14. Компьютерная стеганография

Как известно, цель криптографии (шифрования) состоит в сокрытии содержания секретных сообщений. Стеганография идет принципиально дальше. Ее задача — скрыть от непосвященных сам факт существования сообщений. Такие скрытые сообщения могут включаться в различные внешне безобидные данные, вместе с ними храниться и передаваться без всяких подозрений со стороны. Если разработчики криптографичес­ких алгоритмов исходят из предположения, что потенциальный противник будет де­лать что угодно для дешифровки сообщения, то разработчик стеганографического ал­горитма озабочен тем, как не дать противнику обнаружить существование самого сообщения, содержащего тайну.

Стеганография имеет многовековую историю и по возрасту существенно старше криптографии. Само слово «стеганография» в переводе с греческого буквально озна­чает «тайнопись» (steganos — секрет, тайна; graphy — запись). В основе искусства скрытого письма лежит попытка скрыть само существование секретного сообщения, а потому его приемы заслуживают самого широкого употребления. Для тайнописи мо­гут быть использованы: «подкладочное письмо», когда запись сокрыта какой-либо за­щитной оболочкой, «хоббийное кодирование», с использованием кроссвордов, музы­кальных нот и шахматных партий, «жаргонные шифры», в которых вроде бы невинные слова имеют совершенно другой смысл. К ней относится огромное множество секрет­ных средств связи и передачи информации, таких, как невидимые чернила, микрофо­тоснимки (микроточки), условное расположение знаков, незначительные различия в написании рукописных символов, маленькие проколы определенных напечатанных сим­волов и множество других способов по скрытию истинно­го смысла тайного сообщения в открытой переписке, тай­ные каналы и средства связи на плавающих частотах, и т. д. Хорошо известны различные способы скрытого пись­ма между строк обычного не защищаемого письма: от при­менения молока до использования сложных химических реакций с последующей обработкой при чтении.

Первые следы стеганографических методов передачи информации теряются в глубокой древности. История сте­ганографии — это история развития самого человечества. Рассмотрим кратко, как происходило становление стега­нографии.

Местом зарождения стеганографии многие называют Египет, хотя первыми «стеганографическими сообщениями» можно назвать и наскальные рисунки древних людей.

Первое упоминание в литературе о стеганографических методах приписывается Геродоту, который еще в 474 году до н.э. описал случай с тираном Гистием. После­дний, запертый указом персидского царя Дария в Сузах, захотел пообщаться с одним из своих родственников за пределами Суз. Чтобы его послание не попало в чужие руки, Гистий поступил очень остроумно — он обрил голову раба, вытатуировал пись­мо на коже головы, подождал, пока снова отрастут волосы, и отправил невольника в Милет под благовидным предлогом. Там раба снова побрили и прочитали послание. Для нашего времени этот способ, конечно, весьма сомнительный — и ждать пока во­лосы отрастут долго, и гонец получается одноразовый (больше одного письма на го­лове не вытатуируешь, а свести татуировку и сегодня проблема, не то, что в V веке до н.э.) — но важен принцип.

Геродотом описан еще один, чуть менее известный и немного менее зрелищный случай, который относят к тем же временам. Как утверждает Геродот, Демарт переда­вал послания, придерживаясь тех же правил, что и Гистий, т.е. скрывал сам факт пере­дачи сообщения. Другое дело, что Демарту хватило сообразительности немного уско­рить процесс подготовки посланий — он соскабливал с восковых дощечек воск, царапал свои секретные послания прямо на дереве, а позже покрывал дощечки воском заново.

В Китае письма писали на полосках щелка. Поэтому для сокрытия сообщений по­лоски с текстом письма сворачивались в шарики, покрывались воском и затем глота­лись посыльными. Как эти послания доставали, мы описывать не будем.

Темное средневековье породило не только инквизицию: усиление слежки привело к развитию как криптографии, так и стеганографии. Именно в средние века впервые было применено совместное использование шифров и стеганографических методов.

В XV веке монах Тритемиус (1462—1516), занимавшийся криптографией и стега­нографией, описал много различных методов скрытой передачи сообщений. Позднее, в 1499 году, эти записи были объединены в книгу «Steganographia», которую в насто­ящее время знающие латынь могут прочитать в сети Internet.

XVII — XVIII века известны как эра «черных кабинетов» — специальных государ­ственных органов по перехвату, перлюстрации и дешифрованию переписки. В штат «черных кабинетов», помимо криптографов и дешифровалыциков, входили и другие специалисты, в том числе и химики. Наличие специалистов-химиков было необходи­мо из-за активного использования так называемых невидимых чернил. Примером мо­жет служить любопытный исторический эпизод: восставшими дворянами в Бордо был арестован францисканский монах Берто, являвшийся агентом кардинала Мазарини. Восставшие разрешили Берто написать письмо знакомому священнику в город Блэй. Однако в конце этого письма религиозного содержания монах сделал приписку, на которую никто не обратил внимание: «Посылаю Вам глазную мазь; натрите ею глаза и Вы будете лучше видеть». Так он сумел переслать не только скрытое сообщение, но и указал способ его обнаружения. В результате монах Берто был спасен.

Стеганографические методы активно использовались американцами в годы граж­данской войны между южанами и северянами. Так, в 1779 году два агента северян Сэмюэль Вудхулл и Роберт Тоунсенд передавали информацию Джорджу Вашингто­ну, используя специальные чернила.

Еще древние римляне писали между строк невидимыми чернилами, в качестве ко­торых использовались фруктовые соки, моча, молоко и некоторые другие натураль­ные вещества. Их опыт не был забыт. Различные симпатические чернила использова­ли и русские революционеры в начале XX века. Симпатические чернила или, с успехом выполняющее их роль, обычное молоко — один из самых распространенных стегано-графических методов. Большинство читателей, очевидно, помнит рассказы о Ленине, писавшем свои труды в местах не столь отдаленных. Многие книги были написаны им молоком между строк. Чернильницей Ильичу служил хлебный мякиш — при малей­шем подозрительном звуке будущий вождь мирового пролетариата мигом съедал свои стеганографические приспособления. Позднее исписанные молоком листы передава­лись на волю, а там нагревались над лампой и переписывались товарищами по партии. Впрочем, царская охранка тоже знала об этом методе (в ее архиве хранится документ, в котором описан способ использования симпатических чернил и приведен текст пе­рехваченного тайного сообщения революционеров).

К середине 20-го века стеганография достигла значительных успехов, чему не мало поспособствовали Первая и Вторая мировые войны. Особенных успехов добились нем­цы, которые во время Второй мировой войны широко применяли «микроточки», пред­ставлявшие из себя микрофотографии размером с обычную типографскую точку. При увеличении «микроточка» давала четкое изображение печатной страницы стандарт­ного размера. Такая точка или несколько точек вклеивались в обыкновенное письмо, и, помимо сложности обнаружения, обладали способностью передавать большие объе­мы информации, включая чертежи и рисунки.

Сам метод был придуман намного раньше, почти сразу после изобретения принци­па фотографической печати. Микроточки появились сразу же после изобретения Дагером фотографического процесса, и впервые в военном деле были использованы во времена франко-прусской войны (в 1870 году), но широкого применения до Второй мировой войны этот метод не имел. Но во время Второй мировой войны этот метод претерпел второе рождение и успех его был весьма заметным. Американцы, впечатленные достижениями своего противника в стеганографии, после войны запретили даже такие относительно невинные операции, как пересылку посредством почты запи­сей шахматных партий, инструкций по вязанию (!) и даже детских рисунков, как наи­более простых с точки зрения стеганографа объектов для встраивания шпионских со­общений. Сегодня, конечно, подобные запреты неактуальны: любой шпион может послать e-mail, предварительно зашифровав его с помощью DES, к примеру.

Тем не менее, на практике, стеганография давно и широко использовалась развед­ками всех стран. Успех разведчика, да и сама его жизнь, зависят от умения остаться незамеченным. Поэтому шифр — это язык разведчиков всех стран. Именно они обыч­но вынуждены вести свои разговоры «шепотом». Они используют коды, имеющие вид обычных открытых текстов, невидимые чернила, послания микроскопически малых размеров, т.е. Стеганографические методы, которые скрывают сам факт отправки ка­кого-либо сообщения.

После нападения Японии Соединенные Штаты создали орган цензуры, насчитыва­ющий около 15 тысяч сотрудников, которые проверяли ежедневно до миллиона пи­сем, прослушивали бесчисленное множество телефонных разговоров, просматривали кинофильмы, газеты, журналы.

Чтобы перекрыть максимальное число стеганографических каналов связи, аме­риканская цензура категорически запретила отправление по почте целого ряда со­общений. Были отменены шахматные матчи по переписке. Из писем вымарывались кроссворды, т. к. у цензоров не хватало времени решать их, чтобы проверить, не содержат ли они тайные послания. Не разрешалось посылать по почте табели успе­ваемости учащихся, вырезки из газет, детские рисунки, инструкции по вязанию и шитью. Одно письмо с инструкциями по вязанию было задержано до тех пор, пока цензор не связал по ним свитер, чтобы проверить, не содержат ли они какой-либо скрытой информации.

