Криптографические методы защиты информации

Лекции

21. СТЕГАНОГРАФИЯ

 

21.1. Общие сведения.

21.2. Классическая стеганография.

21.3. Компьютерная стеганография.

Вопросы для самопроверки.

 

21.1. Общие сведения

 

Как отмечалось ранее, разработкой средств и методов сокрытия факта передачи сообщения занимается стеганография (греч. στεγανός — скрытый и γράφω — пишу; буквально «тайнопись»). Наиболее эффективно ее применение совместно с криптографическими методами. Обычно стеганографию делят на два направления: классическую и компьютерную.

 

21.2. Классическая стеганография

 

Среди классических методов можно выделить следующие:

- манипуляции с носителем информации (контейнером);

- симпатические чернила;

- микронадписи и микроточки;

- литературные приемы;

- семаграммы.

Манипуляции с носителем информации.

Первые следы применения стеганографических методов теряются в глубокой древности. Существует версия, что древние шумеры одними из первых использовали стеганографию, так как было найдено множество глиняных клинописных табличек, в которых одна запись покрывалась слоем глины, а на втором слое писалась другая. Однако противники этой версии считают, что это было вовсе не попыткой скрытия информации, а всего лишь практической потребностью.

В третьей и седьмой книгах «Истории» древнегреческого ученого Геродота встречается описание еще двух методов сокрытия информации [43]:

- в V веке до н.э. греческий тиран Гистий, находясь под надзором персидского царя Дария в Сузах, должен был послать секретное сообщение своему родственнику в анатолийский город Милет. Он побрил наголо своего раба и вытатуировал послание на его голове. Когда волосы снова отросли, раба отправили в путь;

- в Древней Греции тексты писались на дощечках, покрытых воском. В 480 г. до н.э. персидская армия под предводительством Ксеркса I двигалась на греческие города-государства. Узнав, что Ксеркс готов к выступлению, греческий царь Демарат, сосланный в Персию, предупредил об этом спартанцев. Он соскоблил воск с двух деревянных дощечек для письма, написал все, что ему стало известно о намерениях персов, а затем снова покрыл дощечки воском. Эти на вид чистые дощечки были без проблем доставлены в Лакедемон (Спарта). Горго, жена царя Леонида, внимательно осмотрела дощечки и обнаружила скрытое послание. То, что она прочитала, принесло ей и радость, и горе. Ее супруг, Леонид, со своими людьми поспешил форсированным маршем к решающему рубежу обороны на пути наступающих персов. Этим местом был проход, называвшийся Фермопилы. Из-за предателей, знавших тайный путь, Леонид и его 300 воинов-спартанцев погибли, но они три дня удерживали свои позиции, дав время городам-государствам подготовиться к сражению и снискав славу героев.

Эней Тактик в своих исторических трактатах (IV в. до н.э.) описывал способ тайной передачи посланий, когда в пергаменте над или под написанными буквами прокалывали крошечные отверстия. Этим способом пользовались в Англии до появления телеграфа с целью избежать больших расходов на почтовую пересылку. Отправка писем на дальние расстояния стоила крайне дорого, старые же газеты с наклеенной маркой можно было пересылать по стране взад и вперед. Многие из тех, кто не в состоянии был позволить себе оплатить почтовые расходы, ставили в газетах точки над буквами; таким образом, они писали письма, которые затем доставлялись бесплатно. Получатель просто последовательно выписывал все отмеченные таким образом буквы, и в результате получалось адресованное ему сообщение.

К 1000 г. н.э. китайские военачальники записывали важные сообщения на очень тонкой бумаге или шелке. Затем такое послание плотно скатывалось и покрывалось воском. Когда воск остывал, курьер прятал письмо в своей одежде, проглатывал или пользовался как тайником одним из отверстий собственного тела.

Классический пример физического сокрытия информации - курительная трубка, столь любимая секретными агентами. Сообщение пряталось в полости стенок чаши и прикрывалось внутренней (поворотной) частью чаши, при этом можно было, набив трубку табаком, курить ее. В случае опасности шпиону достаточно было слегка повернуть внутреннюю часть чаши, чтобы бумага с записанным на ней сообщением упала в горящий табак.

