Двоичная тайнопись(по материалам открытой печати)

Андрей Кузнецов

Стеганография в далеком и недалеком прошлом

Современные подходы к стеганографии

Обнаружение стеганограмм

Повышение надежности сокрытия данных и пресечение такового

Примеры применения стеганографии

Вместо заключения

У кого из вас, уважаемые читатели, нет секретов? А кому хоть раз в жизни не приходилось доверить кому-либо нечто важное, взяв с него слово сохранить тайну? Думаю, вы со мной согласитесь: защита информации — дело, касающееся всех и каждого.

Стеганография в далеком и недалеком прошлом

роблема обеспечения конфиденциальности хранимых и пересылаемых данных в современном информационном мире стала особенно острой. Если имеется информация, доступ к которой должен быть ограничен, каждый знающий человек первым делом посоветует ее зашифровать. Тогда, даже получив саму шифровку, злоумышленник не сможет получить доступ к ее содержимому. Эти данные можно более или менее безопасно хранить и пересылать по общедоступным каналам связи. Такой способ защиты информации, называемый криптографической защитой, широко используется как в компьютерной, так и в других сферах жизни человеческого общества.

А что делать, если нужно не просто закрыть доступ к секретной информации, но и скрыть сам факт наличия какого бы то ни было секрета? Проблема эта не такая уж абстрактная, как может кому-то показаться на первый взгляд. Допустим, вы отправляете с рабочего места письма личного характера, а вся исходящая почта просматривается руководством. Конечно, такие письма можно зашифровать, но это, скорее всего, вызовет еще больший интерес у начальника: уж не передаете ли вы служебные тайны? В общем, задача эта весьма деликатная, и тут должна помочь стеганография.

Слово это в переводе с греческого буквально означает «тайнопись». Первые приемы стеганографии, как полагают историки, появились еще в Древнем Египте и затем использовались везде, где существовала письменность.

Что же представляла собой стеганография в докомпьютерную эру? Классифицировать все методы сокрытия информации практически невозможно — они многочисленны и разнообразны. Чтобы стало понятно, что весь спектр этих методов объединяется лишь одним — целью их применения, приведем несколько исторических примеров.

В античности, когда для письма использовались вощеные таблички, секретную информацию можно было написать непосредственно на подложке, потом нанести воск, а на нем написать какой-то безобидный текст. Попади такая табличка к врагам, они не догадались бы, что там имеются какие-то секреты. В средние века, да и позднее, большой популярностью пользовались особые чернила, не видимые постороннему глазу. Написанное с их помощью послание можно было прочесть лишь после особой обработки бумаги. Помните известный рассказ об умном Ленине и глупом жандарме? Так вот Владимир Ильич использовал как раз такой стеганографический инструмент — молочные чернила, которые после высыхания становились практически невидимыми, а при нагревании проявлялись четкими коричневыми буквами. Кроме таких незамысловатых способов, изобретались и сложные составы, для проявления которых нужно было провести химическую реакцию.

Нередко для передачи важных данных использовался посторонний текст (книга, заметка в газете, безобидное письмо о погоде и пр.), буквы и знаки которого кодировали конфиденциальную информацию. И здесь простор для фантазии просто огромен: скрытый текст может считываться по первым буквам слов (принцип акростиха) или определяться по заранее оговоренному правилу. После изобретения общепринятых кодов (например, азбуки Морзе) стало возможным распознавать секретный текст по длинам слов: 4-5 букв — тире, 5-6 букв — точка, 7 и более — пробел, меньше 4 букв — игнорируются). В рукописном тексте значение могли иметь особенности начертания букв — размеры, завитки и т.д. Всего и не перечислишь.

С появлением фотографии стали доступны новые способы — например в ничего не значащие снимки добавлялись микроточки. Подобные методы секретных сообщений активно использовались во время Второй мировой войны.

Широкое распространение вычислительной техники открыло новые горизонты для изобретателей методов тайнописи. С одной стороны, были адаптированы и доработаны некоторые из старых методов, а с другой — разработаны новые алгоритмы, применимые только в сфере компьютерных технологий.

