Цифровая стеганография. Предмет, терминология, области применения

Введение

1. Стеганография

1.1 Методы классической стеганографии

1.2 Методы цифровой стеганографии

1.3 Стегосистемы

2. Компьютерная стеганография

2.1 Классификация методов компьютерной стеганографии

2.2 Метод замены наименее значащего бита

2.3 Метод псевдослучайного интервала

2.4 Методы сокрытия данных в пространственной области

Заключение

Введение

Проблема защиты информации от несанкционированного доступа возникла еще в древние времена, и с тех пор выделилось два основных направления решения этой проблемы, которые существуют и сегодня: криптография и стеганография.

Задачей криптографии является скрытие информации, содержащейся в сообщении, за счет его шифрования, а стеганография (пер. с греч, "тайнопись") - это наука о скрытой передаче информации путём сохранения в тайне самого факта передачи. Главная задача сделать так, чтобы человек не подозревал, что внутри передаваемой информации, внешне не представляющей абсолютно никакой ценности, содержится секретная информация. Тем самым стеганография позволяет передавать важную информацию через открытые каналы, скрывая сам факт её передачи. В отличие от криптографии, которая скрывает содержимое секретного сообщения, стеганография скрывает само его существование. Стеганографию обычно используют совместно с методами криптографии, таким образом, дополняя её.

Целью данной курсовой работы является исследование основных способов сокрытия информации, и в частности методов компьютерной стеганографии.

Задачи работы:

). Описать основные методы стеганографии

). Описать модель и принцип работы стеганосистем

). Произвести обзор некоторых методов компьютерной стеганографии

1. Стеганография

Как уже было сказано выше, Стеганография - это наука о скрытой передаче информации путём сохранения в тайне самого факта передачи. Главная задача сделать так, чтобы человек не подозревал, что внутри передаваемой информации, не представляющей внешне абсолютно никакой ценности, содержится скрытая ценная информация. Тем самым стеганография позволяет передавать секретную информацию через открытые каналы, скрывая сам факт её передачи.

В конце 90-х годов выделилось несколько направлений стеганографии:

· Классическая стеганография

· Цифровая стеганография

· Компьютерная стеганография

1.1 Методы классической стеганографии

Методы стеганографии которые позволяют только скрыто передавать данные называются методами классической стеганографии.

Среди классических методов можно выделить следующие:

· манипуляции с носителем информации (контейнером);

· симпатические чернила;

· литературные приемы;

· семаграммы.

Манипуляция с носителем информации

Первые следы применения стеганографических методов теряются в глубокой древности. Существует версия, что древние шумеры одними из первых использовали стеганографию, так как было найдено множество глиняных клинописных табличек, в которых одна запись покрывалась слоем глины, а на втором слое писалась другая. Однако противники этой версии считают, что это было вовсе не попыткой скрытия информации, а всего лишь практической потребностью.

В трудах древнегреческого историка Геродота встречается описание еще двух методов сокрытия информации:

· В V веке до н.э. тиран Гистий, находясь под надзором царя Дария в Сузах, должен был послать секретное сообщение своему родственнику в анатолийский город Милет. Он побрил наголо своего раба и вытатуировал послание на его голове. Когда волосы снова отросли, раба отправили в путь;

· В Древней Греции тексты писались на дощечках, покрытых воском. Во избежание попадания сообщения к противнику, соскабливали воск с дощечек, писали сообщение прямо на поверхности дерева и снова покрывали дощечку воском. После этого на воске писали отвлеченные послания и отсылали их с помощью курьеров.

В Древнем Китае письма писали на полосках щелка. Поэтому для сокрытия сообщений, полоски с текстом письма сворачивались в шарики, покрывались воском и затем глотались посыльными.

Симпатические чернила

Симпатические (невидимые) чернила - это специальные жидкости или химические препараты, используемые для сокрытия существования записей. О подобной жидкости, изготовленной из молочая писал ещё Плиний Старший в "Естественной истории" в I веке нашей эры, в дальнейшем они применялись вплоть до конца Второй мировой войны, после чего от них почти полностью отказались, сменив их на микроточки, хотя и сейчас они иногда используются. Известная легенда про то, как Ленин, сидя в тюрьме, писал сообщения молоком из чернильницы, сделанной из хлебного мякиша тоже из этой области (чтобы прочесть такое сообщение, бумагу надо нагреть).

Такие чернила бывают двух видов: симпатические и органические. Первые представляют собой химические растворы, которые становятся невидимыми при высыхании и проявляются при добавлении к ним некоторых реагентов. Органическая же группа представлена легкодоступными веществами, такими как уксус, лимон, молоко. Они становятся видимыми, если их осторожно нагреть, ими обычно пишут между строк или на чистом листе бумаги. Во время Первой мировой войны шпионы рисовали символ, обозначавший, к примеру, тип вооружения, невидимыми чернилами, давали им высохнуть, а затем наклеивали поверх него смоченную только по краям марку, что является хорошим примером технической и физической стеганографии.

В целях обнаружения тайных сообщений, написанных с помощью симпатических чернил, американские цензоры во время Второй мировой войны "полосовали" письма, чтобы выявить наличие в них невидимых чернил.

Литературные приемы

Хорошо известны различного рода литературные приемы, предназначенные для сокрытия тайной информации во внешне безобидных посланиях. Существует несколько таких приемов.

Пустышечный шифр, во внешне обычном сообщении, читаются только слова или буквы записанные в определенных позициях. Например, читаются каждое пятое слово или первая буква каждого слова, в то время как все остальные буквы или слова служат в качестве "пустышек" для сокрытия значимого текста.

Акростих - сообщение состоящее из первых букв строк стихотворений. Также возможно, что текст читается не по первым, а по последним или средним буквам стихотворной строки.

Другой литературный прием аллюзия. Знаменитая фраза, которую передали по радио - "В Сантьяго идет дождь", означала сигнал к началу военного переворота в Чили.

Семаграммы

Семаграмма - тайное сообщение, в котором шифробозначениями являются любые символы, кроме букв и цифр. Например, эти сообщения могут быть переданы для чтения по азбуке Морзе в виде рисунка, содержащего точки и тире, кардиограммы или графика технологического процесса, в которых пики вверх означают - точки, пики вниз - тире и т.п.

1.2 Методы цифровой стеганографии

Цифровая стеганография - направление классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной информации в цифровые объекты, вызывая при этом некоторые искажения этих объектов. Но, как правило, данные объекты являются мультимедиа-объектами (изображения, видео, аудио, текстуры 3D-объектов) и внесение искажений, которые находятся ниже порога чувствительности среднестатистического человека, не приводит к заметным изменениям этих объектов. Кроме того, в оцифрованных объектах, изначально имеющих аналоговую природу, всегда присутствует шум квантования; далее, при воспроизведении этих объектов появляется дополнительный аналоговый шум и нелинейные искажения аппаратуры, все это способствует большей незаметности сокрытой информации.

Цифровая стеганография как наука родилась буквально в последние годы. Она включает в себя следующие направления:

) встраивание информации с целью ее скрытой передачи;

2) встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ);

) встраивание идентификационных номеров;

) встраивание заголовков.

Встраивание водяных знаков

ЦВЗ (цифровые водяные знаки) могут применяться, в основном, для защиты от копирования и несанкционированного использования. В связи с бурным развитием технологий мультимедиа остро встал вопрос защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде. Примерами могут являться фотографии, аудио и видеозаписи и т.д. Преимущества, которые дают представление и передача сообщений в цифровом виде, могут оказаться перечеркнутыми легкостью, с которой возможно их воровство или модификация. Поэтому разрабатываются различные меры защиты информации, организационного и технического характера. Один из наиболее эффективных технических средств защиты мультимедийной информации и заключается во встраивании в защищаемый объект невидимых меток - ЦВЗ. Разработки в этой области ведут крупнейшие фирмы во всем мире. Так как методы ЦВЗ начали разрабатываться совершенно недавно, то здесь имеется много неясных проблем, требующих своего разрешения.

Название этот метод получил от всем известного способа защиты ценных бумаг, в том числе и денег, от подделки. В отличие от обычных водяных знаков ЦВЗ могут быть не только видимыми, но и (как правило) невидимыми. Невидимые ЦВЗ анализируются специальным декодером, который выносит решение об их корректности. ЦВЗ могут содержать некоторый аутентичный код, информацию о собственнике, либо какую-нибудь управляющую информацию. Наиболее подходящими объектами защиты при помощи ЦВЗ являются неподвижные изображения, файлы аудио и видеоданных.

Встраивание идентификационных номеров

Технология встраивания идентификационных номеров производителей имеет много общего с технологией ЦВЗ. Отличие заключается в том, что в первом случае каждая защищенная копия имеет свой уникальный встраиваемый номер (отсюда и название - дословно "отпечатки пальцев"). Этот идентификационный номер позволяет производителю отслеживать дальнейшую судьбу своего детища: не занялся ли кто-нибудь из покупателей незаконным тиражированием. Если да, то "отпечатки пальцев" быстро укажут на виновного.

Встраивание заголовков

Встраивание заголовков (невидимое) может применяться, например, для подписи медицинских снимков, нанесения легенды на карту и т.д. Целью является хранение разнородно представленной информации в едином целом. Это, пожалуй, единственное приложение стеганографии, где в явном виде отсутствует потенциальный нарушитель.

1.3 Стегосистемы

До недавнего времени для описания модели стеганографической системы использовалась предложенная 1983 году Симмонсом так называемая "проблема заключенных". Она состоит в том, что два индивидуума (Алиса и Боб) хотят обмениваться секретными сообщениями без вмешательства охранника (Вилли), контролирующего коммуникационный канал. При этом имеется ряд допущений, которые делают эту проблему более или менее решаемой. Первое допущение облегчает решение проблемы и состоит в том, что участники информационного обмена могут разделять секретное сообщение (например, используя кодовую клавишу) перед заключением. Другое допущение, наоборот, затрудняет решение проблемы, так как охранник имеет право не только читать сообщения, но и модифицировать (изменять) их.

Позднее, на конференции Information Hiding: First Information Workshop в 1996 году было предложено использовать единую терминологию и обговорены основные термины.

Термины и определения

Стеганографическая система или стегосистема - совокупность средств и методов, которые используются для формирования скрытого канала передачи информации.

При построении стегосистемы должны учитываться следующие положения:

компьютерная цифровая стеганография информация

· противник имеет полное представление о стеганографической системе и деталях ее реализации. Единственной информацией, которая остается неизвестной потенциальному противнику, является ключ, с помощью которого только его держатель может установить факт присутствия и содержание скрытого сообщения;

· если противник каким-то образом узнает о факте существования скрытого сообщения, это не должно позволить ему извлечь подобные сообщения в других данных до тех пор, пока ключ хранится в тайне;

· потенциальный противник должен быть лишен каких-либо технических и иных преимуществ в распознавании или раскрытии содержания тайных сообщений.

