Цифровая стеганография примеры. Стеганография и стегоанализ. обзор существующих программ и алгоритмов скрытия информации. Источники и дополнительные ссылки

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.

Стеганография

• Информационная безопасность

Давайте предположим, что вы шпион и (как у любого уважающего себя шпиона) у вас на жестком диске имеется много секретной информации. Вам нужно её спрятать так, чтоб никто её не нашел. Причем в случае если вас поймают, то ваш компьютер отдадут на обследование и тот кто будет искать эту информацию будет на 99% уверен, что такая информация на жестком диске есть.

Так какие же способы спрятать информацию есть в нашем распоряжении…

Способ 1 - Банальный

Способ 2 - Банальный, продвинутый

Поэтому нам нужен способ скрытия информации, который не нарушает структуру файла выбранного формата.

Способ 3 - LSB

Для желающих поиграться с этим способом могу предложить плагин для Total Commander"a который позволяет прятать данные в некоторых контейнерах картинок, а также в WAV (при условии, что аудио данные закодированы кодеком PCM).

Также имеются более продвинутые алгоритмы, к примеру алгоритм Коха-Жао, который прячет данные только в картинках. Его отличие в том, что он кодирует один бит информации в блоках 8х8 пикселей. К сожалению, из-за малого количества информации об этом алгоритме в интернете, не могу рассказать о нем что то ещё.

Способ 4 - Мета данные

MP3

JPEG

AVI

Минус хранения секретных данных в мета-данных файла очевиден, есть множество программ которые отображают абсолютно полностью их содержимое, включая нестандартные и частные значения.

Способ 5

Безопасная передача информации является важной задачей в современном цифровом мире. Одним из методов защиты информации является скрытие факта передачи сообщения. Так, произвольный текст может быть спрятан внутри публично опубликованного изображения, пользуясь избыточностью самого изображения.

Стеганогра́фия (от греч. στεγανός - скрытый + γράφω - пишу; буквально «тайнопись») - способ передачи или хранения информации с учётом сохранения в тайне самого факта такой передачи (хранения). Этот термин ввел в 1499 году Иоганн Тритемий в своем трактате «Стеганография» (Steganographia), зашифрованном под магическую книгу.

Постановка задачи

Необходимо реализовать программу, которая размещает исходный текст в цифровом изображении либо получает текст из изображения, хранящего текст. Изображения рекомендуется использовать в формате хранения без потерь (напр., bmp). Один байт текста будет кодироваться в одном пикселе изображения. Так, один байт текста 10 101 010 будет расположен в пикселе изображения следующим образом:

R: 111100 10
G: 00001 101
B: 11001 010

Алгоритм кодирования информации:

1. Загрузить изображение в память программы
2. Определить количество доступных пикселей изображения
3. Определить максимальную длину текста
4. Загружаем текст в память программы из консоли или файла
5. Если текст превышает максимально допустимую длину, сообщить об этом пользователю и завершить программу
6. Организуем цикл по байтам текста и пикселям изображения, кодируем байт текста по схеме 2-3-3 битов на каждый из каналов пикселя
7. Сохранить изображение на диск в исходном формате

Алгоритм декодирования разрабатывается похожим образом. Для чтения изображения в формате bmp используется бинарное чтение файлов, заголовок которого описан следующей структурой для 32-битной архитектуры:

#pragma pack(push, 1) typedef struct { unsigned char b1,b2; unsigned long bfSize; unsigned short bfReserved1; unsigned short bfReserved2; unsigned long bfOffBits; } BITMAPFILEHEADER; typedef struct { unsigned int biSize; int biWidth; int biHeight; unsigned short biPlanes; unsigned short biBitCount; unsigned int biCompression; unsigned int biSizeImage; int biXPelsPerMeter; int biYPelsPerMeter; unsigned int biClrUsed; unsigned int biClrImportant; } BITMAPINFOHEADER; #pragma pack(pop)

Требования к программе

Базово программа должна обеспечивать возможность кодирования текста из таблицы ASCII в изображении формата BMP без компрессии на стандартной палитре. В качестве усложнения программы могут быть реализованы:

