CN109995503A - 一种基于密钥的电子栅格构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于密钥构造电子栅格实现隐写的方法，该发明首先计算秘密消息长度，并通过密钥选择行走规则，确定最小的网格大小Mmin*Nmin，然后根据密钥确定起始单元格和隐藏路径选择方式进而确定唯一隐藏路径，将秘密消息依次嵌入到确定的唯一路径上的单元格中，对网格中剩余单元格进行填充，再选取部分单元格抠除其中的文本，得到载密游戏栅格。在提取时，接收者按照和发送方相同的规则填充载密游戏栅格，根据密钥计算唯一隐藏路径提取秘密消息。本方法进行秘密消息传输时具有较高的隐蔽性和安全性。

Description

一种基于密钥的电子栅格构造方法

技术领域

本发明属于信息隐藏领域，特别是涉及一种基于密钥构造电子栅格实现隐写的方法。

背景技术

互联网技术的发展与普及给我们的生活带来了极大方便的同时也带来了诸多的问题，如信息窃取和泄露等，因此亟需解决信息在传输过程中的安全性问题。信息隐藏技术是保证信息传输安全性的一种重要方式，它是把秘密消息隐藏在广泛应用的载体中进行传输，隐蔽秘密消息通信的存在，从而避免被攻击者察觉的一种方法。按照隐藏秘密消息的载体类型划分，本发明归类为基于文本载体的隐写术。以文本为载体的隐写术在古代就被发明应用，最具有代表性的是藏头诗、藏尾诗、卡尔达诺栅格等。从所依赖的特征来看，以电子文本为载体的隐写术大致可分为三类：基于格式的、句法的和语义的。基于格式的文本隐写方法主要是通过调整行、字间距，改变字体的样式、字号、颜色，在文本段首、段末等位置插入空格等不可见字符实现隐写，基于格式文本的隐写方法对文本重排版的抵抗力较差，容易被专门隐写分析软件检测和识别，隐蔽性较差。基于句法变换的文本隐写方法是对句子的句法结构进行改变，改动后的句子可能会存在句法不通顺的现象，这会导致隐蔽性降低。基于语义的文本隐写方法主要是根据同义词和虚词的语法规则来实现秘密消息的嵌入。现有基于语义的文本隐写方法往往容易存在语句上的歧义，就会引起攻击者的怀疑，进而导致隐蔽性和安全性较低。

综上所述，基于格式、基于句法和基于语义的文本隐写方法主要通过插入、修改或生成等操作实现隐写，在隐蔽性和安全性方面都存在一定的缺陷，难以保证对秘密消息传输的安全性。

发明内容

针对上述文本隐写术中存在的隐蔽性和安全性较差的问题，本发明提出了一种基于密钥的电子栅格构造方法实现隐写。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种电子栅格构造方法，其特征在于，包括隐写过程和提取过程，其中：

(一)所述的隐写过程包括以下步骤：

1)计算秘密消息长度Lmsg；

2)建立密钥和路径间的映射关系；

3)根据密钥计算网格大小；

4)根据密钥确定唯一隐藏路径；

5)在唯一隐藏路径上的单元格中填充秘密消息；

6)按照游戏填充规则填充辅助信息，得到最大填充网格；

7)抠除最大填充网格，得到载密游戏栅格；

(二)所述的提取过程包括以下步骤：

1)对接收到的载密游戏栅格按照游戏填充规则填充得到最大填充网格；

2)构建和发送方相同的密钥与路径间的映射关系；

3)根据密钥计算唯一隐藏路径；

4)根据唯一隐藏路径提取秘密消息。

所述的“隐写过程”和“提取过程”的步骤2)的具体方法是：分别建立密钥和隐藏路径的起始单元格、路径选择方式的映射关系，使得对给定的密钥就可确定网格中的唯一起始单元格，明确唯一路径选择方式。

所述的“隐写过程”的步骤3)根据密钥计算网格大小是：在构造游戏栅格之前需要确定对应网格的大小，步骤如下：首先根据行走规则计算初始网格的大小m*n，这里要求：m*n>＝Lmsg且m和n的差值最小；然后选取该网格中任意两单元格分别作为起始单元格和终止单元格，按照路径选择方式，计算起止单元格间的唯一隐藏路径Lpath；若任意两单元格间都是Lpath<Lmsg，则将m，n中较小者加一，若m＝n，则任选m或n加一，然后重复以上计算求解m、n的过程，直到找到Lpath≥Lmsg的最小网格为止，此时网格大小为Mmin*Nmin。

