīng)用方法。

2）2個(gè)學(xué)時(shí)的數(shù)字密寫(xiě)技術(shù)及其應(yīng)用。

教學(xué)內(nèi)容包括：數(shù)字密寫(xiě)的一般性框架和模型；數(shù)字密寫(xiě)的分類(lèi)；數(shù)字密寫(xiě)的經(jīng)典算法；數(shù)字密寫(xiě)的經(jīng)典應(yīng)用；數(shù)字密寫(xiě)的性能評(píng)價(jià)。

由于數(shù)字密寫(xiě)主要包含空域算法和變換域算法，因此選取LSB算法作為空域經(jīng)典算法和基于離散余弦變換的F5算法作為變換域經(jīng)典算法作為教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握數(shù)字密寫(xiě)的基本原理及其應(yīng)用方法。

3）2個(gè)學(xué)時(shí)的密寫(xiě)分析技術(shù)。

教學(xué)內(nèi)容包括：密寫(xiě)分析的一般性框架和模型；密寫(xiě)分析分類(lèi)；密寫(xiě)分析的經(jīng)典算法；針對(duì)密寫(xiě)分析的改進(jìn)密寫(xiě)技術(shù)。

由于密寫(xiě)分析主要分為專用密寫(xiě)分析和盲密寫(xiě)分析，因此選取LSB密寫(xiě)分析作為專用密寫(xiě)分析算法和針對(duì)F5算法的JPEG密寫(xiě)分析作為變換域密寫(xiě)分析算法作為教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握密寫(xiě)分析原理和思路。

3 信息隱藏實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

信息安全技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的[4]是更好的將理論教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)有機(jī)的融入到具體的實(shí)踐中去，使學(xué)生不僅能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解和掌握理論教學(xué)的內(nèi)容，還能培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的分析能力、綜合解決問(wèn)題能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

配合教學(xué)內(nèi)容中的重要知識(shí)點(diǎn)，信息隱藏實(shí)驗(yàn)的設(shè)置采用技能性、設(shè)計(jì)性實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的方式，共設(shè)置4個(gè)學(xué)時(shí)，包含2個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中1個(gè)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，1個(gè)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

1）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)

采用獨(dú)立實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，共包含2個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是W-SVD數(shù)字水印算法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，掌握水印生成、水印嵌入、水印檢測(cè)三個(gè)步驟；通過(guò)算法參數(shù)取值的不同，驗(yàn)證水印的不可見(jiàn)性特性；通過(guò)圖像壓縮、圖像模糊化、中值濾波、馬賽克處理等攻擊手段，驗(yàn)證水印的魯棒性特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)水印原理和應(yīng)用有感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生掌握數(shù)字水印的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)；第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是基于離散余弦變換的F5圖像密寫(xiě)算法的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，掌握待嵌入密寫(xiě)信息的預(yù)處理、原始圖像的JPEG壓縮處理、密寫(xiě)信息嵌入、密寫(xiě)圖像生成四個(gè)步驟；通過(guò)算法參數(shù)取值的不同，驗(yàn)證密寫(xiě)信息對(duì)圖像的不可感知性的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)密寫(xiě)原理和應(yīng)用有感性認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生掌握數(shù)字密寫(xiě)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

2）設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)

采用分組的形式進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，每組2人，學(xué)生可從明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)、工作分工、遇到問(wèn)題及時(shí)確定解決方案、認(rèn)真撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告等幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行有組織、有計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是：應(yīng)用matlab編程實(shí)現(xiàn)可視化LSB密寫(xiě)及其密寫(xiě)分析，包括可視化界面設(shè)計(jì)、待嵌入密寫(xiě)信息的預(yù)處理、LSB密寫(xiě)嵌入、密寫(xiě)信息的提取驗(yàn)證、LSB密寫(xiě)分析算法及其結(jié)果顯示等模塊，使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握數(shù)字密寫(xiě)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和功能，掌握密寫(xiě)分析的原理及測(cè)試密寫(xiě)分析算法的檢測(cè)性能。這樣，通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生的分析能力、綜合解決問(wèn)題能力和實(shí)際動(dòng)手能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

信息隱藏是現(xiàn)代信息安全技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。通過(guò)近二年在實(shí)際教學(xué)中的實(shí)踐證明，在信息安全技術(shù)課程中加入信息隱藏的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生更為全面的掌握了信息安全技術(shù)，一定程度上激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐技能和綜合能力。從學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以看出，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)已基本掌握了信息隱藏的主要知識(shí)點(diǎn)，基本掌握了信息隱藏的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到了信息隱藏理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

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[責(zé)任編輯：湯靜]