Цифровая стеганография. Стеганографическая защита. Метод замены наименее значащего бита

11.04.2019

Windows 7

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.

Я думаю каждый хоть раз слышал о стеганографии. Стеганография (τεγανός - скрытый + γράφω - пишу, дословно «скрытопись») - это междисциплинарная наука и искусство передавать сокрытые данные, внутри других, не сокрытых данных. Скрываемые данные обычно называют стегосообщением , а данные, внутри которых находится стегосообщение называют контейнером .

На хабрахабре было много различных статей о конкретных алгоритмах информационной стеганографии , например DarkJPEG , «TCP стеганография» , ну и конечно любимый всеми студентами во время курсового проектирования «алгоритм LSB» (например LSB стеганография , Стеганография в GIF , Котфускация исполняемого.net кода)

Стеганографических способов бесчисленное множество. На момент написания данной статьи в США уже опубликовано не менее 95 патентов по стеганографии , а в России не менее 29 патентов . Более всего мне понравился патент Kursh К. и Lav R. Varchney «Продовольственной стеганографии» («Food steganography» , PDF)

Картинка из «пищевого» патента для привлечения внимания:

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

Цели стеганографии - на самом деле их три, а не одна.
Практическое применение стеганографии - я насчитал 15.
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

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 различных стеганографических меток-сообщений, для каждой копии контейнера. Например ЦО могут быть применимы для защиты исключительного права . 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 («слабая цель» );
подмена одного ЦО другим ЦО («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 torrent-файлов могут посадить, применение стеганографических ЦО более вероятно.

Стеганографические водяные знаки (СВЗ) (Stego Watermarking)

В отличие от ЦО, СВЗ подразумевает наличие одинаковых меток для 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 видео снимков. Кстати, наш коллега по цеху, Дмитрий Витальевич Скляров , успешно поломал стеганографию на некоторых моделях камеры Canon . Проблема правда была аппаратной, саму стеганку Дмитрий Витальевич не трогал, тем не менее он стеганографически «доказал» подлинность Сталина с iPhone"ом.

Фотография Сталина с iPhone"ом, сделанная Д.В. Скляровым (с корректным СВЗ)

Скрытая передача данных (СПД)

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

В современных русскоязычных работах, посвященных стеганографии, часто используется термин ЦВЗ (Цифровые водяные знаки) . Под этим термином подразумевают то СВЗ, то ЦО. (А иногда СВЗ и ЦО одновременно, да еще 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 «стеганографы» , как Кашен (Cachin), Петикола (Petitcolas), Каценбейзер (Katzenbeisser).

Для каждой из этих трех целей следует разрабатывать свои собственные критерии стойкости стеганографической системы и формальные информационно-теоретические модели для их достижения, т.к. смысл применения стеганографии различен. Про фундаментальное отличие СВЗ и ЦО написано выше. Но может быть имеет смысл объединить СПД с ЦО или с СВЗ? Нет! Дело в том, что смыслом СПД является сама скрытая передача данных , а ЦО и СВЗ предназначены для защиты самого контейнера . Более того, сам факт наличия ЦО или СВЗ может не быть тайным, в отличие от большинства задач для СПД. В частности, по этой причине говорить о возможности построения совершенной стегосистемы (по Кашену) 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 (Holographic Versatile Disc, HVD). (Правда есть точка зрения, что данная технология изначально «мертворожденная») Разрабатываемые ныне HVB могут содержать до 200 Гб 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 amazon.com . Цитата artty из статьи «Защита» mp3 файлов на amazon.com :

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 iPhone"ом.

7. Индивидуальный отпечаток в СЭДО (ЦО)

В системе электронного документооборота (СЭДО) 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 (Data Leak Prevention , 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 ТГУ прислал мне весьма любопытную статью неких Shishir Nagaraja , Amir Houmansadr , Pratch Piyawongwisal , Vijit Singh , Pragya Agarwal и Nikita Borisov "а «Stegobot: a covert social network botnet» . 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)

Из википедии :

Определение Funkspiel"я

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) "Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking ":

Отрывок про использование стеганографии в медицине. из книги ""Information Hiding Techniques for Steganography and Digital Watermarking""

The healthcare industry and especially medical imaging systems may benefit from information hiding techniques. They use standards such as DICOM (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 Владимира Георгиевича Сурдина (ссылка на видео):

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 WoW . Если сделать скриншот игры, то автоматически внедряется СВЗ , 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 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 honeypot"а .

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.

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.

Первое . В данный момент не существует единой теории стеганографии. Совершенно секретная стегосистема (по Кашену) 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 шифр Вернама (=«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.

