Введение
Задача защиты информации от несанкционированного доступа решалась во все времена на протяжении истории человечества. Уже в древнем мире выделилось два основных направления решения этой задачи, существующие и по сегодняшний день: криптография и стеганография. Целью криптографии является скрытие содержимого сообщений за счет их шифрования. В отличие от этого, при стеганографии скрывается сам факт существования тайного сообщения.
Слово «стеганография» имеет греческие корни и буквально означает «тайнопись». Исторически это направление появилось первым, но затем было вытеснено криптографией. Тайнопись осуществляется самыми различными способами. Общей чертой этих способов является то, что скрываемое сообщение или секретная информация (дополнительная информация ) встраивается в некоторый безобидный, не привлекающий внимание объект, называемый далее контейнером или основным сообщением . Результат такого встраивания будем называть стеганосообщением , а сам процесс встраивания – стеганопреобразованием контейнера. Затем стеганосообщение открыто транспортируется адресату.
При криптографии наличие шифрованного сообщения само по себе привлекает внимание противников, при стеганографии же наличие скрытой связи остается незаметным.
Для защиты своих секретов люди использовали самые различные стеганографические методы. Известные примеры включают в себя использование покрытых воском дощечек, вареных яиц, спичечных коробков и даже головы раба (сообщение читалось после сбривания волос гонца). В прошлом веке широко использовались так называемые симпатические чернила, невидимые при обычных условиях. Скрытое сообщение размещали в определенные буквы невинных словосочетаний, передавали при помощи внесения в текст незначительных стилистических, орфографических или пунктуационных погрешностей. С изобретением фотографии появилась технология микрофотоснимков, успешно применяемая Германией во время мировых войн. Крапление карт шулерами – это тоже пример стеганографии.
Во время Второй мировой войны правительством США придавалось большое значение борьбе против тайных методов передачи информации. Были введены определенные ограничения на почтовые отправления. Так, не принимались письма и телеграммы, содержащие кроссворды, ходы шахматных партий, поручения о вручении цветов с указанием времени и их вида; у пересылаемых часов переводились стрелки. Был привлечен многочисленный отряд цензоров, которые занимались даже перефразированием телеграмм без изменения их смысла.
Скрытие информации перечисленными методами возможно лишь благодаря тому, что противнику неизвестен метод скрытия. Между тем, еще в 1883 году Кергофф писал о том, что система защиты информации должна обеспечивать свои функции даже при полной информированности противника о ее структуре и алгоритмах функционирования . Вся секретность системы защиты передаваемых сведений должна заключаться в ключе, то есть в предварительно (как правило) разделенном между адресатами фрагменте информации. Несмотря на то, что этот принцип известен уже более 100 лет, и сейчас встречаются разработки, пренебрегающие им. Конечно, они не могут применяться в серьезных целях.
Стеганография – это наука, которая изучает способы и методы скрытия конфиденциальной информации, основной задачей которой является скрытие самого факта существования секретных данных при их передаче, хранении или обработке. Под скрытием существования информации подразумевается не только невозможность обнаружения в перехваченном сообщении наличия иного (скрытого) сообщения, но и вообще сделать невозможным возникновение любых подозрений на этот счет.
Развитие средств вычислительной техники в последнее десятилетие дало новый толчок для развития компьютерной стеганографии . Появилось много новых областей применения. Сообщения встраивают теперь в цифровые данные, как правило, имеющие аналоговую природу. Это – речь, аудиозаписи, изображения, видео. Известны также предложения по встраиванию информации в текстовые файлы и в исполняемые файлы программ.
Существуют два основных направления в компьютерной стеганографии: связанный с цифровой обработкой сигналов и не связанный. В последнем случае сообщения могут быть встроены в заголовки файлов, заголовки пакетов данных. Это направление имеет ограниченное применение в связи с относительной легкостью вскрытия и/или уничтожения скрытой информации. Большинство текущих исследований в области стеганографии так или иначе связаны с цифровой обработкой сигналов. Это позволяет говорить о цифровой стеганографии , которая и рассматривается далее.
