Секреты стеганографии. Стеганография

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.

Возможность скрывать одни данные внутри других может позволить злоумышленнику скрытно украсть массу конфиденциальной информации.

• Стеганография: Немного теории
• Стеганография на практике
• Программы для стеганографии
  • ImageSpyer G2
  • StegoTC G2 TC
  • RedJPEG
  • DarkCryptTC и Проект «Заря»
• Стеганография своими руками

Проблема сокрытия данных волнует человечество с древних времен. Для защиты информации обычно используют шифры. Надежность их может быть разной, но к тому моменту, когда врагу все же удастся его взломать, информация будет уже старой.

В эпоху цифровых технологий положение несколько изменилось: вычислительные возможности компьютеров непрерывно увеличиваются, а, кроме того, появилось огромное количество каналов связи, по которым можно передавать информацию. При этом красть данные стало значительно легче.

Если раньше не совсем честному работнику, чтобы вынести какой-нибудь секретный чертеж или документ, нужно было скрывать бумажную копию, то в эпоху цифровых технологий выносить секреты стало намного легче. Зашифрованный файл можно отослать по сети, а можно скинуть на съемный носитель, флешку и скрытно вынести в кармашке.

В первом случае все относительно просто, есть очень много решений по контролю трафика. Для борьбы с копированием на флешки тоже существуют средства предотвращения вторжений DLP (Data Leak Prevention). Вообще большая часть DLP-решений контролирует все каналы утечки данных на компьютере, как сетевые, так и периферию. Так что правильно настроенная система предотвращения утечек данных может не только создать злоумышленнику проблемы при хищении информации, но и даст возможность администраторам контролировать все его действия, тем самым выявляя, какими секретами он интересуется и какие средства и способы применяет для кражи информации.

Следующим очевидным шагом в этом «соревновании брони и снаряда» должно было бы стать выносимой информации с дальнейшей передачей по каналам, описанным выше. Но сама попытка передать наружу файл, который невозможно прочитать, должна вызывать у безопасников серьезные подозрения и блокироваться соответствующим программным обеспечением. Но можно попробовать скрыть зашифрованные данные внутри другого контента. Вот мы и плавно подошли к главной теме данной статьи — стеганографии.

Стеганография, а не стенография

Статья в Википедии говорит нам, что стеганография (буквально переводится с греческого как «тайнопись») -это наука о скрытой передаче информации путем сохранения в тайне самого факта передачи. В отличие от криптографии, которая скрывает содержимое секретного сообщения, скрывает сам факт его существования. Хотя обычно эти две технологии используют совместно.

Стеганографию используют для всевозможных целей. Нередко ее используют не для воровства, а для борьбы с похитителями. Например, при защите авторского права, когда в документе прячут некую скрытую закладку, позволяющую определять того, кому принадлежит данная копия файла. В случае если такая метка будет затем обнаружена где-либо на торрентах, правообладатели смогут найти, кто именно его выложил, и предъявить ему соответствующие претензии.

Но в статье я буду описывать использование стеганографии именно как средства хищения данных. Начнем с рассмотрения некоторых теоретических вопросов. Сразу оговорюсь, что, рассказывая о технических способах реализации стеганографии, буду затрагивать только цифровой стеганографии, то есть сокрытия информации внутри других цифровых данных. При этом не стану касаться способов, основанных на использовании различными файловыми системами зарезервированных разделов жесткого или гибкого диска, или методик, связанных с особенностями функционирования всевозможных аппаратных платформ и операционных систем. В данной статье нас будут интересовать только файлы различных форматов и возможности в них.

Стеганография: Немного теории

Прежде всего предлагаю рассмотреть основные алгоритмы, которые используются для стеганографии.

Методы типа LSB (Least Significiant Bit, наименьший значащий бит) и аналогичные. Их суть заключается в замене последних значащих битов в контейнере (изображения, аудио или видеозаписи) на биты скрываемого сообщения. Возьмем в качестве примера графический файл. Наглядно это выглядит следующим образом: мы меняем младшие биты в коде цвета пикселя на картинке. Если считать, что код цвета имеет 32-битное значение, то замена 0 на 1 или наоборот не приведет к сколько-нибудь существенному искажению картинки, ощутимому для органов восприятия человека. А между тем в этих битах для большой картинки можно что-то спрятать.

