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.

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

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

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

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

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

Рисунок 2.1 - Классификация методов компьютерной стеганографии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Метод замены наименее значащего бита.

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

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

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

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

Метод псевдослучайного интервала.

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

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

Методы сокрытия данных в пространственной области.

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

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

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

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

Стеганография

Классификация стеганографии

В конце 90-х годов выделилось несколько направлений стеганографии:

• Классическая стеганография
• Компьютерная стеганография
• Цифровая стеганография

Классическая стеганография

Симпатические чернила

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

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

Другие стеганографические методы

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

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

Стеганографические модели

Стеганографические модели - используются для общего описания стеганографических систем.

Основные понятия

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

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

Компьютерная стеганография

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

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

Цифровая стеганография

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

Изображение кота, извлеченное из изображения дерева, расположенного выше

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

Алгоритмы

Все алгоритмы встраивания скрытой информации можно разделить на несколько подгрупп:

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

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

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

Метод LSB

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

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

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

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

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

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

Эхо-методы

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

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

Фазовое кодирование

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

Метод расширенного спектра

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

Атаки на стегосистемы

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

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

Рассмотрим некоторые из них:

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

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

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

Стеганография и цифровые водяные знаки

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

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

Применение стеганографии

В современных принтерах

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

Применение цифровой стеганографии

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

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

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

Предполагаемое использование террористами

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

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

Предполагаемое использование спецслужбами

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

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

Ссылки

Программные реализации

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

Статьи

• Обзор программ для поиска скрытых стеганографией материалов

Прочее

• Стеганография (рус.) Иоганна Тритемия

Лекция

доцента кафедры ИВТ Гродненского госуниверситета

канд. техн. наук Ливак Елены Николаевны

Стеганографическая защита информации

В лекции

• Назначение стеганографической защиты
• • метод внедрения скрытой информации в младшие биты данных, представленных в цифровом виде
  • широкополосные сигналы и элементы теории шума
  • методы, применяемые для тайнописи в текстовых файлах
  • методы внедрения скрытой информации и для файлов в формате HTML методы, применяемые для внедрения скрытой информации в исполняемые файлы
• Технологии защиты авторских прав на мультимедийную продукцию

Назначение стеганографической защиты

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

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

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

Основные стеганографические понятия

Основными стеганографическими понятиями являются сообщение иконтейнер .

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

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

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

Стеганографическим преобразованием принято называть зависимости

F: M×B×K → B,   F -1: B×K → M,

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

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

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

Методы компьютерной стеганографии

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

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

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

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

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

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

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

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

Остановимся на стеганографических методах, которые часто применяются на практике.

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

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

Достаточно развиты методы, применяемые для тайнописи в текстовых файлах.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

· применяют цветовые эффекты.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Резюме

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

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

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

Цифровая стеганография Грибунин Вадим Геннадьевич

1.1. Цифровая стеганография. Предмет, терминология, области применения

Цифровая стеганография как наука родилась буквально в последние годы. По нашему мнению она включает в себя следующие направления:

1) встраивание информации с целью ее скрытой передачи;

2) встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ) (watermarking);

3) встраивание идентификационных номеров (fingerprinting);

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 ), то здесь имеется много неясных проблем, требующих своего разрешения.

Название этот метод получил от всем известного способа защиты ценных бумаг, в том числе и денег, от подделки. Термин «digital watermarking» был впервые применен в работе . 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.

Так как цифровая стеганография является молодой наукой, то ее терминология не до конца устоялась. Основные понятия стеганографии были согласованы на первой международной конференции по скрытию данных . Тем не менее, даже само понятие «стеганография» трактуется различно. Так, некоторые исследователи понимают под стеганографией только скрытую передачу информации. Другие относят к стеганографии такие приложения как, например, метеорную радиосвязь, радиосвязь с псевдослучайной перестройкой радиочастоты, широкополосную радиосвязь. На наш взгляд, неформальное определение того, что такое цифровая стеганография, могло бы выглядеть следующим образом: «наука о незаметном и надежном скрытии одних битовых последовательностей в других, имеющих аналоговую природу». Под это определение как раз подпадают все четыре вышеприведенных направления скрытия данных, а приложения радиосвязи - нет. Кроме того, в определении содержится два главных требования к стеганографическому преобразованию: незаметность и надежность, или устойчивость к различного рода искажениям. Упоминание об аналоговой природе цифровых данных подчеркивает тот факт, что встраивание информации выполняется в оцифрованные непрерывные сигналы. Таким образом, в рамках цифровой стеганографии не рассматриваются вопросы внедрения данных в заголовки IP-пакетов и файлов различных форматов, в текстовые сообщения.