Современные подходы к стеганографии

еред тем как начать обзор существующих сегодня подходов к компьютерной тайнописи, договоримся об основных понятиях. В стеганографии всегда наличествуют две составляющие  — то, что нужно скрыть, и то, где мы будем это скрывать. Первую составляющую мы будем называть сообщением, или стеганограммой, а вторую — контейнером. Сообщением может являться текст либо, в общем случае, произвольный файл, а в качестве контейнера обычно используются текстовые или мультимедийные (аудио-, видео-, графические) файлы, а также носители информации (внешние или встроенные).

В зависимости от типа контейнера компьютерные стеганографические алгоритмы удобно разделить на три основные группы.

1. Применение в качестве контейнера текстовых файлов предполагает использование докомпьютерных методов или вариаций на их тему. Если скрывается текстовое сообщение, то без современных технологий можно вообще обойтись — вполне подойдет традиционный акростих или что-то вроде невидимых чернил (белые буквы на белом фоне). Используются также специальные шрифты, в которых одна и та же буква может иметь несколько слегка различающихся начертаний.

Фантазия разработчика может пригодиться в случае необходимости спрятать в тексте двоичные данные. Если в качестве стеганограммы выступает произвольный файл, он рассматривается в виде последовательности одиночных битов или короткой серии битов (группы по два-три бита). Для их кодирования используют пробелы (один пробел — 0, два — 1) или непечатаемые символы (например, нулевой символ). Для решения данной задачи вполне может подойти приведенный выше пример с азбукой Морзе: тогда для кодирования коротких серий битов будут использоваться длины слов или их первые буквы.

Все методы этой группы при своей очевидной простоте имеют один очень серьезный недостаток — скрытое сообщение может легко обнаружить даже непрофессионал, поэтому применять их имеет смысл лишь тогда, когда использовать нетекстовую информацию в качестве контейнера не представляется возможным.

2. Сокрытие данных в неиспользуемых областях носителей, в отличие от предыдущей группы алгоритмов, является ноу-хау периода вычислительной техники. Эти методы основаны на особенностях файловых систем. Во-первых, файлы всегда занимают целое число кластеров, поэтому между двумя файлами обычно остается свободное пространство, которое и используется для размещения сообщения. Во-вторых, для передачи информации можно использовать нулевую дорожку диска. Существует также возможность удалить заголовочную запись файла с носителя, а файловая система будет считать свободным место, занимаемое этим файлом.

Слабой стороной всех перечисленных методик является все та же простота обнаружения, поскольку места закладки сообщения очевидны. Кроме того, последний способ требует пересылки заголовочной части файла отдельно от носителя, что вовсе не повышает уровень секретности. Использование алгоритмов этой группы для организации секретного обмена информацией предполагает применение внешних накопителей, обычно имеющих небольшую емкость, что налагает значительные ограничения на размер скрываемых данных. Поэтому разумнее будет выбирать носители информации в качестве контейнера только в том случае, когда планируется засекретить хранимые, а не передаваемые данные.

3. Третий, и наиболее распространенный класс контейнеров — мультимедийные файлы (мы будем говорить в основном о графических файлах, но все сказанное справедливо и в отношении аудио- и видеоданных). Традиционно большие объемы таких файлов-контейнеров позволяют упаковывать в них значительные по размеру сообщения, а разнообразные, постоянно совершенствующиеся форматы и стандарты обусловили появление множества стеганографических алгоритмов. Но как бы ни был широк спектр этих методов, практически все они базируются на каком-либо из двух принципиальных подходов.

3.1. В простых некоммерческих программах для стеганографии в качестве контейнера нередко используют области графических файлов, изменение которых не влияет на изображение. Скрываемая информация может размещаться и после окончания данных изображения, и между отдельными картинками одного файла (например, анимированного GIF), и в полях-комментариях, которые игнорируются при прорисовке. Такие стеганограммы легко детектируются, поэтому обычно они рассчитаны на то, что специально их никто искать не будет.

