Інформаційні технології Лабораторна робота №5 Інформаційні технології стеганографії. Стеганографічні програмні засоби МЕТА Р ОБОТИ – ознайомитися з поняттям цифрової стеганографії, її основними напрямками та інформаційними технологіями приховування інформації; навчитися використовувати стеганографічні програмні засоби для приховування та відтворення інформації. 1. ОСНОВНІ ВІДОМОСТІ 1.1. Цифрова стеганографія та сфери її застосування Задача захисту інформації від несанкціонованого доступу розв'язув алася протягом усієї історії людства. В же в стародавньому світі виділилося два основні напрями рішення цієї задачі, існуючі і по сьогоднішній день: криптографія і стеганографія. Метою криптографії є приховування вмісту повідомлень завдяки їх шифруванню. Н а відміну від цього, при стеганографії приховується сам факт існування таємного повідомлення. Слово «стеганографія» має грецьк е походження і буквально означає «тайнопис». Історично цей напрям з'явився першим, але потім був витіснений криптографією. Тайнопис здійснюється самими різними способами. Загальною особливістю цих способів є те, що приховуване повідомлення вбудовується в деякий звичайний, не привертаючий увагу об'єкт. Потім цей об'єкт відкрито транспортується адресату. У криптографії шифрован е повідомлення саме собою привертає увагу зацікавлених сторін, при стеганографії наявність прихованого зв'язку залишається непомітною. В різні періоди історії для приховування інформації застосовувалися найрізноманітніші методи. В минулому столітті широко використо вувалося так зване симпатичне чорнило, невидиме за звичайних умов. Приховане повідомлення розміщували в певні букви словосполучень, передавали за допомогою внесення в текст незначних стилістичних, орфографічних або пунктуаційних неточностей. З винаходом фо тографії з'явилася технологія мікрофотознімків. Розвиток засобів обчислювальної техніки дав новий поштовх для застосування комп'ютерної стеганографії. Повідомлення, що мають, як правило, аналогову природу вбудовуються у цифрові дані (мова, аудіозаписи, зображення, відео, тощо). Відомі також пропозиції щодо вбудовування інформації у текстові файли та виконувані файли програм. Існують два основні напрями в комп'ютерній стеганографії: пов'язані з цифровою обробкою сигналів і не пов'язані з нею. В останньому ви падку повідомлення можуть бути вбудовані в заголовки файлів, заголовки пакетів даних. Цей напрям має обмежене застосування у зв'язку з відносною легкістю розкриття та /або знищення прихованої інформації. Більшість сучасних досліджень в області стеганографії так чи інакше пов'язана з цифровою обробкою сигналів. Це дає підставу використовувати поняття цифрової стеганографії. Цифрова стеганографія включає такі напрями:  вбудовування інформації з метою її прихованої передачі;  вбудовування цифрових водяних знаків (ЦВЗ) (watermarking);  вбудовування ідентифікаційних номерів (fingerprinting);  вбудовування заголовків (captioning). ЦВЗ можуть застосовуватися, в основному, для захисту від копіювання і несанкціонованого використовування. Зокрема, один з ефективних технічн их засобів зах исту мультимедійної інформації полягає у вбудовуванні в об'єкт , що захищається, невидимих міток – ЦВЗ. Назву цей метод одержав від відомого способу захисту цінних паперів від підробки. На відміну від звичайних водяних знаків ЦВЗ можуть бути не тільки видимими, але і (як правило) невидимими. Невидимі ЦВЗ аналізуються спеціальним декодером, який приймає рішення про їх коректність. ЦВЗ можуть містити деякий автентичний код, інформацію про власника, або яку -небудь керуючу інформацію. Об'єктами з ахисту за допомогою ЦВЗ є нерухомі зображення, файли аудіо та відеоданих. Технологія вбудовування ідентифікаційних номерів має багато спільного з технологією ЦВЗ. Відмінність полягає в тому, що в першому випадку кожна захищена копія має свій унікальний вбу дований номер (звідси і назва – дослівно «відбитки пальців»). Цей ідентифікаційний номер дозволяє відстежувати наступні дії щодо даних або контенту (напр. їх тиражування). Вбудовування заголовків (невидиме) може застосовуватися, наприклад, для підпису медичних знімків, нанесення легенди на карту і т.