Как бы ни были различны направления стеганографии, предъявляемые ими требования во многом совпадают, как это будет показано далее. Наиболее существенное отличие постановки задачи скрытой передачи данных от постановки задачи встраивания ЦВЗ состоит в том, что в первом случае нарушитель должен обнаружить скрытое сообщение, тогда как во втором случае о его существовании все знают. Более того, у нарушителя на законных основаниях может иметься устройство обнаружения ЦВЗ (например, в составе DVD-проигрывателя).

Слово «незаметном» в нашем определении цифровой стеганографии подразумевает обязательное включение человека в систему стеганографической передачи данных. Человек здесь может рассматриваться как дополнительный приемник данных, предъявляющий к системе передачи достаточно трудно формализуемые требования.

Задачу встраивания и выделения сообщений из другой информации выполняет стегосистема. Стегосистема состоит из следующих основных элементов, представленных на рис. 1.1:

Рис. 1.1. Структурная схема типичной стегосистемы ЦВЗ

Прекодер - устройство, предназначенное для преобразования скрываемого сообщения к виду, удобному для встраивания в сигнал-контейнер. (Контейнером называется информационная последовательность, в которой прячется сообщение);

Стегокодер - устройство, предназначенное для осуществления вложения скрытого сообщения в другие данные с учетом их модели;

Устройство выделения встроенного сообщения;

Стегодетектор - устройство, предназначенное для определения наличия стегосообщения;

Декодер - устройство, восстанавливающее скрытое сообщение. Этот узел может отсутствовать, как будет пояснено далее.

Как показано на рис. 1.1, в стегосистеме происходит объединение двух типов информации так, чтобы они могли быть различимы двумя принципиально разными детекторами. В качестве одного из детекторов выступает система выделения ЦВЗ, в качестве другого - человек.

Прежде, чем осуществить вложение ЦВЗ в контейнер, ЦВЗ должен быть преобразован к некоторому подходящему виду. Например, если в качестве контейнера выступает изображение, то и последовательность ЦВЗ зачастую представляется как двумерный массив бит. Для того, чтобы повысить устойчивость ЦВЗ к искажениям нередко выполняют его помехоустойчивое кодирование, либо применяют широкополосные сигналы. Первоначальную обработку скрытого сообщения выполняет показанный на рис. 1.1 прекодер. В качестве важнейшей предварительной обработки ЦВЗ (а также и контейнера) назовем вычисление его обобщенного преобразования Фурье. Это позволяет осуществить встраивание ЦВЗ в спектральной области, что значительно повышает его устойчивость к искажениям. Предварительная обработка часто выполняется с использованием ключа K для повышения секретности встраивания. Далее ЦВЗ «вкладывается» в контейнер, например, путем модификации младших значащих бит коэффициентов. Этот процесс возможен благодаря особенностям системы восприятия человека. Хорошо известно, что изображения обладают большой психовизуальной избыточностью. Глаз человека подобен низкочастотному фильтру, пропускающему мелкие детали. Особенно незаметны искажения в высокочастотной области изображений. Эти особенности человеческого зрения используются, например, при разработке алгоритмов сжатия изображений и видео.

Процесс внедрения ЦВЗ также должен учитывать свойства системы восприятия человека. Стеганография использует имеющуюся в сигналах психовизуальную избыточность, но другим, чем при сжатии данных образом. Приведем простой пример. Рассмотрим полутоновое изображение с 256 градациями серого, то есть с удельной скоростью кодирования 8 бит/пиксел. Хорошо известно, что глаз человека не способен заметить изменение младшего значащего бита. Еще в 1989 году был получен патент на способ скрытого вложения информации в изображение путем модификации младшего значащего бита. В данном случае детектор стего анализирует только значение этого бита для каждого пиксела, а глаз человека, напротив, воспринимает только старшие 7 бит. Данный метод прост в реализации и эффективен, но не удовлетворяет некоторым важным требованиям к ЦВЗ, как будет показано далее.

