Вадим Грибунин - Цифровая стеганография

• Название: Цифровая стеганография
• Автор: Вадим Грибунин
• Жанр: Техническая литература
• Год: 2002
• ISBN: 5-98003-011-5

Интерес к стеганографии появился в последнее десятилетие и вызван широким распространением мультимедийных технологий. Методы стеганографии позволяют не только скрытно передавать данные, но и решать задачи помехоустойчивой аутентификации, защиты информации от несанкционированного копирования, отслеживания распространения информации по сетям связи, поиска информации в мультимедийных базах данных.

Международные симпозиумы по скрытию данных проводятся с 1996 года, по стеганографии первый симпозиум состоялся в июле 2002 года. Стеганография – быстро и динамично развивающаяся наука, использующая методы и достижения криптографии, цифровой обработки сигналов, теории связи и информации.

На русском языке стеганографии было посвящено только несколько обзорных журнальных статей. Данная книга призвана восполнить существующий пробел. В ней обобщены самые последние результаты исследований зарубежных ученых. В книге рассмотрены как теоретические, так и практические аспекты стеганографии, выполнена классификация стегосистем и методов встраивания, детально исследованы вопросы повышения пропускной способности стегоканала, обеспечения стойкости и незаметности внедрения, приведено более 50 алгоритмов встраивания данных.

Книга предназначена для студентов, аспирантов, научных работников, изучающих вопросы защиты информации, а также для инженеров-проектировщиков средств защиты информации. Также несомненный интерес она вызовет у специалистов в области теории информации и цифровой обработки сигналов.

---

— Атака на основе известного встроенного сообщения. Этот тип атаки в большей степени характерен для систем защиты интеллектуальной собственности, когда в качестве водяного знака используется известный логотип фирмы. Задачей анализа является получение ключа. Если соответствующий скрытому сообщению заполненный контейнер неизвестен, то задача крайне трудно решаема.

— Атака на основе выбранного скрытого сообщения. В этом случае Вилли имеет возможность предлагать Алисе для передачи свои сообщения и анализировать получающиеся стего.

— Адаптивная атака на основе выбранного скрытого сообщения. Эта атака является частным случаем предыдущей. В данном случае Вилли имеет возможность выбирать сообщения для навязывания Алисе адаптивно, в зависимости от результатов анализа предыдущих стего.

— Атака на основе выбранного заполненного контейнера. Этот тип атаки больше характерен для систем ЦВЗ. Стегоаналитик имеет детектор стего в виде «черного ящика» и несколько стего. Анализируя детектируемые скрытые сообщения, нарушитель пытается вскрыть ключ.

У Вилли может иметься возможность применить еще три атаки, не имеющие прямых аналогий в криптоанализе.

— Атака на основе известного пустого контейнера. Если он известен Вилли, то путем сравнения его с предполагаемым стего он всегда может установить факт наличия стегоканала. Несмотря на тривиальность этого случая, в ряде работ приводится его информационно-теоретическое обоснование. Гораздо интереснее сценарий, когда контейнер известен приблизительно, с некоторой погрешностью (как это может иметь место при добавлении к нему шума). В главе 4 показано, что в этом случае имеется возможность построения стойкой стегосистемы.

— Атака на основе выбранного пустого контейнера. В этом случае Вилли способен заставить Алису пользоваться предложенным ей контейнером. Например, предложенный контейнер может иметь большие однородные области (однотонные изображения), и тогда будет трудно обеспечить секретность внедрения.

— Атака на основе известной математической модели контейнера или его части. При этом атакующий пытается определить отличие подозрительного сообщения от известной ему модели. Например допустим, что биты внутри отсчета изображения коррелированы. Тогда отсутствие такой корреляции может служить сигналом об имеющемся скрытом сообщении. Задача внедряющего сообщение заключается в том, чтобы не нарушить статистики контейнера. Внедряющий и атакующий могут располагать различными моделями сигналов, тогда в информационно-скрывающем противоборстве победит имеющий лучшую модель.

Рассмотренные выше атаки имеют одну особенность: они не изменяют стегосообщения, посылаемые Алисой, а также не направлены на противодействие работы декодера Боба. В этом заключается их положительная сторона: действия Вилли вряд ли способны насторожить Алису и Боба. В пункте 2.2 будут рассмотрены атаки, польза от применения которых при передаче скрытых сообщений невелика. Они направлены, в основном, против систем защиты прав собственности на основе цифровых водяных знаков. Такие системы должны быть устойчивы (робастны) к незначительным изменениям стего.

Сравнение робастности стегосистем производится обычно по отношению к некоторым стандартным тестам. В качестве одного из них является атака, основанная на применении алгоритма сжатия JPEG (довольно неэффективная атака). Гораздо большее представление о достоинствах того или иного стегоалгоритма можно получить, комплексно используя различные атаки. Общедоступная в Интернете программа Stirmark позволяет более полно анализировать робастность стегоалгоритмов. По утверждению создателей программы на сегодняшний день не существует общеизвестного стегоалгоритма, устойчивого к их комплексным атакам.

