ЭФФЕКТИВНОЕ СОКРЫТИЕ ДАННЫХ ПРИ ПОМОЩИ STEGANO: РУКОВОДСТВО И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

EFFICIENT DATA HIDING USING STEGANO: GUIDELINES AND INFORMATION SECURITY METHODS

Vladimir Kontorov

студент, St. Petersburg State University of Telecommunications named after. Professor M. A. Bonch-Bruevich, Russia, St. Petersburg

Аннотация. В статье приведено руководство по использованию библиотеки stegano, которая используются для сокрытия информации при помощи метода LSB, использования красной части пикселя для скрытия ASCII-сообщений. Подробно описаны действия, которые необходимо предпринять, чтобы сокрыть и/или извлечь информацию при помощи данной библиотеки, помимо этого рассмотрены ситуации, в которых зашифрованная информация становится нечитаемой, и варианты решения данной проблемы.

Abstract. The article provides guidance on using the stegano library, which is used to hide information using the LSB method, using the red part of the pixel to hide ASCII messages. The actions that need to be taken to hide and/or extract information using this library are described in detail, situations in which encrypted information becomes unreadable, and options for solving this problem are also considered.

Ключевые слова: стеганография, stegano, метод наименьшего значащего бита(LSB), статистический стег-анализ, стег-анализ LSB-кодирования в цветных изображениях.

Keywords: steganography, stegano, least significant bit (LSB) method, statistical steganalysis, steganalysis of LSB coding in color images.

Стеганография - это наука о скрытой передаче информации. Она остается актуальной в современном мире по нескольким причинам. Во-первых, стеганография позволяет скрывать сам факт существования информации, что делает ее более эффективной и менее подверженной обнаружению, чем криптографические методы. Во-вторых, с развитием цифровых технологий и интернета появляются новые возможности для применения стеганографии, так как данные можно легко скрывать в различных мультимедийных файлах.

Кроме того, стеганография также находит применение в сфере цифрового маркетинга и защите авторских прав. Например, она может использоваться для встраивания скрытой информации в изображения или видео, что позволяет создавать водяные знаки или автоматически отслеживать распространение контента в сети. В сфере кибербезопасности стеганография может помочь в предотвращении утечек конфиденциальной информации и защите данных от нежелательного доступа. Путем скрытой передачи информации стеганография позволяет предотвратить обнаружение и перехват данных злоумышленниками, что повышает уровень безопасности коммуникаций и информационных систем. Таким образом, стеганография остается актуальной и востребованной в различных областях, где необходимо обеспечить конфиденциальность и надежность передачи информации. Ее возможности и преимущества делают ее эффективным инструментом для работы с секретной информацией и обеспечения безопасности данных в цифровой среде. В нашей статье мы рассмотрим пользовательскую библиотеку stegano (Python), созданную следущими людьми в 2010 году:

Седрик Боном, Адриен Коссон, Эндрю Робертс, Кристоф Гессен, Флавьен Ру,Максвелл Гербер,Nejdet Çağdaş Yücesoy, Панни, Питер Джастин, Thundersparkf. С помощью stegano можно написать код на языке Python, который посредством метода LSB сможет спрятать некоторое сообщение в файле формата png, jpg, а также извлечь вложенное сообщение.

Существует несколько основных методов стеганографии, которые используются для скрытой передачи информации:

Метод наименьшего значащего бита (Least Significant Bit, LSB): это один из наиболее распространенных методов стеганографии, при котором информация скрывается в младших битах пикселей изображения или звуковых сэмплов. Этот метод позволяет сохранять визуальное или звуковое качество носителя, при этом скрываемая информация остается незаметной для человеческого восприятия.

Метод Фейстеля: этот метод основан на использовании алгоритма шифрования Фейстеля для встраивания информации в носитель. Данные разбиваются на блоки и шифруются с использованием ключа, после чего информация встраивается в зашифрованные блоки. Этот метод обеспечивает дополнительный уровень безопасности за счет использования шифрования.

Маскировка вносимых изменений: данный метод предполагает встраивание информации в носитель путем изменения его статистических характеристик. Например, это может быть изменение статистики цветовых значений пикселей изображения или характеристик аудиофайлов. Этот подход позволяет скрыть наличие скрытой информации от обнаружения.

Преобразование методом встроения: этот метод основан на преобразовании содержимого носителя для встраивания информации, например, путем изменения последовательности пикселей изображения или добавления "шума" в аудиосигнал. Такие изменения вносятся таким образом, чтобы скрытая информация сохраняла свою целостность и оставалась неотличимой от исходного носителя.