Можно выделить две причины популярности исследований в области стеганографии в настоящее время: ограничение на использование криптосредств в ряде стран мира и появление проблемы защиты прав собственности на информацию, представленную в цифровом виде. Первая причина повлекла за собой большое количество исследований в духе классической стеганографии (то есть скрытия факта передачи информации), вторая – еще более многочисленные работы в области так называемых водяных знаков. Цифровой водяной знак (ЦВЗ) – специальная метка, незаметно внедряемая в изображение или другой сигнал с целью тем или иным образом контролировать его использование.
Цифровая стеганография. Предмет, терминология, области применения
Цифровая стеганография как наука родилась буквально в последние годы. Как относительно молодая наука она еще не имеет общепризнанной классификации и даже терминологии. Однако можно предложить следующую классификацию направлений, которые включает в себя стеганография:
1) встраивание информации с целью ее скрытой передачи;
2) встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ) (watermarking);
3) встраивание идентификационных номеров (fingerprinting) – отпечатки пальцев;
4) встраивание заголовков (captioning).
ЦВЗ 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 (первой статьей на эту тему была, видимо, работа 1989 г.), то здесь имеется много неясных проблем, требующих своего разрешения. Название эти методы получили 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.
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 (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.
Два главных требования к стеганографическому преобразованию:
1) незаметность – надежность восприятия
2) устойчивость к различного рода искажениям.
Последние годы стеганография являлась причиной многих дискуссий, в частности предполагалось, что террористы могли использовать ее в терактах 11 сентября. Но так как доказательств этому не нашлось, интерес к стеганографии как к эффективному средству сокрытия данных продолжает расти. Конечно же, наряду с шифрованием, стеганография является одним из основных методов сохранения конфиденциальной информации. Эта статья является кратким введением в стеганографию и отвечает на вопросы: что такое стеганография, как ее можно использовать, и ее значение для безопасности информации.
F5 была разработана Андреасом Вестфилдом (Andreas Westfield) и работает как DOS-клиент. Также была разработана «парочка» GUI: первая утилита - "Frontend", созданная Кристианом Воном (Christian Wohne), и вторая - "Stegano", чьим автором является Томас Бьель (Thomas Biel). Мы испытывали F5, beta version 12. Оказалось, очень легко закодировать сообщение в формате JPEG, даже когда релиз немецкий. Пользователь очень легко может это сделать, следуя инструкциям мастера, указывая путь к картинке(мы использовали простой текстовый файл, созданный в блокноте), вводя ключевое слово. Как вы можете сами убедиться, сложно сказать по двум следующим картинкам, содержат ли они вложенное сообщение, или нет.
Рис.1 Без сообщения
Рис.2 с вложенным файлом
Конечно же, вложенный файл был очень маленьким(состоял всего из одной строки "This is a test. This is only a test."), так что не слишком много пикселей пришлось заменить, что бы спрятать сообщение. А что будет, если мы попытаемся спрятать больший документ? F5 работает только с текстовыми файлами. При попытке спрятать более объемный «вордовский» файл, то хоть программа и восприняла его, но восстановить не сумела. Тем не менее, большие файлы похоже тоже можно, как и маленькие, вкладывать в изображения.
SecurEngine не выглядит, как профессиональная утилита, которая способна спрятать текст в изображении. Когда мы спрятали свое маленькое сообщение в большем текстовом файле, то обнаружили лишний символ («я»)в конце зашифрованного файла. Такого символа не было в оригинале. SecurEngine позволяет пользователям лишь спрятать изображение и (или) зашифровать. Пробное предложение было закодировано и декодировано без всяких проблем. SecurEngine также включает в себя инструменты для более надежного уничтожения файлов.
Утилита MP3Stego, которая позволяет прятать данные в файлах формата MP3, сработала очень хорошо. Процесс шифрования происходит таким образом: вы шифруете файл(текстовый, например), как.WAV файл, который затем преобразовывается в формат MP3. Единственная проблемка, которая возникла – чтобы зашифровать данные большого размера, необходимо иметь пропорциональный к количеству данных файл. Например, маленькое сообщение, которое мы использовали в предыдущих опытах оказалось слишком большим для WAV-файла(размер WAV-файла составлял 121КВ, а текстового файла – 36 байт). Для завершения опыта пришлось сократить текстовый файл до 5 байт – только слово «test». Мы нашли соответствующий файл размером 627 КВ. Конечный MP3 файл занял 57КВ.