Приведем интересный химический способ записи секретных сообщений внутри вареного яйца. Берется смесь квасцов, чернил и уксуса, записывается ею на скорлупе послание, выдерживается в крепком рассоле или уксусе, чтобы стравить с поверхности следы, и варится яйцо вкрутую. В результате текст сообщения оказывается под скорлупой сверху белка.

Симпатические (невидимые) чернила – чернила, записи которыми являются изначально невидимыми и становятся видимыми только при определенных условиях (нагрев, освещение, химический проявитель и т. д.) [17].

Невидимыми чернилами пользовались еще во времена Римской империи. В I в. н.э. римский писатель Плиний Старший в своей «Естественной истории» описывал применение для тайнописи жидкости, изготовленной из молочая. Греческий военный ученый Филон Византийский писал о жидкости из чернильных орешков, благодаря которой написанное сообщение было невидимым. Арабские ученые в начале XV в. упоминали о некоторых смесях из растений, произраставших в их регионе; то же относилось к таким писателям эпохи Возрождена как Леон Баттиста Альберти и Джованни Порта. Французский сатирик Франсуа Рабле в романе «Гаргантюа и Пантагрюэль» (1532 г.) с юмором рассуждал о тайнописи. Среди прочих остроумных комментариев о жизни он описывал способ приготовления невидимых чернил из таких веществ, как сок белого лука, нашатырь и квасцы [43].

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 [36].

Во время гражданской войны между южанами и северянами два агента северян Сэмюэль Вудхулл и Роберт Тоунсенд передавали информацию Джорджу Вашингтону, используя специальные чернила.

Различные симпатические чернила использовали и русские революционеры в начале XX века, что нашло отражение в советской литературе. Куканов в своей повести "У истоков грядущего" описывает применение молока в качестве чернил для написания тайных сообщений. Впрочем, царская охранка тоже знала об этом методе (в архиве хранится документ, в котором описан способ использования симпатических чернил и приведен текст перехваченного тайного сообщения революционеров).

Симпатические чернила бывают, как правило, двух видов: химические и органические. Первые представляют собой химические растворы, которые делаются невидимыми при высыхании. Скрытые слова становятся видимыми при добавлении к ним других химических препаратов, называемых реагентами. Органическая группа представлен, в большинстве случаев легкодоступными веществами, такими, как лук, лимон, молоко и уксус. Они обычно становятся видимыми, если их осторожно нагреть [43].

В качестве симпатических чернил могут использоваться различные вещества [17].

Таблица 21.1. Симпатические чернила и их проявители

Чернила Проявитель
Лимонная кислота (пищевая) Бензилоранж
Воск CaCO3 или зубной порошок
Яблочный сок Нагрев
Молоко Нагрев
Сок лука Нагрев
Сок брюквы Нагрев
Пирамидон (в спиртовом растворе) Нагрев
Вяжущие средства для дезинфекции рта и глотки Нагрев
Квасцы Нагрев
Слюна Очень слабый водный раствор чернил
Фенолфталеин Разбавленная щелочь
Стиральный порошок Свет лампы ультрафиолета
Крахмал Йодная настойка
Аспирин Соли железа

В целях обнаружения тайных сообщений, написанных с помощью симпатических чернил, американские цензоры во время Второй мировой войны "полосовали" письма, чтобы выявить наличие в них невидимых чернил. Лаборант водил по письму несколькими щетками, закрепленными в одном держателе и смоченными в растворах различных проявителей. Эти проявители обладали различными свойствами и реагировали даже на выделения человека, так что после обработки на бумаге появлялись отпечатки пальцев и капли пота [13].

Письма также проходили проверку в инфракрасных и ультрафиолетовых лучах. Текст, написанный крахмалом и невидимый при дневном или электрическом свете, начинал светиться под воздействием ультрафиолета. Инфракрасные лучи помогали различать цвета, неотличимые при обычном освещении. Например, зеленые надписи на зеленой почтовой марке.