Поэтому разработчиками придается большое значение обеспечению помехоустойчивости внедрения ЦВЗ. Это достигается, как правило, расширением спектра скрытого сообщения или применением помехоустойчивых кодов. Системы с расширением спектра широко применяются в связи для помехоустойчивой передачи сигналов. Но являются ли они достаточно помехоустойчивыми для применения в ЦВЗ? Оказывается, далеко не всегда. Рассмотрим предлагаемые исследователями методы атак и противодействия им.

2.2. Атаки на системы цифровых водяных знаков

2.2.1. Классификация атак на стегосистемы ЦВЗ

Как отмечалось в первой главе, ЦВЗ должны удовлетворять противоречивым требованиям визуальной (аудио) незаметности и робастности к основным операциям обработки сигналов. В дальнейшем без потери общности будем предполагать, что в качестве контейнера используется изображение.

Обратимся вновь к системе встраивания собщений путем модификации младшего значащего бита (LSB) пикселов, рассмотренной в первой главе. Практически любой способ обработки изображений может привести к разрушению значительной части встроенного сообщения. Например, рассмотрим операцию вычисления скользящего среднего по двум соседним пикселам , являющуюся простейшим примером низкочастотной фильтрации. Пусть значения пикселов и могут быть четными или нечетными с вероятностью . Тогда и значение младшего значащего бита изменится после усреднения в половине случаев. К тому же эффекту может привести и изменение шкалы квантования, скажем, с 8 до 7 бит. Аналогичное влияние оказывает и сжатие изображений с потерями. Более того, применение методов очистки сигналов от шумов, использующих оценивание и вычитание шума, приведет к искажению подавляющего большинства бит скрытого сообщения.

Существуют также и гораздо более губительные для ЦВЗ операции обработки изображений, например, масштабирование, повороты, усечение, перестановка пикселов. Ситуация усугубляется еще и тем, что преобразования стегосообщения могут осуществляться не только нарушителем, но и законным пользователем, или являться следствием ошибок при передаче по каналу связи.

Сдвиг на несколько пикселов может привести к необнаружению ЦВЗ в детекторе. Рассмотрим это на примере приведенного в первой главе стегоалгоритма. В детекторе имеем , где индексом обозначены смещенные версии соответствующих сигналов. Произведение , как и прежде, близко к нулю. Однако, если знаки ± в W выбирались случайно и независимо, то и будет близко к нулю, и стегосообщение не будет обнаружено. Аналоговые видеомагнитофоны, как правило, несколько сдвигают изображение из-за неравномерности вращения двигателя лентопротяжного механизма или изнашивания ленты. Сдвиг может быть незаметен для глаза, но привести к разрушению ЦВЗ.

Возможна различная классификация атак на стегосистемы, и одна из классификаций уже приведена нами в пункте 2.1. Теперь же рассмотрим атаки, специфичные для систем ЦВЗ. Можно выделить следующие категории атак против таких стегосистем [2], [3].

1. Атаки против встроенного сообщения — направлены на удаление или порчу ЦВЗ путем манипулирования стего. Входящие в эту категорию методы атак не пытаются оценить и выделить водяной знак. Примерами таких атак могут являться линейная фильтрация, сжатие изображений, добавление шума, выравнивание гистограммы, изменение контрастности и т. д.

2. Атаки против стегодетектора — направлены на то, чтобы затруднить или сделать невозможной правильную работу детектора. При этом водяной знак в изображении остается, но теряется возможность его приема. В эту категорию входят такие атаки, как аффинные преобразования (то есть масштабирование, сдвиги, повороты), усечение изображения, перестановка пикселов и т. д.

2. Атаки против протокола использования ЦВЗ — в основном связаны с созданием ложных ЦВЗ, ложных стего, инверсией ЦВЗ, добавлением нескольких ЦВЗ.

4. Атаки против самого ЦВЗ — направлены на оценивание и извлечение ЦВЗ из стегосообщения, по возможности без искажения контейнера. В эту группу входят такие атаки, как атаки сговора, статистического усреднения, методы очистки сигналов от шумов, некоторые виды нелинейной фильтрации [4] и другие.

Надо заметить, что рассматриваемая классификация атак не является единственно возможной и полной. Кроме того, некоторые атаки (например, удаление шума) могут быть отнесены к нескольким категориям. В работе [5] была предложена другая классификация атак, также имеющая свои достоинства и недостатки.

В соответствии с этой классификацией все атаки на системы встраивания ЦВЗ могут быть разделены на четыре группы:

1) атаки, направленные на удаление ЦВЗ;

2) геометрические атаки, направленные на искажение контейенера;

3) криптографические атаки;