Обобщенная модель стегосистемы представлена на рис.1.

Рисунок 1 - Обобщенная модель стегосистемы

В качестве данных может использоваться любая информация: текст, сообщение, изображение и т.п.

В общем же случае целесообразно использовать слово "сообщение", так как сообщением может быть как текст или изображение, так и, например, аудиоданные. Далее для обозначения скрываемой информации, будем использовать именно термин сообщение.

Контейнер - любая информация, предназначенная для сокрытия тайных сообщений.

Пустой контейнер - контейнер без встроенного сообщения; заполненный контейнер или стего-контейнер, содержащий встроенную информацию.

Стеганографический канал или просто стегоканал - канал передачи стего.

Стегоключ или просто ключ - секретный ключ, необходимый для сокрытия информации. В зависимости от количества уровней защиты (например, встраивание предварительно зашифрованного сообщения) в стегосистеме может быть один или несколько стегоключей.

По аналогии с криптографией, по типу стегоключа стегосистемы можно подразделить на два типа:

· с секретным ключом;

· с открытым ключом.

В стегосистеме с секретным ключом используется один ключ, который должен быть определен либо до начала обмена секретными сообщениями, либо передан по защищенному каналу.

В стегосистеме с открытым ключом для встраивания и извлечения сообщения используются разные ключи, которые различаются таким образом, что с помощью вычислений невозможно вывести один ключ из другого. Поэтому один ключ (открытый) может передаваться свободно по незащищенному каналу связи. Кроме того, данная схема хорошо работает и при взаимном недоверии отправителя и получателя.

Требования

Любая стегосистема должна отвечать следующим требованиям:

· Свойства контейнера должны быть модифицированы, чтобы изменение невозможно было выявить при визуальном контроле. Это требование определяет качество сокрытия внедряемого сообщения: для обеспечения беспрепятственного прохождения стегосообщения по каналу связи, оно никоим образом не должно привлечь внимание атакующего.

· Стегосообщение должно быть устойчиво к искажениям, в том числе и злонамеренным. В процессе передачи изображение (звук или другой контейнер) может претерпевать различные трансформации: уменьшаться или увеличиваться, преобразовываться в другой формат и т.д. Кроме того, оно может быть сжато, в том числе и с использованием алгоритмов сжатия с потерей данных.

· Для сохранения целостности встраиваемого сообщения необходимо использование кода с исправлением ошибки.

· Для повышения надежности встраиваемое сообщение должно быть продублировано.

Ограничения

Каждое из перечисленных выше приложений требует определенного соотношения между устойчивостью встроенного сообщения к внешним воздействиям (в том числе и стегоанализу) и размером самого встраиваемого сообщения.

Для большинства современных методов, используемых для сокрытия сообщения в цифровых контейнерах, имеет место следующая зависимость надежности системы от объема встраиваемых данных (рис.2).

Рисунок 2 - зависимость надежности системы от объема встраиваемых данных

Данная зависимость показывает, что при увеличении объема встраиваемых данных снижается надежность системы (при неизменности размера контейнера). Таким образом, используемый в стегосистеме контейнер накладывает ограничения на размер встраиваемых данных.

Контейнеры

Существенное влияние на надежность стегосистемы и возможность обнаружения факта передачи скрытого сообщения оказывает выбор контейнера.

Например, опытный глаз цензора с художественным образованием легко обнаружит изменение цветовой гаммы при внедрении сообщения в репродукцию "Мадонны" Рафаэля или "Черного квадрата" Малевича.

По протяженности контейнеры можно подразделить на два типа: непрерывные (потоковые) и ограниченной (фиксированной) длины. Особенностью потокового контейнера является то, что невозможно определить его начало или конец. Более того, нет возможности узнать заранее, какими будут последующие шумовые биты, что приводит к необходимости включать скрывающие сообщение биты в поток в реальном масштабе времени, а сами скрывающие биты выбираются с помощью специального генератора, задающего расстояние между последовательными битами в потоке.

В непрерывном потоке данных самая большая трудность для получателя - определить, когда начинается скрытое сообщение. При наличии в потоковом контейнере сигналов синхронизации или границ пакета, скрытое сообщение начинается сразу после одного из них. В свою очередь, для отправителя возможны проблемы, если он не уверен в том, что поток контейнера будет достаточно долгим для размещения целого тайного сообщения.

При использовании контейнеров фиксированной длины отправитель заранее знает размер файла и может выбрать скрывающие биты в подходящей псевдослучайной последовательности. С другой стороны, контейнеры фиксированной длины, как это уже отмечалось выше, имеют ограниченный объем и иногда встраиваемое сообщение может не поместиться в файл-контейнер.

Другой недостаток заключается в том, что расстояния между скрывающими битами равномерно распределены между наиболее коротким и наиболее длинным заданными расстояниями, в то время как истинный случайный шум будет иметь экспоненциальное распределение длин интервала. Конечно, можно породить псевдослучайные экспоненциально распределенные числа, но этот путь обычно слишком трудоемок. Однако на практике чаще всего используются именно контейнеры фиксированной длины, как наиболее распространенные и доступные.

Возможны следующие варианты контейнеров:

· Контейнер генерируется самой стегосистемой. Примером может служить программа MandelSteg, в которой в качестве контейнера для встраивания сообщения генерируется фрактал Мандельброта. Такой подход можно назвать конструирующей стеганографией.

· Контейнер выбирается из некоторого множества контейнеров. В этом случае генерируется большое число альтернативных контейнеров, чтобы затем выбрать наиболее подходящий для сокрытия сообщения. Такой подход можно назвать селектирующей стеганографией. В данном случае при выборе оптимального контейнера из множества сгенерированных важнейшим требованием является естественность контейнера. Единственной же проблемой остается то, что даже оптимально организованный контейнер позволяет спрятать незначительное количество данных при очень большом объеме самого контейнера.

· Контейнер поступает извне. В данном случае отсутствует возможность выбора контейнера и для сокрытия сообщения берется первый попавшийся контейнер, не всегда подходящий к встраиваемому сообщению. Назовем это безальтернативной стеганографией.

2. Компьютерная стеганография

Компьютерные технологии придали новый импульс развитию и совершенствованию стеганографии, появилось новое направление в области защиты информации - компьютерная стеганография (КС).

Современный прогресс в области глобальных компьютерных сетей и средств мультимедиа привел к разработке новых методов, предназначенных для обеспечения безопасности передачи данных по каналам телекоммуникаций и использования их в необъявленных целях. Эти методы, учитывая естественные неточности устройств оцифровки и избыточность аналогового видео или аудио сигнала, позволяют скрывать сообщения в компьютерных файлах (контейнерах).

2.1 Классификация методов компьютерной стеганографии

Подавляющее большинство методов компьютерной стеганографии (КС) базируется на двух ключевых принципах:

· файлы, которые не требуют абсолютной точности (например, файлы с изображением, звуковой информацией и т.д.), могут быть видоизменены (конечно, до определенной степени) без потери своей функциональности.

· органы чувств человека неспособны надежно различать незначительные изменения в модифицированных таким образом файлах и/или отсутствует специальный инструментарий, который был бы способен выполнять данную задачу.

В основе базовых подходов к реализации методов КС в рамках той или иной информационной среды лежит выделение малозначительных фрагментов этой среды и замена существующей в них информации информацией, которую необходимо скрыть. Поскольку в КС рассматриваются среды, поддерживаемые средствами вычислительной техники и компьютерных сетей, то вся информационная среда в результате может быть представлена в цифровом виде.

Таким образом, незначительные для кадра информационной среды фрагменты относительно того или иного алгоритма или методики заменяются фрагментами скрываемой информации. Под кадром информационной среды в данном случае подразумевается определенная его часть, выделенная по характерным признакам. Такими признаками зачастую являются семантические характеристики выделяемой части информационной среды. Например, кадром может быть избрано какое-нибудь отдельное изображение, звуковой файл, Web-страница и т.д.

Для существующих методов компьютерной стеганографии вводят следующую классификацию (см. рисунок 1).

Рисунок 3 - Классификация методов компьютерной стеганографии

По способу выбора контейнера различают суррогатные (или так называемые эрзац-методы), селективные и конструирующие методы стеганографии.

В суррогатных (безальтернативных) методах стеганографии полностью отсутствует возможность выбора контейнера, и для скрытия сообщения избирается первый попавшийся контейнер - эрзац-контейнер, который в большинстве случаев не оптимален для скрытия сообщения заданного формата.

В селективных методах КС предусматривается, что скрытое сообщение должно воспроизводить специальные статистические характеристики шума контейнера. Для этого генерируют большое количество альтернативных контейнеров с последующим выбором наиболее оптимального из них для конкретного сообщения. Особым случаем такого подхода является вычисление некоторой хэш-функции для каждого контейнера. При этом для скрытия сообщения выбирается тот контейнер, хэш-функция которого совпадает со значением кэш-функции сообщения (то есть стеганограммой является избранный контейнер).

В конструирующих методах стеганографии контейнер генерируется самой стегосистемой. При этом существует несколько вариантов реализации. Так, например, шум контейнера может имитироваться скрытым сообщением. Это реализуется с помощью процедур, которые не только кодируют скрываемое сообщение под шум, но и сохраняют модель изначального шума. В предельном случае по модели шума может строиться целое сообщение.

По способу доступа к скрываемой информации различают методы для потоковых (беспрерывных) контейнеров и методы для фиксированных (ограниченной длины) контейнеров.

По способу организации контейнеры, подобно помехоустойчивым кодам, могут быть систематическими и несистематическими.

В первых можно указать конкретные места стеганограммы, где находятся информационные биты собственно контейнера, а где - шумовые биты, предназначенные для скрытия информации (как, например, в широко распространенном методе наименее значащего бита).

В случае несистематической организации контейнера такое разделение невозможно. В этом случае для выделения скрытой информации необходимо обрабатывать содержимое всей стеганограммы.

По используемому принципу скрытия методы компьютерной стеганографии делятся на два основных класса: методы непосредственной замены и спектральные методы. Если первые, используя избыток информационной среды в пространственной (для изображения) или временной (для звука) области, заключаются в замене малозначительной части контейнера битами секретного сообщения, то другие для скрытия данных используют спектральные представления элементов среды, в которую встраиваются скрываемые данные (например, в разные коэффициенты массивов дискретно-косинусных преобразований, преобразований Фурье, Карунена-Лоева, Адамара, Хаара и т.д.).

Основным направлением компьютерной стеганографии является использование свойств именно избыточности контейнера-оригинала, но при этом следует принимать во внимание то, что в результате скрытия информации происходит искажение некоторых статистических свойств контейнера или, же нарушение его структуры. Это необходимо учитывать для уменьшения демаскирующих признаков.