В большинстве стегосистем для внедрения и выделения ЦВЗ используется ключ. Ключ может быть предназначен для узкого круга лиц или же быть общедоступным. Например, ключ должен содержаться во всех DVD-плейерах, чтобы они могли прочесть содержащиеся на дисках ЦВЗ. Иногда по аналогии с криптографией стегосистемы делят на два класса: с открытым ключом и с секретным ключом. На наш взгляд, аналогия неверна, так как понятие открытого ключа в данном случае в корне различно. Правильным выражением было бы «общедоступный ключ», причем ключ встраивания совпадает с ключом выделения. Не существует, насколько известно, стегосистемы, в которой бы при выделении ЦВЗ требовалась другая информация, чем при его вложении. Хотя и не доказана гипотеза о невозможности существования подобной системы. В системе с общедоступным ключом достаточно сложно противостоять возможным атакам со стороны злоумышленников. В самом деле, в данном случае нарушителю точно известен ключ и месторасположение ЦВЗ, а также его значение.

В стегодетекторе происходит обнаружение ЦВЗ в (возможно измененном) защищенном ЦВЗ изображении. Это изменение может быть обусловлено влиянием ошибок в канале связи, операций обработки сигнала, преднамеренных атак нарушителей. Во многих моделях стегосистем сигнал-контейнер рассматривается как аддитивный шум. Тогда задача обнаружения и выделения стегосообщения является классической для теории связи. Однако такой подход не учитывает двух факторов: неслучайного характера сигнала контейнера и требований по сохранению его качества. Эти моменты не встречаются в известной теории обнаружения и выделения сигналов на фоне аддитивного шума. Их учет позволит построить более эффективные стегосистемы.

Различают стегодетекторы, предназначенные для обнаружения факта наличия ЦВЗ и устройства, предназначенные для выделения этого ЦВЗ (стегодекодеры). В первом случае возможны детекторы с жесткими (да/нет) или мягкими решениями. Для вынесения решения о наличии/отсутствии ЦВЗ удобно использовать такие меры, как расстояние по Хэммингу, либо взаимную корреляцию между имеющимся сигналом и оригиналом (при наличии последнего, разумеется). А что делать, если у нас нет исходного сигнала? Тогда в дело вступают более тонкие статистические методы, основанные на построении моделей исследуемого класса сигналов. В последующих главах этот вопрос будет освещен подробнее.

В зависимости от того, какая информация требуется детектору для обнаружения ЦВЗ, стегосистемы ЦВЗ делятся на три класса: открытые, полузакрытые и закрытые системы. Эта классификация приведена в табл.1.1.

		Что требуется детектору		Выход детектора
		Исходный сигнал	Исходный ЦВЗ	Да/Нет	ЦВЗ
Закрытые	Тип I	+	+	+	-
	Тип II	+	-	-	+
Полузакрытые		-	+	+	-
Открытые		-	-	-	+

Табл.1.1. Классификация систем встраивания ЦВЗ

Наибольшее применение могут иметь открытые стегосистемы ЦВЗ, которые аналогичны системам скрытой передачи данных. Наибольшую устойчивость по отношению к внешним воздействиям имеют закрытые стегосистемы I типа.

Рассмотрим подробнее понятие контейнера. До стегокодера - это пустой контейнер, после него - заполненный контейнер, или стего. Стего должен быть визуально неотличим от пустого контейнера. Различают два основных типа контейнеров: потоковый и фиксированный.

Потоковый контейнер представляет собой непрерывно следующую последовательность бит. Сообщение вкладывается в него в реальном масштабе времени, так что в кодере неизвестно заранее, хватит ли размеров контейнера для передачи всего сообщения. В один контейнер большого размера может быть встроено и несколько сообщений. Интервалы между встраиваемыми битами определяются генератором псевдослучайной последовательности с равномерным распределением интервалов между отсчетами. Основная трудность заключается в осуществлении синхронизации, определении начала и конца последовательности. Если в данных контейнера имеются биты синхронизации, заголовки пакетов и т. д., то скрываемая информация может идти сразу после них. Трудность обеспечения синхронизации превращается в достоинство с точки зрения обеспечения скрытности передачи. Кроме того, потоковый контейнер имеет большое практическое значение: представьте себе, например, стегоприставку к обычному телефону. Под прикрытием обычного, незначащего телефонного переговора можно было бы передавать другой разговор, данные и т. п., и не зная секретного ключа нельзя было бы не только узнать содержание скрытой передачи, но и сам факт ее существования. Не случайно, что работ, посвященных разработке стегосистем с потоковым контейнером практически не встречается.