3.2. Метод наименее значащих битов (Least Significant Bit, LSB) наиболее распространен в электронной стеганографии. Он основан на ограниченных возможностях человеческих органов чувств, в силу чего люди не способны различать незначительные вариации цветов или звуков. Для простоты описания покажем принцип работы этого метода на примере 24-битного растрового RGB-изображения. Одна точка изображения в этом формате кодируется тремя байтами, каждый из которых отвечает за интенсивность одного из трех составляющих цветов (рис. 1).

Рис. 1

В результате смешения цветов из красного (R), зеленого (G) и синего (B) каналов пиксел получает нужный оттенок. Чтобы нагляднее увидеть принцип действия метода LSB, распишем каждый из трех байтов в битовом виде (рис. 2). Младшие разряды (на рисунке они расположены справа) в меньшей степени влияют на итоговое изображение, чем старшие. Из этого можно сделать вывод, что замена одного или двух младших, наименее значащих битов, на другие произвольные биты настолько незначительно исказит оттенок пиксела, что зритель просто не заметит изменения.

Допустим, нам нужно скрыть в данной точке изображения шесть бит: 101100. Для этого разобьем их на три пары (рис. 3) и заместим ими по два младших бита в каждом канале (рис. 4).

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

В результате мы получим новый оттенок, очень похожий на исходный. Эти цвета трудно различить даже на большой по площади заливке, хотя разница будет заметна по одной отдельной точке (рис. 5). Как показывает практика, замена двух младших битов не воспринимается человеческим глазом. В случае необходимости можно занять и три разряда, что весьма незначительно скажется на качестве картинки.

Рис. 5. Слева — оригинальный цвет, справа — цвет после модификации

Давайте теперь подсчитаем полезный объем такого RGB-контейнера. Занимая два бита из восьми на каждый канал, мы будем иметь возможность спрятать три байта полезной информации на каждые четыре пиксела изображения, что соответствует 25% объема картинки. Таким образом, имея файл изображения размером 200 Кбайт, мы можем скрыть в нем до 50 Кбайт произвольных данных так, что невооруженному глазу эти изменения не будут заметны.

Модификацией метода LSB являются алгоритмы стеганографии, разработанные для компрессированных мультимедиаданных. В частности, довольно популярен у разработчиков стеганографического программного обеспечения алгоритм сокрытия данных в изображениях формата JPEG. Поскольку преобразование картинки в JPEG происходит с потерей информации, закладывать стеганограмму в исходное изображение не имеет смысла, так как потом ее невозможно будет восстановить. Выход нашелся в самом алгоритме сжатия — не вдаваясь в подробности спецификации JPEG, скажем, что сжатие проходит здесь в три этапа: дискретно-косинусоидальное преобразование (ДКП), квантование и вторичное сжатие (кодирование Хаффмана), а третья стадия проходит без потери данных, поэтому в качестве контейнера используются коэффициенты ДКП после квантования, то есть пользовательской информацией замещаются младшие разряды этих коэффициентов. Такие возможности предоставляются практически всеми схемами сжатия с потерей информации, включая аудио- и видеоформаты.

Чем же объясняется лидерство метода LSB среди стеганографических алгоритмов? Во-первых, мультимедиаконтейнеры не вызывают подозрений: можно без проблем отправить другу свою фотографию или симпатичный пейзаж. Во-вторых, младшие биты оцифрованных изображений, звука или видео могут иметь различное распределение в зависимости от применявшихся параметров аналого-цифрового преобразования, от дополнительной компьютерной обработки и от прочих факторов. Эта особенность делает метод наименее значащих битов наиболее защищенным от обнаружения вложения. Наконец, в-третьих, реализации LSB для большинства стандартов файлов-контейнеров не требуют значительных затрат времени и сил — идея указанного метода проста, как все гениальное.