В особую группу можно выделить методы, которые используют специальные свойства форматов представления файлов:

· зарезервированные для расширения поля файлов, которые зачастую заполняются нулями и не учитываются программой;

· специальное форматирование данных (сдвиг слов, предложений, абзацев или выбор определенных позиций символов);

· использование незадействованных участков на магнитных и оптических носителях;

· удаление файловых заголовков-идентификаторов и т.д.

В основном для таких методов характерны низкая степень скрытности, низкая пропускная способность и слабая производительность.

По назначению различают стеганометоды собственно для скрытой передачи (или скрытого хранения) данных и методы для скрытия данных в цифровых объектах с целью защиты авторских прав на них.

По типам контейнера выделяют стеганографические методы с контейнерами в виде текста, аудиофайла, изображения и видео.

2.2 Метод замены наименее значащего бита

Метод замены наименее значащего бита (НЗБ, LSB - Least Significant Bit) наиболее распространен среди методов замены в пространственной области.

Младший значащий бит изображения несет в себе меньше всего информации. Известно, что человек в большинстве случаев не способен заметить изменений в этом бите. Фактически, НЗБ - это шум, поэтому его можно использовать для встраивания информации путем замены менее значащих битов пикселей изображения битами секретного сообщения. При этом для изображения в градациях серого (каждый пиксель изображения кодируется одним байтом) объем встроенных данных может составлять 1/8 от общего объема контейнера. Если же модифицировать два младших бита (что также практически незаметно), то данную пропускную способность можно увеличить еще вдвое.

Популярность данного метода обусловлена его простотой и тем, что он позволяет скрывать в относительно небольших файлах большие объемы информации (пропускная способность создаваемого скрытого канала связи составляет при этом от 12,5 до 30%). Метод зачастую работает с растровыми изображениями, представленными в формате без компрессии (например, BMP и GIF).

Метод НЗБ имеет низкую стеганографическую стойкость к атакам пассивного и активного нарушителей. Основной его недостаток - высокая чувствительность к малейшим искажениям контейнера. Для ослабления этой чувствительности часто дополнительно применяют помехоустойчивое кодирование.

2.3 Метод псевдослучайного интервала

В рассмотренном выше простейшем случае выполняется замена НЗБ всех последовательно размещенных пикселей изображения. Другой подход - метод случайного интервала, заключается в случайном распределении битов секретного сообщения по контейнеру, в результате чего расстояние между двумя встроенными битами определяется псевдослучайно. Эта методика особенно эффективна в случае, когда битовая длина секретного сообщения существенно меньше количества пикселей изображения.

Интервал между двумя последовательными встраиваниями битов сообщения может являться, например, функцией координат предыдущего модифицированного пикселя.

2.4 Методы сокрытия данных в пространственной области

Алгоритмы, описанные в данном в данном разделе, встраивают скрываемые данные в области первичного изображения. Их преимущество заключается в том, что для встраивания ненужно выполнять вычислительно сложные и длительные преобразования изображений.

Цветное изображение C будем представлять через дискретную функцию, которая определяет вектор цвета c (x,y) для каждого пикселя изображения (x,y), где значение цвета задает трехкомпонентный вектор в цветовом пространстве. Наиболее распространенный способ передачи цвета - это модель RGB, в которой основные цвета - красный, зеленый и синий, а любой другой цвет может быть представлен в виде взвешенной суммы основных цветов.

Вектор цвета c (x,y) в RGB-пространстве представляет интенсивность основных цветов. Сообщения встраиваются за счет манипуляций цветовыми составляющими {R (x,y), G (x,y), B (x,y) } или непосредственно яркостью λ (x,y) Î {0, 1, 2,…, LC}.

Общий принцип этих методов заключается в замене избыточной, малозначимой части изображения битами секретного сообщения. Для извлечения сообщения необходимо знать алгоритм, по которому размещалась в контейнере скрытая информация.

Заключение

Стеганография, как метод защиты информации, появилась очень давно. Тем не менее данная наука не теряет совей актуальности и сейчас. В развивающемся мире высоких технологий задача сохранения информации обладателя в секрете остается первостепенной, поэтому стеганография тоже не стоит на месте. К сожалению объем курсовой работы не позволяет полностью раскрыть такую обширную тему, но опираясь на поставленные задачи нам удалось раскрыть основные методы и направления классической и современной стеганографии.

Изначально были описаны методы классической стеганографии и вероятные истории возникновения данной науки. После были раскрыты основные аспекты цифровой стеганографии, а также описаны принципы работы стегосистем и их модель. В основной части работы провели исследование методов компьютерной стеганографии и на основе полученных знаний провели их классификацию. Для завершения полной картины рассмотрели некоторые метода компьютерной стеганографии более подробно, изучили их достоинства и недостатки.

Хотелось бы отметить, что в настоящее время информационная безопасность является мировой проблемой, и ежедневно на предприятиях происходят утечки информации, однако такие методы скрытия информации, как стеганография дают возможность защитить вашу информацию даже в таких непредвиденных случаях, поэтому нельзя недооценивать данный метод, как средство защиты важных сведений.

Картинка из «пищевого» патента для привлечения внимания:

Тем не менее, прочитав приличное количество статей и работ, посвященных стеганографии, я захотел систематиезировать свои идеи и знания в данной области. Данная статья сугубо [b]теоретическая и я хотел бы обсудить следующие вопросы:

[b]Цели стеганографии - на самом деле их три, а не одна.

[b]Практическое применение стеганографии - я насчитал 15.

[b]Место стеганографии в XXI веке - я считаю, что с технической точки зрения современный мир уже подготовлен, но «социально» стеганография пока «запаздывает».

Я постарался обобщить мои исследования по данному вопросу. (Это значит, что текста много)
Надеюсь на разумную критику и советы со стороны хабросообщества.

Цели стеганографии

[b]Цель - это абстрактная задача, относительно которой разрабатывается научная теория и методология достижения данной цели. Не нужно путать цель и применение . Цель предельно абстрактна, в отличие от применения .

Как я уже говорил, в стеганографии существуют три цели.

Цифровые отпечатки (ЦО) (Digital Fingerprint)

Данный вид стеганографии подразумевает наличие [b]различных стеганографических меток-сообщений, для [b]каждой копии контейнера. Например ЦО могут быть применимы для защиты . Если с помощью какого-либо алгоритма противник сможет извлечь ЦО из контейнера, то идентифицировать противника невозможно, но до тех пор, пока противник не научится подделывать ЦО, он не сможет без обнаружения распространять защищаемый контейнер.

Таким образом, при извлечении ЦО третья сторона (т.е. противник) может преследовать две цели:

извлечение ЦО из контейнера ([b]«слабая цель»);

подмена одного ЦО другим ЦО ([b]«сильная цель»).

В качестве примера ЦО можно привести продажу электронных книг (например в формате *.PDF). При оплате книги и отправки её получателю можно в *.PDF вкраплять информацию о e-mail; IP; данных, введенные пользователем и т.д. Конечно это не отпечатки пальцев и не анализ по ДНК, но, согласитесь, это лучше, чем ничего. Возможно в России, по причине иной культуры и иного, исторически сложившегося, отношения к исключительному праву данное применение стеганографии неактуально; но, например, в Японии, где за скачивание с торрентов могут посадить, применение стеганографических ЦО более вероятно.

Стеганографические водяные знаки (СВЗ) (Stego Watermarking)

В отличие от ЦО, СВЗ подразумевает наличие [b]одинаковых меток для [b]каждой копии контейнера. В частности СВЗ можно использовать для подтверждения авторского права. Например, при записи на видеокамеру можно в каждый кадр вкраплять информацию о времени записи, модели видеокамеры и/или имени оператора видеокамеры.
В случае если отснятый материал попадет в руки конкурирующей компании, вы можете попытаться использовать СВЗ для подтверждения авторства записи. Если ключ держать в секрете от владельца камеры, то с помощью СВЗ можно подтверждать подлинность фото и/или видеоснимков. Кстати, наш коллега по цеху, [b]Дмитрий Витальевич Скляров, успешно . Проблема правда была аппаратной, саму стеганку Дмитрий Витальевич не трогал, тем не менее он стеганографически «доказал» подлинность Сталина с айфоном.

Скрытая передача данных (СПД)

Это «классическая» цель стеганографии, известная со времен ( ?, см его труд, содержащий простые стеганографические приемы: ). Задача - передать данные так, чтобы противник не догадался о самом факте появления сообщения.

В современных русcкоязычных работах, посвященных стеганографии, часто используется термин [b]ЦВЗ (Цифровые водяные знаки). Под этим термином подразумевают то СВЗ, то ЦО. (А иногда СВЗ и ЦО одновременно, да ещё в одной статье!) Тем не менее при реализации ЦО и СВЗ возникающие проблемы и задачи принципиально различные! Действительно, СВЗ на всех копиях электронного документа одинаков, а ЦО на всех копиях документов различен. По этой причине, например, атака сговором принципиально невозможна в СВЗ! Хотя бы по этой причине следует различать СВЗ и ЦО. Всех, кто собирается работать в области стеганографии, настоятельно советую не употреблять термин ЦВЗ в своей речи.

Данная, казалось бы очевидная мысль, до сих пор у многих вызывает недоумение. Аналогичную точку зрения о необходимости различать СВЗ и ЦО высказывали такие небезызвестные в узких кругах для реализации ЦО или СВЗ для большинства практических задач не имеет никакого практического смысла.

4. Защита исключительного права (ЦО)

В качестве возможного применения можно привести голографический многоцелевой диск (). (Правда есть точка зрения, что данная технология изначально «мертворожденная») Разрабатываемые ныне данных на один cartridge. Эти технологии предполагают использовать компаниями теле и радиовещания для хранения видео и аудио информации. Наличие ЦО внутри корректирующих кодов этих дисков может использоваться в качестве основного или дополнительного средства для защиты лицензионного права.

В качестве другого примера, как я уже писал ранее, можно привести интернет-продажу информационных ресурсов. Это могут быть книги, фильмы, музыка и т.д. Каждая копия должна содержать ЦО для идентификации личности (хотя бы косвенной) или специальную метку для проверки лицензионная это копия или не лицензионная.

Данную цель попыталась воплотить в 2007-2011 годах компания . Цитата из статьи :

Если по-русски: скачанный файл будет содержать уникальный идентификатор покупки, дату/время покупки и др. информацию (...).

Скачать в лоб данные композиции не получилось (амазон ругается и говорит, что может их продать только на территории США). Пришлось попросить американских знакомых и через некоторое время у меня на руках была одна и та же песня, но скачанная независимо двумя разными людьми с разных аккаунтов в амазоне. По виду файлы были абсолютно одинаковы, размер совпадал до байта.

Но т.к. амазон писал, что включает в каждый мп3 идентификатор загрузки и еще кое-какие данные решил проверить два имеющихся файла побитово и сразу нашел различия.

