Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Стеганографические методы защиты информации. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТРАНСПОРТА (МИИТ)»
ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
(ИТТСУ)
Кафедра «Управление и защита информации»
А.В. Изычева, В.Г. Сидоренко
Стеганографические методы защиты информации
Учебное пособие
для студентов
специальности 10.05.01 «Компьютерная безопасность»
Москва – 2017
УДК 004
И-39
Изычева А.В., Сидоренко В.Г. Стеганографические методы защиты
информации: Учебное пособие. – М.: РУТ (МИИТ). 2017. – 76 с.
Вопрос защиты цифровой информации как никогда актуален в настоящее
время развития информационных систем и мультимедийных технологий.
Данное учебное пособие содержит основополагающие положения по
стеганографической защиты информации, обеспечивающей защиту
передаваемой информации от несанкционированного доступа и сокрытие факта
ее передачи.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
специальности 10.05.01 «Компьютерная безопасность», по направлению
27.03.04 «Управление в технических системах».
Рецензенты:
д.т.н. Самарин Ю.Н. (Московский политехнический университет)
к.т.н. Желенков Б.В. РУТ (МИИТ)
© РУТ (МИИТ), 2017
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4
1 Постановка задачи стеганографической защиты информации ....................... 5
2 Структурная схема системы стеганографической защиты информации ....... 7
3.Анализ угроз и оценка устойчивости системы стеганографической защиты
информации.............................................................................................................. 9
4 Методы стеганографии ...................................................................................... 18
4.1 Классификация методов стеганографии .................................................... 18
4.2. Методы программного комплекса с использованием графического
контейнера........................................................................................................... 29
4.3 Методы программного комплекса с использованием аудио контейнера43
4.4 Методы программного комплекса с использованием текстового
контейнера........................................................................................................... 48
4.5 Анализ результатов программной реализации стеганографических
методов защиты информации ........................................................................... 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 53
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................. 54
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программный код метода Куттера-Джордана-Боссена .. 56
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программный код метода кодирования наименее значащих
бит ........................................................................................................................... 60
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Программный код метода фазового кодирования ........... 66
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Программный код метода изменения интервала между
предложениями ...................................................................................................... 71
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Программный код метода изменения количества пробелов в
конце текстовых строк .......................................................................................... 74
3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время активного развития информационных систем и
мультимедийных технологий вопрос защиты информации, представленной в
цифровом виде, является как никогда актуальным.
Разработка различных методов и мер по защите информации ведется с
древнейших времен. Среди них можно выделить два основных направления –
криптография и стеганография.
Криптография обеспечивает сокрытие содержимого сообщений за счет их
шифрования, а стеганография – сокрытие самого факта существования
секретных данных при их передаче, хранении или обработке.
Слово «стеганография» имеет греческие корни и буквально означает
«тайнопись». Исторически это направление появилось первым, но затем во
многом было вытеснено криптографией. Тайнопись осуществляется самыми
различными способами. Общей чертой этих способов является то, что
скрываемое сообщение встраивается в некоторый безобидный, не
привлекающий внимание объект. Затем этот объект открыто транспортируется
адресату. При криптографии наличие шифрованного сообщения само по себе
привлекает внимание злоумышленников, при стеганографии же наличие
скрытой связи остается незаметным.
Интерес к стеганографии возродился в последние 15 лет, что объясняется
широким распространением мультимедийных технологий и появлением новых
типов каналов связи. Два этих фактора в совокупности способствовали
возникновению новых стеганографических методов, основанных на
особенностях представления информации в компьютерных файлах и
вычислительных сетях. Данное направление в сфере защиты информации было
названо компьютерной стеганографией.
Целью данного учебного пособия является изложение предметной
области стеганографической защиты информации и методов встраивания
секретной информации в графические, аудио и текстовые файлы и их
алгоритмов.
4
1 Постановка задачи стеганографической защиты информации
Цифровая стеганография, как отдельная наука, выделилась не так давно,
поэтому сформировавшейся терминологии не имеет. Основные понятия
стеганографии были сформированы на 1-ой Международной конференции по
скрытию данных в 1996г. Несмотря на это, даже само слово «стеганография» не
имеет точного определения.