Steganos Suite – это коммерческий пакет, объединивший множество утилит. В дополнение к изящной деструктивной функции трассировки (для Интернета) и утилиты для уничтожения файлов, программа так же обладает так называемым файловым менеджером, что позволяет пользователям шифровать и скрывать файлы на своем винчестере. Пользователь выделяет папку или файл, которые следует сокрыть и файл – «носильщик» информации - обязательно графический или музыкальный. Программа также позволяет самим пользователям создавать файлы при помощи микрофона или сканера. Если у вас нет подходящего файла, встроенный файловый менеджер умеет искать нужный файл на вашем винчестере. Эта утилита, в отличие от тех, которые мы тестировали, способна работать с разными файловыми форматами(dll, dib). Так что, если вам необходим качественный продукт для шифрования информации, то вам придется выложить деньги за коммерческий пакет.
Стеганография и безопасность
Как ранее упоминалось, стеганография является эффективным методом сокрытия данных и защиты их от несанкционированного или не желаемого просмотра. Но все же это лишь один из способов защиты информации. Возможно, лучше было бы использовать стеганографию совместно с другими методами сокрытия данных, что сделало бы возможным многоуровневую безопасность. Далее приведены некоторые из альтернативных методов сокрытия данных.
Шифрование -– процесс преобразования информации посредством ряда математический операций. Результатом шифрования является зашифрованный текст. Зашифрованные данные могут быть прочитаны лишь при условии наличия необходимого ключа. Шифрование не прячет данные, но усложняет их чтения.
Скрытые директории (Windows) - Windows предлагает возможность скрытия файлов. Использовать эту возможность очень легко: просто в свойствах папки или файла проставить атрибут «скрытый» и надеяться, что никто не отобразит все типы файлов в эксплорере.
Скрытые директории (Unix) – на платформах Unix в существующих директория, содержащих множество файлов, как, на пример, /dev или создав свою директорию, в названии которой использовав три точки,(обычно используют оду или две).
Скрытые каналы – Некоторые утилиты используются для передачи ценных данных, которые внешне выглядят как обыкновенный сетевой трафик. Одна из таких утилит – Loki – способна скрывать данные в ICMP трафике.
Защита от стеганографии
К сожалению, все методы, о которых ми говорили, могут так же использоваться с целью незаконных, несанкционированных или не желательных действий. Возможность определения или предупреждения утечки информации не является тривиальной задачей. Если кто-то решил для сокрытия данных использовать стеганографию, то единственным способом обнаружения является активное наблюдения за специальными файлами и удача. Иногда активные меры безопасности могут дать ответ на поставленные вопрос – жесткие политики на установку несанкционированного программного обеспечения.
Использование уже имеющихся утилит для контроля над сетевым трафиком так же может оказаться полезным. Системы обнаружения вторжения могут помочь администратору в определении нормального трафика и, таким образом, увидеть аномалии, например, при передаче больших картинок по сети. Если администратор подготовлен к такому виду аномальной активности, это может помочь в дальнейшем расследовании. Находящиеся на каждой машине системы обнаружения вторжения так же могут помочь в обнаружении аномального скопления изображений и(или) видеофайлов.
В исследовании, проведенным Стефаном Хетцлем на его сайте, идет речь о двух методах стеганографии, которые, в свою очередь, являются средствами обнаружения ее. Это – визуальная и статистическая атака. «Идея статистической атаки – сравнение частоты распределения цветов для возможного носителя скрытой информации и теоретически ожидаемая частота распределения цветов для файла–носителя скрытой информации». Это возможно не самый быстрый метод защиты, но если возникаю подозрения на счет такого рода деятельности, то этот метод может быть самым эффективным. Специально для JPEG-файлов существует утилита , которая способна определять следы стеганографии в этих файлах. Родственная утилита к , с называнием Stegbreak способна расшифровывать и находить возможную информацию в подозрительном файле.