д. Метою є зберігання різнорідно представленої інформації в єдиному цілому. Це, мабуть, єдиний напрям застосування стеганографії, де в явному вигляді відсутній потенційний противник. Найістотніша відмінність зад ачі прихованої передачі даних від задачі вбудовування ЦВЗ полягає в тому, що в першому випадку п ротивник не повинен знайти приховане повідомлення, тоді як в другому випадку про існування ЦВЗ заздалегідь відомо . Більш того, у п ротивника на законних підстава х може бути пристрій виявлення ЦВЗ (наприклад, у складі DVD-програвача). 1.2. Стеганографічні програмні засоби Розглянемо деякі програми, що дозволяють приховувати інформацію у мультимедійних файлах. Інтерфейс користувача програми Courier дуже зручний. За допомогою програми можна приховати повідомлення у середині зображення або фотографії. Програма має п’ять кнопок керування: Open a New Bitmap (Відкрити новий малюнок), Extract Message (Відновити повідомлення), Hide New Massage (Приховати нове повідомлення) , Save Bitmap (Зберегти малюнок), Help – Instructions (Допомога). Максимально можлива кількість символів повідомлення залежить від розміру вибраного зображення-контейнера. Перед внесенням тексту, який треба приховати, зображення -контейнер перетворюється у 24-бітне зображення. Це дозволяє зробити непомітною для ока зміну кольорів пікселів, у яких прихована інформація. Більш ніж 16 мільйонів кольорових відтінків роблять практично не помітними всі зміни, що відбуваються з зображенням. Теоретично один піксель 2 4-бітового кольорового зображення дозволяє приховати 3 біти таємної інформації (при застосуванні RGB-розкладання по одному біту на кожний колір). Якщо розмір кольорового зображення складає 400 на 600 пікселів, то такий контейнер здатний приховати 400*600*3 =720000 біт таємної інформації. Для передавання (або зберігання) одного символу тексту потрібний 1 байт, отже контейнер може містити 90000 байт таємної інформації. Іншими словами, таке зображення здатне приховати більш ніж 30 сторінок таємного тексту. повідомлення використали два останніх (молодших) біта пікселів файла - контейнера (а не один). Це дозволяє вдвічі збільшити об сяг прихованої інформації. Дану програму можна використовувати переважно для ілюстрації ідей стеганографії, тому що вона дуже проста для виявлення факту приховування інформації. Один з кращих та поширених засобів у цій області для платформи Windows – програма S-Tools (має статус безкоштовної). Програма дозволяє приховувати будь-які файли як в зображеннях формату .gif і .bmp, так і в аудіо файлах формату .wav . При цьому файл, що підлягає при ховуванню, додатково шифрується за допомогою одного з криптографічних алгоритмів з симетричним ключем: потрійний DES або IDEA. Для більшої надійності приховування слід використовувати невідомі загалу зображення, зміни в яких непомітні з першого погляду, а також зображення з великою кількістю півтонів та відтінків. Не рекомендується використовувати зображення з великими зонами одного кольору. Співвідношення між розміром файла із зображенням або звуком і розміром текстового файл а, який можна приховати, залежить від конкретного випадку. Однак при вдало підібраному файлі -контейнері, факт використання S-Tools (не знаючи пароль) встановити і довести практично неможливо. У вільному доступі можна знайти велику кількість програм, від маленьких безкоштовних утиліт до великих дорогих пакетів, що дозволяють приховувати файли одних форматів в файлах інших форматів. Наприклад, утиліта Megre Streams (безкоштовна) дозволяє приховувати файли табличного редактора Excel всередині документів Word і навпаки. Користування утилітою таке ж просте, як і програмою S-Tools. Деякі програми вражають власними можливостями, так наприклад, програма BMP Secrets (безкоштовна) дозволяє приховувати всередині файлів формату .bmp дуже великі обсяги даних, а саме 65% від обсягу файла -контейнера. Якщо ж скористатись компресією зображення і приховувати не сам файл, а його архів, то у зображенні меншого розміру можна приховати зоб раження більшого розміру . Другою відмінністю даної програми є можливість вкладення більш таємного файлу у менш таємний, який у свою чергу вкладений у файл -контейнер. Експерименти із застосуванням стиснутого файла показали можливість чотирикратного вкладення у самого себе. Програма знаходить в рисунку «зайву» інформацію, після чого відбувається її заміна корисною інформацією, яку потрібно приховати. 