5. Защита авторского права (СВЗ)

В данном случае одним знаком защищается каждая копия контента. Например это может быть фотография. В случае если фотографию опубликуют без разрешения фотографа, сказав, что якобы не он автор данной работы, фотограф может попытаться доказать свое авторство с помощью стеганографии. В данном случае в каждую фотографию должна вкрапляется информация о серийном номере фотоаппарата и/или какие либо иные данные, позволяющие «привязать» фотографию к одному единственному фотоаппарату; и через фотоаппарат фотограф может попытаться косвенно доказать, что именно он является автором снимка.

6. Защита подлинности документов (СВЗ)

Технология может быть такая же, как и для защиты авторского права . Только в данном случае стеганография используется не для подтверждения авторства, а для подтверждения подлинности документа. Документ, не содержащий СВЗ считается «не настоящим», т.е. поддельным. Уже упомянутый выше Дмитрий Скляров как раз решал противоположенную задачу. Он нашел уязвимость фотоаппарата Cannon и смог подделать подлинность фотографии Сталина с айфоном.

7. Индивидуальный отпечаток в СЭДО (ЦО)

В системе электронного документооборота () можно использовать индивидуальный отпечаток внутри *.odt, *.docx и иных документах при работе с ними пользователем. Для этого должны быть написаны специальные приложения и/или драйверы, которые установлены и работают в системе. Если данная задача выполнена, то с помощью индивидуального отпечатка можно будет опознать, кто работал с документом, а кто нет. Разумеется стеганографию в данном случае глупо делать единственным критерием, но как дополнительный фактор идентификации участников работы с документом она может быть полезна.

8. Водяной знак в DLP системах (СВЗ)

Стеганография может быть применима для предотвращения утечек информации ( , DLP). В отличие от индивидуального отпечатка в СЭДО , в данном применении стеганографии при создании документа, содержащий конфиденциальный характер, вкрапляется определенная метка. При этом метка не изменяется, вне зависимости от количества копий и/или ревизий документа.

Для того, чтобы извлечь метку необходим стегоключ. Стегоключ, разумеется, держится в тайне. DLP-система, перед одобрением или отказом выдать документ вовне, проверяет наличие или отсутствие водяного знака. Если знак присутствует, то система не разрешает отправлять документ вовне системы.

9. Скрытая передача управляющего сигнала (СПД)

Предположим, что получателем является какая-либо система (например спутник); а отправителем является оператор. В данном случае стеганография может быть применима для доставки какого-либо управляющего сигнала системе. Если система может находится в различных состояниях и мы желаем, чтобы противник даже не догадался о том, что система перешла в другое состояние, мы можем воспользоваться стеганографией. Использование только криптографии, без стеганографии, может дать противнику информацию о том, что что-то изменилось и спровоцировать его на нежелательные действия.

Я думаю никто не поспорит, что в военной сфере данная задача невероятно актуальна. Данная задача может быть актуальной и для преступных организаций. Соответственно, правоохранительные органы должны быть вооружены определенной теорией по данному вопросу и способствовать развитию программ, алгоритмов и систем по противодействию данного применения стеганографии.

10. Стеганографические botnet-сети (СПД)

Если быть педантом, то данное применение можно считать частным случаем скрытой передачей управляющего сигнала . Тем не менее, я решил обозначит данное применение отдельно. Мой коллега из [b] прислал мне весьма любопытную статью неких [b]Shishir Nagaraja, [b]Amir Houmansadr, [b]Pratch Piyawongwisal, [b]Vijit Singh, [b]Pragya Agarwal и [b] . Я не специалист по botnet-сетям. Не могу сказать, лажа это или интересная фича. Буду раз услышать мнение хабрасообщества!

11. Подтверждение достоверности переданной информации(ЦО).

Стегосообщение в данном случае содержит данные, подтверждающие корректность передаваемых данных контейнера. В качестве примера это может быть контрольная сумма или хеш-функция (дайджест). Задача подтверждения достоверности является актуальной, если противник имеет необходимость подделать данные контейнера; по этой причине данное применение не нужно путать с защитой подлинности документов ! Например если речь идет о фотографии, то защитой подлинности является доказательство того, что данная фотография настоящая, не подделанная в фотошопе. Мы как бы защищаемся от самого отправителя (в данном случае фотографа). В случае подтверждения достоверности необходимо организовать защиту от третей стороны (man in the middle), которая имеет возможность подделать данные между отправителем и получателем.

Данная проблема имеет множество классических решений, в том числе криптографических. Использование стеганографии является ещё одним способом решить данную проблему.

12. Funkspiel («Радиоигра») (СПД)

Радиоигра (калька с нем. Funkspiel - «радиоигра» или «радиоспектакль») - в практике разведки XX века использование средств радиосвязи для дезинформации разведывательных органов противника. Для радиоигры часто используют захваченного контрразведкой и перевербованного разведчика-радиста или двойного агента. Радиоигра позволяет имитировать деятельность уничтоженной или никогда не существовавшей разведсети (и таким образом снижать активность противника по заброске новых разведчиков), передавать противнику дезинформацию, получать сведения о намерениях его разведывательных органов и достигать других разведывательных и контрразведывательных целей.

Возможность провала и последующей радиоигры учитывалась при планировании разведывательных операций. Заранее оговаривались различные признаки в радиограмме, по наличию или отсутствию которых можно было бы понять, что радист работает под контролем противника.

Стегосообщение в данном случае содержит данные, сообщающие о том, стоит ли воспринимать информацию контейнера всерьез. Это так же может быть какая-либо хеш-функция или просто наперед установленная последовательность бит. Так же это может быть хеш-функция от времени начала передачи (В этом случае для исключения проблемы рассинхронизации времени у отправителя и получателя время следует брать с точностью до минут или даже часов, а не с точностью до секунд или миллисекунд).

Если стегосообщение не прошло проверку, то контейнер должен быть проигнорирован получателем, вне зависимости от его содержимого. В данном случае стеганография может быть использована для дезинформации противника. К примеру контейнер может представлять собой криптографическое сообщение. В этом случае отправитель, желая в вести в заблуждение противника, шифрует данные неким известным противнику скомпроментированным криптографическим ключом, а стегосообщение используется с целью, чтобы получатель не воспринял ложный контейнер.

Предположим, что противник имеет возможность разрушить ЦО. В этом случае funkspiel может быть использован против интересов отправителя. Получатель, не обнаружив метку, не будет игнорировать полученный контейнер. Возможно в некоторых практических решениях разумно funkspiel использовать совместно с подтверждением достоверности . В этом случае любая информация, не содержащая метку достоверности - игнорируется; и соответственно для радиоигры следует просто не вкраплять метку в сообщение.

13. Неотчуждаемость информации (СВЗ)

Существует ряд документов, для которых важна целостность. Ее можно осуществить резервированием данных. Но что делать, если есть необходимость иметь документы в таком виде, чтобы невозможно было одну информацию отделить от другой информации? В качестве примера можно привести медицинские снимки. Многие авторы для надежности предлагают вовнутрь снимков вкраплять информацию об имени, фамилии и иных данных пациента. См например книгу Штефана Каценбейзера (Stefan Katzenbeisser) и Фабиана Петикола (Fabien A. P. Petitcolas) " ":

The healthcare industry and especially medical imaging systems may benefit from information hiding techniques. They use standards such as (digital imaging and communications in medicine) which separates image data from the caption, such as the name of the patient, the date, and the physician. Sometimes the link between image and patient is lost, thus, embedding the name of the patient in the image could be a useful safety measure. It is still an open question whether such marking would have any effect on the accuracy of the diagnosis but recent studies by Cosman et al. revealing that lossy compression has little effect, let us believe that this might be feasible. Another emerging technique related to the healthcare industry is hiding messages in DNA sequences. This could be used to protect intellectual property in medicine, molecular biology or genetics.

Аналогичные рассуждения можно сделать по поводу современной астрономии. Приведем цитату отечественного астронома ():

Я завидую тем, кто сейчас входит в науку. Последние 20 лет мы [астрономы] в общем-то топтались на месте. Но сейчас ситуация изменилась. В мире построено несколько телескопов совершенно уникального свойства. Они видят почти все небо и огромные объемы информации получают каждую ночь. Вот достаточно сказать, что за предыдущие 200 лет астрономы открыли несколько тысяч объектов. (...) Это за 200 лет! Сегодня каждую ночь мы открываем триста новых объектов солнечной системы! Это больше, чем человек ручкой смог записать бы в каталог. [за сутки]

Подумать только, каждую ночь 300 новых объектов. Понятно, что это различные мелкие космические астеройды, а не открытие новых планет, но все же… Действительно, возможно было бы разумно вкраплять информацию о времени съемки, месте съемки и иные данные непосредственно в изображение? Тогда при обмене снимков между астрономами, ученые всегда могли бы понять, где, когда и при каких обстоятельствах был сделан тот или иной снимок. Можно даже вкраплять информацию без ключа, считая, что противника нет. Т.е. использовать стеганографию только ради «неотчуждения» самих снимков от дополнительной информации, надеясь на честность пользователей; возможно, это было бы гораздо более удобно, чем сопровождать каждый снимок информацией.

Из мира компьютерных игр можно привести . Если сделать скриншот игры, содержащий имя пользователя, время снятия скриншота (с точностью до минуты и IP) адрес сервера.

14. Стеганографическое отвлечение (?)

Как понятно из названия задача - отвлечь внимание противника. Данная задача может быть поставлена в случае если есть какая-либо иная причина использования стеганографии. Для стеганографического отвлечения необходимо, чтобы генерация стегоконтейнеров была существенно «дешевле» (с точки зрения машинных и временных ресурсов), чем обнаружение стеганографии противником.

Грубо говоря, стеганографическое отвлечение чем-то напоминает DoS и DDoS атаки. Вы отвлекаете внимание противника от контейнеров, которые действительно содержат что-то ценное.

15. Стеганографическое отслеживание (СПД)

Данное применение чем-то похоже на п.7 индивидуальный отпечаток в СЭДО , только цель стоит иная - поймать злоумышлинника, который «сливает» информацию. Из реального мира можно привести пример [b]отмеченных дензнаков («меченные деньги»). Они используются правоохранительными органами, для того чтобы преступник, получивший деньги за какую-либо незаконную деятельность, не мог бы потом заявить, что эти деньги были у него до сделки.

Почему бы не перенять опыт «реальных коллег» в наш виртуальных мир? Таким образом стеганографическое отслеживание напоминает чем-то вроде .

Прогноз о будущем стеганографии в первой четверти XXI века

Прочитав полусотню различных статей по стеганке и несколько книжек, рискну высказать свое мнение по поводу стеганографии. Данное мнение - лишь мое мнение и я его никому не навязываю. Готов к конструктивной критике и диалогу.

[b]Тезис. Я считаю, что мир технически готов к стеганографии, но в «культурном» плане современное информационное общество пока ещё не дозрело. Я думаю, что в ближайшее время (2015-2025 годах) произойдет то, что возможно в будущем назовут "стеганографической революцией "… Может быть это немного заносчивое утверждение, но я попытаюсь обосновать свою точку зрения четырьмя положениями.