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.

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, 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 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.

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».

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.

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)

6. Защита подлинности документов (СВЗ)

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.

9. Скрытая передача управляющего сигнала (СПД)

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).

12. Funkspiel («Радиоигра») (СПД)

13. Неотчуждаемость информации (СВЗ)

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]

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 (?)

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

[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.

[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.

[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 …

Лекция

доцента кафедры ИВТ Гродненского госуниверситета

канд. техн. наук Ливак Елены Николаевны

Стеганографическая защита информации

В лекции
Назначение стеганографической защиты
метод внедрения скрытой информации в младшие биты данных, представленных в цифровом виде
широкополосные сигналы и элементы теории шума
методы, применяемые для тайнописи в текстовых файлах
методы внедрения скрытой информации и для файлов в формате HTML методы, применяемые для внедрения скрытой информации в исполняемые файлы

Технологии защиты авторских прав на мультимедийную продукцию

Назначение стеганографической защиты

В отличие от криптографической защиты информации, предназначенной для сокрытия содержания информации, стеганографическая защита предназначена для сокрытия факта наличия (передачи) информации.

Методы и средства, с помощью которых можно скрыть факт наличия информации, изучает стеганография (от греч. – тайнопись).

Методы и способы внедрения скрытой информации в электронные объекты относятся к компьютерной стеганографии .

Основные стеганографические понятия

Основными стеганографическими понятиями являются сообщение иконтейнер .

Сообщением m ∈ M , называют секретную информацию, наличие которой необходимо скрыть, где M - множество всех сообщений, обычно M = Z 2 n для n ∈ Z.

Контейнером b ∈ B называют несекретную информацию, которую используют для сокрытия сообщений, где B - множество всех контейнеров, обычно B=Z 2 q , при этом q>>n .

Пустой контейнер (контейнер-оригинал ) - это контейнер b , не содержащий сообщения, заполненный контейнер (контейнер-результат ) b m - это контейнер b , содержащий сообщение m .

Стеганографическим преобразованием принято называть зависимости

F: M×B×K → B, F -1: B×K → M,

которые сопоставляют тройке (сообщение, пустой контейнер, ключ) контейнер-результат, и паре (заполненный контейнер, ключ) исходное сообщение, т.е.

F(m,b,k) = b m,k , F -1 (b m,k) = m, где m ∈ M, b, b m ∈ B, k∈K

Стеганографической системой называют (F, F -1 , M, B, K ) совокупность сообщений, контейнеров и связывающих их преобразований [Мотуз].

Методы компьютерной стеганографии

Отметим, что, несмотря на то, что методы тайнописи известны с древних времен, компьютерная стеганография является относительно новой областью науки. В настоящее время компьютерная стеганография находится на стадии развития.

Теоретическая база и методы стеганографии только формируются, нет общепризнанной классификации методов, не существуют критерии оценки надежности методов и механизмов стеганографических систем, производятся первые попытки проводить сравнительные характеристики методов, например, в [Барсуков, 54].

Но уже сегодня специалисты признают, что «... на базе компьютерной стеганографии, являющейся одной из технологий информационной безопасности XXI века, возможна разработка новых, более эффективных нетрадиционных методов обеспечения информационной безопасности» [Барсуков, 54, с. 71].

Анализ применяемых на практике методов компьютерной стеганографии позволяет выделить следующие основные классы .

1. Методы, основанные на наличии свободных участков в представлении/хранении данных.

2. Методы, основанные на избыточности представления/хранения данных.

3.Методы, основанные на применении специально разработанных форматов представления/хранения данных.

Подчеркнем, что методы внедрения скрытой информации в объекты зависят, прежде всего, от назначения и типа объекта, а также от формата, в котором представлены данные. То есть, для любого формата представления компьютерных данных могут быть предложены собственные стеганографические методы.

Остановимся на стеганографических методах, которые часто применяются на практике.

Широко известен метод внедрения скрытой информации в младшие биты данных, представленных в цифровом виде . Метод основывается на том факте, что модификация младших, наименее значимых битов данных, представленных в цифровом виде, с точки зрения органов чувств человека не приводит к изменению функциональности и даже качества изображения или звука. Отметим, что информация, скрытая в последних битах цифрового контента не является помехоустойчивой, то есть при искажениях или сжатии с потерей данных она теряется.

На практике используются также широкополосные сигналы и элементы теории шума . Информация скрывается путем фазовой модуляции информационного сигнала (несущей) с псевдослучайной последовательностью чисел. Используется и другой алгоритм: имеющийся диапазон частот делится на несколько каналов, и передача производится между этими каналами.