• Кодирование любого текста из заранее известных кодировок (UTF-16, CP-1251, UTF-8)
• Использование других форматов изображения без потерь
• Шифрование текста перед кодированием в изображение для большей защищённости передачи информации
• Использование других схем записи байта текста в пиксель изображения, например, 1 бит текста в 1 пиксель, таким образом, кодировка является менее заметной, но существенно сокращается размер доступного для кодирования текста

Требования к отчёту

Отчёт выполняет в формате docx или odt вместе с копией на pdf . В отчёте должны присутствовать следующие части:

1. Постановка задачи
2. Теоретическое описание проблем стеганографии
3. Выбранные методы кодирования информации в выполненной работе с подробным описанием алгоритма кодирования и декодирования
4. Части программ, демонстрирующие основную моменты работы программы
5. Описание программы в части работы пользователем: вызов, аргументы, скриншоты и прочее
6. Заключение о проделанной работе

Вопросы для самопроверки

• Зачем используется #pragma pack(push, 1) ?
• Как осуществляется чтение и запись бинарных файлов?
• Что такое формат хранение без потерь?
• Что из себя представляет формат bmp ?
• Что такое бит/байт текста?
• Какие каналы используются для хранения информации о цвете пикселя?
• Как в программу передаются аргументы при вызове?
• Каким могут быть варианты хранения скрытого текста, кроме как в изображениях?
• Какая информация может быть скрыта?

Вопросы, которые стоит гуглить

• c++ read binary file to struct
• why i need pragma push c++
• bmp format structure
• steganography to bmp

Какая еще стеганография?

За последние несколько лет активность спецслужб значительно возросла. Увеличились также их права относительно методов добычи информации, теперь они имеют право на чтение твоей личной переписки.
Хорошо если ты общаешься только с тетками или корешами из чата. А что будет, когда анализируя твою переписку они наткнутся на пароль от
какого-нибудь забугорного сервачка или прочитают как ты хвастаешься знакомому о последнем дефейсе? Эти письма могут стать уликой преступления и послужить
прекрасной причиной для возбуждения криминального дела… Ну как
перспектива? Не очень… Поэтому следует
тщательно прятать содержимое такой переписки. Именно этим и занимается стеганография, а если она используется с элементами криптографии, прочитать письмо сможет только адресат, знающий схему извлечения защищенного
текста.

Название стеганография произошло от двух греческих слов
— steganos(тайна) и graphy(запись), поэтому ее можно назвать тайнописью. Основная задача стеганографии: сокрытие самого факта существования секретного сообщения. Возникла данная наука, в Египте. Ее использовали для передачи разнообразной государственной информации. Для этих целей стригли раба налысо и били бедняге тату. Когда волосы
отрастали, посланца отправляли в путь 🙂

Но в наше время никто таким методом уже не пользуется (или
все же пользуются?), современные стеганографы применяют невидимые чернила, которые можно
увидеть только после определенной химической обработки, микропленки, условное расположение знаков в письме, тайные каналы связи и многое другое.

Компьютерные технологии сокрытия информации тоже не стоят на месте и активно развиваются. Текст или даже файл может быть спрятан в безобидном письме, изображении, мелодии, и вообще во всех передаваемых данных. Для понимания данного процесса разберемся как скрыть информацию
информацию так, что бы даже не увидели ее
наличия.

Текстовый документ.txt

Использование стеганографии для передачи информации посредством текстовых данных достаточно затруднительно.
Реализовать это можно двумя способами (хотя идея одна для обеих случаев):

1. Использовать регистр букв.
2. Использовать пробелы.