Мы будем использовать следующую формулировку: «Цифровая
стеганография – это наука о незаметном и надежном сокрытии одних битовых
последовательностей в других, имеющих аналоговую природу» [1]. В ней
указаны два обязательных требования к стеганографическим преобразованиям:
незаметность (подразумевает обязательное включение человека в систему
стегонаграфической передачи данных) и надежность (устойчивость к
искажениям различного рода), так же упоминается аналоговая структура
цифровых данных (встраивание производится в оцифрованный непрерывный
сигнал).
Таким образом, стеганографическая система (стеганосистема) – это
совокупность средств и методов, необходимых для формирования скрытого
канала передачи информации. При ее построении нужно учитывать следующие
положения [1]:
приемлемая вычислительная сложность реализации стеганосистемы;
обеспечение необходимой пропускной способности;
обеспечение аутентичности и целостности секретной информации для
авторизованного лица;
потенциальному нарушителю известно все о стеганосистеме и ее
реализации, кроме ключа.
если факт существования скрытого сообщения становится известным
нарушителю, то извлечь его должно быть невозможно, пока ключ не известен;
нарушитель должен быть лишен любых преимуществ в распознании
или раскрытии содержания секретных сообщений.
Основными задачами стеганографии можно считать: разработку новых и
совершенствование имеющихся стеганографических методов и способов
защиты информации и создание на их основе высокоэффективных
стеганографических систем безопасного хранения и передачи информации. [2]
Основными направлениями цифровой стеганографии считаются [1, 3]:
скрытая передача данных;
ЦВЗ (цифровые водяные знаки);
5
встраивание идентификационных номеров;
встраивание заголовков.
В настоящий момент цифровая стеганография имеет следующее
практическое применение [3, 4]:
защита авторских прав;
незаметная передача информации;
скрытое хранение информации;
недекларированное хранение информации;
защита исключительного права;
защита подлинности документа;
индивидуальный отпечаток в системе электронного документооборота
(СЭДО);
скрытая передача управляющего сигнала;
защита конфиденциальной информации от НСД;
преодоление систем мониторинга и управления сетевыми ресурсами;
создание скрытых от законного пользователя каналов утечки
информации;
«камуфлирование» ПО;
и т.п.
6
2 Структурная схема системы стеганографической защиты
Mm
n21
,...,, mmmM
Сс
q21
,...,, сссС
информации
Стеганосистему в общем случае можно рассматривать как систему связи.
На Рисунке 1приведена обобщенная структурная схема стеганографической
системы.
Рисунок 1 – Структурная схема стеганографической системы
Рассмотрим основные понятия, используемые в стеганосистемах[1,5].
Сообщение
– секретная информация, наличие которой необходимо
скрыть. Всевозможные сообщения объединяются в пространство сообщений
.
Контейнер
– несекретная информация, которую используют для
сокрытия сообщений. Всевозможные контейнеры объединяются в пространство
контейнеров
.
Контейнеры бывают пустыми (не содержит скрытой информации) и
заполненными (содержит скрытую информацию m(cm)). Заполненный
контейнер не должен визуально отличаться от пустого контейнера.
Сообщением и контейнером могут быть как текст, так и файлы
мультимедиа.
Ключ k – секретная информация, известная только законному
пользователю, которая определяет конкретный вид алгоритма сокрытия. Так же
как и в криптографии, тип ключа зависит от выбранного типа стеганосистемы:
7
с секретным ключом,
BKBMЕ :
MKBD :
km
bkbmE
.
,,
mkbD
km,,
Mm
Bbb
km,
,
Kk
KBMDES ,,,,
с открытым ключом,
бесключевая,
смешанная.
Стеганографический алгоритм – два преобразования: прямое
, сопоставляющее тройке (сообщение, пустой контейнер, ключ)
заполненный контейнер, и обратное
, сопоставляющее паре
(заполненный контейнер, ключ) исходное сообщение, при этом
,
, где
;
;
.