Достаточно развиты методы, применяемые для тайнописи в текстовых файлах.

· Скрытые гарнитуры шрифтов. Данный метод основан на внесении малозаметных искажений, несущих смысловую нагрузку, в очертания букв.

· Цветовые эффекты. Например, для символов скрываемого сообщения применяют белый цвет на белом фоне.

· «Нулевой шифр». Этот метод основан на выборе определенных позиций символов (иногда используются известные смещения слов\предложений\ абзацев).

· Обобщение акростиха. Метод заключается в том, что по определенному закону генерируется осмысленный текст, скрывающий некоторое сообщение.

· Невидимые коды. Символы скрываемого сообщения кодируются определенным количеством дополнительных пробелов между словами или числом пустых строк.

Разработаны методы внедрения скрытой информации и для файлов в формате HTML :

· в конец каждой строки добавляют определенное число пробелов, кодирующее скрываемую информацию;

· скрываемое сообщение размещают в специальном файле, у которого удаляют заголовок, причем такой заголовок хранится у получателя (скрываемое сообщение обычно дополнительно шифруется);

· присоединяют дополнительные страницы, на которых и размещают скрываемую информацию;

· записывают скрываемую информацию в мета-тэги (эти команды предназначены для сообщения информации о html -документе поисковым серверам и не видны при отображении страницы на экране);

· записывают скрываемую информацию в тэги с неизвестными программам-браузерам идентификаторами;

· применяют цветовые эффекты.

Особое внимание обратим на методы, применяемые для внедрения скрытой информации в исполняемые файлы .

Большинство из применяемых методов основано на наличии свободных участков в исполняемых файлах: полностью или частично свободные секторы (блоки) файла; структуры заголовков файлов в форматах EXE , NE - executable и PE - executable содержат зарезервированные поля; существуют пустоты между сегментами исполняемого кода и другие. Заметим, что именно такие методы компьютерной стеганографии традиционно используют авторы компьютерных вирусов для внедрения тел вирусов в исполняемые файлы. Обратим внимание, что для удаления скрытой таким образом информации нарушителю достаточно просто «обнулить» все имеющиеся свободные участки.

Среди методов и технологий, использующих стеганографическую защиту информации, наиболее развитыми представляются технологии защиты авторских прав на мультимедийную продукцию.

Предлагаемые на рынке программного обеспечения технологии и системы защиты авторских прав используют методы цифровой стеганографии. Системы защиты авторских прав сопровождают идентифицирующей информацией объекты, представляющие собой цифровое содержание: графические файлы, аудио- и видео файлы.

Самой известной технологией в области защиты прав автора на графическую информацию является технология Digital Water Marc (цифровой водяной знак) компании Digimarc Corporation (www . digimarc . com ). Специальный программный продукт PictureMarc (ключевая часть технологии) позволяет внедрять в изображение цифровой идентификатор (метку) создателя. Для получения собственного идентификатора пользователь обязан зарегистрироваться в сервисном центре компании Digimarc (MarcCentre ). Цифровая метка при внедрении в изображение кодируется величиной яркости пикселей, что определяет стойкость метки при различных трансформациях графического файла (редактирование, уменьшение/увеличение изображения, преобразование в другой формат, сжатие). Более того, цифровая метка, внедренная таким способом, не теряется даже после печати и последующего сканирования. Однако, цифровая метка не может быть ни изменена, ни удалена из маркированного изображения. Считывается цифровая метка с помощью программы ReadMarc . Специальный программный продукт MarcSpider просматривает изображения, доступные через Internet , и сообщает о незаконном использовании.

На рынке программного обеспечения в настоящее время предлагается множество систем и технологий, работающих по принципу, аналогичному цифровому водяному знаку. Все они преобразовывают идентификационный код производителя мультимедиа в невидимую цифровую метку и встраивают ее в объект защиты. Обычно такие системы называют системами цифровых водяных знаков. На рынке представлены технологии PixelTag (производства MIT Media Lab ); EIKONAMARK (производства Alpha Tec Ltd .); TigerMark (компании NEC ) и многие другие.

Некоторые технологии вместо термина «водяной знак» используют термин «отпечаток пальца». На рынке представлена технология FBI (Fingerprinting Binary Images ) производства Signum Technologies (www . generation . net /~ pitas / sign . html ). Сервисные программы, использующие данную технологию, также позволяют встраивать, определять и читать «отпечаток пальца» из цифровых данных.

Внимания также заслуживают возможности комплексной системы управления электронным копирайтом Cryptolope (компании IBM ), основанные на технологии Java .