[b]Первое. В данный момент не существует единой теории стеганографии. конечно лучше, чем ничего, но на мой взгляд это черно-белая фотография хвоста сферического виртуального коня в вакууме… Миттельхользер попытался немного улучшить результаты Кристиана Кашена, но пока это очень пространная теория.

Отсутствие единой теории - важный тормоз. Математически доказано, что (=«одноразовый блокнот») взломать невозможно, по этой причине связь между В.В. Путиным и Баракой Обамой осуществляется именно с помощью этого алгоритма. Существует определенная теория, создающая и изучающая абстрактные (математические) криптографические объекты (Bent-функции, LFSR, циклы Фейстейля, SP-сеты и т.д.). В стеганографии существует зоопарк терминов и моделей, но большинство из них необоснованны, изучены не полностью или притянуты за уши.

Тем не менее определенные сдвиги в данном направлении уже есть. Уже осуществляются скромные попытки использовать стеганографию если не как основное или даже единственное решение, то как вспомогательный инструмент. Огромный сдвиг в теории произошел за последние пятнадцать лет (2000-2015), но думаю об этом можно написать отдельный пост, в двух словах сказать трудно.

[b]Второе. Стеганография - наука междисциплинарная ! Это первое, что должен уяснить любой начинающий «стеганограф». Если криптография может абстрагироваться от оборудования и решать исключительно задачи в мире дискретной математике, то специалист по стеганографии обязан изучать среду. Хотя конечно и в построении криптосистем существует ряд проблем, например атака по побочным каналам; но это не вина качества шифра. Я думаю, что стеганография будет развиваться в соответствии с развитием изучения среды, в которой передаются скрытые сообщения. Таким образом разумно ожидать появления «химической стеганографии», «стеганографии в изображениях», «стеганографии в кодах, исправляющих ошибки», «продовольственной стеганографии» и т.д.

Начиная примерно с 2008 года это уже все осознали. Стеганографией стали интересоваться не только математики-криптографы, но и лингвисты, филологи, химики. Думаю это позитивный сдвиг, говорящий о многом.

[b]Третее. Современный виртуальный мир перенасыщен текстами, картинками котиков, видеороликами и прочая и прочая… На одном сайте YouTube ежеминутно загружается более 100 часов видео! Вы только подумайте, [b]ежеминутно! Вот сколько минут вы читаете этот пространный опус?.. А теперь умножьте это число на 100! Вот столько часов различного видео на одном только YouTube появилось за это время!!! Вы можете себе это представить? А ведь это огромная «почва» для сокрытия данных! То есть «технически» мир давным давно готов к стеганографии. И я, если честно, глубоко уверен, что стеганография и противодействие стеганографии в ближайшем будущем станет такой же актуальной проблемой, как проблема BigData в 1938 году. Летом 1939 года в Кабатском лесу (недалеко от Варшавы) поляки подарили англичанам свои разработки и эвакуировали криптоаналитиков и инженеров. В Британии поляков возглавил Алан Тьюринг и на основе Бомбы была создана машина Colossus …

Данная информация перестала быть секретной, если мне не изменяет память, только в 2000-х годах. В качестве другого исторического примера можно привести алгоритм RSA, который был изобретен в конце ВМВ британскими криптографами. Но, по понятным причинам, военные засекретили первый в мире алгоритм асимметричного шифрования и пальма первенства досталась Диффи, Хелману, а затем Ривесту, Шамиру и Адлеману.

К чему я это? Дело в том, что в информационной безопасности все изобретается минимум два раза: один раз «в закрытую», а второй раз «в открытую»; а в некоторых случаях даже больше, чем два раза. Это нормально. Думаю тоже ждет и стеганографию (ели уже не постигло).

В современной западной литературе почему-то «исчезли» (т.е. перестали публиковаться) многие ученые, которые в 1998-2008 годах предлагали весьма интересные идеи. (например Питер Вайнер, Мишель Элиа). Примерно аналогичная ситуация была перед изобретением атомного оружия… Кто знает, может быть уже изобретены совершенные стегосистемы и они успешно используются ГРУ и/или АНБ? А мы, дочитывая этот пост и глядя на наручные часы высчитываем, сколько ещё часов мурлыкающих котиков закачали миллионы пользователей на YouTube и есть ли среди них котики с перепиской террористов; команд для botnet-сети или чертежи РТ-2ПМ2, зашифрованные шифром Вернама.

Стеганография

Классификация стеганографии

В конце 90-х годов выделилось несколько направлений стеганографии:

Классическая стеганография
Компьютерная стеганография
Цифровая стеганография

Классическая стеганография

Симпатические чернила

Одним из наиболее распространенных методов классической стеганографии является использование симпатических (невидимых) чернил . Текст, записанный такими чернилами , проявляется только при определенных условиях (нагрев, освещение, химический проявитель и т. д.) Изобретенные ещё в I веке н. э. Филоном Александрийским , они продолжали использоваться как в средневековье , так и в новейшее время , например, в письмах русских революционеров из тюрем. В советской школьной программе в курсе литературы изучался рассказ о том, как Владимир Ленин писал молоком на бумаге между строк, см. Рассказы о Ленине . Молоко проявлялось при нагреве над пламенем.

Существуют также чернила с химически нестабильным пигментом . Написанное этими чернилами выглядит как написанное обычной ручкой, но через определенное время нестабильный пигмент разлагается, и от текста не остается и следа. Хотя при использовании обычной шариковой ручки текст можно восстановить по деформации бумаги , этот недостаток можно устранить с помощью мягкого пишущего узла, наподобие фломастера .

Другие стеганографические методы

запись на боковой стороне колоды карт, расположенных в условленном порядке;
запись внутри варёного яйца;
«жаргонные шифры», где слова имеют другое обусловленное значение;
трафареты , которые, будучи положенными на текст, оставляют видимыми только значащие буквы;
узелки на нитках и т. д.

В настоящее время под стеганографией чаще всего понимают скрытие информации в текстовых, графических либо аудиофайлах путём использования специального программного обеспечения .

Стеганографические модели

Стеганографические модели - используются для общего описания стеганографических систем.

Основные понятия

В 1983 году Симмонс предложил т. н. «проблему заключенных». Её суть состоит в том, что есть человек на свободе (Алиса), в заключении (Боб) и охранник Вилли. Алиса хочет передавать сообщения Бобу без вмешательства охранника. В этой модели сделаны некоторые допущения: предполагается, что перед заключением Алиса и Боб договариваются о кодовом символе, который отделит одну часть текста письма от другой, в которой скрыто сообщение. Вилли же имеет право читать и изменять сообщения. В 1996 году на конференции Information Hiding: First Information Workshop была принята единая терминология:

Стеганографическая система (стегосистема) - объединение методов и средств используемых для создания скрытого канала для передачи информации . При построении такой системы условились о том, что: 1) враг представляет работу стеганографической системы. Неизвестным для противника является ключ с помощью которого можно узнать о факте существования и содержания тайного сообщения. 2) При обнаружении противником наличия скрытого сообщения он не должен смочь извлечь сообщение до тех пор пока он не будет владеть ключом . 3) Противник не имеет технических и прочих преимуществ.
Сообщение - это термин , используемый для общего названия передаваемой скрытой информации, будь то лист с надписями молоком, голова раба или цифровой файл.
Контейнер - так называется любая информация , используемая для сокрытия тайного сообщения. Пустой контейнер - контейнер, не содержащий секретного послания. Заполненный контейнер (стегоконтейнер) - контейнер, содержащий секретное послание.
Стеганографический канал (стегоканал) - канал передачи стегоконтейнера.
Ключ (стегоключ) - секретный ключ , нужный для сокрытия стегоконтейнера. Ключи в стегосистемах бывают двух типов: секретные и открытые. Если стегосистема использует секретный ключ, то он должен быть создан или до начала обмена сообщениями, или передан по защищённому каналу. Стегосистема, использующая открытый ключ , должна быть устроена таким образом, чтобы было невозможно получить из него закрытый ключ . В этом случае открытый ключ мы можем передавать по незащищённому каналу.

Компьютерная стеганография

Компьютерная стеганография - направление классической стеганографии, основанное на особенностях компьютерной платформы. Примеры - стеганографическая файловая система StegFS для Linux , скрытие данных в неиспользуемых областях форматов файлов , подмена символов в названиях файлов , текстовая стеганография и т. д. Приведём некоторые примеры:

Использование зарезервированных полей компьютерных форматов файлов - суть метода состоит в том, что часть поля расширений , не заполненная информацией о расширении, по умолчанию заполняется нулями. Соответственно мы можем использовать эту «нулевую» часть для записи своих данных. Недостатком этого метода является низкая степень скрытности и малый объём передаваемой информации.
Метод скрытия информации в неиспользуемых местах гибких дисков - при использовании этого метода информация записывается в неиспользуемые части диска , к примеру, на нулевую дорожку. Недостатки: маленькая производительность, передача небольших по объёму сообщений.
Метод использования особых свойств полей форматов, которые не отображаются на экране - этот метод основан на специальных «невидимых» полях для получения сносок, указателей. К примеру, написание чёрным шрифтом на чёрном фоне. Недостатки: маленькая производительность, небольшой объём передаваемой информации.
Использование особенностей файловых систем - при хранении на жестком диске файл всегда (не считая некоторых ФС, например, ReiserFS) занимает целое число кластеров (минимальных адресуемых объёмов информации). К примеру, в ранее широко используемой файловой системе FAT32 (использовалась в Windows98 / /) стандартный размер кластера - 4 Кб . Соответственно для хранения 1 Кб информации на диске выделяется 4 Кб информации, из которых 1Кб нужен для хранения сохраняемого файла, а остальные 3 ни на что не используются - соответственно их можно использовать для хранения информации. Недостаток данного метода: лёгкость обнаружения.

Цифровая стеганография

Изображение дерева со скрытым с помощью цифровой стеганографии в нём другим изображением. Изображение спрятано с помощью удаления всех, кроме двух младших битов с каждого цветового компонента и последующей нормализации.

Изображение кота, извлеченное из изображения дерева, расположенного выше

Цифровая стеганография - направление классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной информации в цифровые объекты, вызывая при этом некоторые искажения этих объектов. Но, как правило, данные объекты являются мультимедиа-объектами (изображения, видео, аудио, текстуры 3D-объектов) и внесение искажений, которые находятся ниже порога чувствительности среднестатистического человека, не приводит к заметным изменениям этих объектов. Кроме того, в оцифрованных объектах, изначально имеющих аналоговую природу, всегда присутствует шум квантования; далее, при воспроизведении этих объектов появляется дополнительный аналоговый шум и нелинейные искажения аппаратуры, все это способствует большей незаметности сокрытой информации.