所述的“隐写过程”的步骤4)和“提取过程”的步骤3)的具体方法是：首先确定构造载密游戏栅格所采用的行走规则，如：“日”字、“田”字或其它能表达形成路径的折线或曲线的规则；再进行隐藏路径方式选择，路径选择方法可基于最短、最长或其它路径定义，并根据位置或曲线的表示方法进行描述；若给定了起始单元格，对任一单元格按照行走规则有确定下一单元格的路径选择方式，再加上秘密消息长度，就知道唯一的隐藏路径；这里以秘密消息长度为密钥，建立密钥和起始单元格、密钥和行走规则与路径选择方式间的映射关系，映射关系通过哈希函数和随机种子数等方式求得，使得对给定的密钥就可确定网格中的唯一起始单元格、确定的行走规则、明确唯一路径选择方式。

所述的“隐写过程”的步骤6)和“提取过程”的步骤1)填充的具体方法是：根据网格中各单元格上已有的文本内容，按照填字或填词游戏的规则最大可能地将网格填满，填充完毕后得到最大填充网格。

所述的“隐写过程”的步骤7)的具体方法是：所述的“抠除”的规则是：

1)删除最大填充网格中符合游戏填充规则的共同使用的单元格中的字符或数字；

2)若对秘密消息文本中的字抠除，需要注意保证填充此处的唯一性，即构成被抠掉位置的字在填充游戏时只能使用被抠掉的字；

3)抠除的字不包含在秘密消息的文本中，在保证不影响密文的前提下进行抠除。

按照上述规则进行抠除操作，直到不能删除单元格中的内容为止，抠除后得到载密游戏栅格。

本发明的优点是：通过构建m*n的网格，网格中能够隐藏此秘密消息的路径可能有多条，然后根据密钥确定起始单元格和隐藏路径选择方式进而确定唯一隐藏路径，将秘密消息依次嵌入到确定的唯一路径上的格子中，对网格中剩余单元格进行填充，再选取部分单元格，抠除其中的文本，得到载密游戏栅格发送给接收者。在提取时，接收者按照和发送方相同的填充规则对载密游戏栅格进行填充，根据密钥计算唯一隐藏路径提取秘密消息，采用本发明具有较高的隐蔽性和安全性，可以有效抵抗攻击。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细实施描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明实施例的总流程图；

图2是本发明行走规则示例说明图；

图3是本发明实施例秘密消息嵌入图；

图4是本发明实施例的最大填充网格图；

图5是本发明实施例的载密游戏栅格图。

具体实施方式

参见图1-图5，本发明一种基于密钥构造电子栅格实现隐写的方法，首先计算秘密消息长度，并通过密钥选择行走规则，确定最小的网格大小Mmin*Nmin，网格中能够隐藏此秘密消息的路径可能有多条，然后根据密钥确定起始单元格和隐藏路径选择方式进而确定唯一隐藏路径，将秘密消息依次嵌入到确定的唯一路径上的格子中，对网格中剩余空格单元进行填充，再选取部分单元格，抠除其中的文本，得到载密游戏栅格。接收方得到该载密游戏栅格后按照发送方相同的规则填充，根据密钥提取秘密消息。采用本发明具有较高的隐蔽性和安全性，可以有效抵抗攻击。该发明技术方案的关键步骤是基于密钥的载密游戏栅格的构造，具体构造规则如下：

定义1，行走规则集合R：构造载密游戏栅格可采用的多种不同的行走方法，如：“日”字(如图2所示)、“田”字、其它能表达路径的折线或曲线。

定义2，路径选择方式集合S：对给定的任一单元格，按照某种路径选择方式，可得到路径上该单元格的后继单元格。路径选择方式可基于最短、最长或关键路径等方法定义，为保证路径的唯一性，可能还需根据位置或曲线的表达方法等进一步约束。

