STEGANOGRAFICKÁ ANALÝZA

STEGANOGRAFICKÁ ANALÝZA Steganographical analysis Ing. Bc. Marek Čandík, Ph.D. Abstrakt Steganografie představuje označení pro metody a techniky tajné komunikace, jejíž hlavním účelem je skrýt výskyt komunikace prostřednictvím veřejných komunikačních kanálů. Steganalýzou označujeme metody a techniky pro detekci tajné komunikace. Článek prezentuje úvodní informace k steganoanalytickým metodám a technikám. Klíčová slova: bezpečnost, utajená komunikace, steganografie, steganoanalýza. Abstract: Steganography is a designation for methods and techniques of secret communication, the main purpose of which is to hide the occurrence of communication through public communication channels. By steganalysis, we mean methods and techniques for detecting secret communications. The paper presents introductory information on steganoanalytical methods and techniques. Keywords: security, secret communication, steganography, steganoanalysis. Úvod Steganografie představuje označení pro metody a techniky tajné komunikace, jejíž hlavním účelem je skrýt výskyt komunikace prostřednictvím veřejných komunikačních kanálů. Na rozdíl od kryptografie má steganografie tendenci 1

skrývat samotnou existenci zprávy nebo jakékoliv komunikační formy, zatímco kryptografie má za cíl skrýt obsah tajné zprávy. Skrytí výskytu komunikace lze provést vložením tajné zprávy do krycího média (např. do obrázku). Jinými slovy - steganografie znamená skryté psaní. První steganografický typ komunikace byl nejprve použit z dávných Řeků (430 př.nl). Řecký historik Herodotus popisuje použití steganografie ve své knize "Historie Herodota" ve dvou případech. Za prvé, Hatiaus, aby zaslal zprávu, oholil hlavu svého nejdůvěryhodnějšího otroka a vytetoval zprávu o otrocké hlavě. Když vlasy nabyli původní délky, poslal otroka do cíle zprávy. Druhý případ popsané steganografie Herodotem bylo u Demerata, který napsal zprávu škrábáním na dřevěné deštičky s voskem s následným pokrytím další vrstvy vosku. V nedávné historii byly použity další pokročilé steganografické techniky. Jedním z nich byl neviditelný inkoust, kde byly zprávy psány s určitými látkami, které po chvíli zmizely. Zpráva by se později objevila zahříváním nebo jinými chemickými reakcemi. Pokroky ve fotografování vedly k pokročilejším technikám a byly použity pro vojenské účely. Technika smršťování, nazývaná mikrofilm, byla navržena francouzským fotografem Dagronem a byla použita během francouzsko-pruské války (1870-1871). Zprávy byly zmenšeny na malé tečky a odesílány holuby. Toto byl jediný způsob, jak v té době provinční vláda v Tours mohla komunikovat s Paříží, protože holubi nemohli nést papírové zprávy. V Německu mezi první světovou válkou a druhou světovou válkou byla použita mikrodotová technika (technika mikroteček). Velikost přibližně jedné stránky informací, která by mohla obsahovat fotografii, byla snížena na velikost a tvar typografického bodu. Současné technologické možnosti umožňují rychlý přenos a výměnu souborů, jako jsou obrazové, video a datové soubory. Výměna, stahování a/nebo nahrávání souborů z internetu je přístupné velkému počtu uživatelů. K dispozici jsou technické a softwarové prostředky pro migraci dat (tj. změnu typu/formátu dat), které nejsou uživatelsky náročné, jsou rychlé a snadno dostupné. To je místo vhodné pro použití steganografických technik. V procesu 2