Распространение стеганографии во время войны и тотальная шпиономания вызва­ли появление многих цензурных ограничений, которые сегодня могут вызвать лишь улыбку. Запрещалось посылать телеграммы с указанием доставить определенный сорт цветов к определенной дате, а впоследствии американским и английским правитель­ствами были запрещены вообще все международные телеграммы, касающиеся достав­ки и заказа цветов. Как обстояли дела с международной почтой в СССР, рассказывать, думаю, не надо.

Ориентирующими примерами данных методик (оставив в стороне возможности, даваемые электроникой) могут служить:

–        запись наколом букв в конкретном месте некой книги или газеты (концы слов отмечаются при этом наколом между буквами);

–        сообщение каких-то данных (набор товаров, оптовые цены) в определенном по­рядке;

–        письмо посредством узелков, где каждая из букв кодируется размером в санти­метрах (А-1 см, Б-2 см...) или в диаметрах мизинца и отмечается отдельным узелком на нитке или на обвязывающем сверток шпагате; читают текст, наматы­вая нитку на палец;

–        запись на боковой поверхности колоды карт, подобранных в конкретном поряд­ке (колода после этого тасуется);

–        записи на оборотной стороне этикеток флаконов, банок или бутылок; G текст под наклеенной почтовой маркой;

–        запись на внутренней поверхности спичечной коробки, которая для этого разла­мывается, а после склеивается по новой;

–        запись внутри вареного яйца (берут смесь квасцов, чернил и уксуса, записывают ею то, что необходимо на скорлупе обычного яйца, которое потом выдерживают в крепком рассоле или уксусе, чтобы стравить следы с его поверхности; яйцо затем варят вкрутую, причем весь текст оказывается сверху белка под скорлупой);

–        использование «испорченной» пишущей машинки, в которой некоторые буквы ставятся выше или ниже строки (учитывают здесь порядок и число этих букв, а также промежутки их появления; в коде возможен вариант азбуки Морзе); Q записи от руки нот в нотной тетради (ноты имеют здесь значение по азбуке Мор­зе или иному коду);

–        записи в виде кардиограммы или же графика некого технологического процесса (здесь, при использовании азбуки Морзе, пики повыше означают, скажем, точ­ки, а те, что ниже, — тире, черточки между зубцами сообщают о разделе между буквами, разрывы линии фиксируют конец слова);

–        записи лишь в вертикальных столбцах цельно заполненного кроссворда (гори­зонтальные строки при этом заполняются произвольно, само же сообщение может быть либо прямым, либо кодированным);

–        записи по трафарету, при этом на лист почтовой бумаги накладывают трафарет с вырезанными в нем окошками, следуя по которым и вписывают истинное со­общение; все остальное пространство здесь тщательно заполняется «пустым» содержанием, так, впрочем, чтобы слова подлинной информации четко входили в текст ясного маскировочного послания;

–        шифр «Аве Мария», в кодовом варианте которого каждому слову, а порой и фразе, ставятся в соответствие несколько слов явной религиозной тематики, так что пере­даваемое сообщение выглядит как специфический текст духовного содержания.

Развитие компьютерной технологии и средств коммуникации сделали бесполезны­ми подобные ограничения. Сегодня каждый может воспользоваться теми преимуще­ствами, которые дает стеганография как в области скрытой передачи информации, что особенно полезно в странах, где существует запрет на стойкие средства криптогра­фии, так и в области защиты авторских прав.

Сильным толчком к развитию стеганографии послужило то, что в большинстве стран на криптографию накладываются определенные ограничения: так, например, требуется передача ключей от используемых систем шифрования государству. Обяза­тельна также регистрация и лицензирование криптографических систем независимо от того, являются они аппаратными или программными средствами. Стеганография — это тот метод, который не попадает под действие указанных ограничений, являясь при этом эффективным способом сокрытия данных.

Возродилась старая идея использования микроточки, выполняемая теперь с помо­щью компьютера. Кто заподозрит, что в электронном документе, отправленном, ска­жем, через Internet, одна из точек вовсе не точка, а скрытое сообщение? А вот получа­тель документа с помощью специальных программных средств как бы увеличит компьютерную микроточку и сможет прочесть скрытую информацию.

Скрытие сообщений с помощью микроточек эффективно, если противник не знает, как именно это сделано. Поэтому разработка программного обеспечения для автоматическо­го «наклеивания» и «увеличения» микроточек выполняется по индивидуальным заказам.

В марте 2000 года 17-летняя американская школьница Вивиана Риска создала ал­горитм, который может «прятать» сообщение в генную последовательность молекулы ДНК. На конкурсе молодых ученых компании Intel Science Talent Search (этот смотр молодых талантов называют «Нобелевской премией для молодежи») она продемонст­рировала технологию внедрения компьютерных сообщений в генную последователь­ность молекулы ДНК. Пробным сообщением, шифровку которого девушка продемон­стрировала жюри конкурса, была фраза «Вторжение 6-го июля: Нормандия».

Еще одной областью использования стеганографии является защита авторского права от пиратства. На компьютерные графические изображения наносится специаль­ная метка, которая остается невидимой для глаз, но распознается специальным про­граммным обеспечением. Такое программное обеспечение уже используется в компь­ютерных версиях некоторых журналов. Данное направление стеганографии предназначено не только для обработки изображений, но и для файлов с аудио- и ви­деоинформацией и призвано обеспечить защиту интеллектуальной собственности.

За время своего существования человечество изобрело большое число способов секретного письма, многие из них были известны еще в древности. Как мы уже гово­рили, в некоторых способах тайного письма используются физические особенности носителей информации. Это очень интересная тема, однако она является предметом изучения физики и химии, и никакого отношения к теории информации не имеет. Для массового практического применения гораздо больший интерес представляют методы защиты данных, которые опираются исключительно на свойства самих данных и никак не связаны с особенностями их физического представления. Образно говоря, при ис­пользовании методов данного типа барьер между собственно сообщением и злоумыш­ленником, желающим его прочитать или исказить, возводится исключительно из са­мой информации. Речь в дальнейшем пойдет только о таких способах защиты. Мы остановимся на рассмотрении современного и сравнительно нового направления этой сферы человеческой деятельности — компьютерной стеганографии.

Принципы построения компьютерной стеганографии

Стеганография занимает свою нишу в обеспечении безопасности: она не заменяет, а дополняет криптографию, защищая информацию от злоумышленников. Сокрытие сообщения методами стеганографии значительно снижает вероятность обнаружения самого факта передачи сообщения. А если это сообщение к тому же зашифровано, то оно имеет еще один, дополнительный, уровень защиты.

Стеганография бывает полезна, когда необходимо не просто передать секретное сообщение, а секретно передать секретное сообщение, то есть скрыть сам факт пере­дачи секретного сообщения. Такой способ ведения тайной коммуникации, однако, имеет ряд недостатков:

О трудно обосновать его стойкость — вдруг злоумышленникам станет известен способ «подмешивания» секретных данных к «болванке» — массиву открытых данных; О при его использовании объем передаваемых или хранимых данных может увеличи­ваться, что отрицательно сказывается на производительности систем их обработки. В зависимости от способа засекречивания передаваемых сообщений, а именно пря­чется ли секретное сообщение или оно просто делается недоступным для всех, кроме получателя, можно выделить два класса засекречивания данных — стеганографию и шифрование.

Если рассматривать информацию отдельно от ее материального представления, а именно так мы и будем ее рассматривать, то возникает вопрос — где же информа­цию можно спрятать? Ответ однозначен: только в еще большем массиве информации — как иголку в стоге сена. В этом и заключается принцип действия стеганографии, т.е. стеганография предполагает, что передаваемый текст «растворяется» в сообщении большего размера с совер­шенно «посторонним» смыслом. Но если взять и извлечь из него некоторые символы по определенному закону, например, — каждый второй, третий, и т.д., то получим вполне конкретное тайное сообщение.

Компьютерная стеганография (стеганографические программные продукты) бази­руется на двух основных принципах:

–        файлы, содержащие оцифрованное изображение или звук, могут быть до неко­торой степени видоизменены без потери своей функциональности, в отличие от других типов данных, требующих абсолютной точности;

–        органы чувств человека неспособны различить незначительные изменения в цвете изображения или в качестве звука.

Например, мы отправляем нашему корреспонденту по электронной почте файл с рас­тровой черно-белой картинкой, в котором наименее значащий бит в коде яркости каждой точки изображения будет элементом нашего тайного сообщения. Получатель письма из­влечет все такие биты и составит из них «истинное» сообщение. Картинка, присутствую­щая здесь только для отвода глаз, так и останется для непосвященных простой картинкой.

По аналогии с криптографической системой введем понятие стеганографической системы или, как ее еще называют более сокращенно, стегосистемы.

Стеганографическая система, или стегосистема, — это совокупность средств и ме­тодов, которые используются для формирования скрытого канала передачи информа­ции. Модель обобщенной стегосистемы представлена на рис. 5.1.

При построении любой стегосистемы должны учитываться следующие положения:

–        противник имеет полное представление о стеганографической системе, деталях ее реализации, и единственной информацией, которая остается неизвестной по­тенциальному противнику, является ключ, с помощью которого только его дер­жатель может установить факт присутствия и содержание скрытого сообщения;

–        если противник каким-то образом узнает о факте существования скрытого сооб­щения, это не должно позволить ему извлечь подобные сообщения в других дан­ных до тех пор* пока ключ хранится в тайне;

–        потенциальный противник должен быть лишен каких-либо технических и иных преимуществ в распознавании или раскрытии содержания тайных сообщений.