У фиксированного контейнера размеры и характеристики заранее известны. Это позволяет осуществлять вложение данных оптимальным в некотором смысле образом. В книге мы будем рассматривать, в основном, фиксированные контейнеры (далее - контейнеры).

Контейнер может быть выбранным, случайным или навязанным. Выбранный контейнер зависит от встраиваемого сообщения, а в предельном случае является его функцией. Этот тип контейнера больше характерен для стеганографии. Навязанный контейнер может появиться в сценарии, когда лицо, предоставляющее контейнер, подозревает о возможной скрытой переписке и желает предотвратить ее. На практике же чаще всего сталкиваются со случайным контейнером.

Встраивание сообщения в контейнер может производиться при помощи ключа, одного или нескольких. Ключ - псевдослучайная последовательность (ПСП) бит, порождаемая генератором, удовлетворяющим определенным требованиям (криптографически безопасный генератор). В качестве основы генератора может использоваться, например, линейный рекуррентный регистр. Тогда адресатам для обеспечения связи может сообщаться начальное заполнение этого регистра. Числа, порождаемые генератором ПСП, могут определять позиции модифицируемых отсчетов в случае фиксированного контейнера или интервалы между ними в случае потокового контейнера. Надо отметить, что метод случайного выбора величины интервала между встраиваемыми битами не особенно хорош. Причин этого две. Во-первых, скрытые данные должны быть распределены по всему изображению. Поэтому, равномерное распределение длин интервалов (от наименьшего до наибольшего) может быть достигнуто лишь приближенно, так как мы должны быть уверены в том, что все сообщение встроено, то есть «поместилось» в контейнер. Во-вторых, длины интервалов между отсчетами шума распределены не по равномерному, а по экспоненциальному закону. Генератор же ПСП с экспоненциально распределенными интервалами сложен в реализации.

Скрываемая информация внедряется в соответствии с ключом в те отсчеты, искажение которых не приводит к существенным искажениям контейнера. Эти биты образуют стегопуть. В зависимости от приложения, под существенным искажением можно понимать искажение, приводящее как к неприемлемости для человека-адресата заполненного контейнера, так и к возможности выявления факта наличия скрытого сообщения после стегоанализа.

ЦВЗ могут быть трех типов: робастные, хрупкие и полухрупкие (semifragile). Под робастностью понимается устойчивость ЦВЗ к различного рода воздействиям на стего. Робастным ЦВЗ посвящено большинство исследований.

Хрупкие ЦВЗ разрушаются при незначительной модификации заполненного контейнера. Они применяются для аутентификации сигналов. Отличие от средств электронной цифровой подписи заключается в том, что хрупкие ЦВЗ все же допускают некоторую модификацию контента. Это важно для защиты мультимедийной информации, так как законный пользователь может, например, пожелать сжать изображение. Другое отличие заключается в том, что хрупкие ЦВЗ должны не только отразить факт модификации контейнера, но также вид и местоположение этого изменения.

Полухрупкие ЦВЗ устойчивы по отношению к одним воздействиям и неустойчивы по отношению к другим. Вообще говоря, все ЦВЗ могут быть отнесены к этому типу. Однако полухрупкие ЦВЗ специально проектируются так, чтобы быть неустойчивыми по отношению к определенного рода операциям. Например, они могут позволять выполнять сжатие изображения, но запрещать вырезку из него или вставку в него фрагмента.

На рис. 1.2 представлена классификация систем цифровой стеганографии.

Стегосистема образует стегоканал, по которому передается заполненный контейнер. Этот канал считается подверженным воздействиям со стороны нарушителей. Следуя Симмонсу , в стеганографии обычно рассматривается такая постановка задачи («проблема заключенных»).

