Интерес к стеганографии появился в последнее десятилетие и вызван широким распространением мультимедийных технологий. Методы стеганографии позволяют не только скрытно передавать данные, но и решать задачи помехоустойчивой аутентификации, защиты информации от несанкционированного копирования, отслеживания распространения информации по сетям связи, поиска информации в мультимедийных базах данных.
Международные симпозиумы по скрытию данных проводятся с 1996 года, по стеганографии первый симпозиум состоялся в июле 2002 года. Стеганография – быстро и динамично развивающаяся наука, использующая методы и достижения криптографии, цифровой обработки сигналов, теории связи и информации.
На русском языке стеганографии было посвящено только несколько обзорных журнальных статей. Данная книга призвана восполнить существующий пробел. В ней обобщены самые последние результаты исследований зарубежных ученых. В книге рассмотрены как теоретические, так и практические аспекты стеганографии, выполнена классификация стегосистем и методов встраивания, детально исследованы вопросы повышения пропускной способности стегоканала, обеспечения стойкости и незаметности внедрения, приведено более 50 алгоритмов встраивания данных.
Книга предназначена для студентов, аспирантов, научных работников, изучающих вопросы защиты информации, а также для инженеров-проектировщиков средств защиты информации. Также несомненный интерес она вызовет у специалистов в области теории информации и цифровой обработки сигналов.
Содержание:
Введение 1
1. ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ СТЕГАНОГРАФИЮ 1
2. АТАКИ НА СТЕГОСИСТЕМЫ И ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ИМ 9
3. ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ СКРЫВАЕМОЙ ИНФОРМАЦИИ 14
4. ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ СТЕГАНОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ И УСЛОВИЯ ИХ ДОСТИЖЕНИЯ 37
5. СКРЫТИЕ ДАННЫХ В НЕПОДВИЖНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ 50
6. ОБЗОР СТЕГОАЛГОРИТМОВ ВСТРАИВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ИЗОБРАЖЕНИЯ 57
7. СКРЫТИЕ ДАННЫХ В АУДИОСИГНАЛАХ 63
8. СКРЫТИЕ ДАННЫХ В ВИДЕОПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯХ 66
Заключение 70
Литература 70
Грибунин В. Г., Оков И. Н., Туринцев И. В.
Цифровая стеганография
Введение
Задача защиты информации от несанкционированного доступа решалась во все времена на протяжении истории человечества. Уже в древнем мире выделилось два основных направления решения этой задачи, существующие и по сегодняшний день: криптография и стеганография. Целью криптографии является скрытие содержимого сообщений за счет их шифрования. В отличие от этого, при стеганографии скрывается сам факт существования тайного сообщения.
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 противников, при стеганографии же наличие скрытой связи остается незаметным.
Какие только стеганографические методы не использовали люди для защиты своих секретов! Известные примеры включают в себя использование покрытых воском дощечек, вареных яиц, спичечных коробков и даже головы раба (сообщение читалось после сбривания волос гонца). В прошлом веке широко использовались так называемые симпатические чернила, невидимые при обычных условиях. Скрытое сообщение размещали в определенные буквы невинных словосочетаний, передавали при помощи внесения в текст незначительных стилистических, орфографических или пунктуационных погрешностей. С изобретением фотографии появилась технология микрофотоснимков, успешно применяемая Германией во время мировых войн. Крапление карт шулерами - это тоже пример стеганографии.
Во время Второй мировой войны правительством США придавалось большое значение борьбе против тайных методов передачи информации. Были введены определенные ограничения на почтовые отправления. Так, не принимались письма и телеграммы, содержащие кроссворды, ходы шахматных партий, поручения о вручении цветов с указанием времени и их вида; у пересылаемых часов переводились стрелки. Был привлечен многочисленный отряд цензоров, которые занимались даже перефразированием телеграмм без изменения их смысла.
Скрытие информации перечисленными методами возможно лишь благодаря тому, что противнику неизвестен метод скрытия. Между тем, еще в 1883 году Кергофф писал о том, что система защиты информации должна обеспечивать свои функции даже при полной информированности противника о ее структуре и алгоритмах функционирования. Вся секретность системы защиты передаваемой сведений должна заключаться в ключе, то есть в предварительно (как правило) разделенном между адресатами фрагменте информации. Несмотря на то, что этот принцип известен уже более 100 лет, и сейчас встречаются разработки, пренебрегающие им. Конечно, они не могут применяться в серьезных целях.