Проблемы, в которых местные отделения не могли разобраться своими силами, передавались в лабораторию отдела безопасности. Одна из таких проблем заключалась в том, что немецкие агенты расслаивали лист бумаги пополам, писали текст невидимыми чернилами на внутренней поверхности, а половинки затем вновь соединяли между собой. Поскольку чернила оказывались внутри листа, никакой реагент, нанесенный на его внешнюю поверхность, не мог их проявить. Эта уловка была обнаружена лишь после того, как один немецкий агент использовал для своего письма слишком много чернил и их избыток просочился сквозь бумагу.

В 2011 г. Мануэль Паласиос (Manuel Palacios) из университета Тафтса и Джордж Уайтсайдс (George Whitesides) из Гарварда попробовали спрятать сообщение в массиве, состоящем из семи штаммов1 бактерий Escherichia coli (E. coli). Технику в шутку назвали SPAM (Steganography by Printed Arrays of Microbes), что можно перевести как стеганография при помощи печатных массивов микробов [37].

Учёные создали семь штаммов бактерий, каждый из которых производит свой белок, флуоресцирующий при определённом свете (подробности – в статье в журнале PNAS). Колонии бактерий наносятся на подложку в виде рядов точек. Каждая пара точек (цветов) является кодом для буквы, цифры или символа. Семь цветов дают 49 комбинаций, авторы работы использовали их для кодирования 26 букв и 23 других символов (таких как, цифры, @ или $). Например, две жёлтых точки обозначают букву "t", а комбинация оранжевой и зелёной – "d". Получатель, зная коды дешифровки, легко прочтёт посланное сообщение – свечение заметно невооружённым глазом.

Рис 21.1. Пример "проявленного" послания

Чтобы создать сообщение, биологи наносят штаммы E.coli, устойчивые к определенному антибиотику, на подложку с агаром (средой, питательной для бактерий). Затем поверх подложки кладут лист из нитроцеллюлозы – колонии отпечатываются на нём. Для проявки сообщения, получатель должен будет поместить нитроцеллюлозный листок в чашку с "проявочной" агаровой средой, запускающее работу нужных генов и свечение штаммов. В состав "проявочной" агаровой среды входит правильный антибиотик, который убивает все микроорганизмы, кроме тех, что кодируют сообщение (так как они устойчивы к действию лекарства). В результате при проявке он получит нужный код.

Сейчас британские и американские исследователи пробуют подобным образом зашифровать сообщения при помощи дрожжей и спороносных бактерий, а в дальнейшем "покушаются" и на растения. "Было бы здорово спрятать информацию в форме листьев или рисунке корневой системы. Чем больше черт, тем больший объём данных можно зашифровать" - говорит Паласиос.

Микронадписи и микроточки.

Страсть к изготовлению микроизображений насчитывает долгую историю [38]. Это и надписи на амулетах (самая ранняя из таких находок – амулет, найденный при раскопках южной стены Иерусалимского храма, относится к началу VIII века до нашей эры), и микротексты, вписанные или впечатанные в страницы различных фолиантов (вне всякого сомнения, самым характерным примером микронадписей является Псалтырь Св. Иеронима, написанный монахом Иоахином Большим в 1481 г. в Роттенберге для библиотеки папы Сикста IV. Внизу второй страницы в круг диаметром 12 мм вписаны первые 14 стихов Евангелия от Иоанна. Этот текст содержит 168 слов из 744 букв. По расчетам каждая буква занимает площадь не более 0,15 кв.мм.) и специальные подарочные издания. Как правило, прочитать, а тем более, нанести такие надписи без применения увеличительных приборов невозможно. Нельзя исключать, что человек начал использовать оптические приборы значительно раньше знаменитого изобретения Левенгука. Во всяком случае, из греческих источников следует, что древним был известен способ использования маленьких стеклянных сосудов, наполненных водой, в качестве увеличительных приспособлений.