změny/konverze souboru lze vložit do krycího média utajenou zprávu. Již v roce 2001 američtí představitelé uvedli, že mají podezření, že teroristé komunikují pomocí steganografie na internetu. Během posledních let bylo vyvinuto velké množství stego-systémů, které lze snadno získat a používat v rámci internetu. Většina stego-systémů používá obrazy jako krycí médium. Většina steganografických technik vkládání, která byla vyvinuta v posledních letech, byla úspěšně napadena. Steganografický systém Moderní steganografický systém (stego-systém) se skládá z obalu, algoritmu vkládání, tajné zprávy a tajného klíče. Kryt může být obrazem, zvukovým souborem, datovým souborem nebo jakýmkoli digitálním souborem. Stego-systém zachycuje obraz obálky, tajnou zprávu a klíč a vytváří stego-obraz pomocí algoritmu pro vkládání. Stego-obraz by neměl mít žádné vizuální rozdíly od krycího obrazu a být nerozlišitelný (změny by měly být lidským zrakem nevnímatelné). Příjemce stego-obrazu může snadno udělat inverzní proces pomocí stejného stego-systému a klíče a načte skrytou zprávu. Steganografická analýza Steganografická analýza, resp. stego-analýza, příp. steganalýza je označení pro metody a techniky pro detekci tajné komunikace. Vložení zprávy a její ukrytí v nosném médiu zprávy zanechává s největší pravděpodobností zřetelné stopy v krycím médiu. Proces skrytí informací mění statistické vlastnosti krycího média, což je oblast, kde lze úspěšně provádět steganoanalytické algoritmy pro detekci existence utajených zpráv v krycím médiu. Proces odhalování statistických stop se nazývá statistická steganografická analýza, resp. steganoanalýza, příp. steganalýza. 3

Steganalýza je tedy detekce skrytých zpráv z obrazů ze stegosystémů. Účelem steganalýzy je rozlišit, zda obrázek obsahuje tajnou zprávu nebo ne. Výzkumy v této oblasti mají tendenci najít statistické vlastnosti obrazů aby mohly zjistit, zda byl obraz vůbec změněn nebo ne. Steganalýza je považována za úspěšnou, pokud může odhadnout, zda obrázek obsahuje skrytou zprávu, nebo ne (s pravděpodobností vyšší než náhodný odhad). Steganalýza se také pokouší najít více informací o obrázku a skryté zprávě, jako je typ algoritmu pro vkládání, délku zprávy, obsah zprávy nebo použitý tajný klíč. Steganalýza může najít nějaký z výše uvedených parametrů a z tohoto parametru lze vyvodit jiné vlastnosti, tj. může vést ke znalosti jiných charakteristik. Například velkým počtem útoků, které se blíží délce zprávy, lze zjistit, zda obraz obsahuje skrytou zprávu. Steganalýza, detekce steganografie třetí stranou, je poměrně mladá výzkumná disciplína určena k odhalení nebo odhadu skrytých informací založených na pozorování některých datových přenosů a neuskutečňování předpokladů o algoritmu steganografie. Požadavek detekce skrytých dat nemusí být dostatečný. Steganalýza může také chtít extrahovat skrytou zprávu, zakázat skrytou zprávu tak, aby ji příjemce nemohl extrahovat a/nebo změnit skrytou zprávu, aby odeslal příjemci modifikovanou skrytou zprávu. Techniky steganalýzy mohou být klasifikovány podobně jako metody kryptanalýzy, z velké části založené na tom, kolik předcházejících informací je známo. Steganografická kapacita Každý steganografický komunikační systém se skládá z algoritmu vkládání a extrakčního algoritmu. Aby bylo možné zprávu ukrýt, je původní obraz (obraz obálky) modifikován algoritmem vkládání. V důsledku toho se získá obraz s vloženou zprávou, tzv. stego-obraz. Steganografická metoda se 4

považuje za bezpečnou, pokud stego-obrazy neobsahují žádné detekovatelné artefakty v důsledku vkládání zpráv, tj. sada stego- obrazů by měla mít stejné statistické vlastnosti jako soubor obalů. Pokud existuje algoritmus, který dokáže odhadnout, zda daný obrázek obsahuje tajnou zprávu s mírou úspěšnosti lepší než náhodný odhad, steganografický systém je považován za přelomený. Je zřejmé, že čím méně informací vkládáme do obrázku obálky, tím menší je pravděpodobnost zavedení detekovatelných artefaktů procesem vkládání. Zdá se, že každá steganografická metoda má horní hranici maximální délky bezpečné zprávy (nebo bitovou rychlost vyjádřenou v bitech na pixel nebo vzorek), která nám říká, kolik pseudonáhodných bitů může být bezpečně zakotveno v daném obrazu bez zavedení statisticky detekovatelných artefaktů. Tento limit se nazývá steganografická kapacita. Absolutní steganografická kapacita CA je funkcí krycího obrazu I a způsobu vkládání Σ a je to očekávaná hodnota maximálního počtu bitů, které mohou být bezpečně zakotveny do obrázku obálky pomocí metody vkládání, kterou jsme uplatnili, přičemž očekávaná hodnota je daná množstvím všech stego-klíčů K (rovnoměrně rozložených) a všech pseudonáhodných zpráv. Z tohoi plyne, že žádný detekční algoritmus nemůže lépe odlišit obálky a stego-obrazy než náhodný odhad. Zatímco u některých zvláštních případů je možné vytvořit absolutní steganografickou kapacitu CA přesně, obecně je tento proces velmi obtížný a často neřešitelný i pro nejjednodušší steganografické algoritmy. Pro praktické účely lze částečně odstranit závislost absolutní steganografické analýzy CA na obrázku krytu definováním relativní steganografické kapacity CR, která představuje poměr mezi steganografickou kapacitou a největší zprávou s délkou mmax, která může být vložena do obrázku obálky CR = CA / mmax. 5