Применяется на практике и специальный протокол защиты мультимедиа MMP (Multimedia Protection Protocol ), разработанный для защиты от пиратства при продаже оцифрованных данных через Internet или другие каналы.

Однако необходимо заметить, что существуют и программы, удаляющие цифровые метки из файлов, содержащих изображения. Наиболее известны две из них: UnZign и StirMark , которые анонсированы в качестве средств тестирования стойкости меток, встраиваемых системами цифровых водяных знаков. Использование этих программ показывает, что на сегодняшний день «водяные знаки всех производителей уничтожаются без заметного ухудшения качества изображения» [Николенко, 56].

В настоящее время приобретают широкое распространение стеганографические продукты, позволяющие маскировать целые файлы в других файлах - файлах-контейнерах. Файлами-контейнерами обычно служат графические или звуковые файлы, иногда используются и текстовые файлы (в формате TXT и HTML ). К такому классу программ относятся широко известные программы S - Tools , Steganos , Contraband , Hide 4 PGP и другие.

Широко известны стеганографические (недокументированные) вставки Easter Eggs (www . eeggs . com ) в компьютерных программах. Разработчики программного обеспечения внедряют в свои программы самостоятельные модули, вызываемые определенной (часто довольно сложной) комбинацией клавиш или последовательностью действий. Такие программы, называемые секретами, после активизации демонстрируют различного рода шутки, развлекательную анимацию. Часто программа–секрет демонстрирует список разработчиков программного продукта, а иногда даже их фотографии. Поэтому в некоторых публикациях технологию Easter Eggs относят к технологиям за щ иты авторских прав на компьютерные программы.

[ Steganography and Digital Watermarking Tool Table // www . jjtc . com / Steganography / toolmatrix . htm ] средств, основанных на стеганографических методах и технологиях цифровых водяных знаков, анонсировано только одно средство – S – Mail производства Security Software Development (SSD ) Ltd ., которое встраивает скрытую информацию в EXE - и DLL -файлы.

Резюме

Анализ тенденций развития технологий, использующихся для обеспечения безопасности информации вообще и, в частности, для защиты авторских прав в области программного обеспечения, показывает, что применение компьютерной стеганографии наряду с методами, традиционно применяемыми для защиты программных продуктов, увеличивает мощность механизмов защиты .

Анализ стеганографических методов защиты информации, технологий и стеганографических средств защиты интеллектуальной собственности, представленных на рынке программного обеспечения, а также проблем, связанных с применением данных методов, позволяет сделать следующие выводы.

В настоящее время рынок программных средств защиты интеллектуальной собственности только складывается.
Несмотря на низкую стойкость цифровых меток, цифровые стеганографические технологии и системы успешно применяются на практике для защиты авторских прав создателей мультимедийной продукции при распространении их продуктов в компьютерных сетях и на цифровых носителях: компакт-дисках, цифровых музыкальных дорожках и видео.
В настоящее время среди производителей программного обеспечения только разработчики и издатели мультимедиа обладают средствами, обеспечивающими на том или ином уровне защиту прав авторов.
Не все существующие методы компьютерной стеганографии могут быть использованы для защиты авторских прав на компьютерные программы.
Наиболее развитые методы и алгоритмы компьютерной стеганографии, относящиеся к цифровой стеганографии, не могут применяться для внедрения скрытой информации, идентифицирующей автора, в исполняемые файлы программ.
Стеганографические методы защиты авторских прав на компьютерные программы сегодня недостаточно развиты.

У кого из вас, уважаемые читатели, нет секретов? А кому хоть раз в жизни не приходилось доверить кому-либо нечто важное, взяв с него слово сохранить тайну? Думаю, вы со мной согласитесь: защита информации - дело, касающееся всех и каждого.

Стеганография в далеком и недалеком прошлом

роблема обеспечения конфиденциальности хранимых и пересылаемых данных в современном информационном мире стала особенно острой. Если имеется информация, доступ к которой должен быть ограничен, каждый знающий человек первым делом посоветует ее зашифровать. Тогда, даже получив саму шифровку, злоумышленник не сможет получить доступ к ее содержимому. Эти данные можно более или менее безопасно хранить и пересылать по общедоступным каналам связи. Такой способ защиты информации, называемый криптографической защитой, широко используется как в компьютерной, так и в других сферах жизни человеческого общества.