Уже в XVIII веке в Англии и Франции были созданы специальные механические устройства для выполнения микронадписей. Одно из самых совершенных таких устройств, Peter’s Machine for Microscopic Writing (1862 г.), хранится в музее Оксфордского университета. Оно позволяло выполнять надписи с высотой символов всего в 2,5 микрона2!

Рис 21.2. Peter’s Machine for Microscopic Writing

Признанным пионером микрофотографии считается английский фотограф-энтузиаст Джон Б.Дэнсер. Похоже, именно он сделал первую микро-фоторепродукцию. В 1839 г., установив на камеру Даггера объектив от микроскопа с фокусным расстоянием 38 мм, он получил микро-даггеротип бумажного оригинала в масштабе 160 : 1. В 1856 г. ему удалось получить несколько удачных микроизображений, в том числе портретов членов королевской семьи, которые были подарены королеве Виктории.

В 1867 г. парижский фотограф Рене Дагрон (фр. Dagron) разработал свой метод микрофильмирования, который был использован во времена франко-прусской войны (в 1870 г.).

В ходе неудачной военной компании 1870 г. войска Наполеона III потерпели поражение под Седаном. 2 – 4 сентября Париж был окружен объединенными германо-прусскими войсками, началась пятимесячная осада французской столицы, где была провозглашена 3-я Республика. Все связи с внешним миром были прерваны. Предпринимались отчаянные попытки использования самых разнообразных способов общения вплоть до "голубиной почты". Но грузоподъемность такого перевозчика авиапочты не очень велика. Вот тут-то и пригодился опыт Дагрона в микрофотографии.

12 ноября 1870 г. Дагрон и несколько его помощников вместе со своим оборудованием погрузились на два наполненных водородом воздушных шара, символично названных "Ньепс" и "Даггер" в честь изобретателей фотографии. После безумной гонки над головами немецких улан, пытавшихся посадить или сбить смелых воздухоплавателей, тем все же удалось достигнуть города Тура.

Прибыв на место, Дагрон развернул свою фотолабораторию и организовал микрофильмирование почты и других материалов, предполагавшихся к пересылке "голубиной почтой". Письма и сообщения выполнялись на прозрачных листах, разделенных на 12 секций размером 80 х 110 мм. Они копировались по частям контактным способом на фотографические пластинки, которые после химической обработки повторно переснимались с большим уменьшением с помощью специальной репродукционной камеры. В результате получались микроизображения размером не более 1 мм!

Полученные изображения вырезались и монтировались вместе с другими сообщениями на кусочке коллоидной пленки и подготавливались для отправки голубиной почтой в Париж. За 5 месяцев осады французской столицы Дагрону удалось скопировать на микропленку 470 листов, содержавших 2.5 миллиона сообщений. Как утверждают, один голубь мог нести от 36 до 54 тысяч сообщений, отснятых на 18 тончайших пленок.

Первым создателем "настоящей" микроточки историки справедливо считают Эммануила Голдберга, который в 1925 г. не только собрал оригинальную оптическую схему для её фотографирования, но и подробно описал все этапы создания фото с высоким разрешением [39].

Рис 21.3. Оптическая схема Голдберга для изготовления микроточки

Из английских и американских архивов следует, что немецкая разведка АБВЕР перед Второй мировой войной самым активным образом использовала микроточки для связи с агентурой в Северной и Латинской Америке. По словам Гувера, первое предупреждение о существовании микроточек ФБР получило в январе 1940 г. Но обнаружили такую микроточку лишь в августе 1941 г., когда некий техник-фотолаборант случайно заметил отблеск света на конверте, изъятом у попавшего под подозрение немецкого агента. Причиной отблеска послужила микроточка, замаскированная под точку в конце предложения [43].

Западные историки микрофотографии также утверждают, что и советская разведка использовала микроточки еще до начала войны. После окончания войны в 1945 г. микроточки широко применялись советскими агентами, действовавшими по всему миру. Одним из таких агентов был Рудольф Абель. Он использовал данный метод в 1950-х гг., занимаясь шпионской деятельностью в районе Нью-Йорка [43].