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

Стоит отметить, что методы LSB являются неустойчивыми к разного рода «шуму». Например, в случае если на передаваемый контент накладываются какие-либо «мусорные» биты, это искажает как исходный контент, так и (что для нас особенно важно) скрытое сообщение. Иногда оно даже становится нечитаемым. Аналогичная методика используется и для других форматов.

Еще один метод заключается в так называемом впаивании скрытой информации. В данном случае происходит наложение скрываемого изображения (звука, иногда текста) поверх оригинала. Простейший пример — надпись белым цветом на белом же фоне в PDF-документе. Злоумышленники обычно не используют данный метод по причине относительной простоты обнаружения автоматическими методами. Однако данный метод зачастую применяется при создании «водяных знаков» для защиты авторства контента. В этом случае данные знаки, как правило, не скрываются.

И третий метод — использование особенностей форматов файлов. К примеру, это может быть запись информации в метаданные, используемые данным форматом файла, или в различные другие, не используемые зарезервированные поля. Например, это может быть документ Microsoft Word, внутри которого будет спрятана информация, никак не отображаемая при открытии данного документа.

Аудио стеганография

Еще один способ сокрытия информации применим только к аудиофайлам — это эхо-метод. Он использует неравномерные промежутки между эхо-сигналами для кодирования последовательности значений. В общем случае возможно создание условий, при которых данные сигналы будут незаметны для человеческого восприятия. Эхо-сигнал характеризуется тремя параметрами: начальной амплитудой, степенью затухания и задержкой. При достижении некоего порога между сигналом и эхом они смешиваются. В этой точке человеческое ухо не может уже отличить эти два сигнала. Для обозначения логического нуля и единицы используется две различных задержки. Они обе должны быть меньше, чем порог чувствительности уха слушателя к получаемому эху.

Однако на практике этот метод тоже не слишком надежен, так как не всегда можно точно определить, когда был передан ноль, а когда единица, и в результате велика вероятность искажения скрытых данных.

Другой вариант использования стеганографии в аудиофайлах — фазовое кодирование (phase coding). Происходит замена исходного звукового элемента на относительную фазу, которая и является секретным сообщением. Фаза подряд идущих элементов должна быть добавлена таким образом, чтобы сохранить относительную фазу между исходными элементами, в противном случае возникнет искажение, заметное для человеческого уха.

На сегодняшний день фазовое кодирование является одним из самых эффективных методов скрытия информации.

Стеганография на практике

На этом, я думаю, с теорией можно закончить и надо перейти к практическим аспектам реализации стеганографии. Я не буду описывать коммерческие решения, а ограничусь рассказом о небольших бесплатных утилитах, которые злоумышленник может легко использовать, даже не имея административных прав в системе.

Программы для стеганографии

В качестве файла для хранения данных я использовал изображение 1680х1050, сохраненное в различных форматах: ВМР, PNG, JPEG. Скрываемым документом выступал текстовый файл размером порядка 40 Кб. Все описанные программы справились с поставленной задачей: текстовый файл был успешно сохранен и затем извлечен из исходного файла. При этом сколько-нибудь заметных искажений картинки обнаружено не было. Представленные далее утилиты можно скачать с сайта.

ImageSpyer G2

Утилита для сокрытия информации в графических файлах с использованием криптографии. При этом поддерживается около 30 алгоритмов шифрования и 25 хеш-функций для шифрования контейнера. Скрывает объем, равный числу пикселей изображения. Опционально доступна компрессия скрываемых данных.

Утилита совместима с Windows 8. В качестве исходных графических файлов могут использоваться форматы ВМР, JPEG, WMF, EMF, TIFF.

Скачать бесплатно ImageSpyer G2, вы можете по .

StegoTC G2 TC

Стеганографический архиваторный плагин (wcx) для Total Comander позволяет скрывать данные в любом изображении, при этом поддерживаются форматы ВМР, TIFF и PNG.

Скачать бесплатно StegoTC G2, вы можете по .

RedJPEG

Интерфейс этой программы, как и следует из названия, выполнен в красном стиле. Эта простая в использовании утилита предназначена для сокрытия любых данных в JPEG в изображении (фото, картинка) с помощью авторского стеганографического метода. Использует открытые алгоритмы шифрования, поточный шифр AMPRNG и Cartman II DDP4 в режиме хеш-функции, LZMA-компрессию.