В стегосистеме в качестве данных может использоваться любая информация: текст, сообщение, изображение и т. п. В общем же случае, для обозначения скрываемой ин­формации, целесообразно использовать слово «сообщение», так как сообщением мо­жет быть как текст или изображение, так и, например, аудио данные. В современной компьютерной стеганографии существует два основных типа файлов: сообщение — файл, который предназначен для скрытия, и контейнер — файл, который может быть использован для скрытия в нем сообщения.

Сообщение, которое необходимо передать отправителю, с помощью специального программного обеспечения встраивается в контейнер. Контейнер — любая информа­ция, предназначенная для сокрытия тайных сообщений. Данные контейнера должны быть достаточно шумными, чтобы небольшое изменение в их беспорядочности не могло быть заметным. Биты контейнера, хотя и являются шумом сточки зрения точности измерений, могут иметь некоторые специальные статистические характеристики. Пред­полагается, что кодирование тайного сообщения должно воспроизводить характерис­тики шума контейнера. Цель труднодостижимая, но реальная. Поэтому выбор контей­нера оказывает существенное влияние на надежность всей стегосистемы и возможностьобнаружения факта передачи скрытого сообщения. Например, опытный глаз цензора с художественным образованием легко обнаружит изменение цветовой гаммы при внедрении сообщения в репродукцию «Мадонны» Рафаэля или «Черного квадрата» Малевича.

Возможны следующие варианты контейнеров:

–        контейнер генерируется самой стегосистемой;

–        контейнер выбирается из некоторого множества контейнеров;

–        контейнер поступает извне;

–        контейнер, получаемый с помощью моделирования шумовых характеристик.

Примером генерации контейнера самой стегосистемой может служить программа MandelSteg,>B которой в качестве контейнера для встраивания сообщения генерирует­ся фрактал Мандельброта. Такой подход получения стегосообщения можно назвать конструирующей стеганографией.

Если используется выборка контейнера из некоторого множества, то в этом случае первоначально генерируется большое число альтернативных контейнеров, чтобы за­тем выбрать наиболее подходящий для сокрытия сообщения. Такой подход к выбору контейнера называют селектирующей стеганографией. В данном случае при выборе оптимального контейнера из множества сгенерированных важнейшим требованием является естественность контейнера. Единственной же проблемой остается то, что даже оптимально организованный контейнер позволяет спрятать незначительное ко­личество данных при очень большом объеме самого контейнера.

В случае, когда контейнер поступает извне, отсутствует возможность выбора кон­тейнера и для сокрытия сообщения берется первый попавшийся контейнер, не всегда подходящий к встраиваемому сообщению. Такой подход называется безальтернатив­ной стеганографией.

Следующий шаг — моделирование характеристик шума контейнера. Подражатель­ная функция должна быть построена так, чтобы не только кодировать секретное сооб­щение, но и придерживаться модели первоначального шума. В предельном случае целое сообщение конструируется в соответствии с моделью шума. Такой подход называ­ют конструирующей стеганографией, и он также имеет много недостатков. Его трудно совместить с сильным алгоритмом шифрования, да и моделирование шума или компо­нентов ошибок в данных — занятие не из легких. Формирование модели требует зна­чительных усилий, творческой работы над каждым каналом связи или контейнером.

Поскольку попытки подражания первоначальному шуму либо ведут к сомнитель­ной безопасности или к слишком малому диапазону рабочих частот для большинства практических применений, наиболее привлекательной остается следующая базовая процедура.

Выбирается класс достаточно шумных контейнеров и идентифицируются биты шума. Затем определяется, какую порцию шумовых битов контейнера можно заме­нить псевдослучайными данными без значительного изменения его статистических характеристик. Так, если контейнер представляет собой цифровую фотографию, нас должны интересовать младшие биты градаций серой шкалы или RGB-значений при цветном изображении, либо коэффициенты Фурье в JPEG-формате изображении. Из­меняя в среднем, допустим, только 100-й пиксель изображения, в одном мегабайте несжатого изображения можно спрятать примерно один килобайт тайных данных.

Для дополнительной безопасности и придания тайному сообщению вида случай­ных данных оно должно быть зашифровано сильным криптоалгоритмом. Замена псев­дослучайными битами некоторых наиболее шумных битов контейнера только немно­го увеличит уровень шума сообщения, Включение открытого текста в контейнер может заметно изменить его статистические характеристики. Более того, последовательность скрывающих битов должна выбираться псевдослучайным способом как функция сек­ретного ключа. Иначе противник, имеющий алгоритм, без труда вскроет контейнер.

Но и шифрование с ключом не освобождает от проблем. Если скрывающие биты в подозреваемом сообщении имеют некоторые статистические отклонения от других аналогичных сообщений, то противник получит все основания для вывода, что оно содержит скрытые данные. Тогда путем дополнительного зашумления он может иска­зить сообщение и этим фактически его уничтожить.

По протяженности контейнеры можно подразделить на два типа:

–        непрерывные (потоковые);

–        ограниченной (фиксированной) длины.

Они представляют собой или поток непрерывных данных, подобно цифровой теле­фонной связи, или файл, подобный растровому изображению.

Особенностью потокового контейнера является то, что невозможно определить его начало или конец. Более того, нет возможности узнать заранее, какими будут после­дующие шумовые биты, что приводит к необходимости включать скрывающие сооб­щение биты в поток в реальном масштабе времени, а сами скрывающие биты выбира­ются с помощью специального генератора, задающего расстояние между последовательными битами в потоке. Такой способ называют произвольно-интерваль­ным методом. Следует заметить, что в достаточно длинном контейнере можно скры­вать несколько сообщений.

В непрерывном потоке данных самая большая трудность для получателя заключа­ется в определении момента, когда же начинается скрытое сообщение. В простом слу­чае, если поток данных имеет конечную длину и часто вновь открывается, тайное сообщение может начинаться при открытии сеанса. При наличии в потоковом контейне­ре сигналов синхронизации или границ пакета скрытое сообщение начинается сразу же после одного из них. В свою очередь, для отправителя возможны проблемы, если он не уверен в том, что поток контейнера будет достаточно долгим для размещения целого тайного сообщения.

При использовании контейнеров фиксированной длины, которые свободны от не­достатков потоковых контейнеров, отправитель заранее знает размер файла и может выбрать скрывающие биты в подходящей псевдослучайной последовательности. По­скольку контейнер известен заранее, есть время оценить его эффективность примени­тельно к выбранному алгоритму сокрытия информации. С другой стороны, контейне­ры фиксированной длины имеют ограниченный объем и иногда встраиваемое сообщение может не поместиться в файл-контейнер.

Другой недостаток заключается в том, что расстояния между скрывающими бита­ми равномерно распределены между наиболее коротким и наиболее длинным задан­ными расстояниями, в то время как истинный случайный шум будет иметь экспонен­циальное распределение длин интервала. Конечно, можно породить псевдослучайные экспоненциально распределенные числа, но этот путь обычно слишком трудоемок. Однако на практике чаще всего используются именно контейнеры фиксированной дли­ны, как наиболее распространенные и доступные.

Для большинства современных методов, используемых для сокрытия сообщения в цифровых контейнерах, имеет место зависимость надежности системы от объема встра­иваемых сообщений, представленная на рис. 5.2.

Данная зависимость показывает, что при увеличении объема встраиваемых сооб­щений снижается надежность системы (при неизменности размера контейнера). Та­ким образом, используемый в стегосистеме контейнер накладывает ограничения на размер встраиваемых данных.

В любом случае контейнер без встроенного сообщения — это пустой контейнер, а контейнер, содержащий встроенную информацию, — это заполненный или стегоконтейнер.

Встроенное (скрытое) сообщение, находящееся в стегоконтейнере, передается от отправителя к получателю по каналу передачи, который называется стеганографическим каналом или просто стегоканалом.

Встраивание сообщений в контейнер происходит с использованием специального стегоключа. Под ключом понимается секретный элемент, который определяет поря­док занесения сообщения в контейнер.

По аналогии с криптографией, по типу стегоключа все стегосистемы можно под­разделить на два типа:

–        с секретным ключом;

–        с открытым ключом.

В стегосистеме с секретным ключом используется один ключ, который должен быть определен либо до начала обмена секретными сообщениями, либо передан по защи­щенному каналу.

В стегосистеме с открытым ключом для встраивания и извлечения сообщения ис­пользуются разные ключи, которые различаются таким образом, что с помощью вы­числений невозможно вывести один ключ из другого. Поэтому один ключ (открытый) может передаваться свободно по незащищенному каналу связи. Кроме того, данная схема хорошо работает и при взаимном недоверии отправителя и получателя.

В зависимости от количества уровней защиты информации (например, встраива­ние предварительно зашифрованного сообщения) в стегосистеме может быть один или несколько стегоключей.