А что делать, если нужно не просто закрыть доступ к секретной информации, но и скрыть сам факт наличия какого бы то ни было секрета? Проблема эта не такая уж абстрактная, как может кому-то показаться на первый взгляд. Допустим, вы отправляете с рабочего места письма личного характера, а вся исходящая почта просматривается руководством. Конечно, такие письма можно зашифровать, но это, скорее всего, вызовет еще больший интерес у начальника: уж не передаете ли вы служебные тайны? В общем, задача эта весьма деликатная, и тут должна помочь стеганография.

Слово это в переводе с греческого буквально означает «тайнопись». Первые приемы стеганографии, как полагают историки, появились еще в Древнем Египте и затем использовались везде, где существовала письменность.

Что же представляла собой стеганография в докомпьютерную эру? Классифицировать все методы сокрытия информации практически невозможно - они многочисленны и разнообразны. Чтобы стало понятно, что весь спектр этих методов объединяется лишь одним - целью их применения, приведем несколько исторических примеров.

В античности, когда для письма использовались вощеные таблички, секретную информацию можно было написать непосредственно на подложке, потом нанести воск, а на нем написать какой-то безобидный текст. Попади такая табличка к врагам, они не догадались бы, что там имеются какие-то секреты. В средние века, да и позднее, большой популярностью пользовались особые чернила, не видимые постороннему глазу. Написанное с их помощью послание можно было прочесть лишь после особой обработки бумаги. Помните известный рассказ об умном Ленине и глупом жандарме? Так вот Владимир Ильич использовал как раз такой стеганографический инструмент - молочные чернила, которые после высыхания становились практически невидимыми, а при нагревании проявлялись четкими коричневыми буквами. Кроме таких незамысловатых способов, изобретались и сложные составы, для проявления которых нужно было провести химическую реакцию.

Нередко для передачи важных данных использовался посторонний текст (книга, заметка в газете, безобидное письмо о погоде и пр.), буквы и знаки которого кодировали конфиденциальную информацию. И здесь простор для фантазии просто огромен: скрытый текст может считываться по первым буквам слов (принцип акростиха) или определяться по заранее оговоренному правилу. После изобретения общепринятых кодов (например, азбуки Морзе) стало возможным распознавать секретный текст по длинам слов: 4-5 букв - тире, 5-6 букв - точка, 7 и более - пробел, меньше 4 букв - игнорируются). В рукописном тексте значение могли иметь особенности начертания букв - размеры, завитки и т.д. Всего и не перечислишь.

С появлением фотографии стали доступны новые способы - например в ничего не значащие снимки добавлялись микроточки. Подобные методы секретных сообщений активно использовались во время Второй мировой войны.

Широкое распространение вычислительной техники открыло новые горизонты для изобретателей методов тайнописи. С одной стороны, были адаптированы и доработаны некоторые из старых методов, а с другой - разработаны новые алгоритмы, применимые только в сфере компьютерных технологий.

Современные подходы к стеганографии

еред тем как начать обзор существующих сегодня подходов к компьютерной тайнописи, договоримся об основных понятиях. В стеганографии всегда наличествуют две составляющие - то, что нужно скрыть, и то, где мы будем это скрывать. Первую составляющую мы будем называть сообщением, или стеганограммой, а вторую - контейнером. Сообщением может являться текст либо, в общем случае, произвольный файл, а в качестве контейнера обычно используются текстовые или мультимедийные (аудио-, видео-, графические) файлы, а также носители информации (внешние или встроенные).

В зависимости от типа контейнера компьютерные стеганографические алгоритмы удобно разделить на три основные группы.

1. Применение в качестве контейнера текстовых файлов предполагает использование докомпьютерных методов или вариаций на их тему. Если скрывается текстовое сообщение, то без современных технологий можно вообще обойтись - вполне подойдет традиционный акростих или что-то вроде невидимых чернил (белые буквы на белом фоне). Используются также специальные шрифты, в которых одна и та же буква может иметь несколько слегка различающихся начертаний.

Фантазия разработчика может пригодиться в случае необходимости спрятать в тексте двоичные данные. Если в качестве стеганограммы выступает произвольный файл, он рассматривается в виде последовательности одиночных битов или короткой серии битов (группы по два-три бита). Для их кодирования используют пробелы (один пробел - 0, два - 1) или непечатаемые символы (например, нулевой символ). Для решения данной задачи вполне может подойти приведенный выше пример с азбукой Морзе: тогда для кодирования коротких серий битов будут использоваться длины слов или их первые буквы.

Все методы этой группы при своей очевидной простоте имеют один очень серьезный недостаток - скрытое сообщение может легко обнаружить даже непрофессионал, поэтому применять их имеет смысл лишь тогда, когда использовать нетекстовую информацию в качестве контейнера не представляется возможным.