Алгоритмы

Все алгоритмы встраивания скрытой информации можно разделить на несколько подгрупп:

Работающие с самим цифровым сигналом. Например, метод LSB.
«Впаивание» скрытой информации. В данном случае происходит наложение скрываемого изображения (звука, иногда текста) поверх оригинала. Часто используется для встраивания ЦВЗ.
Использование особенностей форматов файлов . Сюда можно отнести запись информации в метаданные или в различные другие не используемые зарезервированные поля файла.

По способу встраивания информации стегоалгоритмы можно разделить на линейные (аддитивные), нелинейные и другие. Алгоритмы аддитивного внедрения информации заключаются в линейной модификации исходного изображения, а её извлечение в декодере производится корелляционными методами. При этом ЦВЗ обычно складывается с изображением-контейнером, либо «вплавляется» (fusion) в него. В нелинейных методах встраивания информации используется скалярное либо векторное квантование. Среди других методов определенный интерес представляют методы, использующие идеи фрактального кодирования изображений. К аддитивным алгоритмам можно отнести:

А17 (Cox)
А18 (Barni)
L18D (Lange)
А21 (J. Kim).
А25 (С. Podilchuk).

Метод LSB

LSB (Least Significant Bit, наименьший значащий бит) - суть этого метода заключается в замене последних значащих битов в контейнере (изображения, аудио или видеозаписи) на биты скрываемого сообщения. Разница между пустым и заполненным контейнерами должна быть не ощутима для органов восприятия человека.

Суть метода заключается в следующем: Допустим, имеется 8-битное изображение в градациях серого. 00h (00000000b) обозначает чёрный цвет, FFh (11111111b) - белый. Всего имеется 256 градаций (). Также предположим, что сообщение состоит из 1 байта - например, 01101011b. При использовании 2 младших бит в описаниях пикселей, нам потребуется 4 пикселя. Допустим, они чёрного цвета. Тогда пиксели, содержащие скрытое сообщение, будут выглядеть следующим образом: 00000001 00000010 00000010 00000011 . Тогда цвет пикселей изменится: первого - на 1/255, второго и третьего - на 2/255 и четвёртого - на 3/255. Такие градации, мало того что незаметны для человека, могут вообще не отобразиться при использовании низкокачественных устройств вывода.

Методы LSB являются неустойчивыми ко всем видам атак и могут быть использованы только при отсутствии шума в канале передачи данных.

Обнаружение LSB-кодированного стего осуществляется по аномальным характеристикам распределения значений диапазона младших битов отсчётов цифрового сигнала.

Все методы LSB являются, как правило, аддитивными (A17, L18D).

Другие методы скрытия информации в графических файлах ориентированы на форматы файлов с потерей, к примеру, JPEG. В отличие от LSB они более устойчивы к геометрическим преобразованиям. Это получается за счёт варьирования в широком диапазоне качества изображения, что приводит к невозможности определения источника изображения.

Эхо-методы

Эхо-методы применяются в цифровой аудиостеганографии и используют неравномерные промежутки между эхо-сигналами для кодирования последовательности значений. При наложении ряда ограничений соблюдается условие незаметности для человеческого восприятия. Эхо характеризуется тремя параметрами: начальной амплитудой, степенью затухания, задержкой. При достижении некоего порога между сигналом и эхом они смешиваются. В этой точке человеческое ухо не может уже отличить эти два сигнала. Наличие этой точки сложно определить, и она зависит от качества исходной записи, слушателя. Чаще всего используется задержка около 1/1000, что вполне приемлемо для большинства записей и слушателей. Для обозначения логического нуля и единицы используется две различных задержки. Они обе должны быть меньше, чем порог чувствительности уха слушателя к получаемому эху.

Эхо-методы устойчивы к амплитудным и частотным атакам, но неустойчивы к атакам по времени.

Фазовое кодирование

Фазовое кодирование (phase coding, фазовое кодирование) - так же применяется в цифровой аудиостеганографии. Происходит замена исходного звукового элемента на относительную фазу , которая и является секретным сообщением. Фаза подряд идущих элементов должна быть добавлена таким образом, чтобы сохранить относительную фазу между исходными элементами. Фазовое кодирование является одним из самых эффективных методов скрытия информации.

Метод расширенного спектра

Метод встраивания сообщения заключается в том, что специальная случайная последовательность встраивается в контейнер, затем, используя согласованный фильтр, данная последовательность детектируется. Данный метод позволяет встраивать большое количество сообщений в контейнер, и они не будут создавать помехи друг другу. Метод заимствован из широкополосной связи.

Атаки на стегосистемы

Под атакой на стегосистему понимается попытка обнаружить, извлечь, изменить скрытое стеганографическое сообщение. Такие атаки называются стегоанализом по аналогии с криптоанализом для криптографии. Способность стеганографической системы противостоять атакам называется стеганографической стойкостью . Наиболее простая атака - субъективная. Внимательно рассматривается изображение, прослушивается звукозапись в попытках найти признаки существования в нём скрытого сообщения. Такая атака имеет успех лишь для совсем незащищенных стегосистем. Обычно это первый этап при вскрытии стегосистемы. Выделяются следующие типы атак.

Атака по известному заполненному контейнеру;
Атака по известному встроенному сообщению;
Атака на основе выбранного скрытого сообщения;
Адаптивная атака на основе выбранного скрытого сообщения;
Атака на основе выбранного заполненного контейнера;
Атака на основе известного пустого контейнера;
Атака на основе выбранного пустого контейнера;
Атака по известной математической модели контейнера.

Рассмотрим некоторые из них:

Атака по известному заполненному контейнеру - у взломщика имеется одно или несколько стего. В случае нескольких стего считается, что запись скрытой информации проводилось отправителем одинаковым способом. Задача взломщика заключается в обнаружении факта наличия стегоканала, а также доступа к нему или определения ключа. Имея ключ, можно раскрыть другие стегосообщения.

Атака по известной математической модели контейнера - взломщик определяет отличие подозрительного послания от известной ему модели. К примеру, пусть биты внутри отсчета изображения коррелированны . Тогда отсутствие корреляции может служить сигналом о наличии скрытого сообщения. При этом задача внедряющего сообщение состоит в том, чтобы не нарушить статистических закономерностей в контейнере.

Атака на основе известного пустого контейнера - если злоумышленнику известен пустой контейнер, то сравнивая его с предполагаемым стего можно установить наличие стегоканала . Несмотря на кажущуюся простоту метода, существует теоретическое обоснование эффективности этого метода. Особый интерес представляет случай, когда контейнер нам известен с некоторой погрешностью (такое возможно при добавлении к нему шума).

Стеганография и цифровые водяные знаки

Для повышения устойчивости к искажениям часто применяют помехоустойчивое кодирование или используют широкополосные сигналы. Начальную обработку скрытого сообщения делает прекодер . Важная предварительная обработка ЦВЗ - вычисление его обобщенного Фурье-преобразования . Это повышает помехоустойчивость. Первичную обработку часто производят с использованием ключа - для повышения секретности. Потом водяной знак «укладывается» в контейнер (например, путем изменения младших значащих бит). Здесь используются особенности восприятия изображений человеком. Широко известно, что изображения имеют огромную психовизуальную избыточность. Глаза человека подобны низкочастотному фильтру, который пропускает мелкие элементы изображения. Наименее заметны искажения в высокочастотной области изображений. Внедрение ЦВЗ также должно учитывать свойства восприятия человека.

Во многих стегосистемах для записи и считывания ЦВЗ используется ключ. Он может предназначаться для ограниченного круга пользователей или же быть секретным. Например, ключ нужен в DVD -плейерах для возможности прочтения ими содержащихся на дисках ЦВЗ. Как известно, не существует таких стегосистем, в которых бы при считывании водяного знака требовалась другая информация, нежели при его записи. В стегодетекторе происходит обнаружение ЦВЗ в защищённом им файле, который, возможно, мог быть изменён. Эти изменения могут быть связаны с воздействиями ошибок в канале связи, либо преднамеренными помехами. В большинстве моделей стегосистем сигнал-контейнер можно рассмотреть как аддитивный шум. При этом задача обнаружения и считывания стегосообщения уже не представляет сложности, но не учитывает двух факторов: неслучайности сигнала контейнера и запросов по сохранению его качества. Учет этих параметров позволит строить более качественные стегосистемы. Для обнаружения факта существования водяного знака и его считывания используются специальные устройства - стегодетекторы. Для вынесения решения о наличии или отсутствии водяного знака используют, к примеру, расстояние по Хэммингу , взаимокорреляцию между полученным сигналом и его оригиналом. В случае отсутствия исходного сигнала в дело вступают более изощренные статистические методы, которые основаны на построении моделей исследуемого класса сигналов.

Применение стеганографии

В современных принтерах

Стеганография используется в некоторых современных принтерах. При печати на каждую страницу добавляются маленькие точки, содержащие информацию о времени и дате печати, а также серийный номер принтера.

Применение цифровой стеганографии

Из рамок цифровой стеганографии вышло наиболее востребованное легальное направление - встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ) (watermarking), являющееся основой для систем защиты авторских прав и DRM (Digital rights management) систем. Методы этого направления настроены на встраивание скрытых маркеров, устойчивых к различным преобразованиям контейнера (атакам).

Полухрупкие и хрупкие ЦВЗ используются в качестве аналоговой ЭЦП , обеспечивая хранение информации о передаваемой подписи и попытках нарушения целостности контейнера (канала передачи данных).

Например, разработки Digimarc в виде плагинов к редактору Adobe Photoshop позволяют встроить в само изображение информацию об авторе. Однако такая метка неустойчива, впрочем как и абсолютное их большинство. Программа Stirmark, разработчиком которой является ученый Fabien Petitcolas, с успехом атакует подобные системы, разрушая стеговложения.

Предполагаемое использование террористами

Пример, показывающий то, как террористы могут использовать аватары для передачи скрытых сообщений. Эта картинка содержит в себе сообщение «Босс сказал, что мы должны взорвать мост в полночь.», зашифрованное с помощью http://mozaiq.org/encrypt с использованием сочетания символов «växjö» в качестве пароля.

Слухи о использовании стеганографии террористами появились с момента публикации в газете USA Today 5 февраля 2001 года двух статей - «Террористы прячут инструкции онлайн» и «Террористические группы прячутся за веб-шифрованием». 10 июля 2002 года в той же газете появилась статья «Боевики окутывают веб с помощью ссылок на джихад». В этой статье была опубликована информация о том, что террористы использовали фотографии на сайте eBay для передачи скрытых сообщений. Многие средства массовой информации перепечатывали данные сообщения, особенно после терактов 11 сентября , хотя подтверждения данной информации получено не было. Статьи в USA Today написал иностранный корреспондент Джек Келли, который был уволен в 2004 году после того, как выяснилось, что данная информация была сфабрикована. 30 октября 2001 года газета The New York Times опубликовала статью «Замаскированные сообщения террористов могут скрываться в киберпространстве». В статье было высказано предположение о том, что Аль-Каида использовала стеганографию для скрытия сообщений в изображениях, а затем передавала их по электронной почте и Usenet в целях подготовки терактов 11 сентября . В пособии по обучению террориста «Технологичный муджахид, учебное пособие для джихада » присутствует глава, посвященная использованию стеганографии.