Обнаружение стеганограмм

ринцип действий, направленных на обнаружение стеганограмм, в общем виде не представляет собой ничего сложного. Для начала нужно найти все места возможных закладок инородной информации, которые допускает формат файла-контейнера. Далее требуется извлечь данные из этих мест и проанализировать их свойства на соответствие стандартным значениям. Для решения первой задачи достаточно внимательно изучить спецификации используемых форматов файлов, а вторая обычно решается методами статистического анализа. Например, если необходимо спрятать некий текстовый фрагмент, то такое послание будет содержать только символьную информацию: 52 знака латиницы, 66 знаков кириллицы, знаки препинания и некоторые служебные символы. Статистические характеристики такого сообщения будут резко отличаться от характеристик случайной последовательности байтов, которую должны напоминать младшие биты RGB-картинки, собранные вместе (для метода LSB).

Повышение надежности сокрытия данных и пресечение такового

сходя из способов анализа потенциальных контейнеров на предмет наличия в них тайных вложений, можно сформулировать несколько советов по повышению надежности сокрытия данных. Прежде всего нужно сделать трудным поиск участков файла-контейнера, содержащих фрагменты стеганограммы. Это вполне возможно реализовать с помощью метода LSB. С этой целью биты сообщения упаковываются не во все байты изображения подряд, а с пропусками, что усложняет анализ. В более серьезном варианте адреса байтов, содержащих вложение, будут рассчитываться некой функцией, которая в качестве аргумента будет получать, скажем, пароль пользователя.

Затем нужно приблизить статистические свойства сообщения к тому, что аналитик рассчитывает найти в неискаженном файле-контейнере. Если вы собираетесь использовать текстовые поля комментариев для передачи бинарных данных, то имеет смысл применить кодирование Base64 или аналогичное, чтобы двоичная последовательность была записана символьными знаками. Это хотя и не обманет профессионала, но позволит обойти некоторые программные фильтры.

Для метода наименее значащих битов требуется действовать наоборот — сделать сообщение максимально похожим на случайный набор битов. Для этого можно сжать стеганограмму одним из алгоритмов архивации, что сгладит статистические характеристики вложения, а кроме того, сделает его более компактным, чтобы упаковать в контейнер той же емкости больше пользовательских данных. Архивы очень напоминают равновероятные последовательности, но все же имеют свой служебный формат (заголовки, маркеры и пр.), поэтому для окончательного придания сообщению свойств случайного потока рекомендуется использовать алгоритм шифрования. При этом можно применить тот же пароль, что использовался для расчета адресов несущих байтов. Помимо повышения надежности стеганографического алгоритма, шифрование создает как бы второй рубеж защиты: даже если злоумышленник обнаружит ваши данные, он все равно не сможет расшифровать их, не зная пароля.

Относительно использования метода LSB можно дать еще несколько простых советов, которые позволят вам обойти стеганографический контроль:

• не следует использовать для хранения сообщения более трех битов каждого байта контейнера, а лучше ограничиться двумя, разбив большое сообщение на несколько мелких или подобрав более емкий файл-носитель. Кроме того, не стоит забивать контейнер пользовательскими данными «под завязку» — чем меньше будет доля важной информации в общем объеме передаваемого файла, тем сложнее обнаружить факт закладки. На практике обычно рекомендуют скрывать сообщения так, чтобы их размер составлял не более 10% размера контейнера;

• не рекомендуется использовать в стеганографических целях искусственно созданные изображения или фотографии, на которых присутствуют значительные участки однотонной заливки (например, голубое небо). Большое количество мелких пестрых деталей, наоборот, повысит надежность сокрытия;

• неудачным контейнером для вашего сообщения будут общедоступные, широко известные мультимедийные файлы, поскольку простое сравнение вашего файла с оригиналом сразу обнаружит стеганограмму. Для этих целей лучше использовать собственноручно сделанное цифровое изображение — с помощью цифрового фотоаппарата или сканера.