2. Сокрытие данных в неиспользуемых областях носителей, в отличие от предыдущей группы алгоритмов, является ноу-хау периода вычислительной техники. Эти методы основаны на особенностях файловых систем. Во-первых, файлы всегда занимают целое число кластеров, поэтому между двумя файлами обычно остается свободное пространство, которое и используется для размещения сообщения. Во-вторых, для передачи информации можно использовать нулевую дорожку диска. Существует также возможность удалить заголовочную запись файла с носителя, а файловая система будет считать свободным место, занимаемое этим файлом.

Слабой стороной всех перечисленных методик является все та же простота обнаружения, поскольку места закладки сообщения очевидны. Кроме того, последний способ требует пересылки заголовочной части файла отдельно от носителя, что вовсе не повышает уровень секретности. Использование алгоритмов этой группы для организации секретного обмена информацией предполагает применение внешних накопителей, обычно имеющих небольшую емкость, что налагает значительные ограничения на размер скрываемых данных. Поэтому разумнее будет выбирать носители информации в качестве контейнера только в том случае, когда планируется засекретить хранимые, а не передаваемые данные.

3. Третий, и наиболее распространенный класс контейнеров - мультимедийные файлы (мы будем говорить в основном о графических файлах, но все сказанное справедливо и в отношении аудио- и видеоданных). Традиционно большие объемы таких файлов-контейнеров позволяют упаковывать в них значительные по размеру сообщения, а разнообразные, постоянно совершенствующиеся форматы и стандарты обусловили появление множества стеганографических алгоритмов. Но как бы ни был широк спектр этих методов, практически все они базируются на каком-либо из двух принципиальных подходов.

3.1. В простых некоммерческих программах для стеганографии в качестве контейнера нередко используют области графических файлов, изменение которых не влияет на изображение. Скрываемая информация может размещаться и после окончания данных изображения, и между отдельными картинками одного файла (например, анимированного GIF), и в полях-комментариях, которые игнорируются при прорисовке. Такие стеганограммы легко детектируются, поэтому обычно они рассчитаны на то, что специально их никто искать не будет.

3.2. Метод наименее значащих битов (Least Significant Bit, LSB) наиболее распространен в электронной стеганографии. Он основан на ограниченных возможностях человеческих органов чувств, в силу чего люди не способны различать незначительные вариации цветов или звуков. Для простоты описания покажем принцип работы этого метода на примере 24-битного растрового RGB-изображения. Одна точка изображения в этом формате кодируется тремя байтами, каждый из которых отвечает за интенсивность одного из трех составляющих цветов (рис. 1).

В результате смешения цветов из красного (R), зеленого (G) и синего (B) каналов пиксел получает нужный оттенок. Чтобы нагляднее увидеть принцип действия метода LSB, распишем каждый из трех байтов в битовом виде (рис. 2). Младшие разряды (на рисунке они расположены справа) в меньшей степени влияют на итоговое изображение, чем старшие. Из этого можно сделать вывод, что замена одного или двух младших, наименее значащих битов, на другие произвольные биты настолько незначительно исказит оттенок пиксела, что зритель просто не заметит изменения.

Допустим, нам нужно скрыть в данной точке изображения шесть бит: 101100. Для этого разобьем их на три пары (рис. 3) и заместим ими по два младших бита в каждом канале (рис. 4).

В результате мы получим новый оттенок, очень похожий на исходный. Эти цвета трудно различить даже на большой по площади заливке, хотя разница будет заметна по одной отдельной точке (рис. 5). Как показывает практика, замена двух младших битов не воспринимается человеческим глазом. В случае необходимости можно занять и три разряда, что весьма незначительно скажется на качестве картинки.

Рис. 5. Слева оригинальный цвет, справа цвет после модификации

Давайте теперь подсчитаем полезный объем такого RGB-контейнера. Занимая два бита из восьми на каждый канал, мы будем иметь возможность спрятать три байта полезной информации на каждые четыре пиксела изображения, что соответствует 25% объема картинки. Таким образом, имея файл изображения размером 200 Кбайт, мы можем скрыть в нем до 50 Кбайт произвольных данных так, что невооруженному глазу эти изменения не будут заметны.