1.3. Приклад роботи з програмою S-Tools Дана програма спочатку стискає текст повідомлення, далі шифрує його методами криптографії і лише потім вкладає його у файл -контейнер. При цьому прихована інформація рівномірно розподіляється по всій поверхнізображення. У якості файл а-контейнера програма використовує як графічні, так і аудіо - файли. Графічні файли повинні мати формат .bmp або .gif, звукові - формат .wav. Криптографічне перетворення інформації відбувається за одним із алгоритмів: IDEA, DES, Triple DES або MDC з 128 бітовим ключем. Ключ формується із символів пароля, який задає користувач. Порядок роботи з програмою досить простий та базується на принципі Drag and Drop (пере тягування елементів). На початку потрібно розгорнути вікно програми таким чином, щоб воно займало лише частину екран а. На вільній частині екран а розгорнути папку Провідник ( Explorer) або папку Мій комп’ютер з піктограмою файла-контейнера (можна створити спеціальну папку з рисунками .bmp). На рис.1 наведено зовнішній вигляд програми S-Tools. У якості контейнера вибрано план офісу з курсової роботи по захисту інформації. Спробуємо при ховати у цьому рисунку файл повідомлення «Стеганографія». Розмір файл а-контейнера 643 Кб у форматі . bmp, розмір файл а повідомлення «Стеганографія» 11 Кб у форматі .doc. Рис.1. Підготовка до приховування повідомлення «Стеганографія» в контейнер– зображення «План офісу» з використанням програми S-Tools Для приховування даних у звуковому або графічному файлі необхідно виконати наступні дії: 1. «Перетягнути» мишкою піктограму файл а-контейнера в вікно програми S-Tools. У правому нижньому куті вікна програми з’явиться інформація з максимально можливим об сягом файл а-повідомлення. Як бачимо, всередині зображення можна приховати 82 Кб інформації (рис.2). Рис.2. Перенесення контейнера в вікно програми S-Tools 2. «Перетягнути» мишкою піктограму файл у-повідомлення усередину контейнера вікна програми S-Tools. Рис.3. Вибір пароля і алгоритму шифрування 3. Якщо розмір контейнера є достатнім для приховування даних, з’являється наступне вікно (рис. 3) . У нього слід ввести пароль ( Passphrase), підтвердити його ( Verify Passphrase), а також вибрати один із запропонованих алгоритмів шифруванні. Заповнений контейнер з’явиться у новому вікні Hidden data (Приховані дані). Результат треба зберегти, вибрав у контекстному меню опцію Save, вказати ім’я отриманого файлу, його розширення, а також місце збереження (рис.4). Рис.4. Збереження файла з прихованим вмістом Видобування прихованого повідомлення відбувається у зворотньому порядку: 1. Стего-файл пере тягується всередину вікна програми. Правою кнопкою миші викликається контекстне меню, вибирається опція Reveal (Показати). 2. Набрати пароль в пунктах Passphrase та Verify Passphrase, вказати алгоритм шифрування, який був використаний при шифруванні даних. 3. Якщо все введено правильно, з’явиться вікно Revealed Archive (Відтворений архів), в якому знаходиться прихований файл. Натиснувши правою кнопкою мишки по прихованому файлу, у контекстному меню вибрати опцію Save as та вказати місце на диску, де треба зберегти файл (рис.5). Рис.5. Видобування повідомлення Відмітимо, що при введенні пароля літери різних регістрів розрізняються. а) б) Рис.6. Стего-файл (а) і файл-контейнер (б) Для порівняння результат роботи програми S-Tools подано на рис.6: стего – файл Офіс (а), та початкове зображення План офісу (контейнер) (б). Різницю між вмістом файл а-контейнера та стего -файла можна побачити за допомогою програми HEdit32. Для цього створимо за допомогою графічного редактора Paint зображення прямокутника чорного кольору з розмірами 20 на 20 точок. При цьому в Paint слід використати опції Рисунок – Атрибут и… Перемикач Одиниці виміру встановити в положення точки (див. рис.7) і виконати заливку квадрата чорним кольром. Розміри квадрата навмисно вибрані невеликими, щоб обсяг файла був незначним. Рис.7. Створення чорного квадрата Збережемо цей файл під назвою black_20_20.bmp. У текстовому редакторі Блокнот наберемо літери FGR і збережемо цей файл під назвою FGR.txt. Виконаємо приховування текстового файл а у графічни й файл за допомогою програми S-Tools, як було описано вище, і збережемо його під назвою black_20_20_FGR.bmp. Рис. 8. Вміст файла-контейнера «чорний квадрат» Тепер відкриємо файл black_20_20.bmp у редакторі HEdit32. На рис. 8 показано вміст файлу для чо рного квадрата розміром 20 на 20 пікселів. Перші рядки (54 байти) містять службову інформацію (заголовок). Так як квадрат чорний, то байти, що відображають колір квадрата, містять нулі (00). У лівому стовпці вказані восьмирозрядні шістнадцяткові числа – ад реси комірок пам’яті. У правому