Развитие средств вычислительной техники в последнее десятилетие дало новый толчок для развития компьютерной стеганографии. Появилось много новых областей применения. Сообщения встраивают теперь в цифровые данные, как правило, имеющие аналоговую природу. Это - речь, аудиозаписи, изображения, видео. Известны также предложения по встраивании информации в текстовые файлы и в исполняемые файлы программ.
Существуют два основных направления в компьютерной стеганографии: связанный с цифровой обработкой сигналов и не связанный. В последнем случае сообщения могут быть встроены в заголовки файлов, заголовки пакетов данных. Это направление имеет ограниченное применение в связи с относительной легкостью вскрытия и/или уничтожения скрытой информации. Большинство текущих исследований в области стеганографии так или иначе связаны с цифровой обработкой сигналов. Это позволяет говорить о цифровой стеганографии. Именно этой науке и посвящена книга.
Можно выделить две причины популярности исследований в области стеганографии в настоящее время: ограничение на использование криптосредств в ряде стран мира и появление проблемы защиты прав собственности на информацию, представленную в цифровом виде. Первая причина повлекла за собой большое количество исследований в духе классической стеганографии (то есть скрытия факта передачи информации), вторая - еще более многочисленные работы в области так называемых водяных знаков. Цифровой водяной знак (ЦВЗ) - специальная метка, незаметно внедряемая в изображение или другой сигнал с целью тем или иным образом контролировать его использование.
В книге рассмотрены оба направления современной цифровой стеганографии. В первой главе приводится специфическая для этой области терминология, дана классификация стегосистем, рассмотрена наиболее общая математическая модель стегосистемы и приведены некоторые практические соображения повстраиванию данных. Во второй главе кратко рассмотрены основные типы атак на стегосистемы скрытой передачи данных и ЦВЗ. Третья и четвертая главы дают представление о достижениях в информационно-теоретических исследованиях стеганографических методов встраивания данных. В последующих главах основной упор делается на проблемы цифровой обработки сигналов, возникающие при внедрении информации, и рассмотрено большое количество алгоритмов встраивания, предложенных за последние годы.
Таким образом, нам, как представляется, удалось выдержать "баланс" между теоретическим и практическим наполнением книги. В ходе работы над книгой мы отказались от первоначально имеющейся идеи написать главу, посвященную описанию открыто распространяющихся стеганографических продуктов. Это объясняется их доступностью, наличием в Сети большого количества сайтов, где Вы найдете всю необходимую информацию.
При написании книги работа была разделена между авторами следующим образом: В.Г. Грибуниным написаны введение, заключение, гл.1, 2, 5, п.4.5, 6.2.1, 6.4; И.Н. Оковым написаны гл.3, 4 (кроме п.4.5); И.В. Туринцев выполнил обзор методов внедрения информации в изображения, аудио и видеосигналы в пп.6.1, 6.2, гл.7, 8.
Пункт 3.1 написан совместно с Головачевым В.Ю., п.3.2 - совместно с Ковалевым Р.М., а п.5.1 - совместно с Коняевым А.В.
1. ВВЕДЕНИЕ В ЦИФРОВУЮ СТЕГАНОГРАФИЮ
1.1. Цифровая стеганография. Предмет, терминология, области применения
Цифровая стеганография как наука родилась буквально в последние годы. По нашему мнению она включает в себя следующие направления:
1) встраивание информации с целью ее скрытой передачи;
2) встраивание цифровых водяных знаков (ЦВЗ) (watermarking);
3) встраивание идентификационных номеров (fingerprinting);
4) встраивание заголовков (captioning).