Микроточки обладали способностью передавать большие объемы информации (сотни страниц и чертежей в одной точке) и обычно вклеивались в письмо или книгу. Микроточки прятали в украшениях, монетах, батарейках, предметах обихода, помещали в надрезанный край открытки с последующим аккуратным заклеиванием надреза.

Рис 21.4. Надрезание края конверта для тайника микроточки

В 2001 г. в Австралии была разработана технология нанесения микроточек, содержащих Персональный идентификационный номер (ПИН), на важнейшие детали изделия (обычно - автомобиля). Такие, изготовленные с помощью лазера прозрачные микроточки наклеиваются в неприметных местах непосредственно на сборочном конвейере. Увидеть их можно только при освещении ультрафиолетовым светом. Этот процесс, дешёвый и эффективный, затрудняет угонщикам автомобилей легальную продажу украденной и разобранной машины в виде "запчастей" [17].

Производители цветных принтеров добавляли в них функцию печати т.к. называемых "желтых точек".

Рис 21.5. Желтые точки

Эти точки, едва видны невооруженным глазом, печатались на каждой странице и содержали в себе информацию о серийном номере принтера, а также дате и времени печати. Подтверждено использование данного метода в принтерах, выпускаемых под торговыми марками Brother, Canon, Dell, Epson, Hewlett-Packard, IBM, Konica, Kyocera, Lanier, Lexmark, NRG, Panasonic, Ricoh, Savin, Toshiba, Xerox. Введение данной меры, согласно комментариям производителей, являлось частью сотрудничества с правительством и консорциумом банков, направленного на борьбу с фальшивомонетниками.

В заключение следует отметить, что использование микроточек для передачи секретных сообщений описал еще греческий ученый Эней Тактик в сочинении "Об обороне укреплённых мест". Суть предложенного им так называемого "книжного шифра" заключалась в прокалывании малозаметные дырок в книге или в другом документе над буквами секретного сообщения. Во время Первой мировой войны германские шпионы использовали аналогичный шифр, заменив дырки на точки, наносимые симпатическими чернилами на буквы газетного текста.

Экзотическим способом хранения и передачи информации является использование для этих целей ДНК-молекул. В клетках животных и растений ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках бактерий молекула ДНК прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются небольшие автономные молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, ДНК-молекулы могут образовывать геном некоторых вирусов [17].

В 1998г. бразильский художник Эдуардо Кац перевёл фразу из Книги Бытия (лат. Genesis) в код Морзе, который, в свою очередь, представил в виде последовательности ДНК. Цитата из Бытия, ради эксперимента, была чуть подсокращена и модифицирована: «И да владычествует человек над рыбами морскими и над птицами небесными, и над всякой живностью, движущейся по земле» (Let man have dominion over the fish of the sea, and over the fowl of the air, and over every living thing that moves upon the earth). Синтезированный ген Кац клонировал в плазмиды, которые затем встроил в клетки бактерии E. Coli.

Рис 21.6. Инсталляция Genesis

(слева - цитата в виде ДНК; в центре - проекция чашки Петри с бактериями; справа - цитата на английском языке)

ДНК-молекулы являются компактным и надежным носителем информации. Группа ученых Гарварда подсчитала, что память из структур ДНК весом всего 4 грамма теоретически может хранить всю информацию, которую производит все человечество современности за один год. В пользу надежности говорит тот факт, что информация из ДНК может быть считана спустя сотни тысяч и даже миллионы лет. "ДНК можно хранить в далеко не идеальных условиях - к примеру, в мертвых животных. При этом она сохранится, и через 400 тыс. лет мы всё еще способны ее считать, - рассказывает руководитель исследований профессор Джордж Чёрч (George Church) из Гарвардской медицинской школы (США). - Запись в ДНК будет храниться куда дольше, чем на диске Blu-rау" [41].