Заключение
Стеганография – один из самых увлекательных и эффективных методов сокрытия данных, которые использовались за всю историю человечества. Методы, способны разоблачить хитрые тактики злоумышленников несовершенны, но радует то, что такие методы существуют. Есть очень много причин, по которым следует использовать стеганографию (подписи, пароли, ключи), но главная – это легкость в обращении и сложность при обнаружении. Чем больше вы знаете о методах стеганографии, тем больше у вас шансов не попасть впросак.
Если вы думаете, что техники тайнописи применяют только шпионы – вы немного заблуждаетесь. Техники скрытой передачи или хранения информации могут применяться повсеместно для вполне мирных целей. В данной статье я хочу рассказать о стеганографии (τεγανός [скрытый] + γράφω [пишу], дословно «скрытопись», «тайнопись»).
В самом начале необходимо провести черту между двумя понятиями: стенографией и стеганографией. Первое из них, стенография (στενός [узкий, тесный] + γράφω [пишу]) – это совокупность способов быстрой записи устной речи и не имеет ничего общего с утаиванием и скрытием от третьих глаз информации. Слова созвучные, но не стоит путать стенографию со стеганографией.
«Кто владеет информацией, тот владеет миром» сказал Натан Ротшильд, но люди за долго до его рождения задумывались над проблемой: когда вы получили информацию, необходимо её сохранить, в большинстве случаев не просто сохранить, а сохранить в тайне. Современная наука о защите информации говорит о двух путях хранения информации в тайне: использовать криптографию или использовать стеганографию (лучше это делать совместно). Криптография – наука о методах преобразования информации в вид, невозможный для прочтения третьими лицами. То есть при передаче секретного сообщения некто, перехватив письмо, будет знать, что в нём что-то написано, но для него это будет набор несвязных символов, лишённых смысла, так как ему неизвестен метод их перестановки (или замены), чтобы получить сообщение. Стеганография – наука о методах преобразования информации в вид, при котором сам факт её существования становится секретом. Для понимания данного определения необходимо обратиться к историческим примерам применения стеганографии.
Как только люди научились фиксировать свои мысли письменно, появилась надобность сохранять их в тайне. Исторически сложилось, что стеганография появилась задолго до криптографии.
В истории существует пример, когда Демерат хотел послать союзникам в Спарту сообщение об угрозе нападения Ксерксов. В Древней Греции послания писались острыми палочками на дощечках, покрытых воском. Воск с таблички был снят, сообщение нацарапали на самой дощечке, потом покрыли воском и написали по воску «легальное» письмо.
Другое находчивое решение принадлежит тирану Гистею, который в V-м веке до н. э., находясь под надзором царя Дария в Сузах, должен был послать секретное сообщение своему родственнику в анатолийский город Милет. Тайное сообщение вытатуировали на обритой голове раба, затем дождались, пока волосы отрастут вновь, скрыв своим объёмом сообщение, и отправили раба гонцом в Милет, где волосы были сбриты, а сообщение попало в руки адресата.
Упоминание о методах, описанных выше, встречается в трактате Геродота «История», относящегося к 440 году до н. э.
Ближе к нашему времени появилось упоминание о Вожде мирового пролетариата В. И. Ленине (Ульянове), который, находясь в ссылке, писал письма товарищам по партии. Межу строк он молоком вписывал тайные сообщения однопартийцам: при нагревании письма текст, написанный молоком, проявлялся. Данный пример является наиболее известным применением симпатических (невидимых) чернил.
Появлявшиеся преимущества в связи с развитием техники всё больше использовались в стеганографии. Например, во время второй мировой войны немцами применялись «микроточки» (микрофотографии размером с типографскую точку), которые при увеличении давали чёткое изображение печатной страницы стандартного размера. Такие «микроточки» внедрялись в дипломатические письма и не вызывали подозрений.
Скрытый канал передачи данных между отправителем и получателем, организованный при помощи метода (или методов) стеганографии, называется стеганоканалом. По стеганоканалу передаются так называемые заполненные стеганоконтейнеры.
Стеганоконтейнер – это тот «легальный» носитель информации, в котором скрывается секретный текст. Соответственно, «легальный» носитель информации сам по себе – это пустой контейнер, когда в него встраивают стеганографическое сообщение, он становится заполненным. В исторических примерах стеганоконтейнерами были: восковая табличка, голова раба, письма Ленина, дипломатические письма.