Двое заключенных, Алиса и Боб желают конфиденциально обмениваться сообщениями, несмотря на то, что канал связи между ними контролирует охранник Вилли. Для того, чтобы тайный обмен сообщениями был возможен предполагается, что Алиса и Боб имеют некоторый известный обоим секретный ключ. Действия Вилли могут заключаться не только в попытке обнаружения скрытого канала связи, но и в разрушении передаваемых сообщений, а также их модификации и создании новых, ложных сообщений. Соответственно, можно выделить три типа нарушителей, которым должна противостоять стегосистема: пассивный, активный и злоумышленный нарушители. Подробнее возможные действия нарушителей и защита от них рассмотрены во второй главе. Пока заметим лишь, что пассивный нарушитель может быть лишь в стегосистемах скрытой передачи данных. Для систем ЦВЗ характерны активные и злоумышленные нарушители.

Статья Симмонса , как он сам написал впоследствии , была вызвана желанием привлечь внимание научной общественности к закрытой в то время проблеме, связанной с контролем над ядерным оружием. Согласно Договору ОСВ СССР и США должны были разместить некие датчики на стратегических ракетах друг друга. Эти датчики должны были передавать инфор формацию о том, не подсоединена ли к ним ядерная боеголовка. Проблема, которой занимался Симмонс, заключалась в том, чтобы не допустить передачи како-либо другой информации этими датчиками, например, о местоположении ракет. Определение факта наличия скрытой информации - главная задача стегоанализа.

Рис. 1.2. Классификация систем цифровой стеганографии

Для того, чтобы стегосистема была надежной, необходимо выполнение при ее проектировании ряда требований.

Безопасность системы должна полностью определяться секретностью ключа. Это означает, что нарушитель может полностью знать все алгоритмы работы стегосистемы и статистические характеристики множеств сообщений и контейнеров, и это не даст ему никакой дополнительной информации о наличии или отсутствии сообщения в данном контейнере.

Знание нарушителем факта наличия сообщения в каком-либо контейнере не должно помочь ему при обнаружении сообщений в других контейнерах.

Заполненный контейнер должен быть визуально неотличим от незаполненного. Для удовлетворения этого требования надо, казалось бы, внедрять скрытое сообщение в визуально незначимые области сигнала. Однако, эти же области используют и алгоритмы сжатия. Поэтому, если изображение будет в дальнейшем подвергаться сжатию, то скрытое сообщение может разрушиться. Следовательно, биты должны встраиваться в визуально значимые области, а относительная незаметность может быть достигнута за счет использования специальных методов, например, модуляции с расширением спектра.

Стегосистема ЦВЗ должна иметь низкую вероятность ложного обнаружения скрытого сообщения в сигнале, его не содержащем. В некоторых приложениях такое обнаружение может привести к серьезным последствиям. Например, ложное обнаружение ЦВЗ на DVD-диске может вызвать отказ от его воспроизведения плейером.

Должна обеспечиваться требуемая пропускная способность (это требование актуально, в основном, для стегосистем скрытой передачи информации). В третьей главе мы введем понятие скрытой пропускной способности и рассмотрим пути ее достижения.

Стегосистема должна иметь приемлемую вычислительную сложность реализации. При этом возможна асимметричная по сложности реализации система ЦВЗ, то есть сложный стегокодер и простой стегодекодер.

К ЦВЗ предъявляются следующие требования.

ЦВЗ должен легко (вычислительно) извлекаться законным пользователем.

ЦВЗ должен быть устойчивым либо неустойчивым к преднамеренным и случайным воздействиям (в зависимости о приложения). Если ЦВЗ используется для подтверждения подлинности, то недопустимое изменение контейнера должно приводить к разрушению ЦВЗ (хрупкий ЦВЗ). Если же ЦВЗ содержит идентификационный код, логотип фирмы и т. п., то он должен сохраниться при максимальных искажениях контейнера, конечно, не приводящих к существенным искажениям исходного сигнала. Например, у изображения могут быть отредактированы цветовая гамма или яркость, у аудиозаписи - усилено звучание низких тонов и т. д. Кроме того ЦВЗ должен быть робастным по отношению к аффинным преобразованиям изображения, то есть его поворотам, масштабированию. При этом надо различать устойчивость самого ЦВЗ и способность декодера верно его обнаружить. Скажем, при повороте изображения ЦВЗ не разрушится, а декодер может оказаться неспособным выделить его. Существуют приложения, когда ЦВЗ должен быть устойчивым по отношению к одним преобразованиям и неустойчивым по отношению к другим. Например, может быть разрешено копирование изображения (ксерокс, сканер), но наложен запрет на внесение в него каких-либо изменений.