ЦВЗ могут применяться, в основном, для защиты от копирования и несанкционированного использования. В связи с бурным развитием технологий мультимедиа остро встал вопрос защиты авторских прав и интеллектуальной собственности, представленной в цифровом виде. Примерами могут являться фотографии, аудио и видеозаписи и т. д. Преимущества, которые дают представление и передача сообщений в цифровом виде, могут оказаться перечеркнутыми легкостью, с которой возможно их воровство или модификация. Поэтому разрабатываются различные меры защиты информации, организационного и технического характера. Один из наиболее эффективных технических средств защиты мультимедийной информации и заключается во встраивании в защищаемый объект невидимых меток - ЦВЗ. Разработки в этой области ведут крупнейшие фирмы во всем мире. Так как методы ЦВЗ начали разрабатываться совершенно недавно (первой статьей на эту тему была, видимо, работа [1]), то здесь имеется много неясных проблем, требующих своего разрешения.
Название этот метод получил от всем известного способа защиты ценных бумаг, в том числе и денег, от подделки. Термин "digital watermarking" был впервые применен в работе [2]. В отличие от обычных водяных знаков ЦВЗ могут быть не только видимыми, но и (как правило) невидимыми. Невидимые ЦВЗ анализируются специальным декодером, который выносит решение об их корректности. ЦВЗ могут содержать некоторый аутентичный код, информацию о собственнике, либо какую-нибудь управляющую информацию. Наиболее подходящими объектами защиты при помощи ЦВЗ являются неподвижные изображения, файлы аудио и видеоданных.
Технология встраивания идентификационных номеров производителей имеет много общего с технологией ЦВЗ. Отличие заключается в том, что в первом случае каждая защищенная копия имеет свой уникальный встраиваемый номер (отсюда и название - дословно "отпечатки пальцев"). Этот идентификационный номер позволяет производителю отслеживать дальнейшую судьбу своего детища: не занялся ли кто-нибудь из покупателей незаконным тиражированием. Если да, то "отпечатки пальцев" быстро укажут на виновного.
Встраивание заголовков (невидимое) может применяться, например, для подписи медицинских снимков, нанесения легенды на карту и т. д. Целью является хранение разнородно представленной информации в едином целом. Это, пожалуй, единственное приложение стеганографии, где в явном виде отсутствует потенциальный нарушитель.
Так как цифровая стеганография является молодой наукой, то ее терминология не до конца устоялась. Основные понятия стеганографии были согласованы на первой международной конференции по скрытию данных [3]. Тем не менее, даже само понятие "стеганография" трактуется различно. Так, некоторые исследователи понимают под стеганографией только скрытую передачу информации. Другие относят к стеганографии такие приложения как, например, метеорную радиосвязь, радиосвязь с псевдослучайной перестройкой радиочастоты, широкополосную радиосвязь. На наш взгляд, неформальное определение того, что такое цифровая стеганография, могло бы выглядеть следующим образом: "наука о незаметном и надежном скрытии одних битовых последовательностей в других, имеющих аналоговую природу". Под это определение как раз подпадают все четыре вышеприведенных направления скрытия данных, а приложения радиосвязи - нет. Кроме того, в определении содержится два главных требования к стеганографическому преобразованию: незаметность и надежность, или устойчивость к различного рода искажениям. Упоминание об аналоговой природе цифровых данных подчеркивает тот факт, что встраивание информации выполняется в оцифрованные непрерывные сигналы. Таким образом, в рамках цифровой стеганографии не рассматриваются вопросы внедрения данных в заголовки IP-пакетов и файлов различных форматов, в текстовые сообщения.
Как бы ни были различны направления стеганографии, предъявляемые ими требования во многом совпадают, как это будет показано далее. Наиболее существенное отличие постановки задачи скрытой передачи данных от постановки задачи встраивания ЦВЗ состоит в том, что в первом случае нарушитель должен обнаружить скрытое сообщение, тогда как во втором случае о его существовании все знают. Более того, у нарушителя на законных основаниях может иметься устройство обнаружения ЦВЗ (например, в составе DVD-проигрывателя).
Слово "незаметном" в нашем определении цифровой стеганографии подразумевает обязательное включение человека в систему стеганографической передачи данных. Человек здесь может рассматриваться как дополнительный приемник данных, предъявляющий к системе передачи достаточно трудно формализуемые требования.