定义3：隐藏路径PATH：对网格中任意给定的起始单元格和终止单元格，按照某种行走规则和路径选择方式，从起始单元格出发到达终止单元格的任意一条路径，称为隐藏路径。网格中能隐藏任一长度的秘密消息的隐藏路径可能会有多条，这些隐藏路径的起始单元格或终止单元格可能相同或不同，相同的起始单元格和终止单元格也可能存在不同的隐藏路径。若给定了起始单元格，对任一单元格有确定下一单元格的路径选择方式，再加上秘密消息长度，就可确定唯一的隐藏路径。

规则1，密钥和路径间映射关系的建立。分别建立密钥和隐藏路径的起始单元格、路径选择方式的映射关系，使得对给定的密钥就可确定网格中的唯一起始单元格，明确唯一路径选择方式。

规则2，网格大小的计算。在构造游戏栅格之前需要确定对应网格的大小，步骤如下：首先根据行走规则计算初始网格的大小m*n，这里要求：m*n>＝秘密消息长度Lmsg且m和n的差值最小；然后选取该网格中任意两单元格分别作为起始单元格和终止单元格，按照路径选择方式，计算起止单元格间的唯一隐藏路径长度Lpath；若任意两单元格间都是Lpath<Lmsg，则将m，n中较小者加一，若m＝n，则任选m或n加一，然后重复以上计算求解m、n的过程，直到找到Lpath≥Lmsg的最小网格为止，此时网格大小为Mmin*Nmin。

规则3，确定唯一隐藏路径。在Mmin*Nmin网格中根据密钥确定的起始单元格和唯一隐藏路径选择方式，选取Lpath＝Lmsg的唯一隐藏路径。

规则4，填充辅助信息。根据网格中各单元格上已有的文本内容，按照常规的游戏填充规则，如：填字或填词游戏，最大可能地将网格填满，填充完毕后得到最大填充网格。

规则5，对最大填充网格进行抠除得到载密游戏栅格。按照下列规则进行抠除操作，直到不能删除单元格中的内容为止，抠除后得到载密游戏栅格。删除规则是：

1)删除最大填充网格中符合游戏填充规则的共同使用的单元格中的字符或数字。

2)若对秘密消息文本中的字抠除，需要注意保证填充此处的唯一性，即构成被抠掉单元格的字在填充游戏时只能使用被抠掉的字；

3)抠除的字不包含在秘密消息的文本中，在保证不影响密文的前提下进行抠除。

基于以上规则的隐写过程：

1)计算秘密消息长度Lmsg；

2)根据规则1构建密钥和路径间的映射关系；

3)根据密钥按照规则2计算网格大小；

4)根据密钥按照规则3确定唯一隐藏路径；

5)在唯一隐藏路径上的单元格中填充秘密消息；

6)按照规则4填充辅助信息，得到最大填充网格；

7)按照规则5抠除最大填充网格，得到载密游戏栅格；

基于以上规则的提取过程：

1)根据接收到的载密游戏栅格按照规则4进行填充得到最大填充网格；

2)根据规则1构建和发送方相同的密钥和路径间的映射关系；

3)根据密钥按照规则3计算唯一隐藏路径；

4)根据唯一隐藏路径提取秘密消息。

参见图1-图5，能够用于描述将网格单元格序列形成一条折线或曲线的规则都可定义为行走规则，本实施例中建立密钥和隐藏路径的起始单元格、密钥与路径选择方式的映射关系如下：

这里将“日”字、“田”字、折线等不同的行走规则分别用r1、r2、……表示，则行走规则R＝{r1，r2，……，r_max1}。

路径这里以两格之间的最短路径为例，路径选择方式集合S，这里将英文字母表和数字从小到大的顺序用s1表示，字母表从大到小数字从小到大的顺序用s2表示等，则有S＝{s1，s2，……，s_max2}；

起始单元格P＝{p_i＝<h_j，v_k>|h_j是网格横坐标，v_k是网格纵坐标，且该点存在隐藏消息长度为Lmsg的路径}。

则起始单元格P、行走规则R和隐藏路径选择方式S的组合可确定唯一隐藏路径。隐藏路径可表示集合PATH＝{<pi,rj,sk>|0≤i≤Mmin*Nmin-1，1≤j≤max1，1≤k≤max2}，其中的每个元素对应的是一条隐藏路径。这里某种行走规则对应的路径选择方式可能不同，所以rj和sk的组合并不是二者的笛卡儿积。

