Задания к лабам / 2 / ИТЗИлаб02

Московский государственный институт электронной техники

(технический университет)

Кафедра вычислительной техники

Дисциплина: «Инженерно-техническая защита информации»

(группы МП-33, 34)

Лабораторная работа №2

«Оценка уровня скрытности мультимедийных стеганографических каналов хранения и передачи информации»

Составил: доцент Тельминов О.А.

Цель работы: получение навыков стеганографического скрытия данных в файлах оцифрованных отсчетов *.wav и *.bmp и обнаружения факта их присутствия (в среде MATLAB).

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Ознакомьтесь со статьей «КОМПЬЮТЕРНАЯ СТЕГАНОГРАФИЯ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА. Технологии информационной безопасности 21 века» авторов Барсукова В.С., Романцова А.П. (прилагаемый файл или http://st.ess.ru/publications/articles/steganos/steganos.htm).

2. Ознакомьтесь со статьей «ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТЕГАНОГРАФИИ» автора О.В. Генне (прилагаемый файл или http://www.citforum.ru/internet/securities/stegano.shtml).

3. Организация стеганографических каналов хранения и передачи информации.

Таким образом, цель стеганографии – сокрытие факта существования секретного сообщения.

В настоящее время наиболее распространен метод, основанный на использовании избыточности мультимедийных каналов хранения и передачи защищаемой информации. На практике возникает вопрос об оценке уровня скрытности информации, которая является актуальной как для субъектов, её скрывающей, так и контролирующих органов.

Техническая реализация такого канала может быть выполнена в соответствии с рис. 1., где приведена блок-схема цифровой системы обработки звуковых сигналов, в которой используется АЦП (аналого-цифровой преобразователь) с импульсно-кодовой модуляцией (прилагаемый файл или http://edu.omgtu.omskelecom.ru/teach_resources/nets/PCM.htm).

n-разрядный АЦП обеспечивает уровней квантования амплитуды входного сигнала. При этом максимальная ошибка квантования составляет ½ уровня квантования. Шумы квантования не могут быть полностью устранены, поэтому использование шумовых битов для передачи дополнительной информации позволяет создавать скрытый канал.

Шумовые биты – младшие разряды отсчетов сигнала (Наименее Значимые Биты, Least Significant Bits) – несут наименьшее количество информации в отсчете и используются для скрываемой информации.

Однако изменение НЗБ влияет на статистические характеристики цифровых потоков, что дает возможность оценки уровня скрытия в созданных стеганографических каналах хранения и передачи информации.

Рис. 1. Блок-схема цифровой схемы обработки звуковых сигналов: ФНЧ – фильтр нижних частот; СЗО – схема запоминания отсчетов; СС – схема сравнения; РПА – регистр запоминания аппроксимаций; ЦАП цифроаналоговый преобразователь; ЦП – цифровой процессор

Статистический анализ в данном случае может быть проведен на основании следующих фактов:

1) неоднородность последовательностей отсчетов;

2) зависимость между битами в отсчетах;

3) зависимость между отсчетами;

4) неравновероятность условных распределений в последовательности отсчетов;

5) наличие длинных серий одинаковых битов;

6) корреляция между НЗБ и старшими битами.

Форматы представления некоторых мультимедиа-файлов в MATLAB

1. Звуковые wav-файлы

» y=wavread('notify.wav');

» size(y)

ans =

29823 2

» y(1:5,:)

ans =

1.0e-004 *

-0.3052 0

-0.6104 -0.9155

-0.3052 0.6104

-0.3052 0.3052

-0.3052 0

Таким образом, при чтении файла формируется матрица, число строк которой равно количеству отсчетов, число столбцов – числу каналов (2 – стерео).

Дополнительную информацию можно получить с помощью [Y,FS,NBITS,OPTS]=WAVREAD… Здесь FS – частота дискретизации (22 кГц), NBITS – разрядность отсчетов (16). В MATLAB диапазон представления отсчетов равен –1…+1.

2. BMP-файлы.

» [a b]=imread('1src.bmp');

2.1. Файлы с палитрой (256 цветов). В этом случае матрица a двумерна, ее размеры равны размеру изображения в пикселях. Каждый элемент – цвет из палитры b. В палитре содержатся RGB-составляющие.

» size(a)

ans =

600 800

» size(b)

ans =

256 3

2.2. Полноцветное представление. Матрица a содержит 3 цветовых составляющих RGB.

» size(a)

ans =

600 800 3

» size(b)

ans =

0 0

Оценка уровня скрытности по критерию хи-квадрат

Производится анализ 8-разрядных отсчетов путем сравнения 7-ми старших бит (Most Significant Bits – MSB) и младшего бита LSB для каждого отсчета. Диапазон представления чисел в MSB составляет 0…127, в LSB – 0…1.

Выражение для вычисления статистики независимости отсчетов хи-квадрат:

,

где – число наблюдений пары (i;j), , , m – число степеней свободы хи-квадрат (=127), n – объем выборки (количество обрабатываемых отсчетов).

В данном случае анализируется отношение «хи-квадрат для стего» к «хи-квадрат для исходного (без изменения LSB-части отсчетов) файла».

Оценка уровня скрытности по количеству переходов в потоке НЗБ

Производится вычисление количества переходов 00, 01, 10, 11 между соседними битами (для каждого из 8 разрядов по 4 характеристики) для исходного файла. Далее с ними сопоставляются 4 аналогичные характеристики НЗБ для стего.

Также производится сравнительный анализ для исходного файла и стего следующей статистики:

,

где – количество переходов в НЗБ из i в j.

Оценка уровня скрытности по группированию серий в потоке НЗБ

- серия – последовательность, состоящая из одинаковых битов вида , где ={0 или 1}, m = 1,2,…M.

Графическое представление – зависимость количества - серий от их длины в файле.

– коэффициент группирования - серий (Sср – среднее значение длины - серии).

– коэффициент скрытности стеганографического канала.

ЗАДАНИЕ

1. Напишите программу в среде MATLAB для чтения wav- и bmp-файлов.

2. Добавьте в 10%, 30%, 50% и 100% НЗБ исследуемого файла шумовую составляющую. Проведите сравнительный статистический анализ на предмет выявления факта наличия скрытой информации.

3. Запрограммируйте один-два известных Вам метода скрытия информации в стего. Исследуйте характеристики полученных файлов.

4. Запрограммируйте Метод незначимых преобразований форматов файлов (из прилагаемого файла Журнал Программист.htm) для палитровых (256-цветных) bmp. Внесите в отчет блок-схему метода.

5. Используйте StegoDos или Stegano for Windows для скрытия информации и исследуйте характеристики полученных файлов.

6. Сделайте конспект теоретической части и выводы по работе.

ОТЧЕТНОСТЬ

По факту защиты лабораторной работы выставляется зачет с оценкой. Срок защиты работы – во второй половине текущей или в начале следующей лабораторной работы. При несоблюдении сроков оценка снижается на 1-2 балла.

Для защиты необходимо:

• предъявить аккуратно оформленный и отформатированный отчет в электронном виде (*.rtf, *.doc), содержащий:

– титульный лист;

– требуемые в задании ответы на теоретические вопросы;

– результаты лабораторного моделирования с соответствующими математическими выражениями, пояснениями и графическими зависимостями;

– выводы по лабораторной работе.

• ответить на вопросы по теме лабораторной работы.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.С. Барсуков. Безопасность: технологии, средства, услуги. – М.: КУДИЦ. – ОБРАЗ, 2001. – 496 с.