Любое стсганографичсское преобразование базируется на следующих
принципах [1]:
пустым контейнером должен быть объект, структура которого
допускает изменения его собственной информации, не изменяя при этом
функциональность объекта;
уровень внесенных изменений должен быть ниже уровня
чувствительности средств распознания.
Учитывая вышеуказанные определения, можно предложить следующее
определение. Стеганосистема – совокупность сообщений, секретных ключей,
контейнеров и связывающих их преобразований
.
Рассмотрим устройства, указанные на Рисунке 1.
Прекодер – выполняет начальную обработку скрываемой информации,
преобразовывая ее для удобного встраивания в контейнер, используя ключ для
увеличения секретности.
Стеганокодер – выполняет упаковку сообщения в контейнер, с учетом
выбранного алгоритма встраивания и типа стеганосистемы.
Стеганоканал – канал передачи заполненного контейнера (канал как и
получатель – наиболее обобщенный случай, так как заполненный контейнер
может, например, храниться у отправителя, который хочет ограничить
неавторизованный доступ, тогда отправитель это и есть получатель). В
стеганоканале контейнер может подвергаться умышленным или случайным
атакам.
Стеганодетектор – определяет наличие в контейнере скрытых данных.
Контейнер может быть изменен, например, влиянием ошибок в канале связи,
операциями обработки сигнала, намеренных атак нарушителей.
Стеганодекодер – восстанавливает скрытое сообщение.
8
3.Анализ угроз и оценка устойчивости системы
стеганографической защиты информации
Для каждой из задач цифровой стеганографии необходимо определенное
соотношение устойчивости скрытого сообщения к внешним влияниям и
размера скрытого сообщения.
В большинстве случаев имеет место зависимость надежности системы от
объема встраиваемого сообщения, представленная на Рисунке 2.
Рисунок 2 – Взаимосвязь между надежностью стеганосистемы и объемом
встраиваемого сообщения при неизменном размере контейнера
Таким образом, в зависимости от выбранных целей, можно определить
необходимое соотношение надежности и объема встраиваемого сообщения в
стеганосистеме, что приводит к использованию разных методов стеганографии.
Также необходимо рассмотреть процесс стеганоанализа – оценки
перехваченного контейнера на предмет наличия в нем скрытого сообщения.
Встраивание скрываемого сообщения приводит к изменению свойств
контейнера (ухудшение характеристик, несвойственные значения), что может
выглядеть как «подпись», указывая на встроенное сообщение, а это приводит к
тому, что основная идея стеганографии скрытие факта существования
секретной информации - не будет выполненной.
Основная цель стеганоанализа – моделирование стеганографических
систем и их исследование для получения качественных и количественных
оценок надежности использования стеганопреобразования, а также построение
методов выявления скрываемой в контейнере информации, ее модификации
или разрушения.[4]
Стеганосистемы делятся по уровню обеспечения секретности на
теоретически устойчивые, практически устойчивые и неустойчивые
системы.[6]
9
Теоретически устойчивая (абсолютно надежная) стеганосистема скрывает
информацию только в тех фрагментах контейнера, значение элементов которых
не превышает уровень шумов или ошибок квантования, и при этом
теоретически доказано, что невозможно создать стеганоаналитический метод
выявления скрытой информации (Рисунок 3.1, а).
Практически устойчивая стеганосистема так изменяет фрагменты
контейнера, что их можно выявить, но при этом известно, что на данный
момент необходимые стеганоаналитические методы у нарушителя отсутствуют
или пока что не разработаны (Рисунок 3.1, б).
Неустойчивая стеганосистема скрывает информацию таким образом, что
существующими стеганоаналитическими средствами ее можно выявить
(Рисунок 3.1, в). Тогда стеганографический анализ обнаруживает уязвимые
места стеганографического преобразования и улучшает его так, чтобы все
изменения, внесенные в контейнер, оказались бы в области теоретической или,
по крайней мере, практической неразличимости (Рисунок 3.1, а, 6).
Рисунок 3 – Соотношение методов стеганозащиты и стеганоанализа: а -
теоретически устойчивая стеганосистема;
б - практически устойчивая стеганосистема;
в - неустойчивая стеганосистема
Нарушитель может быть:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]