Для кодирования информации ученые из Гарварда использовали специальный струйный принтер, который помещает короткие фрагменты химически синтезированной ДНК на поверхность крошечного стеклянного чипа. Имитируя двоичный код, исследователи использовали A (аденин) и C (цитозин) в качестве 0, а G (гуанин) и T (тимин) – в качестве 1. Генетический код использовали, чтобы записать содержимое книги Дж. Чёрча "Регенезис. Как синтетическая биология заново придумает природу и нас" ("Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature And Ourselves"), состоящей из 53 тыс. слов и 11 изображений (≈ 300 страниц). 70 млрд. копий книги были "напечатаны" на ДНК-чипе, примерно равным ногтю мизинца.

Надежность и компактность ДНК-молекул делает их весьма перспективным объектом для применения в стеганографических целях. Ведь носителем секретной информации может являться человек, растение, бактерии и вирусы (причем как живые, так и мертвые). Поиск секретной информации в теле взрослого человека, в котором ≈ 3,5 * 1016 молекул ДНК, на современном уровне развития науки и техники нереален.

Литературные приемы.

Хорошо известны различного рода литературные приемы, предназначенные для сокрытия тайной информации во внешне безобидных посланиях.

А) Пустышечный шифр [13]. При использовании данного шифра (точнее метода) слова или буквы секретного сообщения записываются в определенных позициях. Например, читаются каждое пятое слово или первая буква каждого слова, в то время как все остальные буквы или слова служат в качестве «пустышек» для сокрытия значимого текста. Во время Второй мировой войны пустышечные шифры в большинстве случаев применяли не шпионы, а вполне лояльные американцы, которые не могли устоять перед искушением «надуть» цензора. Особенно часто этим занимались военнослужащие, которые пытались сообщить о своем местонахождении семьям, которые ничего не знали о том, где находится их родственник. Одна такая система, несмотря на свою примитивность, привела получателей сообщения в состояние полного недоумения. Молодой американский солдат, пользуясь заранее условленной системой переписки со своими родителями, пытался довести до их сведения. что находится в Тунисе. Для этого в пяти письмах домой в качестве второго инициала своего отца он использовал сначала «Т», затем «У», «Н», «И» и «С». К несчастью, эти письма были получены в другом порядке, а беспечный солдат забыл проставить на письмах даты. Обезумевшие родители написали ему, что они перерыли весь свой атлас, но нигде не смогли найти «Нутси»! В 1943 г. подобные попытки настолько участились, что руководству ВМС США пришлось предупредить моряков о том, что пользование «семейными кодами» может привести к суровому наказанию.

Б) Акростих. Тайное послание состоит из первых букв строк стихотворений. Принято считать, что акростих впервые применил известный древнегреческий комедиограф, философ и врач Эпихарм Сиракузский (V век до н.э.). Первоначально функцией акростиха была фиксация имени автора в тексте его произведения. Затем эта функция расширилась, в них начали передавать скрытые послания, нравоучения и т.д. Разновидностями акростиха можно считать более редкие телестих и месостих, в которых дополнительный текст читается не по первым, а по последним и средним буквам стихотворной строки.

В) Решётка Кардано [14, 15, 17, 43]. Решетка, предложенная Кардано, представляла собой картонный или деревянный трафарет, в котором через неправильные интервалы сделаны прямоугольные вырезы. Накладывая этот трафарет на лист бумаги, можно было записывать в вырезы секретное сообщение (букву, слог или целое слово). После этого начиналась тяжкая работа по придумыванию правдоподобных и выглядящих безобидными посланий.

Рис 21.7. Пример использования решетки Кардано

Данный стеганографический метод использовал при переписке кардинал Ришелье. Подобным методом пользовался также известный русский писатель, общественный деятель и дипломат А.С. Грибоедов. Будучи послом в Персии, он писал своей жене «невинные» послания, которые, попав в руки жандармерии, для которой и были предназначены, расшифровывались по соответствующей «решетке» и передавались царскому правительству уже как секретные сведения. Пример использования решетки Кардано можно было также видеть в титрах легендарного советского сериала о Шерлоке Холмсе.

