Требования к стегосистемам

Кафедра Вычислительной Техники и Прикладной Математики

 

Реферат по теме: «Стеганография как способ сокрытия секретных данных. Понятия: контейнер, стеганографический канал, стегоключ (ограничение стеганографических методов). Принципы построения тайных каналов. Защита музыки, видеофильмов посредством «водяных знаков»

Дисциплина: «Методы и средства защиты компьютерной информации»

 

Выполнил студент группы АВУ-10: Довгань С. Ю

 

Проверил: Ячиков И.М.

 

Магнитогорск, 2012

Содержание:

Введение. 3

Основные определения. 4

Контейнеры.. 5

Требования к стегосистемам.. 8

Применение: 9

Заключение. 11

Список литературы: 12

Введение

С развитием информационных технологий все актуальнее становится проблема защиты информации. Наряду с организационными и аппаратными средствами защиты существует ряд дисциплин, которые занимаются программными средствами, в их числе – стеганография.

Стеганография – наука, которая изучает способы и методы скрытия конфиденциальных сведений. В отличие от криптографии, она скрывает не саму информацию, а факт ее присутствия.

С развитием цифровой обработки сигналов выделилось направление, которое занимается скрытием битовых последовательностей в оцифрованных сигналах – цифровая стеганография. В качестве контейнера может выступать изображение, звуковой файл, видео. Данное направление основано на цифровой обработке сигналов и теории кодирования и сжатия информации. Наибольшее распространение цифровая стеганография получила в области защиты информации при изучении методов встраивания электронных цифровых подписей и цифровых водяных знаков (ЦВЗ) – специальных меток, скрыто встроенных в изображение (звук, видео) с целью контролирования его использования. Существует ряд программ, позволяющих встраивать ЦВЗ в файлы распространенных форматов, таких как BMP, JPEG, WAV, MP3, AVI, MPEG.

В настоящее время стеганографию можно условно разделить на три раздела:

1. Классическая стеганография, которая включает в себя все «некомпьютерные методы»;

2. Компьютерная стеганография – направление классической стеганографии, основанное на особенностях компьютерной платформы и использовании специальных свойств компьютерных форматов данных;

3. Цифровая стеганография – направление классической стеганографии, основанное на сокрытии или внедрении дополнительной информации в цифровые объекты, что вызывает некоторые искажения этих объектов. Чаще всего в этих целях используется избыточность аудио- и визуальной информации.

В данной работе предоставлен краткий обзор цифровой стеганографии.

 

 

Основные определения

Стеганографическая система, или стегосистема — это совокупность средств и методов, которые используются для формирования скрытого канала передачи информации.

Контейнер - любая информационная система, в рамках которой организуется канал передачи скрытых данных.

Стегоканал - часть "контейнера", предназначенная для переноса секретной информации.

Стегоключ - секретный ключ, необходимый для открытия информации.

Как известно, цель криптографии состоит в блокировании несанкционированного доступа к информации путем шифрования содержания секретных сообщений. Стеганография имеет другую задачу, и ее цель – скрыть сам факт существования секретного сообщения. При этом оба способа могут быть объединены и использованы для повышения эффективности защиты информации (например, для передачи криптографических ключей).

Чтобы не вызывать подозрений у стороннего наблюдателя, передаваемый стегоконтейнер практически ничем не должен отличаться от исходного контейнера. Но этого мало. Чтобы стегосистема была надежной, при ее построении необходимо исходить из предположения, что противник имеет полное представление о применяемой стеганографической системе и деталях ее реализации. Единственной неизвестной ему величиной является стегоключ.

Исходя из этого предположения, стегосистема должна быть сконструирована таким образом, чтобы только обладатель стегоключа имел возможность выделить из стегоконтейнера встроенное сообщение и, главное, чтобы только обладатель стегоключа имел возможность установить факт присутствия скрытого сообщения.