Для первого варианта, процесс заключается в следующем: пускай нам необходимо спрятать букву «А» в тексте «stenography». Для этого берем двоичное представление кода символа «А» — «01000001». Пускай для обозначения бита содержащего единицу используется символ нижнего регистра, а для нуля — верхнего. Поэтому после накладывания маски «01000001» на текст «stenography», результат будет «sTenogrAphy». Окончание «phy» нами не использовано поскольку для сокрытия одного символа используется 8 байт (по биту на каждый символ), а длинна строки 11 символов, вот и получилось, что последние 3 символа «лишние». Исспользуя такую технологию можно спрятать в текст длинной N, сообщение из N/8 символов. Поскольку данное решение нелзя назвать наиболее удачным, часто используется технология передачи данных через пробелы. Дело в том, что пробел обозначен символом с кодом 32, но в тексте его можно заменить также символом имеющим код 255 или TAB’ом на худой конец. Также как и в прошлом примере, передаем биты шифруемого сообщения используя обычный текст. Но на этот раз 1 — это пробел, а 0 — это пробел с кодом 255.

Как вы могли убедится, сокрытие информации в текстовых документах не надежно, поскольку может быть легко замечено. Поэтому используются другие, более продвинутые технологии…

GIF, JPG и PNG

Более надежно можно прятать текст в изображении. Все происходит по принципу замены цвета в изображении, на близкий к нему. Программа заменяет некоторые пиксели, положение которых вычисляет сама. Этот подход очень хороший, потому что определить технологию скрытия текста более сложно чем в прошлом примере. Этот подход работает не только с текстовой информацией, но и с изображениями. Это значит, что можно без особых проблем в изображении nastya.gif можно поместить
pentаgon_shema.gif, естественно если этого позволяют их размеры.

Самый простой пример использования изображений в стеганоргафии — третье задание из « «. Решается оно достаточно просто и
без особых усилий можно получить спрятанное сообщение. Для начала необходимо скопировать его в буфер обмена, далее установите цвет заливки для правой клавиши в цвет фона изображения
(голубой). Следующим этапом должна стать очистка рисунка и его заливка в черный цвет. Для завершения данной операции просто
вставьте изображение из буфера обмена, не увидит надпись «WELL DONE!», только слепой 🙂

Технология использования изображений в качестве
контейнера предоставляет намного более широкие возможности, нежели текстовые документы.
Как я уже сказал, при использовании
графических форматов появляется возможность сокрытия не только текстовых сообщений,
но и других изображений и файлов. Единственным условием является то, что объем спрятанного рисунка, не должен превышать размер изображения-хранилища. Для данных целей каждая программа использует свою технологию, но все они сводится к замене определенных пикселей в изображении.

Достойным примером использования стеганографии может быть интернет браузер
Camera/Shy , от
известной хакерской команды Cult of Dead
Cow . С виду он напоминает обычный обозреватель интернета, но при входе на web-ресурс происходит автоматическое сканирование всех GIF изображений на наличие скрытых сообщений.

MP3 и все, что ты слышишь

Но, пожалуй, наиболее красивым решением можно назвать использование аудио форматов
(рекомендую для работы MP3Stego). Это обусловлено
тем, что большинству людей даже в голову не придет,
что музыка может содержать скрытую информацию. Для размещения сообщения/файла в формате MP3, используют избыточную информацию, наличие которой
определяется самим форматом. При использовании
других аудио файлов необходимо вносить изменения в
звуковую волну, что может в очень малой степени повлиять на звучание.

Другие решения

Для стеганографии можно использовать документы Microsoft Word, формат RTF также может быть использован в качестве контейнера для сообщения. Существует ряд утилит, которые способны передавать файлы посредством пустых пакетов, используя
те же стенографические решения. При такой технологии одним пакетом передается один бит копируемого файла, который хранится в заголовке передаваемого пакета. Такая технология не предоставляет высокой скорости передачи данных, зато имеет ряд
преимуществ при передачи файлов через межсетевые экраны.

Стеганография достаточно мощный инструмент, для сохранения конфиденциальности данных. Ее использование давно признано эффективным при защите авторских прав, а также любой другой информации, которую можно
считать интеллектуальной собственностью. Но особенно
эффективно использование стеганографии с элементами криптографии. Такой подход создает
двух уровневую защиту, взлом который составляет большую трудность, если
вообще является возможным…

Стеганография – это наука о скрытой передаче информации путём сохранения в тайне самого факта передачи. В отличие от криптографии, которая скрывает содержимое секретного сообщения, стеганография скрывает сам факт его существования. Стеганографию обычно используют совместно с методами криптографии, таким образом, дополняя её.