METODIKA OBECNÉ DETEKCE U obrázků ve formátu JPEG je vlastně možné vytvořit z obrazu nový stegoobrázek JPEG, který bude mít mnoho makroskopických vlastností velmi blízkých obrazu JPEG. Je to proto, že soubor JPEG je tvořen kvantifikovanými DCT koeficienty, které jsou "robustní" k malému zkreslení, jako tomu bylo v důsledku vkládání zpráv a předchozí komprese JPEG. Oříznutím (dekomprimovaného) stego-obrazu o 4 pixely a jeho opětovným stlačením pomocí kvantizační tabulky stego-obrazu získáme soubor JPEG s makroskopickými vlastnostmi, který dobře přibližuje vlastnosti obrazu obálky. Kvůli oříznutí nedosáhnou nově vypočítané koeficienty DCT klastry kvůli kvantizaci. Také proto, že obraz oříznutého stego-obrazu je vizuálně podobný obrazu obálky, mnoho makroskopických charakteristik bude přibližně zachováno. Pro detekci používáme histogramy jednotlivých DCT koeficientů jako rozlišovací statistiky, resp. v obrazové oblasti lze použít nárůst sumy prostorových nespojitostí podél hranic bloků (8x8). Závěr Mnoho stego-analytiků, jako je Neil F. Johnson a S. Jajodia, se pokouší kategorizovat útoky steganalýzy, aby obnovili úpravu nebo odstranění zprávy na základě dostupných informací. Při kryptografii se porovnávají všechny možné části textu a části šifrového textu. Ve steganografii lze provést srovnání mezi krycím médiem, stego-obrazem a možnými částmi zprávy. Zpráva ve stego-objektu může nebo nemusí být zašifrována. Pokud je šifrováno a zpráva je extrahována, mohou být použity techniky kryptanalýzy. 6

Literatura [1] I. Cox, M. Miller, J. Bloom, J. Fridrich, and T. Kalker. "Digital Watermarking and Steganography (Second Edition)", Morgan Kaufmann Publishers, ISBN: 978-0-12372585-1, 2007. [2] A. Dennis and B. Wixom. "Systems Analysis & Design (Second Edition)", John Wiley & Sons, Inc., ISBN: 04-7136815-6, 2003. [3] S. Dumitrescu, X. Wu, and Z. Wang. "Detection of LSB Steganography via Sample Pair Analysis", Lecture Notes in Computer Science, vol. 2578, pp. 355-372, 2003. [4] H. Farid. "Detecting Hidden Messages Using Higher-Order Statistical Models", Proceedings of the International Conference on Image Processing, Rochester, NY, USA, 2002. [5] J. Fridrich, M. Goljan, and D. Hogea. "Attacking the OutGuess", Proceedings of the 3 rd Information Hiding Workshop on Multimedia and Security 2002, Juanles-Pins, France, 2002. [6] J. Fridrich, M. Goljan, and D. Hogea. "Steganalysis of JPEG Images: Breaking the F5 Algorithm", Lecture Notes in Computer Science, vol. 2578, pp. 310-323, 2003. [7] J. Fridrich. "Feature-Based Steganalysis for JPEG Images and Its Implications for Future Design of Steganographic Schemes", Lecture Notes in Computer Science, vol. 3200, pp. 67-81, 2004. [8] D. Fu, Y. Shi, D. Zou, and G. Xuan. "JPEG Steganalysis Using Empirical Transition Matrix in Block DCT Domain", IEEE: 8 th Workshop on Multimedia Signal Processing 2006, pp. 310-313, 2006. 7