Понятно, что заполненный стеганоконтейнер должен быть визуально неотличим от пустого контейнера.
На современном этапе информационных технологий можно выделить два типа стеганоконтейнеров: потоковые (непрерывная радиотрансляция, сетевой трафик и так далее) и фиксированной длинны (фотография, аудиозапись, электронный документ и так далее).
В итоге совокупность всех возможных стеганоконтейнеров (пустых и заполненных), скрываемых сообщений и методов встраивания (извлечения) секретных сообщений образуют стеганосистему.
Начиная разговор о месте приложения стеганографии к реальной человеческой жизни, надо начать с целей, преследуемых стеганографией. Рассмотрим глобально, к каким финальным результатам стремятся специалисты, используя стеганографию.
Цифровые отпечатки (Digital Fingerprinting) подразумевают наличие различных стеганографических меток-сообщений для каждой копии контейнера. Например, при продаже электронной книги в неё может быть встроена информация о покупателе: имя, e-mail, ip- адрес и прочая информация. В последствии при возникновении спорной ситуации («Уважаемый, а не изволили ли Вы получить сие издание незаконным образом?») цифровой отпечаток может быть использован для доказательства исключительного права владения («Не могу согласиться с вами, сударь! Извольте ознакомиться с доказательствами»).
Рисунок 1: Сталин с iPhon-ом
Стеганографические водяные знаки (Digital Watermarking ) подразумевают наличие одинаковых меток для каждой копии контейнера. Например, во время фотографирования на профессиональную камеру в изображение встраивается информация о фотографе: имя, время фотографирования, модель камеры, геотеги и так далее. В последствии при возникновении спорной ситуации («А не изволили ли Вы незаконным образом присвоить себе авторское право на изображение молодой красавицы?») стеганографический водяной знак может быть использован для доказательства права авторства («Прошу прощения, но вот данные о моём фотографическом аппарате и снимок сделан в моём поместье»).
Интересен факт доказательства Дмитрием Скляровым (доцент кафедры информационной безопасности МГТУ им. Баумана) «подлинности» фотографии И. В. Сталина с iPhon- ом в руке. Для того, чтобы это проделать, Дмитрий изучил стеганографический алгоритм фотокамеры, а затем произвел атаку: подделал водяной знак таким образом, что фотография стала «настоящей».
Скрытая передача данных – классическая цель стеганографии. Заключается она в передаче данных таким образом, чтобы противник не догадался о самом факте существования скрытого сообщения. Примером достижения этой цели являются все вышеописанные исторические примеры.
Три перечисленные цели нельзя объединять и смешивать, так как методы их достижения (задачи и проблемы, возникающие в ходе реализации) будут разниться во всем, кроме того, что это все «стеганография». Скрытая передача данных совсем не одно и то же, что цифровые отпечатки и стеганографические водяные знаки. Смыслом скрытой передачи является сама передача данных, а смысл цифрового отпечатка и стеганографического водяного знака – защита контейнера, их содержащего. Факт наличия цифрового отпечатка или стеганографического водяного знака может не являться тайной (как в случае водяных знаков на денежных купюрах), а в случае скрытой передачи данных потеря секретности наличия информации означает провал операции.
Методы стеганографии можно разделить на три больших класса: классические методы, компьютерные и цифровые.
Термин «классическая стеганография » покрывает все «некомпьютерные» методы стеганографии: симпатические чернила, микрофотоснимки и другие методы, придуманные людьми с изворотливым умом.
Компьютерная стеганография использует особенности вычислительной платформы и специальные свой свойства компьютерных форматов данных.
Цифровая стеганография старается внедрить дополнительную информацию в цифровые аудио-/фото-/видеообъекты, используя некоторую избыточность информации. Имеется в виду, что любой цифровой объект имеет в себе заведомо много больше информации, чем воспринимают наши органы чувств (глаза, уши). Когда стеганографический алгоритм пренебрегает 1/1000 долей чёткости картинки, чтобы разместить на фотографии скрытое сообщение, наш глаз этого попросту не может заметить.