Любая используемая стегосистема должна отвечать следующим требованиям:

–        свойства контейнера должны быть модифицированы, чтобы изменение невоз­можно было выявить при визуальном контроле;

–        стегосообщение должно быть устойчиво к искажениям, в том числе и злонаме­ренным;

–        для сохранения целостности встраиваемого сообщения необходимо использова­ние кода с исправлением ошибок;

–        для повышения надежности встраиваемое сообщение должно быть продублировано.

Модификация свойств контейнера определяет качество сокрытия внедряемого со­общения: для обеспечения беспрепятственного прохождения стегосообщения по ка­налу связи оно никоим образом не должно привлечь внимание атакующего.

В ходе процесса передачи сообщение (звук или другой контейнер) может претер­певать различные трансформации: уменьшаться или увеличиваться, преобразовываться в другой формат и т. д. Кроме того, оно может быть сжато, в том числе и с использова­нием алгоритмов сжатия с потерей данных. Именно поэтому стегосообщение должно быть устойчивым к такого рода искажениям.

Для повышения целостности и надежности передачи стегосообщения рекомедует-ся использовать коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, и передавать сооб­щение неоднократно, изменяя пути следования.

В настоящее время можно выделить (рис. 5.3) три, тесно связанных между собой и имеющих одни корни, направления приложения стеганографии:

–        сокрытие данных (сообщений);

–        цифровые водяные знаки;

–        заголовки.

Сокрытие внедряемых данных, которые в большинстве случаев имеют большой объем, предъявляет серьезные требования к контейнеру. Размер контейнера в несколько раз должен превышать размер встраиваемых данных.

Цифровые водяные знаки используются для защиты авторских или имуществен­ных прав на цифровые изображения, фотографии или другие оцифрованные произве­дения искусства. Основными требованиями, которые предъявляются к таким встроен­ным данным, являются надежность и устойчивость к искажениям:

Цифровые водяные знаки имеют небольшой объем, однако, с учетом указанных выше требований, для их встраивания используются более сложные методы, чем для встраивания просто сообщений или заголовков.

Заголовки используются, в основном, для маркирования изображений в больших электронных хранилищах (библиотеках) цифровых изображений, аудио- и видеофай­лов. В данном случае стеганографические методы используются не только для вне­дрения идентифицирующего заголовка, но и иных индивидуальных признаков файла.

Внедряемые заголовки имеют небольшой объем, а предъявляемые к ним требова­ния минимальны: заголовки должны вносить незначительные искажения и быть устой­чивы к основным геометрическим преобразованиям.

Каждое из перечисленных выше приложений требует определенного соотношения между устойчивостью встроенного сообщения к внешним воздействиям (в том числе и стегоанализу) и размером самого встраиваемого сообщения.

Далее мы рассмотрим принципы и методы компьютерной стеганографии. Как и любой инструментарий, стеганографические методы требуют к себе серьезного вни­мания и осторожного обращения: они могут быть использованы как для целей защи­ты, так и для целей нападения.

Анализ путей практической реализации компьютерной стеганографии

Напомним, что стеганография является наукой, обеспечивающей обмен информаци­ей таким образом, что скрывается сам факт существования секретной связи. Она не за­меняет криптографию (шифрование данных), а дополняет ее еще одним уровнем безо­пасности. Как мы уже говорили, при обработке данных стеганографическими методами происходит скрытие передаваемой информации в других объектах (файлах, дисках и т. п.) таким образом, чтобы постороннее лицо не могло догадаться о существовании скрытого секретного сообщения. При этом обнаружить такое сообщение довольно слож­но, но если это и произойдет, то сообщение может быть к тому же еще и надежно зашиф­ровано. При реализации методов стеганографии на компьютере (компьютерная стега­нография) определяющим фактором является выбор способа кодирования данных.

Современный прогресс в области глобальных компьютерных сетей и средств муль­тимедиа привел к разработке новых методов, предназначенных для обеспечения безо­пасности передачи данных по каналам телекоммуникаций. Эти методы, учитывая ес­тественные неточности устройств оцифровки и избыточность аналогового видео или аудиосигнала, позволяют скрывать сообщения в компьютерных файлах (контейнерах). Причем, в отличие от криптографии, данные методы скрывают сам факт передачи ин­формации. Компьютерные технологии придали новый импульс развитию и совершен­ствованию стеганографии, и на свет появилось новое направление в области защиты информации — компьютерная стеганография.

Анализ тенденций развития компьютерной стеганографии показывает, что в ближай­шие годы интерес к развитию ее методов будет усиливаться все больше и больше. Пред­посылки к этому уже сформировались сегодня. В частности, общеизвестно, что акту­альность проблемы информационной безопасности постоянно растет и стимулирует поиск новых методов защиты информации. С другой стороны, бурное развитие инфор­мационных технологий обеспечивает возможность реализации этих новых методов за­щиты информации. И, конечно, сильным катализатором этого процесса является разви­тие глобальной компьютерной сети общего пользования Internet, а .также такие нерешенные противоречивые проблемы Internet, как защита авторского права, защита прав на личную тай­ну, организация электронной торговли, противоправ­ная деятельность хакеров, террористов и т.п.

В настоящее время весьма характерной тенденци­ей в области защиты информации является внедре­ние криптологических методов. Однако на этом пути много еще нерешенных проблем, связанных с разру­шительным воздействием на криптосредства таких составляющих информационного оружия, как компь­ютерные вирусы, логические бомбы, различного вида криптоатаки и т. п. Объединение методов компьютер­ной стеганографии и криптографии является хорошим выходом из создавшегося положения. В этом случае возможно устранить слабые стороны известных методов защиты информации и разра­ботать новые более эффективные нетрадиционные методы обеспечения информаци­онной безопасности.

Несмотря на то, что стеганография как способ сокрытия секретных данных извест­на уже на протяжении тысячелетий, компьютерная стеганография — молодое и разви­вающееся направление. Как и любое новое направление, компьютерная стеганогра­фия, несмотря на большое количество открытых публикаций и ежегодные конференции, долгое время не имела единой терминологии.

До недавнего времени для описания модели стеганографической системы исполь­зовалась предложенная 1983 году Симмонсом так называемая «проблема заключен­ных». Она состоит в том, что два индивидуума хотят обмениваться секретными сооб­щениями без вмешательства охранника, контролирующего коммуникационный канал. При этом имеется ряд допущений, которые делают эту проблему более или менее решаемой. Первое допущение облегчает решение проблемы и состоит в том, что уча­стники информационного обмена могут разделять секретное сообщение (например, используя кодовую клавишу) перед заключением. Другое допущение, наоборот, зат­рудняет решение проблемы, так как охранник имеет право не только читать сообще­ния, но и модифицировать (изменять) их. Позднее, на конференции Information Hiding: First Information Workshop в 1996 году было предложено использовать новую единую терминологию и обговорены основные термины.

В настоящее время все более актуальной становится проблема обеспечения безо­пасности связи, под которой можно понимать использование специальных средств, методов и мероприятий с целью предотвращения потери, хищения, копирования и ис­кажения передаваемой конфиденциальной информации. Причем, меры безопасности могут быть направлены как на предотвращение несанкционированного съема защи­щаемой информации, так и на сокрытие самого факта ее передачи путем использова­ния стандартных технических средств, обычных протоколов информационного обме­на и общедоступных каналов связи.

Особую популярность в последнее время получила часть стеганографии, которая использует для сокрытия конфиденциальных сообщений графические изображения, передаваемые по вычислительным сетям. Однако по целому ряду причин, в первую очередь из-за уже достаточной распространенности, невысокой оперативности и ин­формационной эффективности, некоторой сложности процессов обработки, синхро­низации и закладки-выкладки полезной информации в изображения-контейнеры, та­кой вид сокрытия передаваемых конфиденциальных данных не всегда удобен в практической деятельности служб защиты информации предприятий и учреждений.

В связи с возрастанием роли глобальных компьютерных сетей становится все бо­лее важным значение стеганографии. Анализ информационных источников компью­терной сети Internet позволяет сделать вывод, что в настоящее время стеганографические системы активно используются для решения следующих основных задач:

–        защита конфиденциальной информации от несанкционированного доступа;

–        преодоление систем мониторинга и управления сетевыми ресурсами;

–        камуфлирования программного обеспечения;

–        защита авторского права на некоторые виды интеллектуальной собственности.

Остановимся подробнее на каждой из перечисленных задач.

Защита конфиденциальной информации от несанкционированного доступа с ис­пользованием компьютерной стеганографии является наиболее эффективным приме­нением при решении проблемы защиты конфиденциальной информации. Так, напри­мер, только одна секунда оцифрованного звука с частотой дискретизации 44100 Гц и уровнем отсчета 8 бит в стереорежиме позволяет скрыть за счет замены наименее значимых младших разрядов на скрываемое сообщение около 10 Кбайт информации. При этом изменение значений отсчетов составляет менее 1% и оно практически не обнаруживается при прослушивании измененного файла большинством людей.

Стеганографические методы, направленные на противодействие системам мониторинга и управления сетевыми ресурсами промышленного шпионажа, позволяют противостоять попыткам контроля над информационным пространством при прохождении информации через серверы управления локальных и глобальных вычислительных сетей.

