Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине Технологии стеганографии в системах инфокоммуникаций

План УМД на 2015/16 уч. г.

Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине

ФОКОММУНИКАЦИЙ

Составители: О.И.Шелухин, д.т.н., профессор (МТУСИ) Т.Б.К.БенРежеб (МТУСИ)

Рецензент: С.С.Звежинский, д.т.н., профессор (МТУСИ)

Рекомендовано к изданию кафедрой ИБиА Протокол № Х от ХХ.ХХ.2014 г.

2

3

Введение. Цели и задачи курсовой работы

На сегодняшний день существует два основных метода обеспечения конфиденциальности информации в распределенных автоматизированных системах обработки информации и управления: криптография и стеганография

(рис. 1).

Криптография (или шифрование) может быть определена как секретная запись. Основная ее функция - это передача информации (в нечитаемой форме) между двумя сторонами и предотвращение ее чтения третьей стороной.

Стеганография (тайнопись) предполагает, что передаваемый текст "растворяется" в сообщении большего размера с совершенно "посторонним" смыслом. Поэтому в последнее время возможность сокрыть дополнительную информацию в передаваемых файлах стали использовать для защиты передаваемых данных от незаконного копирования.

Рис.1. Основные методы обеспечения конфиденциальности передачиинформации

Такая задача стала особенно актуальной в связи с быстрым развитием глобальных компьютерных сетей, по которым передается огромное количество информации без разрешения авторов на ее копирование и распространение. Стеганография - это древнее искусство внедрения частных сообщений путем скрытия в безвредных на вид сообщениях таким образом, что третья сторона не подозревает о факте существования какой-либо скрытой информации.

4

Целью компьютерной стеганографии является реализация метода информационного обмена конфиденциальными сообщениями по открытым телекоммуникационным каналам, когда скрывается сам фактсуществования конфиденциальной связи между респондентами, при условии обеспечения высокого качества стегоконтейнера, содержащего скрываемые данные во избежание его анализа и "взлома" посторонними лицами.

Целью курсовой работы является изучение основных теоретических принципов, а также методов компьютерной стеганографии с криптографическим закрытием передаваемых сообщений.

Задачами курсовой работы являются экспериментальные исследования основных характеристик компьютерной стегосистемы, реализующей криптографическое закрытие информации.

1.Основные теоретические положения компьютерной стеганографии

1.1.Структура стеганографической системы

Пример структуры стеганографической системы приведен на рис.2. Стеганографическая система состоит из контейнера или стегоконтейнера (U), встраиваемого сообщения (I), стегосистемы кодирования и стегосистемы декодирования. С помощью стегосистемы кодирования встраиваемое сообщение скрывается в контейнере, формируя стегообъект (S).

Рис. 2. Структура стеганографической системы

Стегообъект передается по каналу связи и в стегосистеме декодирования из него извлекается встроенное сообщение.

Таким образом, стеганографический процесс может быть отображен в виде функции от 2-х параметров, т.е.S =f(U,l).

5

Также для повышения надежности передаваемого сообщения передающая и принимающая стороны могут использовать дополнительный ключ (К).

1.2. Требования к стеганографической системе

Для того чтобы стегоконтейнер мог быть применен в процессе сокрытия информации, в независимости от его типа, он должен отвечать следующим требованиям:

изменение определенного числа информационных бит в его структуре не должно привести к значительным потерям его качества;

скрытая в нем конфиденциальная информация должна остаться невредимой в результате фильтрации, конвертирования, кодирования, сжатия, печати, сканирования, дискретизации, цифро-аналогового преобразования, аналого-цифрового преобразования и других классических испытаний.

Последнее требование можно отнести в основном к группе требований по защите скрытой информации от несанкционированного доступа. Оно, как правило, является обязательным для систем "цифровых водяных знаков" - одного из наиболее перспективных направлений развития стеганографии в области защиты целостности аудиовидеоинформации. Однако для обеспечения основной задачи стеганографии необходимо и достаточно выполнение только первого из перечисленных выше требований.

С другой стороны, стеганографический метод должен обеспечить сокрытие передаваемых конфиденциальных данных таким образом, чтобы изменение информационных бит в стегоконтейнере не приводило к особым потерям его качества. В противном случае считается, что задача стеганографии не выполнена.

Известно, что существующая обратная зависимость между количеством скрываемой информации и качеством стегоконтейнера математически доказана только для некоторых систем сокрытия данных, практика показала, что эта взаимосвязь действительна для всех систем. Поэтому существенные искажения стегоконтейнера во время сокрытия в нем конфиденциальной информации можно избежать путем уменьшения количества скрываемых данных.

Таким образом, к стеганографическим системам предъявляются следующие требования:

6

1.Высокое качество стегоконтейнера;

2.Максимально возможное количество скрываемых данных;

3.Высокая скорость сокрытия информации;

4.Возможность их применения для графических файлов других форматов;

5.Возможность внедрения дополнительных средств защиты скрываемой информации (например, шифрование, пропуск малозначащих бит и т.д.).

2.Классификация файловых форматов, используемых в стеганографии

Компьютерная стеганография опирается на возможности новых файловых форматов, способных хранить внутри себя дополнительные конфиденциальные данные. В соответствии с этим число стеганографических методов также растет, а их эффективность расширяется.

Теоретически данные могут быть сокрыты в файлах различных форматов, однако практика показывает, что только некоторые из них способны хранить дополнительную сокрытую информацию с возможностью ее восстановления. Такие файлы можно разделить на три группы (рис. 3).

Тип файлов

Рис. 3. Типы файлов, используемых в стеганографии

2.1. Форматы текстовых файлов

Текстовым файлом называется файл, который содержит внутри себя текст. В качестве синонима также используется и термин ASCII файл, файл в котором символы представлены в виде ASCII кодов. В ASCII файле каждый байт отображает один символ в соответствии с кодами ASCII.