Существует ряд других, мене глобальных, классификаций, например, по типу используемого контейнера: аудиоконтейнеры, графические контейнеры, текстовые контейнеры, видеоконтейнеры, сетевые контейнеры, временные и так далее. Из любопытства познакомимся с некоторыми из них.
Стеганография, использующая текстовые контейнеры, может использовать особенности компьютерного представления текстов (компьютерная стеганография), а может использовать особенности языка (лингвистическая стеганография). Примером компьютерной стеганографии будет чередование по некоторому заранее обговорённому правилу латинских/кириллических символов со схожим написанием (е, а, с, В, Т, etc ). Лингвистические методы стеганографии могут допускать осознанные орфографические ошибки, чередование полных/неполных предложений, замену синонимичных слов.
Приведу простой пример, достойный урока информатики в школе. Пусть необходимо спрятать букву «А» в тексте «steganography». В двоичном виде букву «А» можно рассматривать как «01000001». Сопоставим двоичное представление скрытого сообщения (буквы «А») контейнеру (тексту «steganography») и запишем буквы, соответствующие единицам, прописью: sTeganoGraphy. Используя такой метод можно спрятать текст длинной в сообщение 8 символов.
За хранение информации на машинных носителях отвечает файловая система, которая задаёт структуру носителя и правила размещения фалов на нём. Файловая система FAT32 компании Microsoft при хранении файла всегда занимает целое число кластеров. Например, если при разметке диска был указан кластер размером в 4 Кбайта и размер файла всего 1,8 Кбайта, то оставшиеся 2,2 Кбайта останутся пустыми и не будут заполнены файловой системой при размещении следующего файла. Что значит «пустыми»? Это значит, что можно записать в это пространство скрытые данные, которые система не увидит. Но надо быть аккуратным, так как файловая система в погоне за более экономичным использованием пространства может «спутать вам карты».
Рисунок 2: Прячем файл в картинкуДругую особенность, уже операционной системы, можно использовать, чтобы спрятать файлы под видом обычной картинки. В Unix-подобных операционных системах это можно сделать легко: командой «cat» читаем последовательно картинку (например, pic.png) и файл архива (ar.7z), перенаправив основной поток в новый файл (например, final.png). В итоге мы получаем изображение, которое графическими редакторами открывается как изображение, а менеджерами архивов как архив.
Метод наименее значащих битов (Least Significant Bit, LSB) считается наиболее популярным для цифровой стеганографии. Как уже говорилось, цифровая стеганография основывается на ограниченности способностей органов чувств человека и, как следствие, неспособности распознать незначительные вариации звука/цвета.
Рисунок 3: «Значимость» битов цвета
Для простоты объяснения рассмотрим графический контейнер – изображение в формате BMP.В данном формате для описания каждой точки (пикселя) используются 3 байта, обозначающие в какой пропорции необходимо смешивать красный, зелёный и голубой цвета (цветовая схема RGB). Если произвести замену старших бит в этих байтах, цветовые изменения в картинке будут бросаться в глаза. Младшие же биты дают куда более незначительный вклад в изображение. Если использовать по одному младшему биту в каждом цвете для записи скрываемого сообщения, то распознать изменения человеческий глаз будет не способен.
Рисунок 4: Кодирование цветовой палитры RGB
Таким образом, в графическом изображении размером 117 Кбайт (200 на 200 пикселей) возможно спрятать, как минимум, 14 Кбайт скрытой информации.
Была описана самая простая вариация метода LSB, которая имеет множество недостатков. Скрытое сообщение легко разрушить, сжимая или отображая изображение. При таком подходе не обеспечивается секретность встраивания сообщения: точно известно местоположение информационных битов (каждый крайний с конца бит). Для преодоления второго недостатка можно встраивать сообщение не во все пиксели изображения, а выбирать их при помощи генератора псевдопростых чисел (инициализированного ключом стеганосистемы). Стоит заметить, что пропускная способность при этом уменьшится.
Можно произвести более тонкое разделением методов сетевой стеганографии в зависимости от объекта воздействия стеганографического преобразования: модификация сетевых пакетов (кадров, сегментов – здесь и далее), модификация структуры передачи и гибридные системы.