Другой важной задачей стеганографии является камуфлирование программного обес­печения. В тех случаях, когда использование программного обеспечения незарегистриро­ванными пользователями является нежелательным, оно может быть закамуфлировано под стандартные универсальные программные продукты (например, текстовые редакторы) или скрыто в файлах мультимедиа (например, в звуковом сопровождении компьютерных игр).

При защите авторских прав с использованием стеганографии одним из наиболее перспективных направлений ее развития являются цифровые водяные знаки (digital watermarking). Создание невидимых глазу водяных знаков используется для защиты авторских прав на графические и аудиофайлы. Такие цифровые водяные знаки, поме­щенные в файл, могут быть распознаны только специальными программами, которые извлекут из файла много полезной информации: когда создан файл, кто владеет автор­скими правами, как вступить в контакт с автором. При том повальном воровстве, ко­торое происходит в Internet, польза этой технологии очевидна.

Основными положениями современной компьютерной стеганографии являются следующие:

–        методы скрытия должны обеспечивать аутентичность и целостность файла;

–        предполагается, что противнику полностью известны возможные стеганографи-ческие методы;

–        безопасность методов основывается на сохранении стеганографическим преобразо­ванием основных свойств открыто передаваемого файла при внесении в него сек­ретного сообщения и некоторой неизвестной противнику информации — ключа;

–        даже если факт скрытия сообщения стал известен противнику через сообщника, извлечение самого секретного сообщения представляет сложную вычислитель­ную задачу.

Методы компьютерной стеганографии

В настоящее время существует достаточно много различных компьютерных мето­дов (и их вариантов) встраивания сообщений. Сегодня методы компьютерной стега­нографии (рис. 5.4) развиваются по двум основным направлениям:

–        методы, основанные на использовании специальных свойств компьютерных фор­матов;

–        методы, основанные на избыточности аудио- и визуальной информации.

Сравнительные характеристики существующих стеганографических методов при­ведены в табл. 5.1. Как видно из этой таблицы, первое направление основано на ис­пользовании специальных свойств компьютерных форматов представления данных, а не на избыточности самих данных. Специальные свойства форматов выбираются с учетом защиты скрываемого сообщения от непосредственного прослушивания, про­смотра или прочтения.

Таблица 5.1 . Сравнительные характеристики компьютерных стеганографических методов
Компьютерные стеганографические методы
Методы использования специальных свойств компьютерных форматов данных
На­име­нова­ние	Методы использо­вания  зарезервиро­ванных для расши­рения полей компь­ютерных форматов данных		Методы специального форматирования текстовых файлов:
			Методы исполь­зования известного смешения слов, предложений, абзацев			Методы вы­бора опреде­ленных по­зиций букв (нулевой шифр)		Методы ис­пользо­вания специальных свойств по­лей фор­ма­тов, не ото­бражае­мых на экране
Крат­кая харак­терис­тика	Поля расширения имеются во многих мультимедий­ных форматах, они запол­няются нуле­вой информа­цией и не учитываются программой		Методы основаны на изменении по­ложения строк и расстановки слов в предложении, что обеспечивается вставкой дополни­тельных пробелов между словами			Акростих — частный случай этого метода (на­пример, на­чальные бу­квы каждой строки обра­зуют сооб­щение)		Методы ос­нованы на использова­нии специ­альных «неви­ди­мых», скры­тых полей для органи­зации сносок и ссы­лок (например, ис­пользова­ние черного шрифта на черном фоне)
Недо­с­татки	Низкая степень скрытности, пере­дача небольших ог­раниченных объе­мов информации		Слабая производительность метода, передача небольших объемов информации. Низкая степень скрытности
Преи­му­ще­ства	Простота использо­вания		Простота использования. Имеется опубликованное программное обеспечение реализации данного метода
					Методы использования избы­точности аудио— и визуаль­ной информации
	Методы скрытия в неиспользуемых местах гибких дисков	Методы исполь­зования имити­рующих функций (mimic— function)		Методы удаления идентифицирую­ще­го файл заго­ловка	Методы ис­пользо­вания избыточности цифровой фо­тографии и цифрового видео		Методы ис­пользования избыточности цифрового звука
	Информация запи­сывается в обычно неиспользуемых местах ГМД (на­пример, в  нулевой дорожке)	Метод основан на генерации текстов и явля­ется обоб­щением акро­стиха. Для тай­ного сообще­ния генерируется ос­мысленный текст, скрывающий само сообщение		Скрываемое со­общение шифру­ется и у резуль­тата удаля­ется идентифици­рую­щий заголовок, оставляя только шифрованные дан­ные. Получа­тель заранее знает о пе­редаче сооб­щения и имеет недостающий за­головок	Младшие разряды цифровых отсчетов содержат очень мало полезной информации. Их за­полнение дополнительной информацией практически не влияет на качество воспри­ятия, что и дает возможность скрытия конфиденциальной информации
	Слабая производи­тельность метода, передача неболь­ших объемов ин­формации. Низкая степень скрытно­сти	Слабая произво­дительность ме­тода, передача не­больших объемов информации. Низкая степень скрытности		Проблема скры­тия решается только частично. Необходимо зара­нее передать часть информации по­лучателю	За счет введения дополни­тельной информации искажа­ются статистические характе­ристики цифровых потоков. Для снижения компромети­рующих признаков требуется коррекция статистических ха­рактеристик
	Простота исполь­зования. Имеется опубликованное программное обеспечение реа­лизации данного метода	Результирующий текст не является подозрительным для систем мони­торинга сети		Простота реали­зации. Многие средства (White Noise Stonn, S-Toob), обес печи­вают реализа цию этого метода с PGP шифроалго­ритмом -	Возможность скрытой пере­дачи большого объема ин­формации. Возможность защиты автор­ского права скрытого изобра­жения товарной марки, реги­страционных номеров и т. п.

Второе направление использования стеганографии в компьютерных системах ос­новано на использовании избыточности аудио и визуальной информации. Цифровые фотографии, цифровая музыка, цифровое видео — представляются матрицами чисел, которые кодируют интенсивность сигналов в дискретные моменты в пространстве и/ или во времени. Цифровая фотография — это матрица чисел, представляющих интен­сивность света в определенный момент времени. Цифровой звук — это матрица чисел, представляющая интенсивность звукового сигнала в последовательно идущие моменты времени.

Все эти числа не точны, т. к. не точны устройства оцифровки аналоговых сигналов. Погрешность измерений последних зависит от суммы погрешностей блока преобра­зований и датчика, преобразующего физическую характеристику сигнала в электри­ческий сигнал. Эти погрешности измерений обычно выражаются в процентах или в количестве младших значащих разрядов и называются шумами квантования. Млад­шие разряды цифровых отсчетов содержат очень мало полезной информации о теку­щих параметрах звука и визуального образа, что позволяет использовать их для со­крытия дополнительной информации.

Например, графические цветные файлы со схемой смешения RGB кодируют каж­дую точку рисунка тремя байтами (по одному для каждого из цветов). Поэтому каждая такая точка состоит из составляющих: красного, зеленого, синего цветов соответ­ственно. Изменение каждого из трех наименее значимых бит приводит к изменению шится. Если изменения происходят не в каждом отсчете, то объем передаваемых дан­ных уменьшается, но снижается вероятность их обнаружения.

При использовании компьютерной стеганографии придерживаются следующих принципов:

–        в качестве носителя скрытой информации должен выступать объект (файл), до­пускающий искажения собственной информации, не нарушающие его функцио­нальность и суть;

–        внесенные искажения должны быть ниже уровня чувствительности средств рас­познавания.

Первый заключается в том, что файлы, содержащие оцифрованное изображение или звук, могут быть до некоторой степени видоизменены без потери функционально­сти, в отличие от других типов данных, требующих абсолютной точности.

Второй фактор состоит в неспособности органов чувств человека различить незна­чительные изменения в цвете изображения или качестве звука, что особенно легко использовать применительно к объекту, несущему избыточную информацию, будь то 16-битный звук, 8-битное или еще лучше 24-битное изображение. Если речь идет об изображении, то изменение значений наименее важных битов, отвечающих за цвет пиксела, не приводит к заметному для человеческого глаза изменению цвета.

Если речь идет о звуке, то, как видно из рис. 5.5, в этом случае учитывается так называемое окно слышимости человека. Из рисунка видно, что не все звуковые часто­ты органы слуха человека воспринимают одинаково. Верхняя граница окна соответ­ствует оглушительному звуку, соседствующему с болевым ощущением. Нижняя гра­ница определяется порогом слышимости. Кроме того, человек практически не может однозначно регистрировать на слух изменения интенсивности звука, если она изменя­ется очень и очень незначительно.

Стеганографические алгоритмы обработки звука строятся с таким расчетом, что­бы максимально использовать окно слышимости и другие свойства речевых сигналов (тембр, скорость и т.д.), незначительные изменения которых не слышны человеку.

Особенности скрытой передачи аудиоинформации

Особенности психоакустики восприятия человеком звуковых колебаний позволяют скрытно передавать информацию через речевое сообщение. Среди всех известных пси­хоакустических эффектов наиболее предпочтительным для решения этой задачи являет­ся эффект маскировки. Суть этого эффекта сводится к следующему. Более интенсивные речевые отрезки делают неслышимыми сигналы, появившиеся до них («маскировка впе­ред») и после них («маскировка назад»). Временной диапазон маскировки вперед про­стирается до 20 мс, а назад — до 150 мс. Кроме того, существует и частотная маскиров­ка, когда в момент появления более интенсивного низко-частотного сигнала становится неслышным более высокочастотный сигнал меньшей амплитуды. Необходимо отметить, что подъем высоких частот уменьшает диапазон частотной маскировки.