Нас интересует в первую очередь метод наименьшего значащего бита, поскольку именно он реализован в библиотеке stegano.

В 17 веке Го́тфрид Ви́льгельм Ле́йбниц описал двоичную систему счисления и заложил основы математической логики, в 1948 году Клод Э́лвуд Ше́ннон написал статью «Математическая теория связи», в которой высказал идею, заключающуюся в том что сообщения могут иметь некоторое «значение». Помимо этого он начал рассматривать непрерывные множества сообщений, а не только конечные. Эта статья позволила решить основные задачи теории информации: кодирование, передачу сообщений и устранение избыточности.

Что собственно в итоге и привело к появлению множества стеганографических методов, в том числе и поспособствовало появлению метода наименьшего значащего бита.

LSB работает следующим образом, он изменяет младшие биты в байтах, которые отвечают за кодирование цвета. Предположим, что в нашем сообщении есть байт  11011000, а байты в изображении –…10101111 01101101 01111110 1101100100…, то кодирование будет выглядеть так. Мы разобьем байт секретного сообщения на 4 двухбитовые части: 11, 01, 10, 00, и заменим ими младшие биты изображения: …10101111 01101101 01111110 1101100100…. В результате получается оттенок, который будет очень похож на изначальный. Эти цвета трудно различить даже на большой по площади заливке, хотя разница будет заметна по одному отдельному пикселю. Практика показывает, что замена двух младших битов не воспринимается человеческим глазом. В случае необходимости можно занять и три бита, что весьма незначительно скажется на качестве картинки. Большее количество будет уже более заметно, что сделает использование данного метода бесполезным, в результате, если использовать два бита из восьми на каждый канал, то имеется возможность скрыть до трех байт информации на каждые четыре пикселя изображения, что соответствует четверти от объема картинки. Таким образом, имея файл изображения размером 100 Кбайт, можно скрыть в нем до 25 Кбайт полезных данных так, что человеческий глаз не сможет заметить изменений в изображении.

К преимуществам данного метода можно отнести то, что младшие биты изображений могут иметь различное распределение зависящее от применяемых параметров аналого-цифрового преобразования, от дополнительной компьютерной обработки и от прочих факторов. Эта особенность делает метод наименее значащих битов наиболее защищенным от обнаружения вложения. Также реализация метода  LSB для большинства стандартов файлов-контейнеров не требуют значительных затрат времени и сил.

Метод LSB, несмотря на свою простоту, имеет один существенный недостаток: информация, скрытая этим методом, легко обнаруживается. Задача обнаружения обычно решается методами статистического анализа.  Например, если мы хотим скрыть некоторый фрагмент текстового сообщения, это сообщение будет содержать только символьную информацию: 66 знаков кириллицы, 52 знака латиницы, знаки препинания и некоторые служебные символы. Если сравнить статистические характеристики такого сообщения и статистические характеристики младших битов красного спектра, то будут видны существенные отличия. Это обусловлено тем, что последовательность последних битов красного спектра представляет из себя случайную двоичную последовательность, а наше сообщение не является такой последовательностью.

Перейдем собственно к библиотеке stegano, на изображениях 1 и 2 вы можете наблюдать изначальное изображение и изображение с вложенным сообщением соответственно, оба изображения изначально в формате png:

Рисунок 1. изображение 1 (без вложенного сообщения), изображение 2(с вложенным сообщением)

в данном случае размер изображения после вложения информации увеличился почти в 7 раз, при сжатии изображения скрытую часть извлечь не получается, так же как и при повороте изображения, к изменению же формата файл оказался устойчив.

На изображениях 3 и 4 вы можете наблюдать изначальное изображение и изображение с вложенным сообщением соответственно, оба изображения изначально в формате jpg:

Рисунок 2. Изображение 3(без вложенного сообщения)

Рисунок 3. Изображение 4(с вложенным сообщением)

в данном случае размер изображения с вложенным сообщением оказался полтора раза меньше размера изображения без скрытого сообщения, сжатие данное изображение также не пережило, но в отличие от первого изображения, из второго можно извлечь информацию при повороте, к переименованию изображение номер два также оказалось устойчиво.

Подводя итоги хочется сказать, что stegano достаточно удобный инструмент, для пользования которым не требуется прилагать никаких усилий, но в тоже время информация скрытая при помощи данной библиотеки не особо устойчива к изменениям изображений, а так же легко обнаруживается, что делает ее не особо востребованной в профессиональной деятельности