Задачу встраивания и выделения сообщений из другой информации выполняет стегосистема. Стегосистема состоит из следующих основных элементов, представленных на рис. 1.1:
Рис. 1.1. Структурная схема типичной стегосистемы ЦВЗ
- прекодер - устройство, предназначенное для преобразования скрываемого сообщения к виду, удобному для встраивания в сигнал-контейнер. (Контейнером называется информационная последовательность, в которой прячется сообщение);
- стегокодер - устройство, предназначенное для осуществления вложения скрытого сообщения в другие данные с учетом их модели;
- устройство выделения встроенного сообщения;
- стегодетектор - устройство, предназначенное для определения наличия стегосообщения;
- декодер - устройство, восстанавливающее скрытое сообщение. Этот узел может отсутствовать, как будет пояснено далее.
Данные, содержащие скрытое сообщение, могут подвергаться преднамеренным атакам или случайным помехам, описание которых приведено в главе 3.
Как показано на рис. 1.1, в стегосистеме происходит объединение двух типов информации так, чтобы они могли быть различимы двумя принципиально разными детекторами. В качестве одного из детекторов выступает система выделения ЦВЗ, в качестве другого - человек.
Прежде, чем осуществить вложение ЦВЗ в контейнер, ЦВЗ должен быть преобразован к некоторому подходящему виду. Например, если в качестве контейнера выступает изображение, то и последовательность ЦВЗ зачастую представляется как двумерный массив бит. Для того, чтобы повысить устойчивость ЦВЗ к искажениям нередко выполняют его помехоустойчивое кодирование, либо применяют широкополосные сигналы. Первоначальную обработку скрытого сообщения выполняет показанный на рис. 1.1 прекодер. В качестве важнейшей предварительной обработки ЦВЗ (а также и контейнера) назовем вычисление его обобщенного преобразования Фурье. Это позволяет осуществить встраивание ЦВЗ в спектральной области, что значительно повышает его устойчивость к искажениям. Предварительная обработка часто выполняется с использованием ключа K для повышения секретности встраивания. Далее ЦВЗ "вкладывается" в контейнер, например, путем модификации младших значащих бит коэффициентов. Этот процесс возможен благодаря особенностям системы восприятия человека. Хорошо известно, что изображения обладают большой психовизуальной избыточностью. Глаз человека подобен низкочастотному фильтру, пропускающему мелкие детали. Особенно незаметны искажения в высокочастотной области изображений. Эти особенности человеческого зрения используются, например, при разработке алгоритмов сжатия изображений и видео.
Процесс внедрения ЦВЗ также должен учитывать свойства системы восприятия человека. Стеганография использует имеющуюся в сигналах психовизуальную избыточность, но другим, чем при сжатии данных образом. Приведем простой пример. Рассмотрим полутоновое изображение с 256 градациями серого, то есть с удельной скоростью кодирования 8 бит/пиксел. Хорошо известно, что глаз человека не способен заметить изменение младшего значащего бита. Еще в 1989 году был получен патент на способ скрытого вложения информации в изображение путем модификации младшего значащего бита. В данном случае детектор стего анализирует только значение этого бита для каждого пиксела, а глаз человека, напротив, воспринимает только старшие 7 бит. Данный метод прост в реализации и эффективен, но не удовлетворяет некоторым важным требованиям к ЦВЗ, как будет показано далее.
В большинстве стегосистем для внедрения и выделения ЦВЗ используется ключ. Ключ может быть предназначен для узкого круга лиц или же быть общедоступным. Например, ключ должен содержаться во всех DVD-плейерах, чтобы они могли прочесть содержащиеся на дисках ЦВЗ. Иногда по аналогии с криптографией стегосистемы делят на два класса: с открытым ключом и с секретным ключом. На наш взгляд, аналогия неверна, так как понятие открытого ключа в данном случае в корне различно. Правильным выражением было бы "общедоступный ключ", причем ключ встраивания совпадает с ключом выделения. Не существует, насколько известно, стегосистемы, в которой бы при выделении ЦВЗ требовалась другая информация, чем при его вложении. Хотя и не доказана гипотеза о невозможности существования подобной системы. В системе с общедоступным ключом достаточно сложно противостоять возможным атакам со стороны злоумышленников. В самом деле, в данном случае нарушителю точно известен ключ и месторасположение ЦВЗ, а также его значение.