Г) Аллюзия (лат. allusio – шутка, намёк) или жаргонный код. Данный литературный прием заключается в использовании фраз, которые предполагаются известными тому, к кому обращена речь, и неизвестными посторонним лицам. Знаменитые фразы, которые передали по радио, - «Над всей Испанией чистое небо» (сигнал к началу франкистского путча в Испании, 17 июля 1936 г.) и «В Сантьяго идет дождь» (сигнал к началу военного переворота в Чили, 11 сентября 1973 г.) - знают даже школьники.

После нападения Японии Соединенные Штаты создали собственный орган цензуры. Вскоре его штат насчитывал около 15 тысяч сотрудников, которые размещались в 90 зданиях по всей стране, проверяли ежедневно около миллиона писем, подслушивали бесчисленное множество телефонных разговоров, просматривали кинофильмы, газеты, журналы и знакомились со сценариями радиопередач. Миллионы американцев получали письма в конвертах со следами ножниц цензора и штампом "Вскрыто цензурой" [13].

Чтобы перекрыть максимальное число стеганографических каналов связи, американская цензура категорически запретила отправление по почте целого ряда сообщений. Были отменены шахматные партии по переписке. Из писем вымарывались кроссворды, так как у цензоров не хватало времени решать их, чтобы проверить, не содержат ли они тайные послания. Из почтовых отправлений изымались газетные вырезки, потому что они могли содержать секретный текст. Не разрешалось пересылать по почте табели успеваемости учащихся. 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. В каждом цензурном отделении имелся запас марок: цензоры снимали подозрительные марки и заменяли их другими того же достоинства, но с иным номером и рисунком. Чистая бумага, которую жители США часто посылали своим родственникам, проживавшим в странах, где не хватало бумаги, также заменялась из соответствующих запасов, чтобы исключить применение симпатических чернил. Конфисковывались даже детские рисунки, которые родители слали дедушкам и бабушкам, так как среди этих рисунков могли попасться закодированные карты или схемы.

Один из сотрудников нью-йоркского отделения цензуры обратил внимание на письмо из Германии, в котором говорилось, что Гертруда добилась выдающихся успехов в плавании, и перечислялись ее победные результаты. Сотрудник проконсультировался со знакомым любителем плавания, и тот ответил, что подобных результатов человек достичь не в состоянии. В ходе дальнейшего расследования было установлено, что в действительности речь шла о скорости нового американского истребителя, характеристики которого разболтал хвастливый работник военного министерства.

Телеграммы с заказами на цветы ("Вручите субботу моей жене три белые орхидеи") предоставляли настолько удобную возможность для передачи секретной информации, что цензоры запретили указывать в них названия цветов и день вручения.

Служба цензуры отменила телефонные и телеграфные заказы на исполнение по радио тех или иных музыкальных произведений, а выполнение заявок, присланных по почте, велела задерживать на неопределенное время. Эти меры должны были исключить возможность передачи сообщения для подводных лодок противника с помощью модной песенки. Аналогичные меры были приняты в отношении передачи радиостанциями объявлений личного характера.

Изучением методов скрытия информации в тексте занимается энигматология – "учение о тайне" (греч. αίνιγμα – загадка). Текст, содержащий "тайное сообщение" – энигмаграмма. Энигмализирование - извлечение тайного смысла из текста.

Семаграммы.

Семаграмма (греч. sema – знак и gramma – написанный, нарисованный) - тайное сообщение, в котором секретными кодозаменами являются любые символы, кроме букв и цифр [13].

Секретными кодозаменами могут быть:

- точки на костяшках домино;

- предметы на фотографии, расположенные таким образом, чтобы передать заранее оговоренный смысл;

- вышитые на платье узоры, представляющие собой закодированное послание;

- картина, на которой длинные и короткие ветки деревьев представляют точки и тире азбуки Морзе;

- и т.п.

Однажды в нью-йоркском цензорном отделении перевели все стрелки в предназначенной для отправки партии часов, опасаясь, что их положение может заключать в себе какое-то сообщение [13, 43].