Маскировка вперед в речевом сигнале наиболее отчетливо проявляется на откры­тых взрывных слогах, средняя вероятность появления которых в русской речи составляет 0,18. Средняя длительность открытого взрывного слога составляет около 120 мс, что означает, что на одну секунду речи дополнительное кодирование с помощью маскировки назад в среднем может занять временной интервал длительностью всего 3,6 мс. Количество квантов скрытой информации на одну секунду речи равняется 0,9, т. е. за 1,1 секунду речи можно передать один квант длительностью 3,6 мс. Квант скры­той информации может быть синусоидальным сигналом длительностью 3,6 мс. Под квантом понимается некоторый блок, элемент данных, характеризующийся некото­рым набором логических параметров — атрибутов, таких как формат, длина, частота, амплитуда, фаза и т.д.

Маскировка назад в речевом сигнале может возникать в двух случаях.

Во-первых, в моменты прекращения фонации, т.е. выключения тонального источ­ника. Здесь следует учесть особенности работы тонального источника в этот момент. Колебания голосовых связок происходят с уменьшением амплитуды и сужением спек­тра генерируемых колебаний вплоть до частоты основного тона. Таким образом, в этот момент в речевом сигнале отсутствуют высокочастотные колебания. Квант скры­той информации может представлять собой широкополосный шумоподобный сигнал с убывающей по частоте спектральной энергетикой и с убывающей интенсивностью во времени. Известно, что вероятность появления гласных звуков в русской речи со­ставляет 0,3, а с выключением фонации она уменьшается приблизительно в 3—4 раза. Средняя длительность прекращения фонации около 70 мс. Таким образом, на одну секунду речи можно передать до 7 мс скрытой информации. Этот механизм кодирова­ния включает как маскировку назад, так и частотную маскировку. Поскольку фаза выключения тонального источника находится во временной зоне маскировки назад, то появляется возможность регулировать спад интенсивности, например по экспоненци­альному или временному закону. Это дает еще дополнительных 7 мс для передачи скрытой информации и увеличивает количество квантов скрытой информации до 2 на одну секунду речи.

Во-вторых, при переходе от гласных звуков с низкой первой резонансной частотой [у, и, ы] к сонорным [л, м, н] происходит уменьшение амплитуды в два раза. Вероят­ность такого эффекта составляет 0,3, а вероятность появления таких слогов 0,024. Длительность маскировки назад в таком случае уменьшается до 30—50 мс, так что за одну секунду речи можно передать 0,5 мс скрытой информации. Количество квантов скрытой информации на одну секунду речи 0,1.

Перейдем к частотной маскировке. Этот механизм может работать практически всегда, когда работает тональный источник возбуждения речевого тракта. Кванты ко­дируемого сообщения могут представлять собой дополнительные более высокочас­тотные и менее интенсивные суммы синусоид, чем основные компоненты тонального речевого сигнала. Вероятность появления тональных отрезков в русской речи равна 0,7, следовательно, длительность кодируемого участка может равняться 500—600 мс на одну секунду речи, а количество квантов скрытой информации при средней дли­тельности кванта 50 мс достигать 10—12.

Рассмотрим ограничения, связанные с ограниченными возможностями нашей слу­ховой системы, которые позволяют внедрять дополнительную скрытую информацию.

Первое ограничение связано с нечувствительностью нашей слуховой системы к провалам спектра в шумовом сигнале. Таким образом, используя режекторную фильтрацию, можно на звуках речевого сообщения, порожденных турбулентным источни­ком, передавать дополнительную информацию. Эти частоты для звука [х] расположе­ны в диапазоне частот ниже 800 Гц, для звука [ш] в диапазоне частот от 2 кГц до 4 кГц, а для звука [с] на частотах выше 5 кГц. Вероятность встретить перечисленные звуки в русской речи равна 0,08, так, что за одну секунду речи можно передать 80 мс скрытой информации и количество квантов скрытой информации составит 1,2 на одну секунду речи.

Второе ограничение связано с чувствительностью нашей слуховой системы к из­менению значений ширин резонансов, возникающих в речевом тракте. Такая относи­тельная чувствительность составляет 30%. Это означает, что речевой сигнал можно корректировать, изменяя добротности резонансов гласных звуков. В этом случае есть возможность внедрить до 200—300 мс скрытой информации на одну секунду речи с количеством квантов скрытой информации 2—3 за одну секунду речи.

Третье ограничение связано с возможностью регулирования речевого сигнала на интервалах вынужденных (моменты времени, когда ускорения воздушного потока, порожденные работой голосовых связок, максимальны) и свободных (когда влияние голосовых связок отсутствует) колебаний. Регулировать длительность этих интерва­лов нельзя, поскольку наше слуховое восприятие очень чувствительно к этим измене­ниям. Однако увеличить амплитуду на интервалах вынужденных колебаний можно. Но делать это надо очень аккуратно, корректируя диапазон изменения мгновенной частоты для каждого резонанса речевого тракта. Интервал вынужденных колебаний не превосходит половины периода низкочастотного резонанса в речевом тракте, т. е. частоту 300—600 Гц. С учетом частоты основного тона 100—200 Гц и длительности гласных звуков русской речи 200—300 мс на одну секунду речи (с учетом релаксаци­онного режима колебаний голосовых связок с широким спектром гармоник), получа­ем общую длительность кодирования до 45 мс. Следует отметить, что этот вид коди­рования является наиболее сложным для обнаружения с помощью современных методов анализа и распознавания речевых сигналов. Количество квантов скрытой ин­формации при этом составит от 15 до 40 на одну секунду речи.

Перейдем к возможности внедрения специфических, не мешающих восприятию речевого сигнала, помех. В качестве таких сигналов могут рассматриваться возбужде­ния на дополнительных резонансных частотах. Возбуждения осуществляются импуль­сами тонального источника, выделенными из самого же исходного речевого сигнала. Этот механизм можно рекомендовать для тех интервалов, на которых порождаются гласные звуки. Новые резонансы не мешают пониманию исходного речевого сигнала и на слух воспринимаются как некоторое улучшение тембральности исходного рече­вого сообщения. Длительность таких аддитивных сигналов составляет 500—600 мс, а количество передаваемых квантов скрытого сообщения от 2 до 4 на одну секунду речи.

Таким образом, максимальная скорость передачи скрытой информации на речевом сигнале может быть 52,2 кванта за одну секунду. Самый простой способ кодирования — это режекция звуков, порожденных турбулентным источником, со скоростью переда­чи 1 квант в секунду. Самым трудным для обнаружения эффекта кодирования являет­ся метод коррекции речевого сигнала на временных участках вынужденных колеба­ний с минимальной скоростью передачи информации 12 квантов. Информационная емкость каждого кванта в среднем может составить 2 бита (примерно 4 состояния), так что максимальная скорость передачи информации может составить примерно 100 бит в секунду. Любопытно отметить, что и скорость передачи вербального компо­нента речевого сигнала составляет 50—100 бит в секунду.

Теоретически диапазон возможных методов стеганографии соизмерим с широтой человеческого воображения. Поэтому ограничимся лишь теми подходами к проблеме, которые уже получили распространение. На практике стеганографические системы, построенные по второму принципу, используются наиболее часто, несмотря на мно­гие, присущие этому методу, недостатки. Наиболее простым и популярным в компью­терной стеганографии является так называемый метод, основанный на использовании младшего бита звуковых (и/или любых других мультимедийных) данных — LBS-метод (Least Significant Bits). Рассмотрим этот метод более подробно на примере ис­пользования звуковых сигналов.

Начнем с того, что львиная доля компьютерной информации «шумит». «Шумит» все то, что хранится, передается и обрабатывается. Далее кавычки убираем, так как это законный технический термин, указывающий на наличие ошибок в данных, помех в каналах связи и прочих случайных сигналов и знаков. Так как речевой сигнал запи­сывается с микрофона, то в записи присутствует некоторый уровень шума, зависящий от качества микрофона, уровня внешних акустических помех и погрешностей устройств преобразования аналогового сигнала в цифровой.

Естественные шумы, которые содержат цифровые массивы аудиоданных, получен­ные стандартными способами преобразования из аналоговых акустических сигналов, являются ошибками квантования и не могут быть полностью устранены. Использова­ние шумовых бит для передачи дополнительной конфиденциальной информации по­зволяет создавать скрытый канал передачи данных. В этом смысле здесь прослежива­ется некоторая аналогия с традиционными методами скрытия данных в изображениях. В качестве шумовых бит обычно рассматриваются младшие разряды значений отсче­тов, которые являются шумом с точки зрения точности измерений и несут наимень­шее количество информации, содержащейся в отсчете. Рассмотрим, как эти преобра­зования происходят.