Модификацией метода LSB являются алгоритмы стеганографии, разработанные для компрессированных мультимедиаданных. В частности, довольно популярен у разработчиков стеганографического программного обеспечения алгоритм сокрытия данных в изображениях формата JPEG. Поскольку преобразование картинки в JPEG происходит с потерей информации, закладывать стеганограмму в исходное изображение не имеет смысла, так как потом ее невозможно будет восстановить. Выход нашелся в самом алгоритме сжатия - не вдаваясь в подробности спецификации JPEG, скажем, что сжатие проходит здесь в три этапа: дискретно-косинусоидальное преобразование (ДКП), квантование и вторичное сжатие (кодирование Хаффмана), а третья стадия проходит без потери данных, поэтому в качестве контейнера используются коэффициенты ДКП после квантования, то есть пользовательской информацией замещаются младшие разряды этих коэффициентов. Такие возможности предоставляются практически всеми схемами сжатия с потерей информации, включая аудио- и видеоформаты.

Чем же объясняется лидерство метода LSB среди стеганографических алгоритмов? Во-первых, мультимедиаконтейнеры не вызывают подозрений: можно без проблем отправить другу свою фотографию или симпатичный пейзаж. Во-вторых, младшие биты оцифрованных изображений, звука или видео могут иметь различное распределение в зависимости от применявшихся параметров аналого-цифрового преобразования, от дополнительной компьютерной обработки и от прочих факторов. Эта особенность делает метод наименее значащих битов наиболее защищенным от обнаружения вложения. Наконец, в-третьих, реализации LSB для большинства стандартов файлов-контейнеров не требуют значительных затрат времени и сил - идея указанного метода проста, как все гениальное.

Обнаружение стеганограмм

ринцип действий, направленных на обнаружение стеганограмм, в общем виде не представляет собой ничего сложного. Для начала нужно найти все места возможных закладок инородной информации, которые допускает формат файла-контейнера. Далее требуется извлечь данные из этих мест и проанализировать их свойства на соответствие стандартным значениям. Для решения первой задачи достаточно внимательно изучить спецификации используемых форматов файлов, а вторая обычно решается методами статистического анализа. Например, если необходимо спрятать некий текстовый фрагмент, то такое послание будет содержать только символьную информацию: 52 знака латиницы, 66 знаков кириллицы, знаки препинания и некоторые служебные символы. Статистические характеристики такого сообщения будут резко отличаться от характеристик случайной последовательности байтов, которую должны напоминать младшие биты RGB-картинки, собранные вместе (для метода LSB).

Повышение надежности сокрытия данных и пресечение такового

сходя из способов анализа потенциальных контейнеров на предмет наличия в них тайных вложений, можно сформулировать несколько советов по повышению надежности сокрытия данных. Прежде всего нужно сделать трудным поиск участков файла-контейнера, содержащих фрагменты стеганограммы. Это вполне возможно реализовать с помощью метода LSB. С этой целью биты сообщения упаковываются не во все байты изображения подряд, а с пропусками, что усложняет анализ. В более серьезном варианте адреса байтов, содержащих вложение, будут рассчитываться некой функцией, которая в качестве аргумента будет получать, скажем, пароль пользователя.

Затем нужно приблизить статистические свойства сообщения к тому, что аналитик рассчитывает найти в неискаженном файле-контейнере. Если вы собираетесь использовать текстовые поля комментариев для передачи бинарных данных, то имеет смысл применить кодирование Base64 или аналогичное, чтобы двоичная последовательность была записана символьными знаками. Это хотя и не обманет профессионала, но позволит обойти некоторые программные фильтры.

Для метода наименее значащих битов требуется действовать наоборот - сделать сообщение максимально похожим на случайный набор битов. Для этого можно сжать стеганограмму одним из алгоритмов архивации, что сгладит статистические характеристики вложения, а кроме того, сделает его более компактным, чтобы упаковать в контейнер той же емкости больше пользовательских данных. Архивы очень напоминают равновероятные последовательности, но все же имеют свой служебный формат (заголовки, маркеры и пр.), поэтому для окончательного придания сообщению свойств случайного потока рекомендуется использовать алгоритм шифрования. При этом можно применить тот же пароль, что использовался для расчета адресов несущих байтов. Помимо повышения надежности стеганографического алгоритма, шифрование создает как бы второй рубеж защиты: даже если злоумышленник обнаружит ваши данные, он все равно не сможет расшифровать их, не зная пароля.