Профессиональная расширенная версия RedJPEG ХТ дополнена маскировкой факта внедрения и усиленной процедурой инициализации поточного шифра на основе характеристик изображения. Включены х86 и х86-64 сборки.

Также имеется RedJPEG ХТ for ТС WCX плагин Total Comanderг, обладающий аналогичным функционалом.

Скачать бесплатно RedJPEG, вы можете по .

DarkCryptTC и Проект «Заря»

Эту программу, можно назвать наиболее мощным стеганографическим решением. Она поддерживает более сотни различных симметричных и асимметричных криптоалгоритмов. Включает в себя поддержку собственной системы плагинов, предназначенной для блочных шифров (BlockAPI), текстовую, аудио и графическую стеганографию (включая реальную стеганографию JPEG), мощный генератор паролей и систему уничтожения информации и ключей.

Список поддерживаемых форматов действительно впечатляет: *.txt, *.html, *.xml, *.docx, *. odt, *.bmp, *jpg, *.tiff, *.png, *.jp2, *.psd, tga, *.mng, *.wav, *.ехе, *.dll.

Набор программ для стеганографии не слишком большой, но он вполне достаточен для того, чтобы эффективно скрывать информацию в файлах различных форматов.

Скачать бесплатно DarkCryptTC, вы можете по .

Также, на нашем сайте представлены и другие материалы касающиеся Стеганографии. Для поиска всех программ и книг, сделайте поиск по слову «Стеганография»

Стеганография своими руками

Для тех, кто хорошо знаком с программированием, в частности, с Visual Studio и С#, могу порекомендовать также довольно интересный , в котором можно найти исходные тексты стеганографических утилит для различных форматов данных: для работы с графическими форматами и для сокрытия информации, например, в ZIP-архивах. Общий принцип такого преобразования заключается в использовании заголовков архивируемых файлов. Фрагмент исходного кода для работы с ZIP-архивами выглядит следующим образом:

private void ZipFiles(string destinationFileName, ↵
string password)
{
FileStream outputFileStream = ↵
new FileStream(destinationFileName, ↵
FileMode.Create);
ZipOutputStream zipStream = ↵
new ZipOutputStream(outputFileStream);
bool isCrypted = false;
if (password != null && password.Length > 0)
{ //encrypt the zip file, if password is given
zipStream.Password = password;
isCrypted = true;
}
foreach(ListViewItem viewItem in lvAll.Items)
{
inputStream = new FileStream(viewItem.Text, ↵ FileMode.Open);
zipEntry = new ICSharpCode.SharpZipLib.Zip.ZipEntry(↵ Path.GetFileName(viewItem.Text));
zipEntry.IsVisible = viewItem.Checked;
zipEntry.IsCrypted = isCrypted;
zipEntry.CompressionMethod = ↵ CompressionMethod.Deflated;
zipStream.PutNextEntry(zipEntry);
CopyStream(inputStream, zipStream);
inputStream.Close();
zipStream.CloseEntry();
}
zipStream.Finish();
zipStream.Close();
}

На указанном сайте можно найти множество примеров исходных кодов любой сложности, так что изучение практических реализаций для желающих не составит большого труда.

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

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

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

История стеганографии

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

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

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

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

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

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

Что такое стеганосистема?

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

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

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

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

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

Цели стеганографии

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

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

Рисунок 1: Сталин с iPhon-ом

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

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

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

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

Классификация методов стеганографии

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

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

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

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

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

Текстовые контейнеры

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

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

Особенности файловой и операционной системы

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

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

Метод наименее значащих битов

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

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.

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

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

Сетевая стеганография

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

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

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

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

Атаки на стеганосистемы

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

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

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

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

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

Практическое применение стеганографии

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

Незаметная передача информации

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

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

Скрытое хранение информации

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

Недекларированное хранение информации

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

Индивидуальный отпечаток в СЭДО

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

Водяной знак в DLP системах

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

Скрытая передача управляющего сигнала

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

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

Funkspiel

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

Неотчуждаемость информации

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

Перспективы развития/применения

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

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

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