Преимущество стеганографии над чистой криптографией состоит в том, что сообщения не привлекают к себе внимания. Сообщения, факт шифрования которых не скрыт, вызывают подозрение и могут быть сами по себе уличающими в тех странах, в которых запрещена криптография. Таким образом, криптография защищает содержание сообщения, а стеганография защищает сам факт наличия каких-либо скрытых посланий.

Чтобы не загружать читателя, ограничусь в использовании формул и прочих строгих математических выкладок. В списке использованных источников приведены ссылки на книги, где подробно описана математическая модель стеганосистемы. Статья же делится на две части:
1. Теоретическая: схема типичной стеганосистемы;
2. Пример конкретной стеганосистемы (на основе изображений JPEG) и схема её реализации.

Описание стеганосистемы

Рассмотрим структурную схему типичной стеганосистемы. В общем случае стеганосистема может быть рассмотрена как система связи.

Основными стеганографическими понятиями являются сообщение и контейнер. Сообщение – это секретная информация, наличие которой необходимо скрыть. Контейнером называется несекретная информация, которую можно использовать для скрытия сообщения. В качестве сообщения и контейнера могут выступать как обычный текст, так и файлы мультимедийного формата.

Пустой контейнер (или так называемый контейнер-оригинал) – это контейнер, который не содержит скрытой информации. Заполненный контейнер (контейнер-результат) – контейнер, который содержит скрытую информацию. Одно из требований, которое при этом ставится: контейнер-результат не должен быть визуально отличим от контейнера-оригинала. Выделяют два основных типа контейнера: потоковый и фиксированный.

Потоковый контейнер представляет собой последовательность битов, которая непрерывно изменяется. Сообщение встраивается в него в реальном времени, поэтому в кодере заранее неизвестно, хватит ли размеров контейнера для передачи всего сообщения. В один контейнер большого размера может быть встроено несколько сообщений.

Основная проблема заключается в выполнении синхронизации, определении начала и конца последовательности. Если в данных контейнера существуют биты синхронизации, заголовки пакетов и т.д., то скрытая информация может следовать сразу же после них. Сложность организации синхронизации является преимуществом с точки зрения обеспечения скрытости передачи.

В фиксированном контейнере размеры и характеристики последнего заранее известны. Это позволяет выполнять вложение данных оптимальным (в определенном смысле) образом. Далее будем рассматривать фиксированные контейнеры.

Перед тем как выполнить вложение сообщения в контейнер, его необходимо преобразовать в определенный удобный для упаковки вид. Кроме того, перед упаковкой в контейнер, для повышения защищенности секретной информации последнюю можно зашифровать достаточно устойчивым криптографическим кодом. Во многих случаях также желательна устойчивость полученного стеганосообщения к искажениям (в том числе и злоумышленным).

В процессе передачи звук, изображение или какая-либо другая информация, используемая в качестве контейнера, может подвергаться разным трансформациям (в том числе с использованием алгоритмов с потерей данных): изменение объема, преобразование в другой формат и т.п., – поэтому для сохранения целостности встроенного сообщения может понадобиться использование кода с исправлением ошибок (помехоустойчивое кодирование). Начальную обработку скрываемой информации выполняет изображенный на рисунке прекодер.

Следует отметить, что для увеличения секретности встраивания, предварительная обработка довольно часто выполняется с использованием ключа.

Упаковка сообщения в контейнер (с учетом формата данных, представляющих контейнер) выполняется с помощью стеганокодера. Вложение происходит, например, путем модификации наименьших значащих битов контейнера. Вообще, именно алгоритм (стратегия) внесения элементов сообщения в контейнер определяет методы стеганографии, которые в свою очередь делятся на определенные группы, например, в зависимости от того, файл какого формата был выбран в качестве контейнера.