Рис. 1 - Обобщенная модель стегосистемы

В стегосистеме в качестве данных может использоваться любая информация: текст, сообщение, изображение и т. п. В общем же случае, для обозначения скрываемой информации, целесообразно использовать слово «сообщение», так как сообщением может быть как текст или изображение, так и, например, аудиоданные. В современной компьютерной стеганографии существует два основных типа файлов: сообщение файл, который предназначен для скрытия, и контейнер - файл, который может быть использован для скрытия в нем сообщения.

Контейнеры

Сообщение, которое необходимо передать отправителю, с помощью специального программного обеспечения встраивается в контейнер.

Контейнер - любая информация, предназначенная для сокрытия тайных сообщений. Данные контейнера должны быть достаточно шумными, чтобы небольшое изменение в их беспорядочности не могло быть заметным. Биты контейнера, хотя и являются шумом сточки зрения точности измерений, могут иметь некоторые специальные статистические характеристики. Предполагается, что кодирование тайного сообщения должно воспроизводить характеристики шума контейнера. Цель труднодостижимая, но реальная. Поэтому выбор контейнера оказывает существенное влияние на надежность всей стегосистемы и возможность обнаружения факта передачи скрытого сообщения. Например, опытный глаз цензора с художественным образованием легко обнаружит изменение цветовой гаммы при внедрении сообщения в репродукцию «Мадонны» Рафаэля или «Черного квадрата» Малевича.

Возможны следующие варианты контейнеров:

- контейнер генерируется самой стегосистемой;

- контейнер выбирается из некоторого множества контейнеров;

- контейнер поступает извне;

- контейнер, получаемый с помощью моделирования шумовых характеристик.

Примером генерации контейнера самой стегосистемой может служить программа MandelSteg, в которой в качестве контейнера для встраивания сообщения генерируется фрактал Мандельброта. Такой подход получения стегосообщения можно назвать конструирующей стеганографией.

Если используется выборка контейнера из некоторого множества, то в этом случае первоначально генерируется большое число альтернативных контейнеров, чтобы затем выбрать наиболее подходящий для сокрытия сообщения. Такой подход к выбору контейнера называют селектирующей стеганографией. В данном случае при выборе оптимального контейнера из множества сгенерированных важнейшим требованием является естественность контейнера. Единственной же проблемой остается то, что даже оптимально организованный контейнер позволяет спрятать незначительное количество данных при очень большом объеме самого контейнера.

В случае, когда контейнер поступает извне, отсутствует возможность выбора контейнера и для сокрытия сообщения берется первый попавшийся контейнер, не всегда подходящий к встраиваемому сообщению. Такой подход называется безальтернативной стеганографией.

Следующий шаг - моделирование характеристик шума контейнера. Подражательная функция должна быть построена так, чтобы не только кодировать секретное сообщение, но и придерживаться модели первоначального шума. В предельном случае целое сообщение конструируется в соответствии с моделью шума. Такой подход называют конструирующей стеганографией, и он также имеет много недостатков. Его трудно совместить с сильным алгоритмом шифрования, да и моделирование шума или компонентов ошибок в данных — занятие не из легких. Формирование модели требует значительных усилий, творческой работы над каждым каналом связи или контейнером.

Поскольку попытки подражания первоначальному шуму либо ведут к сомнительной безопасности или к слишком малому диапазону рабочих частот для большинства практических применений, наиболее привлекательной остается следующая базовая процедура.

Выбирается класс достаточно шумных контейнеров и идентифицируются биты шума. Затем определяется, какую порцию шумовых битов контейнера можно заменить псевдослучайными данными без значительного изменения его статистических характеристик. Так, если контейнер представляет собой цифровую фотографию, нас должны интересовать младшие биты градаций серой шкалы или RGB-значений при цветном изображении, либо коэффициенты Фурье в JPEG-формате изображений. Изменяя в среднем, допустим, только 100-й пиксель изображения, в одном мегабайте несжатого изображения можно спрятать примерно один килобайт тайных данных.