стовпці наведено вміст комірок пам’яті у шістнадцятковому форматі. На рис. 9 показано вміст стего -файла (контейнера із записаними у ньому літерами FGR). У перших рядках міститься службова інформація (комірки 0x00…0x35). Далі бачимо, що вміст комірок, які відповідають за зображення, змінився. Як і згадувалося вище, прихований файл рівномірно розподіляється по всьому зображенню. Рис.9. Двійковий вміст стего-файла Аудіо файли дозволяють приховувати великий об сяг інформації. Наведемо елементарні розрахунки. Нехай перетворення аналогового сигналу у цифровий відбувається із частотою дискретизації 44,1 кГц. Це дозволяє кожну секунду зберігати 44100 біт інформації для монофонічного сигналу та 88200 біт – відповідно для стереофоніч ного. Отже, у звуці, який триває всього 1 секунду, можна вмістити текст обсягом більш ніж 10 Кбайт. 2. ЗАВДАННЯ 2.1. Озна йомитись із основами стеганографічного захисту інформації, напрямами застосування цифрової стеганографії [1, 2]. 2.2. Ознайомитися з функціоналом стеганограічного програмного засобу S-Tools. 2.3. За допомогою програми S-Tools приховати у довільному файлі зображення текстовий документ у якому записані Прізвище, ім'я та номер варіанта студента. Виконати відтворення прихованої інформації. 2.4. Повторити попереднє завдання з приховуван ням групи різнотипних файлів (текстові, зображення, аудіо файли, виконувані файли). 2.5. Створити файл и контейнер и у форматі bmp розміром 50X50 пікселів для трьох кольорів: чорного, білого та сірого. 2.6. Виконати приховування текстового файла з даними про студента у кожному з файлів контейнерів. 2.7. Переглянути двійковий вміст файлів контейнерів та стего -файлів, зробити висновки стосовно способу розміщення приховуваної інформації у файлах зображення. 2.8. Порівняти обсяги вихідних та стего-файлів, пояснити результати. 2.9. Оформити звіт. 3. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ 3.1. Запуск програми S -Tools. Розпакути архів з програмою S-Tools в робочу папку виконання лабораторної роботи. Запустити програму на виконання. У файловому менеджері вибрати файл зображення та перетягнути його у вікно програми S -Tools. П еретягнути файл, що підлягає приховуванню безпосередньо на зображення контейнер у вікні програми. Переконатися у наявності вільного обсягу для приховування да них у файлі контейнері. Ввести ключові дані (пароль та тип криптоалгоритму) та зберегти стегофайл з міткоюhidden у назві. 3.2. Відтворення прихованого файла . Перетягнути у вік но програми S-Tools зображення стего -файла. Через контекстне меню виконати опера цію відтворення (reveal) підтвердивши її паролем (використаним для приховування). Прихований файл зберегти у робочу папку давши йому назву з міткою revealed. Порівняти вміст файлів початкового та відтвореного, він повинен збігатися. 3.3. Приховування групи різнотипних файлів . Повторити виконання операцій попереднього пункту для приховування групи різнотипних файлів. Типи файлів вибирати довільними але різними з одночасним перетягуванням у файл контейнер (попредньо виділивши їх за допомогою клавіш Shift абоCtrl) 3.4. Створення файлів контейнерів . За допомогою програми графічного редактора (напр. MS Paint) та методичних рекомендацій створити 3 графічні файли – контейнери у форматі bmp заповниши їх однотипними кольорами (білий , чорний, сірий ). 3.5. Одержання стего-файлів. За допомогою програми S-Tools приховати у вказаних файлах дані про студента та переглянути вміст усіх файлів у двійковому (шістнадцятковому) форматах . Зробити висновки стосовно способу розміщення приховуваної інформації у файлах зображення та обсягу самих файлів. 4. ЗМІСТ ЗВІТУ Звіт повинен містити : мету р оботи, за вдання, зображення файлів контейнерів, стего -файлів, переліку прихованих файлів, результатів перегляду файлів у двійковому форматі, висновки. 5. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ 1. Яка різниця між криптографією і стеганографією ? 2. Які задачі вирішує стеганографія ? 3. Які в иди контейнерів можуть використовуватися для приховування цифрових даних ? 4. В чому полягає різниця між контейнером та стегоконтейнером? 5. Які операції виконуються під час привування повідомлень в програмному засобі S-Tools? 6. ЛІТЕРАТУРА 1. Конахович Г.Ф., Пузиренко А.Ю. Комп'ютерна стеганографія. Теорія і практика. – К.: «МК-Пресс», 2006. – 288 с. 2. Грибунин В.Г., Оков И.Н., Туринцев И.В. Цифровая стеганография М.: СОЛОН-Пресс, 2002.