В большинстве стеганосистем для упаковки и извлечения сообщений используется ключ, который предопределяет секретный алгоритм, определяющий порядок внесения сообщения в контейнер. По аналогии с криптографией, тип ключа обуславливает существование двух типов стеганосистем:

• с секретным ключом – используется один ключ, который определяется до начала обмена стеганограммой или передается защищенным каналом;
• с открытым ключом – для упаковки и распаковки сообщения используются разные ключи, которые отличаются таким образом, что с помощью вычислений невозможно получить один ключ из другого, поэтому один из ключей (открытый) может свободно передаваться по незащищенному каналу.

В качестве секретного алгоритма может быть использован генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) битов. Качественный генератор ПСП, ориентированный на использование в системах защиты информации, должен соответствовать определенным требованиям. Перечислим некоторые из них:

• Криптографическая стойкость – отсутствие у нарушителя возможности предусмотреть следующий бит на основании известных ему предыдущих с вероятностью, отличной от 1/2. На практике криптографическая стойкость оценивается статистическими методами.
• Хорошие статистические свойства – ПСП по своим статистическим свойствам не должна существенно отличаться от истинно случайной последовательности.
• Большой период формированной последовательности.
• Эффективная аппаратно-программная реализация.

Статистически (криптографически) безопасный генератор ПСП должен соответствовать следующим требованиям:

• ни один статистический тест не определяет в ПСП никаких закономерностей, иными словами, не отличает эту последовательность от истинно случайной;
• при инициализации случайными значениями генератор порождает статистически независимые псевдослучайные последовательности.

Следует отметить, что метод случайного выбора величины интервала между встроенными битами не является достаточно эффективным. Скрытые данные должны быть распределены по всему контейнеру, поэтому равномерное распределение длины интервалов (от наименьшего к наибольшему) может быть достигнуто только приблизительно, поскольку должна существовать уверенность в том, что все сообщение встроено (то есть, поместилось в контейнер).

Скрываемая информация заносится в соответствии с ключом в те биты, модификация которых не приводит к существенным искажениям контейнера. Эти биты образуют так называемый стеганопуть. Под «существенным» подразумевается искажение, которое приводит к росту вероятности выявления факта наличия скрытого сообщения после проведения стеганоанализа.

Стеганографический канал – канал передачи контейнера-результата (вообще, существование канала как, собственно говоря, и получателя – наиболее обобщенный случай, поскольку заполненный контейнер может, например, храниться у «отправителя», который поставил перед собой цель ограничить неавторизованный доступ к определенной информации. В данном случае отправитель выступает в роли получателя).

В стеганодетекторе определяется наличие в контейнере (возможно уже измененном) скрытых данных. Различают стеганодетекторы, предназначенные только для обнаружения факта наличия встроенного сообщения, и устройства, предназначенные для выделения этого сообщения из контейнера, – стеганодекодеры.

Итак, в стеганосистеме происходит объединение двух типов информации таким образом, чтобы они по-разному воспринимались принципиально разными детекторами. В качестве одного из детекторов выступает система выделения скрытого сообщения, в качестве другого – человек.

Алгоритм встраивания сообщения в простейшем случае состоит из двух основных этапов:

1. Встраивание в стеганокодере секретного сообщения в контейнер-оригинал.
2. Обнаружение (выделение) в стеганодетекторе (декодере) скрытого зашифрованного сообщения из контейнера-результата.

Про JPEG

В нашей работе будем реализовывать стеганосистему на основе JPEG. JPEG – это метод сжатия изображений с потерями. Он прекрасно сжимает изображения с непрерывными тонами, в которых близкие пикселы обычно имеют схожие цвета, но не очень хорошо справляется с двухуровневыми черно-белыми образами.