Для дополнительной безопасности и придания тайному сообщению вида случайных данных оно должно быть зашифровано сильным криптоалгоритмом. Замена псевдослучайными битами некоторых наиболее шумных битов контейнера только немного увеличит уровень шума сообщения, Включение открытого текста в контейнер может заметно изменить его статистические характеристики. Более того, последовательность скрывающих битов должна выбираться псевдослучайным способом как функция секретного ключа. Иначе противник, имеющий алгоритм, без труда вскроет контейнер.

Но и шифрование с ключом не освобождает от проблем. Если скрывающие биты в подозреваемом сообщении имеют некоторые статистические отклонения от других аналогичных сообщений, то противник получит все основания для вывода, что оно содержит скрытые данные. Тогда путем дополнительного зашумления он может исказить сообщение и этим фактически его уничтожить.

По протяженности контейнеры можно подразделить на два типа:

- непрерывные (потоковые);

- ограниченной (фиксированной) длины.

Они представляют собой или поток непрерывных данных, подобно цифровой телефонной связи, или файл, подобный растровому изображению.

Особенностью потокового контейнера является то, что невозможно определить его начало или конец. Более того, нет возможности узнать заранее, какими будут последующие шумовые биты, что приводит к необходимости включать скрывающие сообщение биты в поток в реальном масштабе времени, а сами скрывающие биты выбираются с помощью специального генератора, задающего расстояние между последовательными битами в потоке. Такой способ называют произвольно-интервальным методом. Следует заметить, что в достаточно длинном контейнере можно скрывать несколько сообщений.

В непрерывном потоке данных самая большая трудность для получателя заключается в определении момента, когда же начинается скрытое сообщение. В простом случае, если поток данных имеет конечную длину и часто вновь открывается, тайное сообщение может начинаться при открытии сеанса. При наличии в потоковом контейнере сигналов синхронизации или границ пакета скрытое сообщение начинается сразу же после одного из них. В свою очередь, для отправителя возможны проблемы, если он не уверен в том, что поток контейнера будет достаточно долгим для размещения целого тайного сообщения.

При использовании контейнеров фиксированной длины, которые свободны от недостатков потоковых контейнеров, отправитель заранее знает размер файла и может выбрать скрывающие биты в подходящей псевдослучайной последовательности. Поскольку контейнер известен заранее, есть время оценить его эффективность применительно к выбранному алгоритму сокрытия информации. С другой стороны, контейнеры фиксированной длины имеют ограниченный объем и иногда встраиваемое сообщение может не поместиться в файл-контейнер.

Другой недостаток заключается в том, что расстояния между скрывающими битами равномерно распределены между наиболее коротким и наиболее длинным заданными расстояниями, в то время как истинный случайный шум будет иметь экспоненциальное распределение длин интервала. Конечно, можно породить псевдослучайные экспоненциально распределенные числа, но этот путь обычно слишком трудоемок. Однако на практике чаще всего используются именно контейнеры фиксированной длины, как наиболее распространенные и доступные.

Для большинства современных методов, используемых для сокрытия сообщения в цифровых контейнерах, имеет место зависимость надежности системы от объема встраиваемых сообщений.

Данная зависимость показывает, что при увеличении объема встраиваемых сообщений снижается надежность системы (при неизменности размера контейнера). Таким образом, используемый в стегосистеме контейнер накладывает ограничения на размер встраиваемых данных.

В любом случае контейнер без встроенного сообщения - это пустой контейнер, а контейнер, содержащий встроенную информацию, - это заполненный или стегоконтейнер.

Встроенное (скрытое) сообщение, находящееся в стегоконтейнере, передается от отправителя к получателю по каналу передачи, который называется стеганографическим каналом или просто стегоканалом.

Встраивание сообщений в контейнер происходит с использованием специального стегоключа. Под ключом понимается секретный элемент, который определяет порядок занесения сообщения в контейнер.

По аналогии с криптографией, по типу стегоключа все стегосистемы можно подразделить на два типа:

- с секретным ключом;

- с открытым ключом.

В стегосистеме с секретным ключом используется один ключ, который должен быть определен либо до начала обмена секретными сообщениями, либо передан по защищенному каналу.