Должна иметься возможность добавления к стего дополнительных ЦВЗ. Например, на DVD-диске имеется метка о допустимости однократного копирования. После осуществления такого копирования необходимо добавить метку о запрете дальнейшего копирования. Можно было бы, конечно, удалить первый ЦВЗ и записать на его место второй. Однако, это противоречит предположению о трудноудалимости ЦВЗ. Лучшим выходом является добавление еще одного ЦВЗ, после которого первый не будет приниматься во внимание. Однако, наличие нескольких ЦВЗ на одном сообщении может облегчить атаку со стороны нарушителя, если не предпринять специальных мер, как это будет описано в главе 2.

В настоящее время технология ЦВЗ находится в самой начальной стадии своего развития. Как показывает практика, должно пройти лет 10–20 для того, чтобы новый криптографический метод начал широко использоваться в обществе. Наверное, аналогичная ситуация будет наблюдаться и со стеганографией. Одной из проблем, связанных с ЦВЗ, является многообразие требований к ним, в зависимости от приложения. Рассмотрим подробнее основные области применения ЦВЗ.

Вначале рассмотрим проблему пиратства, или неограниченного неавторизованного копирования. Алиса продает свое мультимедийное сообщение Питеру. Хотя информация могла быть зашифрована во время передачи, ничто не помешает Питеру заняться ее копированием после расшифровки. Следовательно, в данном случае требуется дополнительный уровень защиты от копирования, который не может быть обеспечен традиционными методами. Как будет показано далее, существует возможность внедрения ЦВЗ, разрешающего воспроизведение и запрещающего копирование информации.

Важной проблемой является определение подлинности полученной информации, то есть ее аутентификация. Обычно для аутентификации данных используются средства цифровой подписи. Однако, эти средства не совсем подходят для обеспечения аутентификации мультимедийной информации. Дело в том, что сообщение, снабженное электронной цифровой подписью, должно храниться и передаваться абсолютно точно, «бит в бит». Мультимедийная же информация может незначительно искажаться как при хранении (за счет сжатия), так и при передаче (влияние одиночных или пакетных ошибок в канале связи). При этом ее качество остается допустимым для пользователя, но цифровая подпись работать не будет. Получатель не сможет отличить истинное, хотя и несколько искаженное сообщение, от ложного. Кроме того, мультимедийные данные могут быть преобразованы из одного формата в другой. При этом традиционные средства защиты целостности работать также не будут. Можно сказать, что ЦВЗ способны защитить именно содержание аудио-, видеосообщения, а не его цифровое представление в виде последовательности бит. Кроме того, важным недостатком цифровой подписи является то, что ее легко удалить из заверенного ею сообщения, после чего приделать к нему новую подпись. Удаление подписи позволит нарушителю отказаться от авторства, либо ввести в заблуждение законного получателя относительно авторства сообщения. Система ЦВЗ проектируется таким образом, чтобы исключить возможность подобных нарушений.

Как видно из рис. 1.3, применение ЦВЗ не ограничивается приложениями безопасности информации. Основные области использования технологии ЦВЗ могут быть объединены в четыре группы: защита от копирования (использования), скрытая аннотация документов, доказательство аутентичности информации и скрытая связь.

Рис. 1.3. Потенциальные области применения стеганографии

Популярность мультимедиа-технологий вызвало множество исследований, связанных с разработкой алгоритмов ЦВЗ для использования в стандартах MP3, MPEG-4, JPEG2000, защиты DVD дисков от копирования.