В таблице 1.1 приведены наиболее известные на сегодняшний день текстовые форматы вместе с их короткими описаниями.

Таблица 1.1. Наиболее известные текстовые форматы

7

Применение текстовых файлов в системе стеганографии ограничено тем, что их способность передавать встроенные сообщения без потерь качества стегоконтейнера очень низка. Дело в том, что человеческий глаз очень легко обнаруживает искажения передаваемого текста. Более того, современные текстовые редакторы своими возможностями могут, в принципе, уничтожить любые встроенные сообщения в источнике. Несмотря на это, существуют стеганографические методы, которые часто применяют для внедрения дополнительной информации в текстовые файлы. Однако обеспечиваемый этими методами объем скрываемой информации невелик.

2.2. Форматы аудио данных

Звуки, которые компьютер может воспроизвести, являются оцифрованными, т.е. волны, создающие звук, передаются конвертору, а потом сохраняются в виде последовательности бит. Звук может быть получен с разных устройств, например от микрофона или проигрывателя дисков.

Звуковые, или аудио файлы бывают двух типов:

синтезированный звук — звуки воспроизведены с помощью интерфейса цифрового музыкального инструмента (MIDI) и звуковой карты. Файл MIDI состоит из простых команд, а это означает, что сами звуковые данные не хранятся в файле, там содержится только информация о том, как воспроизвести их. Следовательно, размер файлов MIDI намного меньше, чем у обычных звуковых файлов. Особенностью таких файлов

8

является их программная реализация для воспроизведения голоса или звуковых эффектов;

звуковые данные — это цифровые записи аналогового сигнала, представленные как отчеты акустического сигнала волн, захваченных в фиксированные моменты времени. Чем больше количество таких отчетов и количество бит, использованных для их отображения, тем лучше качество звука и больше размер файла. Частота дискретизации сигнала принимает, как правило, следующие значения: 11, 22 и 44 КГц. Количество применяемых бит для отображения образцов, может быть равным 8, 16 или 32.

Применяемые для аудио файлов методы сокрытия конфиденциальных данных используют, как правило, особенности Человеческого Слухового Аппарата (ЧСА). К примеру, для ЧСА высоко-тональные звуки перекрывают низкотональные звуки, следовательно, некоторые искажения, присутствующие в последних, могут быть игнорированы. Однако самыми распространенными методами сокрытия информации в аудио файлах остаются методы, основанные на добавлении шума в звук путем изменения младших бит рандомизации. Аналогом таких методов является метод LSB (LeastSignificantBits или малозначащие биты), применяемый для сокрытия данных в изображениях.

2.3. Графические форматы

Во внешней памяти ЭВМ изображения хранятся в виде файлов. Такой файл может иметь разные форматы, но, как правило, в нем хранится информация о каждом пикселе (цвет, яркость и т.д.). В совокупности, информация обо всех пикселях хранится в массиве. Если это цветовое изображение, то данный массив будет содержать информацию о каждом цвете пикселя в отдельности. Обычно цветовые цифровые изображения характеризуют как 24битные – это изображения, у которых цвет пикселя определяется одним байтом для каждой из трех цветовых компонент R, Gи В, или 8 битовые (вся палитра состоит из 256 цветов). Качество первых картин намного лучше (их и называют "естественными"), так как количество всех возможных цветов равно 224.

Файлы, в которых хранятся изображения, бывают разных форматов. Хотя каждый файл отображает изображение на основе определенной информации о нем, они отличаются между собой, и каждый из них имеет свои собственные характеристики, преимущества и недостатки. Ниже приведены основные критерии, по которым различают файловые форматы изображений.

9

1) Тип изображения.

Любое изображение может быть представлено в одном из двух видов: в векторной форме (векторные изображения) или на основе битовой карты (растровые изображения).

Ввекторном файле изображение формируется на основе специальных геометрических формул и наборов линий, треугольников, многоугольников и других графических примитивов. Основным преимуществом векторной графики является масштабирование, так как размеры изображения изменяются путем варьирования параметров формул. Недостаток векторной графики состоит в том, что, применяя существующее программное обеспечение, нельзя получить реалистических представлений высокого качества.

Вотличие от векторной графики, растровые изображения, построенные на основе матрицы элементов и информации о характеристиках каждого из них, способны отображать до 2 цветов, откуда и следует их высокое качество.

2)Цветовая разрешающая способность.

Изображение на мониторе компьютера состоит из большого количества точек, каждая из которых представляет определенный цвет. Эти точки называют пикселями. Для стандартного монитора ПК, у которого количество строк на экране равно 480 линиям, каждая из которых содержит по 640 пикселей, суммарное количество пикселей монитора равно 307 200. При записи изображения цвет каждого пикселя сохранится отдельно в цифровом виде. Таким образом, параметр бит/пиксель показывает, сколько бит нужно для того, чтобы отобразить цвет одного пикселя. Если, например, этот параметр равен единице, то возможное число цветов равно двум: черный и белый цвета; если же этот параметр равен четырем, то имеем всего 16 цветов и так далее. Соответственно, чем больше бит формируют цвет пикселя, тем качественнее само изображение и тем больше размер файла, в котором хранится это изображение.

При этом параметр бит/пиксель носит название "насыщенность цвета" или "глубина цвета".

В зависимости от количества информации, характеризующей каждый пиксель, изображения бывают следующих типов:

монохроматические изображения, в которых цвет каждого пикселя формируется одним битом. Нулевое значение этого бита означает черный цвет, а единица - белый. Так как разрешение изображения очень маленькое, размер файла небольшой;

10