Предполагаемое использование спецслужбами

Скандально известный греческий миллионер Аристотель Онассис несколько раз использовал при подписании контрактов ручку с симпатическими чернилами.

В фильме «Гений » главный герой - персонаж Александра Абдулова - обманывает милицию , написав признание симпатическими чернилами.

Ссылки

Программные реализации

OpenPuff: Двойная стеганография, Bmp , Jpeg , Png , Tga , Pcx , Aiff , Mp3 , Next, Wav , 3gp , Mp4 , Mpeg I , MPEG II , Vob , Flv , Pdf , Swf

Статьи

Обзор программ для поиска скрытых стеганографией материалов

Прочее

Стеганография (рус.) Иоганна Тритемия

Подавляющее большинство методов компьютерной стеганографии (КС) базируется на двух ключевых принципах:

· файлы, которые не требуют абсолютной точности (например, файлы с изображением, звуковой информацией и т.д.), могут быть видоизменены (конечно, до определенной степени) без потери своей функциональности.
· органы чувств человека неспособны надежно различать незначительные изменения в модифицированных таким образом файлах и/или отсутствует специальный инструментарий, который был бы способен выполнять данную задачу.

Для существующих методов компьютерной стеганографии вводят следующую классификацию (см. рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Классификация методов компьютерной стеганографии

· зарезервированные для расширения поля файлов, которые зачастую заполняются нулями и не учитываются программой;
· специальное форматирование данных (сдвиг слов, предложений, абзацев или выбор определенных позиций символов);
· использование незадействованных участков на магнитных и оптических носителях;
· удаление файловых заголовков-идентификаторов и т.д.

Метод замены наименее значащего бита.

Метод псевдослучайного интервала.

Методы сокрытия данных в пространственной области.

Если вы думаете, что техники тайнописи применяют только шпионы – вы немного заблуждаетесь. Техники скрытой передачи или хранения информации могут применяться повсеместно для вполне мирных целей. В данной статье я хочу рассказать о стеганографии (τεγανός [скрытый] + γράφω [пишу], дословно «скрытопись», «тайнопись»).

В самом начале необходимо провести черту между двумя понятиями: стенографией и стеганографией. Первое из них, стенография (στενός [узкий, тесный] + γράφω [пишу]) – это совокупность способов быстрой записи устной речи и не имеет ничего общего с утаиванием и скрытием от третьих глаз информации. Слова созвучные, но не стоит путать стенографию со стеганографией.

«Кто владеет информацией, тот владеет миром» сказал Натан Ротшильд, но люди за долго до его рождения задумывались над проблемой: когда вы получили информацию, необходимо её сохранить, в большинстве случаев не просто сохранить, а сохранить в тайне. Современная наука о защите информации говорит о двух путях хранения информации в тайне: использовать криптографию или использовать стеганографию (лучше это делать совместно). Криптография – наука о методах преобразования информации в вид, невозможный для прочтения третьими лицами. То есть при передаче секретного сообщения некто, перехватив письмо, будет знать, что в нём что-то написано, но для него это будет набор несвязных символов, лишённых смысла, так как ему неизвестен метод их перестановки (или замены), чтобы получить сообщение. Стеганография – наука о методах преобразования информации в вид, при котором сам факт её существования становится секретом. Для понимания данного определения необходимо обратиться к историческим примерам применения стеганографии.

История стеганографии

Как только люди научились фиксировать свои мысли письменно, появилась надобность сохранять их в тайне. Исторически сложилось, что стеганография появилась задолго до криптографии.

В истории существует пример, когда Демерат хотел послать союзникам в Спарту сообщение об угрозе нападения Ксерксов. В Древней Греции послания писались острыми палочками на дощечках, покрытых воском. Воск с таблички был снят, сообщение нацарапали на самой дощечке, потом покрыли воском и написали по воску «легальное» письмо.

Другое находчивое решение принадлежит тирану Гистею, который в V-м веке до н. э., находясь под надзором царя Дария в Сузах, должен был послать секретное сообщение своему родственнику в анатолийский город Милет. Тайное сообщение вытатуировали на обритой голове раба, затем дождались, пока волосы отрастут вновь, скрыв своим объёмом сообщение, и отправили раба гонцом в Милет, где волосы были сбриты, а сообщение попало в руки адресата.

Упоминание о методах, описанных выше, встречается в трактате Геродота «История», относящегося к 440 году до н. э.

Ближе к нашему времени появилось упоминание о Вожде мирового пролетариата В. И. Ленине (Ульянове), который, находясь в ссылке, писал письма товарищам по партии. Межу строк он молоком вписывал тайные сообщения однопартийцам: при нагревании письма текст, написанный молоком, проявлялся. Данный пример является наиболее известным применением симпатических (невидимых) чернил.

Появлявшиеся преимущества в связи с развитием техники всё больше использовались в стеганографии. Например, во время второй мировой войны немцами применялись «микроточки» (микрофотографии размером с типографскую точку), которые при увеличении давали чёткое изображение печатной страницы стандартного размера. Такие «микроточки» внедрялись в дипломатические письма и не вызывали подозрений.

Что такое стеганосистема?

Скрытый канал передачи данных между отправителем и получателем, организованный при помощи метода (или методов) стеганографии, называется стеганоканалом. По стеганоканалу передаются так называемые заполненные стеганоконтейнеры.

Стеганоконтейнер – это тот «легальный» носитель информации, в котором скрывается секретный текст. Соответственно, «легальный» носитель информации сам по себе – это пустой контейнер, когда в него встраивают стеганографическое сообщение, он становится заполненным. В исторических примерах стеганоконтейнерами были: восковая табличка, голова раба, письма Ленина, дипломатические письма.

Понятно, что заполненный стеганоконтейнер должен быть визуально неотличим от пустого контейнера.

На современном этапе информационных технологий можно выделить два типа стеганоконтейнеров: потоковые (непрерывная радиотрансляция, сетевой трафик и так далее) и фиксированной длинны (фотография, аудиозапись, электронный документ и так далее).

В итоге совокупность всех возможных стеганоконтейнеров (пустых и заполненных), скрываемых сообщений и методов встраивания (извлечения) секретных сообщений образуют стеганосистему.

Цели стеганографии

Начиная разговор о месте приложения стеганографии к реальной человеческой жизни, надо начать с целей, преследуемых стеганографией. Рассмотрим глобально, к каким финальным результатам стремятся специалисты, используя стеганографию.

Цифровые отпечатки (Digital Fingerprinting) подразумевают наличие различных стеганографических меток-сообщений для каждой копии контейнера. Например, при продаже электронной книги в неё может быть встроена информация о покупателе: имя, e-mail, ip- адрес и прочая информация. В последствии при возникновении спорной ситуации («Уважаемый, а не изволили ли Вы получить сие издание незаконным образом?») цифровой отпечаток может быть использован для доказательства исключительного права владения («Не могу согласиться с вами, сударь! Извольте ознакомиться с доказательствами»).

Рисунок 1: Сталин с iPhon-ом

Стеганографические водяные знаки (Digital Watermarking ) подразумевают наличие одинаковых меток для каждой копии контейнера. Например, во время фотографирования на профессиональную камеру в изображение встраивается информация о фотографе: имя, время фотографирования, модель камеры, геотеги и так далее. В последствии при возникновении спорной ситуации («А не изволили ли Вы незаконным образом присвоить себе авторское право на изображение молодой красавицы?») стеганографический водяной знак может быть использован для доказательства права авторства («Прошу прощения, но вот данные о моём фотографическом аппарате и снимок сделан в моём поместье»).

Интересен факт доказательства Дмитрием Скляровым (доцент кафедры информационной безопасности МГТУ им. Баумана) «подлинности» фотографии И. В. Сталина с iPhon- ом в руке. Для того, чтобы это проделать, Дмитрий изучил стеганографический алгоритм фотокамеры, а затем произвел атаку: подделал водяной знак таким образом, что фотография стала «настоящей».

Скрытая передача данных – классическая цель стеганографии. Заключается она в передаче данных таким образом, чтобы противник не догадался о самом факте существования скрытого сообщения. Примером достижения этой цели являются все вышеописанные исторические примеры.

Три перечисленные цели нельзя объединять и смешивать, так как методы их достижения (задачи и проблемы, возникающие в ходе реализации) будут разниться во всем, кроме того, что это все «стеганография». Скрытая передача данных совсем не одно и то же, что цифровые отпечатки и стеганографические водяные знаки. Смыслом скрытой передачи является сама передача данных, а смысл цифрового отпечатка и стеганографического водяного знака – защита контейнера, их содержащего. Факт наличия цифрового отпечатка или стеганографического водяного знака может не являться тайной (как в случае водяных знаков на денежных купюрах), а в случае скрытой передачи данных потеря секретности наличия информации означает провал операции.

Классификация методов стеганографии

Методы стеганографии можно разделить на три больших класса: классические методы, компьютерные и цифровые.

Термин «классическая стеганография » покрывает все «некомпьютерные» методы стеганографии: симпатические чернила, микрофотоснимки и другие методы, придуманные людьми с изворотливым умом.

Компьютерная стеганография использует особенности вычислительной платформы и специальные свой свойства компьютерных форматов данных.

Цифровая стеганография старается внедрить дополнительную информацию в цифровые аудио-/фото-/видеообъекты, используя некоторую избыточность информации. Имеется в виду, что любой цифровой объект имеет в себе заведомо много больше информации, чем воспринимают наши органы чувств (глаза, уши). Когда стеганографический алгоритм пренебрегает 1/1000 долей чёткости картинки, чтобы разместить на фотографии скрытое сообщение, наш глаз этого попросту не может заметить.

Существует ряд других, мене глобальных, классификаций, например, по типу используемого контейнера: аудиоконтейнеры, графические контейнеры, текстовые контейнеры, видеоконтейнеры, сетевые контейнеры, временные и так далее. Из любопытства познакомимся с некоторыми из них.

Текстовые контейнеры

Стеганография, использующая текстовые контейнеры, может использовать особенности компьютерного представления текстов (компьютерная стеганография), а может использовать особенности языка (лингвистическая стеганография). Примером компьютерной стеганографии будет чередование по некоторому заранее обговорённому правилу латинских/кириллических символов со схожим написанием (е, а, с, В, Т, etc ). Лингвистические методы стеганографии могут допускать осознанные орфографические ошибки, чередование полных/неполных предложений, замену синонимичных слов.