Из книги Интерфейс: новые направления в проектировании компьютерных систем автора Раскин Джефф

3.1. Терминология и условные обозначения Мир делится на людей, которые думают, что они правы. Дидр Мак-Грат Содержание (или контент) – это информация, которая находится в компьютере или другом устройстве, предназначенном для обработки информации, и которая является для

Из книги Информационная технология ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ ДОКУМЕНТАЦИИ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММНОГО СРЕДСТВА автора Автор неизвестен

Е.2 Терминология В части терминологии, используемой в документах, необходимо руководствоваться следующими правилами:a) применять общие и нетехнические термины в соответствии с их определениями, установленными в общих словарях;b) создавать глоссарии (словники),

Из книги Метрология, стандартизация и сертификация: конспект лекций автора Демидова Н В

1. Предмет и задачи метрологии С течением мировой истории человеку приходилось измерять различные вещи, взвешивать продукты, отсчитывать время. Для этой цели понадобилось создать целую систему различных измерений, необходимую для вычисления объема, веса, длины, времени

Из книги Метрология, стандартизация и сертификация автора Демидова Н В

1. Предмет и задачи метрологии Под метрологией подразумевается наука об измерениях, о существующих средствах и методах, помогающих соблюсти принцип их единства, а также о способах достижения требуемой точности.Происхождение самого термина «метрология» возводят к двум

Из книги Операторы коммерческого учета на рынках электроэнергии. Технология и организация деятельности автора Осика Лев Константинович

Глава 3 ПРЕДМЕТ КОНКУРЕНТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОММЕРЧЕСКИЙ учет и учетная политика на оптовом и розничном рынках электроэнергииОпределяющим предметом бизнеса ОКУ является коммерческий учет, поэтому необходимо более подробно остановиться на всех аспектах учета,

Из книги Управление качеством автора Шевчук Денис Александрович

1.1. Предмет и задачи курса Одной из основных проблем, стоящих сегодня перед российскими предприятиями, является их успешная адаптация к условиям рыночной экономики. Решение этой проблемы - необходимое условие для их выживания и дальнейшего развития.Современная

Из книги Создаем робота-андроида своими руками автора Ловин Джон

Ограничения области применения Если вы хотите достичь профессионального уровня выполнения автоматизированных действий или «оживления» предметов, то, так сказать, для поддержания марки, точность позиционирования при выполнении движений в каждый момент времени должна

Из книги Феномен науки [Кибернетический подход к эволюции] автора Турчин Валентин Фёдорович

6.11. Физический предмет и логический объект Опыт учит нас, что мир, в котором мы живем, характеризуется определенной устойчивостью, повторяемостью (точно так же, конечно, как непрерывной текучестью, изменяемостью). Допустим, вы видите дерево. Вы отходите от него, и

Из книги Учебник по ТРИЗ автора Гасанов А И

1. Предмет ТРИЗ Гасанов А. И.

Из книги Цифровая стеганография автора Грибунин Вадим Геннадьевич

1.4.1. Стеганография с открытым ключом Стеганография с открытым ключом опирается на достижения криптографии последних 25 лет. Понятие «открытый ключ» означает, что для дешифровки сообщения используется другой ключ, чем при его шифровании. При этом один из ключей делается

Из книги Руководство слесаря по замкам автора Филипс Билл

Из книги Материаловедение. Шпаргалка автора Буслаева Елена Михайловна

1. Предмет материаловедения; современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения Материаловедение изучает состав, структуру, свойства и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым,

Из книги Очень общая метрология автора Ашкинази Леонид Александрович

43. Маркировка, структура, свойства и области применения цветных металлов и их сплавов К цветным металлам относятся медь, алюминий, магний, титан, свинец, цинк и олово, которые обладают ценными свойствами и применяются в промышленности, несмотря на относительно высокую

Из книги автора

48. Виды композиционных материалов. Строение, свойства, области применения Композиционные материалы состоят из двух компонентов, объединенных различными способами в монолит при сохранении их индивидуальных особенностей.Признаки материала:– состав, форма и

Из книги автора

50. Формование и спекание порошков, области применения Спекаемость – это прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.Подготовленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах. Заготовки из металлических порошков

Из книги автора

Социологическая и психологическая терминология С точки зрения этой книги физика, техника, социология и психология имеют одинаковый статус - это области приложения метрологии. Но в физике и технике терминология в основной части устоявшаяся и однозначно понимаемая