Стеганография предоставляет различные по сложности и надежности инструменты для тех, кто хочет сохранить свою переписку в тайне — можно воспользоваться одной из десятков готовых бесплатных или коммерческих программ, а можно реализовать описанные выше алгоритмы самостоятельно (такие решения подчас оказываются надежнее широко распространенных). А что же делать сотрудникам отделов информационной безопасности предприятий, в задачу которых как раз и входит пресечение тайной переписки сотрудников с целью предотвращения утечки конфиденциальной информации из компании? Для начала нужно попытать счастья (вдруг подготовка злоумышленника окажется слабоватой) и проверить самые доступные хранилища: поля-комментарии и поля расширений различных форматов файлов, чтобы убедиться, что в переписке не встречаются вложения с необоснованно большим объемом. Текстовые сообщения должны быть значимы, а бессмысленные фразы типа «наскоро актер тащит арбуз шестой армии» сразу должны привлекать внимание — они могут автоматически генерироваться специальными стеганографическими программами по словарям. Стеганограммы, упакованные методом LSB, обнаружить сложно, особенно если этот метод применяется грамотно. Выход из положения подсказывает сам принцип, легший в основу алгоритма наименее значащих битов: если изменение младших разрядов каждого байта мультимедиафайла не отражается на качестве изображения или звука, то можно со спокойной совестью заменить эти разряды нулевыми битами. Безобидную картинку мы таким образом не испортим, но несанкционированную передачу данных обязательно пресечем.

Примеры применения стеганографии

тобы теория стеганографии не показалась вам умозрительной, не имеющей никакого отношения к практике, приведем пример ее применения. Для демонстрации мы использовали одну из десятков бесплатных и условно-бесплатных программ, предоставляющих сервис стеганографического сокрытия информации и доступных для загрузки в Интернет. В качестве контейнера, согласно описанным выше правилам, была выбрана фотография в формате BMP 24-bit размером около 1 Мбайт, подобранная в личном фотоальбоме автора этой статьи по принципу отсутствия крупных однотонных заливок и наличия мелких деталей. Сообщением послужил случайный бинарный файл (некая динамическая библиотека) размером чуть более 100 Кбайт, что составило как раз примерно 10% от размера контейнера. Перед тем как вложение было упаковано в файл изображения, оно было автоматически зашифровано при помощи указанной программы с использованием алгоритма Blowfish. Итак, все требования безопасности соблюдены, и две картинки, в одной из которых десятая часть информации замещена произвольными данными, практически неразличимы — убедитесь сами (рис. 6).

Рис. 6. Справа — исходное изображение; слева — изображение с вложением

Кроме тайной пересылки и хранения информации, стеганография имеет еще одну область применения — это защита авторских прав. Поскольку к изображению, аудио- или видеофайлу можно добавить какое-либо сообщение таким образом, чтобы это не испортило впечатления от просмотра/прослушивания, и поскольку такое вложение практически невозможно обнаружить и изъять, то это сообщение можно использовать в качестве авторской подписи. Подобные «водяные знаки» помогут доказать, что, например, сделанная вами фотография была незаконно использована для оформления некоего известного Web-сайта. В настоящее время существует ряд программ, реализующих электронную подпись мультимедиаданных методами стеганографии, а также сканирующих Интернет с целью обнаружения работ, используемых без разрешения.

Вместо заключения

юбое замечательное изобретение в истории человечества — от колеса до пороха, от письменности до расщепления атома — использовалось как во благо, так и во вред обществу, и стеганография здесь не является исключением. Раньше эта область знаний была доступна лишь немногим, но с приходом «виртуальной эпохи», когда персональные компьютеры стоят почти на каждом столе, стеганография становится массовым товаром. И задача лояльного сотрудника — спрятаться от подозрительного взгляда начальника, а цель хорошего начальника — не позволить нечестному работнику продать секреты фирмы конкурентам. А наша с вами задача — помнить о многовековой истории стеганографии, знать ее методы и уметь применять их на благо себе и окружающим.

КомпьютерПресс 4'2004