Для начала кратко рассмотрим алгоритм JPEG, более подробное описание и примеры можно найти в книгах, указанных в источниках. Кодировщик 8-битных RGB-изображений можно описать семью пунктами (на вход подаётся массив компонент изображения):

1. Преобразование цветового пространства. Цветное изображение преобразуется из RGB в представление светимость/цветность. Глаз чувствителен к малым изменениям яркости пикселов, но не цветности, поэтому из компоненты цветности можно удалить значительную долю информации для достижения высокого сжатия без заметного визуального ухудшения качества образа. Этот шаг не является обязательным, но он очень важен, так как остальная часть алгоритма будет независимо работать с каждым цветным компонентом. Без преобразования пространства цветов из компонентов RGB нельзя удалить существенную часть информации, что не позволяет сделать сильное сжатие.
2. Субдискретизация. Для более эффективного сжатия цветное изображение разбивается на крупные пикселы. Укрупнение пикселов либо вообще не делается (укрупнение 1hv1 или «4:4:4»), либо же делается или в соотношении 2:1 по горизонтали и вертикали (укрупнение 2h2v или «4:1:1») или в пропорциях 2:1 по горизонтали и 1:1 по вертикали (укрупнение 2h1v или «4:2:2»).
3. Соединение в блоки. Пикселы каждой цветной компоненты собираются в блоки 8x8, которые называются единицами данных (Minimum Coded Unit). Если число строк или столбцов изображения не кратно 8, то самая нижняя строка и самый правый столбец повторяются нужное число раз.
4. Дискретное косинус-преобразование. К каждой единице данных применяется дискретное косинус-преобразование (DCT), в результате чего получаются блоки 8x8 частот единиц данных. Они содержат среднее значение пикселов единиц данных и следующие поправки для высоких частот. Это позволяет представить данные в виде, позволяющем более эффективное сжатие.
5. Квантование. Каждая из 64 компонент частот единиц данных делится на специальное число, называемое коэффициентами квантования (QC), которая округляется до целого. Здесь информация невосполнимо теряется. Но в нашем кодировщике этот шаг опускается для увеличения количества записываемой информации (т.е. все коэффициенты квантования равны единице, качество JPEG – 100%).
6. Сжатие без потерь. Все 64 квантованных частотных коэффициента каждой единицы данных кодируются с помощью комбинации RLE и метода Хаффмана.
7. Добавление заголовков и запись в файл. На последнем шаге добавляется заголовок из использованных параметров JPEG и результат выводится в сжатый файл.

Алгоритм симметричный, так что кодировщик будет выполнять обратные действия.

Стеганография в JPEG

Приступим к рассмотрению стеганосистемы на основе изображений формата JPEG. В основе лежит простейший метод LSB (Least Significant Bit, наименее значащий бит).

Суть метода LSB заключается в том, что человек в большинстве случаев не способен заметить изменений в последнем бите цветовых компонент изображения. Фактически, LSB – это шум, поэтому его можно использовать для встраивания информации путем замены менее значащих битов пикселей изображения битами секретного сообщения. Метод работает с растровыми изображениями, представленными в формате без компрессии (например, BMP). Основной недостаток метода – высокая чувствительность к малейшим искажениям контейнера.

В нашей же стеганосистеме будем применять DCT LSB стеганографию. Основное отличие заключается в том, что данные записываются не в цветовые компоненты, а в коэффициенты дискретного косинус-преобразования. Рассмотрим схему кодировщика (декодер делает всё тоже самое, но в обратном порядке).

На входе: цветное изображение, скрываемые данные, пароль.
На выходе: изображение в формате JPEG со скрытыми данными.

1. Генерация ключей. Для работы кодировщика необходимы 2 ключа: стегано- и криптоключ. Возьмем хэш-сумму SHA-256 введённого пользователем пароля. Первые 16 байт будем использовать для стеганоключа, вторые – для криптоключа.
2. Предварительная обработка текста (прекодер). Повторно берем хэш-сумму криптоключа и получаем новые 32 байта, которые уже будут использоваться для шифрования данных. Данные шифруем с помощью алгоритма AES-256.
3. Начинаем кодировать изображение. Проводим первые 4 шага ранее рассмотренного алгоритма JPEG.
4. Вместо пятого шага (квантование) алгоритма JPEG прячем наши данные.
   • Анализатор формата. Чтобы сделать вмешательство в изображение незаметным, будем проводить «визуальный» анализ. Каждый последний бит коэффициента блока инвертируется, и считается метрика PSNR для исходного и измененного блоков. Если значение метрики меньше 55 дБ, то в данный блок запись не производится. Т.к. при значениях метрики больше 40 дБ изображения считаются практически идентичными для человеческого глаза, то при 55 дБ разница точно будет незаметна для глаза.
   • Стеганопуть. Стеганоключ представляется в двоичном виде, и каждому блоку ставится в соответствие соответствующий бит двоичной последовательности (по модулю). Если бит равен единице, то блок используется для записи, если нулю – то отбрасывается.
   • Стеганокодер. Проводим стандартную процедуру LSB для каждого блока 8х8: записываем данные в каждый элемент, значение которого больше единицы.
5. Продолжаем выполнение алгоритма JPEG (сжатие без потерь и запись в файл).