Относительно использования метода LSB можно дать еще несколько простых советов, которые позволят вам обойти стеганографический контроль:

Не следует использовать для хранения сообщения более трех битов каждого байта контейнера, а лучше ограничиться двумя, разбив большое сообщение на несколько мелких или подобрав более емкий файл-носитель. Кроме того, не стоит забивать контейнер пользовательскими данными «под завязку» - чем меньше будет доля важной информации в общем объеме передаваемого файла, тем сложнее обнаружить факт закладки. На практике обычно рекомендуют скрывать сообщения так, чтобы их размер составлял не более 10% размера контейнера;

Не рекомендуется использовать в стеганографических целях искусственно созданные изображения или фотографии, на которых присутствуют значительные участки однотонной заливки (например, голубое небо). Большое количество мелких пестрых деталей, наоборот, повысит надежность сокрытия;

Неудачным контейнером для вашего сообщения будут общедоступные, широко известные мультимедийные файлы, поскольку простое сравнение вашего файла с оригиналом сразу обнаружит стеганограмму. Для этих целей лучше использовать собственноручно сделанное цифровое изображение - с помощью цифрового фотоаппарата или сканера.

Стеганография предоставляет различные по сложности и надежности инструменты для тех, кто хочет сохранить свою переписку в тайне - можно воспользоваться одной из десятков готовых бесплатных или коммерческих программ, а можно реализовать описанные выше алгоритмы самостоятельно (такие решения подчас оказываются надежнее широко распространенных). А что же делать сотрудникам отделов информационной безопасности предприятий, в задачу которых как раз и входит пресечение тайной переписки сотрудников с целью предотвращения утечки конфиденциальной информации из компании? Для начала нужно попытать счастья (вдруг подготовка злоумышленника окажется слабоватой) и проверить самые доступные хранилища: поля-комментарии и поля расширений различных форматов файлов, чтобы убедиться, что в переписке не встречаются вложения с необоснованно большим объемом. Текстовые сообщения должны быть значимы, а бессмысленные фразы типа «наскоро актер тащит арбуз шестой армии» сразу должны привлекать внимание - они могут автоматически генерироваться специальными стеганографическими программами по словарям. Стеганограммы, упакованные методом LSB, обнаружить сложно, особенно если этот метод применяется грамотно. Выход из положения подсказывает сам принцип, легший в основу алгоритма наименее значащих битов: если изменение младших разрядов каждого байта мультимедиафайла не отражается на качестве изображения или звука, то можно со спокойной совестью заменить эти разряды нулевыми битами. Безобидную картинку мы таким образом не испортим, но несанкционированную передачу данных обязательно пресечем.

Примеры применения стеганографии

тобы теория стеганографии не показалась вам умозрительной, не имеющей никакого отношения к практике, приведем пример ее применения. Для демонстрации мы использовали одну из десятков бесплатных и условно-бесплатных программ, предоставляющих сервис стеганографического сокрытия информации и доступных для загрузки в Интернет. В качестве контейнера, согласно описанным выше правилам, была выбрана фотография в формате BMP 24-bit размером около 1 Мбайт, подобранная в личном фотоальбоме автора этой статьи по принципу отсутствия крупных однотонных заливок и наличия мелких деталей. Сообщением послужил случайный бинарный файл (некая динамическая библиотека) размером чуть более 100 Кбайт, что составило как раз примерно 10% от размера контейнера. Перед тем как вложение было упаковано в файл изображения, оно было автоматически зашифровано при помощи указанной программы с использованием алгоритма Blowfish. Итак, все требования безопасности соблюдены, и две картинки, в одной из которых десятая часть информации замещена произвольными данными, практически неразличимы - убедитесь сами (рис. 6).

Рис. 6. Справа исходное изображение; слева изображение с вложением

Кроме тайной пересылки и хранения информации, стеганография имеет еще одну область применения - это защита авторских прав. Поскольку к изображению, аудио- или видеофайлу можно добавить какое-либо сообщение таким образом, чтобы это не испортило впечатления от просмотра/прослушивания, и поскольку такое вложение практически невозможно обнаружить и изъять, то это сообщение можно использовать в качестве авторской подписи. Подобные «водяные знаки» помогут доказать, что, например, сделанная вами фотография была незаконно использована для оформления некоего известного Web-сайта. В настоящее время существует ряд программ, реализующих электронную подпись мультимедиаданных методами стеганографии, а также сканирующих Интернет с целью обнаружения работ, используемых без разрешения.

Вместо заключения

юбое замечательное изобретение в истории человечества - от колеса до пороха, от письменности до расщепления атома - использовалось как во благо, так и во вред обществу, и стеганография здесь не является исключением. Раньше эта область знаний была доступна лишь немногим, но с приходом «виртуальной эпохи», когда персональные компьютеры стоят почти на каждом столе, стеганография становится массовым товаром. И задача лояльного сотрудника - спрятаться от подозрительного взгляда начальника, а цель хорошего начальника - не позволить нечестному работнику продать секреты фирмы конкурентам. А наша с вами задача - помнить о многовековой истории стеганографии, знать ее методы и уметь применять их на благо себе и окружающим.