В стегосистеме с открытым ключом для встраивания и извлечения сообщения используются разные ключи, которые различаются таким образом, что с помощью вычислений невозможно вывести один ключ из другого. Поэтому один ключ (открытый) может передаваться свободно по незащищенному каналу связи. Кроме того, данная схема хорошо работает и при взаимном недоверии отправителя и получателя.

В зависимости от количества уровней защиты информации (например, встраивание предварительно зашифрованного сообщения) в стегосистеме может быть один или несколько стегоключей.

Требования к стегосистемам

Любая стегосистема должна отвечать следующим требованиям:

· Свойства контейнера должны быть модифицированы, чтобы изменение невозможно было выявить при визуальном контроле. Это требование определяет качество сокрытия внедряемого сообщения: для обеспечения беспрепятственного прохождения стегосообщения по каналу связи оно никоим образом не должно привлечь внимание атакующего.

· Стегосообщение должно быть устойчиво к искажениям, в том числе и злонамеренным. В процессе передачи изображение (звук или другой контейнер) может претерпевать различные трансформации: уменьшаться или увеличиваться, преобразовываться в другой формат и т. д. Кроме того, оно может быть сжато, в том числе и с использованием алгоритмов сжатия с потерей данных.

· Для сохранения целостности встраиваемого сообщения необходимо использование кода с исправлением ошибки.

· Для повышения надежности встраиваемое сообщение должно быть продублировано.

Применение:

· Защита авторских прав.

· Борьба с видеопиратством и ранний доступ к новинкам кино. При сотрудничестве с киностудиями Голливуда операторы телевизионных сетей могут предоставлять своим зрителям платный доступ к премиум-контенту - фильмам, только что появившимся в кинотеатрах и еще не вышедшим на DVD. Обязательным условием студий при этом является встраивание водяного знака, позволяющего обнаружить источник утечки - конкретного зрителя - при попадание фильма в нелегальный оборот.

· Получение цифрового отпечатка (различные люди получают копии, помеченные разными водяными знаками).

· Отслеживание трансляций (телевизионные новости часто содержат водяные знаки, оставленные международными информационными агентствами; рекламные агентства используют водяные знаки для контроля выхода своей рекламы в эфир в оговоренном объеме).

· Сокрытие факта обмена информации.

Программы для сокрытия информации:

- Masker 7.0. Она позволяет скрывать сообщения среди исполняемых, видео- и аудиофайлов, а также в изображениях, причём поддерживается огромное число форматов, среди которых есть как форматы прямого кодирования, так и сжимающие (JPEG, MP3, MPEG).

- Steganos Security Suite 2007. Наиболее известным пакетом для защиты информации.

- MSU StegoVideo. Предназначена для сокрытия сообщений в видеофайлах, причём это может быть только текстовая информация. Но у неё есть один большой плюс - в отличие от конкурентов, здесь информация сохраняется при сжатии популярными кодеками, например, DivX.

 

Цифровые водяные знаки используются для защиты от копирования, сохранения авторских прав. Невидимые водяные знаки считываются специальным устройством, которое может подтвердить либо опровергнуть корректность. ЦВЗ могут содержать различные данные: авторские права, идентификационный номер, управляющую информацию. Наиболее удобными для защиты с помощью ЦВЗ являются неподвижные изображения, аудио и видео файлы.

Основные требования, предъявляемые к водяным знакам: надёжность и устойчивость к искажениям, незаметности, робастности к обработке сигналов (робастность — способность системы к восстановлению после воздействия на неё внешних/внутренних искажений, в том числе умышленных). ЦВЗ имеют небольшой объём, но для выполнения указанных выше требований, при их встраивании используются более сложные методы, чем для встраивания обычных заголовков или сообщений. Такие задачи выполняют специальные стегосистемы.

Перед помещением ЦВЗ в контейнер, водяной знак нужно преобразовать к подходящему виду. К примеру, если в качестве контейнера используется изображение, то и ЦВЗ должны быть представлена как двумерный битовый массив.

Для повышения устойчивости к искажениям часто применяют 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.