При модификации пакетов может изменяться либо сама полезная нагрузка пакета (данные), либо особые поля пакета (зарезервированные протоколом сетевой передачи, но не используемые в данный момент), либо и то и другое. Например, в заголовке пакета IPv4 поле контрольной суммы (16 бит) не является обязательным для использования (если поле не используется, в него записывается 0).
При модификации структуры отправки сетевых пакетов для передачи скрытого сообщения может применяться реорганизация порядка пакетов (незначительное перемешивание пакетов некоторым условным образом не нарушит работу сетевого приложения, так как такая ситуация может произойти случайно в обычном сетевом трафике), намеренная потеря некоторых пакетов по некоторому правилу (опять же, маскируясь под соединение не очень высокого качества) и некоторые другие методы, включая гибридные.
В качестве примера метода стеганографии, который модифицирует структуру передачи пакетов, рассмотрим пример так называемой «временной» стеганографии (Covert Timing Channel, CTC ). Существует некоторый цифровой поток, например, видеопоток по протоколу RTSP. Задержки между пакетами будут всегда немного отличаться. Если избранные пакеты искусственно «притормаживать», можно передать скрытое сообщение: «0» – короткая задержка, «1» – длинная задержка.
Рисунок 5: Принцип сетевой временной стеганографии
В целом атаки на стеганографические системы (стеганоанализ) очень напоминают атаки на криптографию (криптоанализ): похожая терминология, подходы. Поговорим о различиях.
Первый шаг стеганоанализа – субъективная атака . При этой атаке аналитик внимательно рассматривает изображение (слушает аудиозапись), пытаясь определить «на глаз», имеется ли в нём скрытое сообщение. В случае взлома криптосообщения – бесполезный этап, так как наличие зашифрованного сообщения очевидно.
Атака на основе известного пустого контейнера не имеет своего аналога в криптоанализе. Если аналитику удалось добыть в качестве образцов для исследования обе формы «жизни» стеганоконтейнера – пустой и заполненный, то, сравнивая их между собой, он может попытаться распознать алгоритм встраивания информации (в некоторых случаях ключ стеганосистемы ).
Если аналитик уверен, что в купленной электронной книге находится цифровой отпечаток покупателя, то он может купить эту книгу ещё 2, 3, 4 раза, используя разные данные о покупателе. У него будет ряд одних и тех же контейнеров с разной стеганографической меткой. Сравнивая их между собой, аналитик может попытаться, как и в прошлом примере, извлечь алгоритм встраивания информации.
Ряд других методов стеганоанализа является «калькой» с хорошо отработанных методов стеганоанализа.
Рассмотрим более детально задачи, решение которых возможно найти, используя стеганографию.
В отличие от криптографических методов (которые тайны, но не скрытны) стеганография может применяться как метод передачи информации, не вызывая подозрений. Эта задача составляет «классическое» практическое применение стеганографии, поэтому занимает первое место.
Можно вспомнить про громкие аресты российских разведчиков в конце июня 2010 года – по данным США «шпионы» использовали в том числе стеганографию, чтобы переправлять в Москву разведданные.
В данном случае стеганография используется не для передачи, а для хранения какой-либо информации, обнаружение самого факта наличия которой (пускай хоть даже в зашифрованном виде) пользователю нежелательно. Согласитесь, весьма странно, когда тайная полиция, производящая обыск вашего жилища, обнаруживает вдоль и поперёк зашифрованные жёсткие диски? Гораздо меньше подозрений вызовут пара папок с видеофильмами, наработки по учёбе, фотографии с отдыха, пусть даже, коллекция порнографии (не детской!) – мозг уже просчитывает, сколько Мбайт информации можно уместить в этих контейнерах?
Многие информационные ресурсы позволяют хранить данные только определённого типа. А вам уж очень сильно хочется загрузить EXE- файл для хранения на YouTube. Один из путей решения задачи лежит через методы стеганографии.
В системе электронного документооборота (СЭДО) можно использовать индивидуальный отпечаток внутри *.odt, *.docx и иных документах при работе с ними пользователей. С его помощью можно будет узнать, кто, когда и в каком объёме работал с документом. При этом куча записей о сеансах работы не будет «маячить» в начале документа и отвлекать пользователя.