Минимальной единицей хранения информации в компьютере, как известно, явля­ется бит. Любое значение — это совокупность битов. Именно из этих битов состоит «оцифрованный» аналоговый сигнал после преобразования с помощью аналогоцифрового преобразователя (АЦП). При использовании компьютера эти преобразования выполняются звуковой картой, разрядность которой существенно влияет на качество звука. В недавнем прошлом прямое указание на разрядность звуковой карты содержа­лось в ее названии в виде числа 16. Тем самым изготовители подчеркивали, что в их продукции качество цифрового звука как бы соответствует качеству звука лазерного проигрывателя, а не какой-нибудь там 8-битной карты. В дальнейшем 16 разрядов в АЦП стали нормой, а числа «32» или «64» в названиях стали означать совсем другое — максимальное количество одновременно звучащих голосов синтезатора звуковой кар­ты (полифонию).

Некоторые высококачественные звуковые карты оборудованы 18-битными и даже 20-битными АЦП. Звуковые редакторы, работая с любыми звуковыми картами, в том числе и 16-битными, в процессе преобразований отсчетов сигнала используют ариф­метику с разрядностью двоичного представления числа, превышающей 16. Это позволяет уменьшить погрешность, накапливающуюся в процессе выполнения сложных алгоритмов обработки, которая в противном случае проявлялась бы как искажение звука.

Почему же столь важно наличие большого числа разрядов в устройствах АЦП? Дело заключается в том, что непрерывный (аналоговый) сигнал преобразуется в циф­ровой с некоторой погрешностью. Эта погрешность тем больше, чем меньше уровней квантования сигнала, т. е. чем дальше отстоят друг от друга допустимые значения кван­тованного сигнала. Число уровней квантования, в свою очередь, зависит от разрядно­сти АЦП. Погрешности, возникающие в результате замены аналогового сигнала ря­дом квантованных по уровню отсчетов, можно рассматривать как его искажения, вызванные воздействием помехи. Эту помеху принято образно называть шумом кван­тования. Шум квантования (рис. 5.6) представляет собой разность соответствующих значений реального и квантованного по уровню сигналов.

Из рис. 5.6 видно, что в случае превышения сигналом значения самого верхнего уровня квантования («старшего» кванта), а также в случае, когда значение сигнала оказывается меньше нижнего уровня квантования («младшего» кванта), т. е. при огра­ничении сигнала, возникают искажения, более заметные по сравнению с шумом кван­тования. Для исключения искажений этого типа динамические диапазоны сигнала и АЦП должны соответствовать друг другу, иными словами, значения сигнала должны располагаться между уровнями, соответствующими младшему и старшему квантам.

Для нормированного сигнала относительная величина максимальной погрешнос­ти квантования равна Ш, §Ф§Х§Ц N ? §й§Ъ§г§Э§а §е§в§а§У§Я§Ц§Ы §Ь§У§С§Я§д-§а§У§С§Я§Ъ§с. §д§д§а§Ы §Ш§Ц §У§Ц§Э§Ъ§й§Ъ§Я§а§Ы, §б§в§Ц§Х§г§д§С§У§Э§-Ц§Я§Я§а§Ы §У §Э§а§Ф§С§в§Ъ§ж§Ю§Ъ§й§Ц§г§Ь§Ъ§з §Ц§Х§Ъ§Я§Ъ§и§С§з (§Х§Ц§и§Ъ§Т§Ц§Э§С§з), §а§и§Ц§Я§Ъ§У§С§Ц§д§г§с §e§lg(l/N). Для трехразрядного АЦП (см. рис. 5.6) N=8, ? = — 18 дБ; для восьмиразрядного — N=256, ? = — 48дБ; для шестнадцатиразрядного — N=65536, ? = — 96 дБ; для восемнадцатиразрядного АЦП N=262144, ? = — 108 дБ; и для двадцатиразрядного АЦП N= 1648576, ? = — 120 дБ. Эти цифры наглядно демонстрируют, что с ростом разрядности АЦП шум квантова­ния уменьшается. Приемлемым считается 16-разрядное представление сигнала, явля­ющееся в настоящее время стандартным для воспроизведения звука, записанного в цифровой форме. С точки зрения снижения уровня шумов квантования дальнейшее увеличение разрядности АЦП нецелесообразно, т. к. уровень шумов, возникших по другим причинам (тепловые шумы, а также импульсные помехи, генерируемые эле­ментами схем компьютера и распространяющиеся либо по цепям питания, либо в виде электромагнитных волн), все равно оказывается значительно выше, чем — 96 дБ. Но и при использовании 16 разрядного АЦП изменение уровня сигнала, соответствую­щее младшему значащему разряду или даже двум-трем, практически не воспринима­ется человеком на слух. Кроме того, при «оцифровке» одного и того же звукового фрагмента с использованием одного и того же АЦП, мы каждый раз будем получать новый «цифровой» фрагмент, отличный от предыдущих хотя бы значением одного младшего разряда.

Однако увеличение разрядности АЦП обусловлено еще одним фактором — стрем­лением расширить его динамический диапазон. Поэтому динамический диапазон для 16-разрядного АЦП составляет 96 дБ, для 18-разрядного — 108 дБ, для 20-разрядного — 120 дБ. Иными словами, для записи звучания некоторого источника звука, динамичес­кий диапазон которого составляет 120 дБ, требуется двадцатиразрядный АЦП. Если такого нет, а имеется только шестнадцатиразрядный, то динамический диапазон звука должен быть сжат на 24 дБ (от 120 дБ до 96 дБ).

После того как мы немного разобрались с разрядностью звуковой карты, пришло время поговорить о частоте дискретизации. В процессе работы АЦП происходит не только квантование сигнала по уровню, но и его дискретизация во времени (рис. 5.7). Сигнал, непрерывно изменяющийся во времени, заменяют рядом отсчетов этого сиг­нала. Обычно отсчеты сигнала берутся через одинаковые промежутки времени. Инту­итивно ясно, что если отсчеты отстоят друг от друга на слишком большие интервалы, то при дискретизации может произойти потеря информации: если важные изменения сигнала произойдут не в те моменты, когда были взяты отсчеты, они могут быть «про­пущены» преобразователем. Получается, что отсчеты следует брать с максимальной частотой. Естественным пределом служит быстродействие преобразователя. Кроме того, чем больше отсчетов приходится на единицу времени, тем больший размер па­мяти необходим для хранения информации.

П роблема отыскания разумного компромисса между частотой взятия отсчетов сиг­нала и расходованием ресурсов трактов преобразования и передачи информации воз­никла задолго до того, как на свет появились первые звуковые карты. В результате исследований было сформулировано правило, которое в отечественной научно-техни­ческой литературе принято называть теоремой Котельникова. Если поставить перед собой задачу обойтись без формул и использования серьезных научных терминов типа «система ортогональных функций», то суть теоремы Котельникова можно объяснить следующим образом. Сигнал, представленный последовательностью дискретных от­счетов, можно вновь преобразовать в исходный (непрерывный) вид без потери инфор­мации только в том случае, если интервал между соседними отсчетами не превышает половины периода самого высокочастотного колебания, содержащегося в спектре сиг­нала.

Из сказанного следует, что восстановить без искажений можно только сигнал, спектр которого ограничен некоторой максимальной частотой (теоретически все реальные сигналы имеют бесконечные спектры). Для того чтобы при дискретизации избежать искажений, вызванных этим обстоятельством, сигнал вначале пропускают через фильтр, подавляющий в нем все частоты, которые превышают заданное значение максималь­ной частоты, и лишь затем производят дискретизацию. Если учесть некоторые реаль­ные свойства сигналов, свойств человеческого слуха (окно слышимости) и устройств преобразования, то частоту дискретизации следует выбирать не менее 20 кГц. Так в стандарте CD частота дискретизации равна 44,1 кГц, для цифровых звуковых магнито­фонов стандартная частота дискретизации составляет 48 кГц, звуковые карты, как правило, способны работать в широком диапазоне частот дискретизации.

Заменив микрофон на устройство пре­образования светового сигнала в электри­ческий можно провести с ним те же преоб­разования, что и со звуковым сигналом. Поэтому мы лишь кратко поясним суть ис­пользования младших разрядов примени­тельно к изображениям.

В 8-битном изображении (RGB кодиро­вание) цвет каждой точки кодируется 8 би­тами или байтом например — 00010001. Каждая цветовая комбинация тона (пиксе­ла — точки) — это комбинация трех ос­новных цветов: красного R, зеленого G и синего В, которые занимают каждый по 1 байту (итого по 3 байта на каждую точ­ку). При кодировании стеганографического изображения изменяется последний (младший) бит каждой точки (или, допус­тим, с определенным шагом) — что при­водит к незаметному для большинства людей изменению изображения — цвет части точек, составляющих изображение, смещается к соседнему в палитре (более темному или более светлому). Многое за­висит, конечно, и от изображения, — чем пестрее оно, чем больше цветов задейство­вано, тем труднее отличить исходное изображение от изображения, содержащего дополнительную информацию. Если предположить, что в качестве носителя исполь­зуется 24 битовое изображение размером 800x600 (графика среднего разрешения), то оно будет занимать около полутора мегабайта памяти (800x600x24/8 = 1440000 байт). Если для хранения секретной информации использовать наименьший знача­щий бит каждого байта, то получим по 3 бита на каждый пиксел. Емкость вносимой в исходное изображение скрываемой информации составит — 800x600x3/8 = 180000 байт. При этом биты последней в некоторых точках будут совпадать с битами реаль­ного изображения, в других — нет, но, главное, что на глаз определить такие иска­жения практически невозможно.