建立密钥和集合PATH之间映射关系的方法有很多，这里为在收发双方间尽可能少的传递信息，以秘密消息长度Lmsg为密钥，对应PATH集合的元素个数为M，则可将这种映射关系简单定义为：唯一隐藏路径在集合中的顺序PATH(Lmsg)＝Lmsg mod M，这里唯一隐藏路径在集合PATH中的顺序是从0开始的，mod为取模运算。

填充的辅助信息依赖于隐藏的秘密消息是中文、英文还是数字，对中文可填充规则可定义填充成语，对英文可定义为单词填充等，这里以填充成语为例。

这里以秘密消息“无载体文本隐写”为例，基于上述规则实例，以下结合图1实施例对本发明作进一步详细描述。

秘密消息嵌入过程如图1和图3、图4、图5所示，具体描述如下：

(SE-1)计算秘密消息长度。这里Lmsg＝7，以Lmsg的值7作为密钥。

(SE-2)建立密钥Lmsg＝7与起始单元格、隐藏路径的映射关系为如下：

将“日”字、“田”字的行走规则分别用r1、r2表示，则有R＝{r1，r2}；

路径选择方式基于两格间的最短路径定义，将按照英文字母表和数字从小到大的顺序选择路径方法用s1表示，将字母表从大到小数字从小到大的顺序选择路径的方法用s2表示，则有S＝{s1，s2}；

起始单元格P＝{p0＝<h，1>，p1＝<h，8>，p2＝<a，1>，p3＝<a，8>}；

则起始单元格P、行走规则R和隐藏路径选择方式S的组合可确定唯一隐藏路径。隐藏路径可表示集合PATH＝{<p0,r0,s0>，<p0,r0,s1>，<p0,r1,s0>，<p0,r1,s1>，<p2,r0,s1>，<p2,r1,s0>，<p2,r0,s0>，<p2,r1,s1>，<p1,r0,s0>，<p1,r0,s1>，<p1,r1,s1>，<p1,r1,s0>，<p3,r0,s0>，<p3,r0,s1>，<p3,r1,s0>，<p3,r1,s1>}，PATH中含有的元素个数M为16，其中每个元素对应的是一条隐藏路径。

(SE-3)由秘密消息长度Lmsg＝7，根据规则2，得到初始化网格的大小为m＝3，n＝3，选取网格中任意两格子分别作为起始单元格和终止单元格，根据密钥选择具体实施方式的路径选择方式，计算该两格上的唯一隐藏路径长度Lpath，得到任意两单元格间最大的Max(Lpath)＝6，小于Lmsg，则将m加一，按照以上求解m、n的计算过程进行循环，得到隐藏秘密消息长度Lmsg＝7的最小网格为Mmin＝8，Nmin＝8。

(SE-4)基于(SE-3)步骤确定的Mmin、Nmin，结合前述实施例中定义的密钥Lmsg与起始单元格选择、隐藏路径选择方式的映射关系得到隐藏秘密消息的唯一隐藏路径。如(SE-3)步骤所示，当Lmsg＝7时，网格为8*8时，通过映射关系PATH(Lmsg)＝Lmsg mod M＝7mod 16＝7,对应PATH中的元素<p2,r0,s0>，即唯一隐藏路径的起始单元格为p2＝<a，1>，行走规则为r0，隐藏路径选择方式为s0，此时的唯一隐藏路径为：a1->b3->a5->b7->d6->f7->h8，将秘密消息依次嵌入到唯一路径的格子中，如图3所示。

(SE-5)填充辅助信息：根据表中已知的信息搜索成语，按照规则4最大程度地填充网格，个别单元格的填充可能组不成固定成语搭配，保留空白，填充完毕后得到最大填充网格，如图4所示；

(SE-6)对最大填充网格进行抠除：将最大填充网格按照规则5进行抠除，得到载密游戏栅格如图5所示，整个嵌入过程结束。

秘密消息提取过程，是秘密消息嵌入过程的逆过程，如附图2的提取过程所示。具体描述如下：

(SX-1)接收方接对载密游戏栅格按照规则4进行填充得到最大填充网格。

(SX-2)对双方共享的密钥Lmsg根据规则1，得到PATH(Lmsg)＝Lmsg mod M＝7mod16＝7，对应PATH中的元素<p2,r0,s0>，得到起始单元格和隐藏路径选择方式，确定隐藏秘密消息的唯一隐藏路径；