Выводы и заключение

По приведенной схеме стеганосистемы можно легко написать программу. Исходные коды моей реализации можно найти на GitHub . Программу нельзя назвать полноценной, скорее альфа-версией, но основной функционал в ней реализован. Четвертый пункт для кодировщика реализован , а для декодировщика . За основу взяты уже готовые реализации JPEG, SHA-256, AES-256.

Кодирование-декодирование

Void jpeg_encoder::code_block(int component_num) { DCT2D(m_sample_array); load_quantized_coefficients(component_num); double psnr = 0; for (int i = 0; i < 64; i++) { if (m_coefficient_array[i] > 1) { short t = m_sample_array[i]; bit_stream::write_bit(t, bit_stream::read_bit(t) == 1 ? 0: 1); psnr += (t - m_sample_array[i]) * (t - m_sample_array[i]); } } psnr /= 64; if (psnr != 0) psnr = 20 * log10(255 / sqrt(psnr)); else psnr = 70; if (psnr > 55) { for (int i = 0; i < 8; i++) { for (int j = 0; j < 8; j++) { if (m_coefficient_array > 1) { int bits = bitstr->get_next_bit(); if (bits != -1) { bit_stream::write_bit(m_coefficient_array, bits); } bitr++; } } } } if (m_pass_num == 1) code_coefficients_pass_one(component_num); else code_coefficients_pass_two(component_num); } void jpeg_decoder::transform_mcu(int mcu_row) { jpgd_block_t* pSrc_ptr = m_pMCU_coefficients; uint8* pDst_ptr = m_pSample_buf + mcu_row * m_blocks_per_mcu * 64; for (int mcu_block = 0; mcu_block < m_blocks_per_mcu; mcu_block++) { idct(pSrc_ptr, pDst_ptr, m_mcu_block_max_zag); double psnr = 0; for (int i = 0; i < 64; i++) { if (pSrc_ptr[i] > 1) { short t = pDst_ptr[i]; bit_stream::write_bit(t, bit_stream::read_bit(t) == 1 ? 0: 1); psnr += (t - pDst_ptr[i]) * (t - pDst_ptr[i]); } } psnr /= 64; if (psnr != 0) psnr = 20 * log10(255 / sqrt(psnr)); else psnr = 70; if (!done && psnr > 55) { for (int i = 0; i < 8; i++) { for (int j = 0; j < 8; j++) { if (pSrc_ptr] > 1) { int bits = bit_stream::read_bit(pSrc_ptr]); if (bitstr->set_next_bit(bits) == -1) { done = true; int size = bitstr->get_readed_size(); char* str = new char; bitstr->get_data(str); str = ""; m_stparams->stego_data = str; } } } } } pSrc_ptr += 64; pDst_ptr += 64; } }

В заключение приведем характеристики полученного продукта:

• JPEG (DCT LSB) стеганография;
• Двухуровневая защита информации;
• Использование SHA-256 для генерации ключей;
• Симметричное шифрование текста AES-256;
• До 30% скрываемой информации от размера контейнера в зависимости от типа изображения;
• Отсутствие помехозащищенности.

Источники и дополнительные ссылки

1. Коханович Г.Ф., Пузыренко А.Ю. Компьютерная стеганография. Теория и практика. – К.: «МК-Пресс», 2006.
2. Д.Сэломон. Сжатие данных, изображений и звука. Москва: Техно-сфера, 2004.
3. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.