Приведу простой пример, достойный урока информатики в школе. Пусть необходимо спрятать букву «А» в тексте «steganography». В двоичном виде букву «А» можно рассматривать как «01000001». Сопоставим двоичное представление скрытого сообщения (буквы «А») контейнеру (тексту «steganography») и запишем буквы, соответствующие единицам, прописью: sTeganoGraphy. Используя такой метод можно спрятать текст длинной в сообщение 8 символов.

Особенности файловой и операционной системы

За хранение информации на машинных носителях отвечает файловая система, которая задаёт структуру носителя и правила размещения фалов на нём. Файловая система FAT32 компании Microsoft при хранении файла всегда занимает целое число кластеров. Например, если при разметке диска был указан кластер размером в 4 Кбайта и размер файла всего 1,8 Кбайта, то оставшиеся 2,2 Кбайта останутся пустыми и не будут заполнены файловой системой при размещении следующего файла. Что значит «пустыми»? Это значит, что можно записать в это пространство скрытые данные, которые система не увидит. Но надо быть аккуратным, так как файловая система в погоне за более экономичным использованием пространства может «спутать вам карты».

Рисунок 2: Прячем файл в картинку

Другую особенность, уже операционной системы, можно использовать, чтобы спрятать файлы под видом обычной картинки. В Unix-подобных операционных системах это можно сделать легко: командой «cat» читаем последовательно картинку (например, pic.png) и файл архива (ar.7z), перенаправив основной поток в новый файл (например, final.png). В итоге мы получаем изображение, которое графическими редакторами открывается как изображение, а менеджерами архивов как архив.

Метод наименее значащих битов

Метод наименее значащих битов (Least Significant Bit, LSB) считается наиболее популярным для цифровой стеганографии. Как уже говорилось, цифровая стеганография основывается на ограниченности способностей органов чувств человека и, как следствие, неспособности распознать незначительные вариации звука/цвета.

Рисунок 3: «Значимость» битов цвета

Для простоты объяснения рассмотрим графический контейнер – изображение в формате BMP.В данном формате для описания каждой точки (пикселя) используются 3 байта, обозначающие в какой пропорции необходимо смешивать красный, зелёный и голубой цвета (цветовая схема RGB). Если произвести замену старших бит в этих байтах, цветовые изменения в картинке будут бросаться в глаза. Младшие же биты дают куда более незначительный вклад в изображение. Если использовать по одному младшему биту в каждом цвете для записи скрываемого сообщения, то распознать изменения человеческий глаз будет не способен.

Рисунок 4: Кодирование цветовой палитры RGB

Таким образом, в графическом изображении размером 117 Кбайт (200 на 200 пикселей) возможно спрятать, как минимум, 14 Кбайт скрытой информации.

Была описана самая простая вариация метода LSB, которая имеет множество недостатков. Скрытое сообщение легко разрушить, сжимая или отображая изображение. При таком подходе не обеспечивается секретность встраивания сообщения: точно известно местоположение информационных битов (каждый крайний с конца бит). Для преодоления второго недостатка можно встраивать сообщение не во все пиксели изображения, а выбирать их при помощи генератора псевдопростых чисел (инициализированного ключом стеганосистемы). Стоит заметить, что пропускная способность при этом уменьшится.

Сетевая стеганография

Можно произвести более тонкое разделением методов сетевой стеганографии в зависимости от объекта воздействия стеганографического преобразования: модификация сетевых пакетов (кадров, сегментов – здесь и далее), модификация структуры передачи и гибридные системы.

При модификации пакетов может изменяться либо сама полезная нагрузка пакета (данные), либо особые поля пакета (зарезервированные протоколом сетевой передачи, но не используемые в данный момент), либо и то и другое. Например, в заголовке пакета IPv4 поле контрольной суммы (16 бит) не является обязательным для использования (если поле не используется, в него записывается 0).

При модификации структуры отправки сетевых пакетов для передачи скрытого сообщения может применяться реорганизация порядка пакетов (незначительное перемешивание пакетов некоторым условным образом не нарушит работу сетевого приложения, так как такая ситуация может произойти случайно в обычном сетевом трафике), намеренная потеря некоторых пакетов по некоторому правилу (опять же, маскируясь под соединение не очень высокого качества) и некоторые другие методы, включая гибридные.

В качестве примера метода стеганографии, который модифицирует структуру передачи пакетов, рассмотрим пример так называемой «временной» стеганографии (Covert Timing Channel, CTC ). Существует некоторый цифровой поток, например, видеопоток по протоколу RTSP. Задержки между пакетами будут всегда немного отличаться. Если избранные пакеты искусственно «притормаживать», можно передать скрытое сообщение: «0» – короткая задержка, «1» – длинная задержка.

Рисунок 5: Принцип сетевой временной стеганографии

Атаки на стеганосистемы

В целом атаки на стеганографические системы (стеганоанализ) очень напоминают атаки на криптографию (криптоанализ): похожая терминология, подходы. Поговорим о различиях.

Первый шаг стеганоанализа – субъективная атака . При этой атаке аналитик внимательно рассматривает изображение (слушает аудиозапись), пытаясь определить «на глаз», имеется ли в нём скрытое сообщение. В случае взлома криптосообщения – бесполезный этап, так как наличие зашифрованного сообщения очевидно.

Атака на основе известного пустого контейнера не имеет своего аналога в криптоанализе. Если аналитику удалось добыть в качестве образцов для исследования обе формы «жизни» стеганоконтейнера – пустой и заполненный, то, сравнивая их между собой, он может попытаться распознать алгоритм встраивания информации (в некоторых случаях ключ стеганосистемы ).

Если аналитик уверен, что в купленной электронной книге находится цифровой отпечаток покупателя, то он может купить эту книгу ещё 2, 3, 4 раза, используя разные данные о покупателе. У него будет ряд одних и тех же контейнеров с разной стеганографической меткой. Сравнивая их между собой, аналитик может попытаться, как и в прошлом примере, извлечь алгоритм встраивания информации.

Ряд других методов стеганоанализа является «калькой» с хорошо отработанных методов стеганоанализа.

Практическое применение стеганографии

Рассмотрим более детально задачи, решение которых возможно найти, используя стеганографию.

Незаметная передача информации

В отличие от криптографических методов (которые тайны, но не скрытны) стеганография может применяться как метод передачи информации, не вызывая подозрений. Эта задача составляет «классическое» практическое применение стеганографии, поэтому занимает первое место.

Можно вспомнить про громкие аресты российских разведчиков в конце июня 2010 года – по данным США «шпионы» использовали в том числе стеганографию, чтобы переправлять в Москву разведданные.

Скрытое хранение информации

В данном случае стеганография используется не для передачи, а для хранения какой-либо информации, обнаружение самого факта наличия которой (пускай хоть даже в зашифрованном виде) пользователю нежелательно. Согласитесь, весьма странно, когда тайная полиция, производящая обыск вашего жилища, обнаруживает вдоль и поперёк зашифрованные жёсткие диски? Гораздо меньше подозрений вызовут пара папок с видеофильмами, наработки по учёбе, фотографии с отдыха, пусть даже, коллекция порнографии (не детской!) – мозг уже просчитывает, сколько Мбайт информации можно уместить в этих контейнерах?

Недекларированное хранение информации

Многие информационные ресурсы позволяют хранить данные только определённого типа. А вам уж очень сильно хочется загрузить EXE- файл для хранения на YouTube. Один из путей решения задачи лежит через методы стеганографии.

Индивидуальный отпечаток в СЭДО

В системе электронного документооборота (СЭДО) можно использовать индивидуальный отпечаток внутри *.odt, *.docx и иных документах при работе с ними пользователей. С его помощью можно будет узнать, кто, когда и в каком объёме работал с документом. При этом куча записей о сеансах работы не будет «маячить» в начале документа и отвлекать пользователя.

Водяной знак в DLP системах

Data Leak Prevention, DLP – система обнаружения/предотвращения утечки информации. В отличие от индивидуального отпечатка в СЭДО, в данном применении стеганографии при создании документа, носящего конфиденциальный характер, в него встраивается неизменяемая метка. При попытке отправить документ по электронной почте система проверит наличие метки: если она присутствует, передача будет заблокирована, и администратор безопасности будет уведомлен , например, по SMS.

Скрытая передача управляющего сигнала

Существуют реальные примеры вредоносного программного обеспечения (Stegobot), которые управляют заражённой Botnet- сетью при помощи методов стеганографии. Это необходимо, чтобы трафик между жертвами и сервером не блокировался межсетевыми экранами и не попадался лишний раз на глаза специалистам по информационной безопасности.

Данная задача может возникать у военных. Когда мы отправляем спутнику шифрованную команду, все видят, что мы отдали какой-то приказ. Да, противник не знает содержания команды, но ему может прийти в голову мысль действовать на опережение – всё пропало. При помощи стеганографии команды управления могут быть встроены в поток вполне мирной информации о местоположении и заряде аккумуляторов.

Funkspiel

Funkspiel (нем. «Радиоигра») – излюбленная забава контрразведчиков, когда на связь со «своими» выходит захваченный шпион и под контролем пары крепких мужчин с погонами сообщает в эфир дезинформацию. В случае такого развития событий (захват разведчика), можно использовать стеганосообщение, как признак, говорящий, стоит ли воспринимать всерьёз находящуюся в контейнере информацию (передаваемую «своим»). Если стеганосообщение не прошло проверку, то контейнер должен быть проигнорирован получателем, вне зависимости от его содержимого.

Неотчуждаемость информации

Если сделать скриншот чистой области в игре World of Warcraft , открыть файл в каком-нибудь графическом редакторе, увеличить резкость с максимальной настройкой фильтра и повторить процедуру несколько раз, то заметен явный узор, который многократно повторяется. В данном узоре имеются данные: имя пользователя, который сделал скриншот, время снятия скриншота, координаты в игровом мире (реалм).

Рисунок 6: Стеганографический водяной знак в скриншоте Wow

Перспективы развития/применения

«Я считаю, что мир технически готов к стеганографии, но в «культурном» плане современное информационное общество пока ещё не дозрело. Я думаю, что в ближайшее время (2015-2025 годах) произойдет то, что возможно в будущем назовут «стеганографической революцией.» – пишет @PavelMSTU, предрекая рассвет эпохи повсеместного применения стеганографии.

Однако существует ряд проблем, пока препятствующих такому развитию событий. Первая проблема – отсутствие единой теории стеганографии. Стеганография появилась раньше, но теоретически криптография проработана гораздо лучше: чего стоит одно только наличие абсолютной криптосистемы (шифр Вернама), стеганографии до этого далеко. Стеганография – наука междисциплинарная (как и все науки, дающие плоды в XXI веке ). То есть ей безуспешно заниматься в одиночестве математикам и в одиночестве инженерам, программистам и так далее – необходимо объединять знания.

В остальном же мир перенасыщен текстами, картинками милых котиков, толковыми и бестолковыми видеороликами – потенциальными контейнерами. А может уже давно и не потенциальными, а реальными?