(SX-3)根据(SX-2)步骤确定的唯一路径提取秘密消息。

显然，本领域技术人员基于本发明的宗旨所做的许多修改和变化属于本发明的保护范围。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。如当秘密消息太长时,对其进行分段后再隐藏；将网格单元格序列形成隐藏路径的不同行走规则；不同的路径选择方法、唯一路径确定规则以及密钥的选择和密钥与路径的映射关系都属于本发明的延伸。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电子栅格构造方法，其特征在于，包括隐写过程和提取过程，其中：

(一)所述的隐写过程包括以下步骤：

1)计算秘密消息长度Lmsg；

2)建立密钥和路径间的映射关系；

3)根据密钥计算网格大小；

4)根据密钥确定唯一隐藏路径；

5)在唯一隐藏路径上的单元格中填充秘密消息；

6)按照游戏填充规则填充辅助信息，得到最大填充网格；

7)抠除最大填充网格，得到载密游戏栅格；

(二)所述的提取过程包括以下步骤：

1)对接收到的载密游戏栅格按照游戏填充规则填充得到最大填充网格；

2)构建和发送方相同的密钥与路径间的映射关系；

3)根据密钥计算唯一隐藏路径；

4)根据唯一隐藏路径提取秘密消息。

2.根据权利要求1所述的电子栅格构造方法，其特征在于，所述的“隐写过程”和“提取过程”的步骤2)的具体方法是：分别建立密钥和隐藏路径的起始单元格、路径选择方式的映射关系，使得对给定的密钥就可确定网格中的唯一起始单元格，明确唯一路径选择方式。

3.根据权利要求1所述的电子栅格构造方法，其特征在于，所述的“隐写过程”的步骤3)根据密钥计算网格大小是：在构造游戏栅格之前需要确定对应网格的大小，步骤如下：首先根据行走规则计算初始网格的大小m*n，这里要求：m*n>＝Lmsg且m和n的差值最小；然后选取该网格中任意两单元格分别作为起始单元格和终止单元格，按照路径选择方式，计算起止单元格间的唯一隐藏路径Lpath；若任意两单元格间都是Lpath<Lmsg，则将m，n中较小者加一，若m＝n，则任选m或n加一，然后重复以上计算求解m、n的过程，直到找到Lpath≥Lmsg的最小网格为止，此时网格大小为Mmin*Nmin。

4.根据权利要求1所述的电子栅格构造方法，其特征在于，所述的“隐写过程”的步骤4)和“提取过程”的步骤3)的具体方法是：首先确定构造载密游戏栅格所采用的行走规则，如：“日”字、“田”字或其它能表达形成路径的折线或曲线的规则；再进行隐藏路径方式选择，路径选择方法可基于最短、最长或其它路径定义，并根据位置或曲线的表示方法进行描述；若给定了起始单元格，对任一单元格按照行走规则有确定下一单元格的路径选择方式，再加上秘密消息长度，就知道唯一的隐藏路径；这里以秘密消息长度为密钥，建立密钥和起始单元格、密钥和行走规则与路径选择方式间的映射关系，映射关系通过哈希函数和随机种子数等方式求得，使得对给定的密钥就可确定网格中的唯一起始单元格、确定的行走规则、明确唯一路径选择方式。

5.根据权利要求1所述的电子栅格构造方法，其特征在于，所述的“隐写过程”的步骤6)和“提取过程”的步骤1)填充的具体方法是：根据网格中各单元格上已有的文本内容，按照填字或填词游戏的规则最大可能地将网格填满，填充完毕后得到最大填充网格。

6.根据权利要求1所述的电子栅格构造方法，其特征在于，所述的“隐写过程”的步骤7)的具体方法是：所述的“抠除”的规则是：

1)删除最大填充网格中符合游戏填充规则的共同使用的单元格中的字符或数字；

2)若对秘密消息文本中的字抠除，需要注意保证填充此处的唯一性，即构成被抠掉位置的字在填充游戏时只能使用被抠掉的字；

3)抠除的字不包含在秘密消息的文本中，在保证不影响密文的前提下进行抠除。

按照上述规则进行抠除操作，直到不能删除单元格中的内容为止，抠除后得到载密游戏栅格。