Другим популярным методом встраивания сообщений является использование осо­бенностей форматов данных, использующих сжатие с потерей данных (например, JPEG). Этот метод (в отличие от LSB) более стоек к геометрическим преобразовани­ям и обнаружению канала передачи, так как имеется возможность в широком диапазо­не варьировать качество сжатого изображения, что делает невозможным определение происхождения искажения.

При передаче объемных файлов (например, по — E-mail или через интерактивные службы Internet — WWW и FTP) используются разнообразные методы сжатия, из ко­торых для целей стеганографии предпочтительны те методы, которые обеспечивают сжатие без потерь, поскольку требуется точное восстановление спрятанных данных. Такие виды сжатия типичны для изображений в форматах GIF2, TIFF и BMP, а также звуковых форматов WAV, AU и др.

Среди свойств звуковых данных, оказывающих влияние на обеспечение скрытнос­ти конфиденциальной информации и, соответственно, на обеспечение ее безопаснос­ти методами с использованием шумовых бит, можно выделить следующие:

–        неоднородность последовательностей отсчетов;

–        наличие определенных зависимостей между битами в отсчетах;

–        наличие определенных зависимостей между самими отсчетами;

–        неравновероятность условных распределений в последовательности отсчетов;

–        наличие длинных серий одинаковых бит;

–        наличие корреляции между НЗБ и старшими битами.

Эти свойства в различной степени наблюдаются в большинстве звуковых файлов и могут быть использованы при построении различных статистических критериев, оп­ределяющих факт сокрытия информации в младших значащих разрядах. Вот почему подобные методы компьютерной стеганографии стали применяться на практике все реже.

В то же время, прогресс, достигнутый в области разработки устройств передачи речевых сигналов с использованием средств вычислительной техники, открывает но­вые возможности для скрытой передачи конфиденциальной информации в аналоговых и цифровых аудиосигналах и речи на основе использования динамично развивающих­ся технологий мультимедиа, компьютерной и сотовой телефонии.

Сегодня предлагаются следующие требования к сокрытию конфиденциальной ин­формации в аудиосигналах:

–        слуховое восприятие речевых и акустических сигналов с заложенной в них скры­ваемой информацией должно быть практически неотличимым от восприятия ис­ходной, «открытой» речи или звука;

–        передаваемые по открытым каналам связи конфиденциальные данные, камуфли­рованные речевыми или акустическими сигналами или в неявном виде содержа­щиеся в их параметрах, не должны легко обнаруживаться в этих сигналах-носи­телях широко распространенными методами и техническими средствами анализа звука и речи, имеющимися в наличии в настоящее время;

–        в ряде приложений постановка и выявление стеганофонических маркеров не дол­жны зависеть от синхронизации этих процессов и от наличия каких-либо акус­тических эталонов;

–        специальные методы постановки и выявления стеганофонических маркеров дол­жны реализовываться на основе стандартной вычислительной техники или спе­циальных программно-аппаратных средств на ее основе;

–        должна обеспечиваться возможность закладки и обнаружения признаков аутен­тичности в акустический (речевой) сигнал, проявляющихся при незаконном его копировании или модификации независимо от вида представления и передачи этого сигнала (аналогового или цифрового);

–        должна обеспечиваться возможность сокрытия конфиденциальной информации в акустическом (речевом) сигнале независимо от вида его представления (ана­логового или цифрового) и передачи в открытых каналах связи.

В большинстве случаев этим требованиям можно удовлетворить, используя новый подход к построению специальных стеганофонических программно-аппаратных средств аудиообработки. Этот подход сочетает идею перевода звукового сигнала в вид графи­ческих образов (изображений сонограмм и фазограмм) и обратно без потери инфор­мативности и/или разборчивости с возможностями известных и перспективных мето­дов цифровой обработки изображений.

Следы фонообъектов различной природы в виде параметров составляющих их сигналов проявляются на изображениях динамических спектрограмм в виде сово­купности контуров (линий) перепада яркости или треков (цепочек) локальных и глобальных экстремумов цветовой насыщенности в уровнях одного цвета. С помо­щью специального программного обеспечения такие следы, а точнее амплитуды и фазы узкополосных сигналов, контуры или треки которых и видны на частотно-временной сетке динамических спектрограмм, можно реконструировать, модифи­цировать, уничтожать, создавать заново для решения конкретной стеганофоничес-кой задачи.

Так, в ряде программных продуктов, продвигаемых на рынке спецтехники, реали­зована возможность выборки и обработки узкополосных составляющих интересую­щего участка изображения спектрограммы исследуемого фонообъекта. К данному участку можно приложить либо собственные, входящие в состав программных про­дуктов, инструменты цифровой обработки изображений, либо использовать мощный арсенал средств, предоставляемых известными графическими редакторами типа «Adobe Photoshop», после транспортировки и обработки в них выбранного участка спектро­граммы с возможностью последующей обратной вставки и синтеза модифицированно­го таким образом изображения.

Или, аккуратно затирая или подрисовывая с нужным нажимом (амплитудой) от­дельные обертона речи на вокализованных участках изображений динамических сонограмм, можно оставлять только их четное или нечетное количество, соответствен­но, принимая их за значения единичных или нулевых битов конфиденциальной информации в процессе ее передачи-хранения в речевом сигнале. Кроме того, взяв один из обертонов за опорный, можно просинтезировать все остальные обертона с определенным фазовым смещением по отношению к нему. Задавая вектора приведен­ных начальных фаз, можно достичь достаточно большой емкости внедренных бит со-крываемой информации на единицу времени. Просинтезированная речь будет звучать аналогично исходной, поскольку фазовые отклонения практически не влияют на слу­ховое восприятие, а огибающие динамических спектров и связанная с ними фонети­ческая функция не нарушаются. Можно также установить определенную шкалу ус­ловных отрезков на временной оси. При целом укладывании в эти отрезки просинтезированных отдельных слов или фраз будем считать, что передан единичный бит информации, а в противном случае — что передан нулевой бит. Также можно вве­сти шкалу условных отрезков и на частотной оси. Небольшие (до 20%) отклонения темпа и тембра новой речи по отношению к исходной также практически незаметны на слух.

Кроме того, речевой сигнал можно незаметно для слуха передавать и хранить в другой речи, а также сочетать технологии стеганофонии с технологиями стеганогра­фии, «растворяя» изображения динамических акустических спектрограмм в заданных изображениях, с последующим их проявлением и синтезом на приемном конце канала связи. Между тем, и сами изображения сонограмм могут быть использованы для пере­дачи и хранения речи на бумажных носителях. При реализации таких технологий «ре­чевой подписи», связанных с защищаемым документом по смыслу и содержанию при­мерно так же, как и электронно-цифровая подпись, на стандартный лист бумаги может быть нанесено в виде разнообразных узорчатых рисунков от 2 до 4 минут речи теле­фонного качества звучания.

На основе предложенной технологии можно осуществить и такой способ проста­новки стеганофонических маркеров, который заключается в синтезе звукового сигна­ла по заданному известному изображению для последующего хранения на носителе или передачи в общедоступный канал связи.

С помощью предложенного подхода к обработке звуковых сигналов можно реали­зовать большое количество самых разнообразных способов компьютерной стеганофо­нии, эксклюзивных для каждой конкретной задачи.

Следует еще раз отметить, что рассмотренные способы постановки стеганофони­ческих маркеров и внесения информации в исходный речевой сигнал в большинстве случаев не требуют синхронизации процессов их введения. Вследствие этого они мо­гут применяться в каналах связи не только при приеме-передаче, но и в режимах хра­нения речевых сигналов и звука. Поэтому они могут найти свое применение в анало­говых и цифровых автоответчиках, стандартных системах голосовой почты, компьютерной телефонии и т. п., а также при переносе обработанных речевых сигна­лов на аудиокассетах и дискетах. Понятно, что совместное применение в предложен­ных методах компьютерной стеганофонии сертифицированных ФАПСИ алгоритмов криптографического закрытия позволяет повысить стойкость подобных систем к попыткам нарушителя выявить и использовать в своих целях защищаемую конфиденци­альную информацию.

Проведенные оценки допустимых значений скорости скрытной передачи конфи­денциальной информации в аудиосигналах показали, что на сегодняшний день эти зна­чения не превышают 100 бит/с. Это пока максимальные значения, которые могут быть достигнуты при различных способах сокрытия информации в речевых или акустичес­ких сигналах посредством соответствующей обработки графических образов их дина­мических спектрограмм. Тем не менее, можно предположить, что таких скоростей, скорее всего, будет вполне достаточно для оперативной передачи важных конфиден­циальных сообщений в процессе речевого общения двух абонентов по телефонной линии или посредством приема-передачи аудиокассет, содержащих аудиосигналы-кон­тейнеры с информационной закладкой, а также других приложений. Действительно, при таких скоростях в одной минуте речевого сигнала в процессе телефонных перего­воров может быть скрытно передано примерно три страницы текста и порядка десяти черно-белых фотоснимков изображения лица.