Data Leak Prevention, DLP – система обнаружения/предотвращения утечки информации. В отличие от индивидуального отпечатка в СЭДО, в данном применении стеганографии при создании документа, носящего конфиденциальный характер, в него встраивается неизменяемая метка. При попытке отправить документ по электронной почте система проверит наличие метки: если она присутствует, передача будет заблокирована, и администратор безопасности будет уведомлен , например, по SMS.
Существуют реальные примеры вредоносного программного обеспечения (Stegobot), которые управляют заражённой Botnet- сетью при помощи методов стеганографии. Это необходимо, чтобы трафик между жертвами и сервером не блокировался межсетевыми экранами и не попадался лишний раз на глаза специалистам по информационной безопасности.
Данная задача может возникать у военных. Когда мы отправляем спутнику шифрованную команду, все видят, что мы отдали какой-то приказ. Да, противник не знает содержания команды, но ему может прийти в голову мысль действовать на опережение – всё пропало. При помощи стеганографии команды управления могут быть встроены в поток вполне мирной информации о местоположении и заряде аккумуляторов.
Funkspiel (нем. «Радиоигра») – излюбленная забава контрразведчиков, когда на связь со «своими» выходит захваченный шпион и под контролем пары крепких мужчин с погонами сообщает в эфир дезинформацию. В случае такого развития событий (захват разведчика), можно использовать стеганосообщение, как признак, говорящий, стоит ли воспринимать всерьёз находящуюся в контейнере информацию (передаваемую «своим»). Если стеганосообщение не прошло проверку, то контейнер должен быть проигнорирован получателем, вне зависимости от его содержимого.
Если сделать скриншот чистой области в игре World of Warcraft , открыть файл в каком-нибудь графическом редакторе, увеличить резкость с максимальной настройкой фильтра и повторить процедуру несколько раз, то заметен явный узор, который многократно повторяется. В данном узоре имеются данные: имя пользователя, который сделал скриншот, время снятия скриншота, координаты в игровом мире (реалм).
Рисунок 6: Стеганографический водяной знак в скриншоте Wow
«Я считаю, что мир технически готов к стеганографии, но в «культурном» плане современное информационное общество пока ещё не дозрело. Я думаю, что в ближайшее время (2015-2025 годах) произойдет то, что возможно в будущем назовут «стеганографической революцией.» – пишет @PavelMSTU, предрекая рассвет эпохи повсеместного применения стеганографии.
Однако существует ряд проблем, пока препятствующих такому развитию событий. Первая проблема – отсутствие единой теории стеганографии. Стеганография появилась раньше, но теоретически криптография проработана гораздо лучше: чего стоит одно только наличие абсолютной криптосистемы (шифр Вернама), стеганографии до этого далеко. Стеганография – наука междисциплинарная (как и все науки, дающие плоды в XXI веке ). То есть ей безуспешно заниматься в одиночестве математикам и в одиночестве инженерам, программистам и так далее – необходимо объединять знания.
В остальном же мир перенасыщен текстами, картинками милых котиков, толковыми и бестолковыми видеороликами – потенциальными контейнерами. А может уже давно и не потенциальными, а реальными?
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 .
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:
Я постарался обобщить мои исследования по данному вопросу. (Это значит, что текста много)
Надеюсь на разумную критику и советы со стороны хабросообщества.
Как я уже говорил, в стеганографии существуют три цели.
Таким образом, при извлечении ЦО третья сторона (т.е. противник) может преследовать две цели:
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.
Фотография Сталина с iPhone"ом, сделанная Д.В. Скляровым (с корректным СВЗ)
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.
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 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.
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.
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.
Данная проблема имеет множество классических решений, в том числе криптографических. Использование стеганографии является ещё одним способом решить данную проблему.
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.
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, содержащий имя пользователя, время снятия скриншота (с точностью до минуты и IP) адрес сервера.
Грубо говоря, стеганографическое отвлечение чем-то напоминает DoS и DDoS атаки. Вы отвлекаете внимание противника от контейнеров, которые действительно содержат что-то ценное.
Почему бы не перенять опыт «реальных коллег» в наш виртуальных мир? Таким образом стеганографическое отслеживание напоминает чем-то вроде honeypot"а .
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.