Во время Второй мировой войны был зарегистрирован случай, когда немецкие агенты в Англии послали в Германию свое донесение под видом связанного свитера. Он якобы предназначался для заключенного, но вместо этого попал к контрразведчикам. Когда свитер распустили, оказалось, что его шерстяные нитки были сплошь в узелках. Пряжу расправили, а узлы сопоставили с алфавитом, написанным вертикально на стене. Базисной линией был выбран пол, а алфавит располагался перпендикулярно к нему. Вначале на полу под алфавитом крепился конец пряжи, при этом первый узел оказывался рядом с одной из букв. Затем, прижав к полу первый узел, определяли, с какой буквой совместится второй узел, и т.д. Таким образом, шифрование (точнее кодировка) были выполнены по аналогии с «линейкой Энея». В какой-то момент узлы «поведали» о строящихся и уже готовых к спуску на воду военных кораблях союзников [43].


1Штамм (от нем. Stamm - «основа») - чистая культура вирусов, бактерий, других микроорганизмов или культура клеток, изолированная в определённое время и в определённом месте.

2Микрон (микрометр, мкм) - 10-6м. Толщина человеческого волоса - 80-110 мкм.

 

21.3. Компьютерная стеганография

 

Развитие компьютерной технологии и средств коммуникации придали новый импульс развитию и совершенствованию стеганографии. 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. В настоящее время методы компьютерной стеганографии активно используются для решения следующих задач.

1. Защита конфиденциальной информации от несанкционированного доступа. Это область использования компьютерной стеганографии является наиболее эффективной при решении проблем защиты конфиденциальной информации. Так, например, объем секретного сообщения в звуковых и графических файлах может составлять до 25 - 30 % от размера файла. Причем аудиовизуальные изменения таковы, что не обнаруживаются при прослушивании и просмотре файлов большинством людей, даже если факт сокрытия известен.

2. Преодоление систем мониторинга и управления сетевыми ресурсами. Стеганографические методы позволяют противостоять попыткам контроля над информационным пространством при прохождении информации через серверы управления локальных и глобальных вычислительных сетей.

3. Камуфлирование программного обеспечения. Применяется в тех случаях, когда использование ПО незарегистрированными пользователями является нежелательным. ПО может быть закамуфлировано под стандартные универсальные программные продукты (например, текстовые редакторы) или скрыто в файлах мультимедиа и использоваться только лицами, имеющими на это права.

4. Защита авторских прав. Одним из наиболее перспективных направлений компьютерной стеганографии является технология использования цифровых водяных знаков ЦВЗ (digital watermarking) – в данном случае, создание невидимых глазу знаков защиты авторских прав на графические и аудио файлы. Такие ЦВЗ, помещенные в файл, могут быть распознаны специальными программами, которые извлекут из файла много полезной информации: когда создан файл, кто владеет авторскими правами, как вступить в контакт с автором и т.д. При том повальном воровстве, которое происходит в Интернете, польза от такой технологии очевидна.

Сегодня на рынке существует довольно много фирм, предлагающих продукты для создания и детектирования водяных знаков. Один из лидеров - фирма Digimarc. Ее продуктами, если верить предоставленной самой фирмой информации, пользуются более миллиона официальных клиентов: дизайнеры, художники, онлайновые галереи, журнал Playboy. Специальные поисковые агенты сканируют ресурсы Интернет, просматривая картинки на наличие ЦВЗ, и сообщают владельцам о фактах использования их собственности.

Несмотря на все заверения создателей соответствующих продуктов, ЦВЗ оказались нестойкими. Они могут перенести многое - изменение яркости и контраста, использование спецэффектов, даже печать и последующее сканирование, но они не могут перенести воздействие специальных программ-стирателей, которые появились в Интернете.

Наиболее известные методы компьютерной стеганографии и их характеристика приведены в следующей таблице.

Таблица 21.2. Методы компьютерной стеганографии и их характеристика

Стеганографические методы Краткая характеристика методов Примечания
1. Методы, основанные на использовании специальных свойств носителей данных
1.1. Скрытие информации в неиспользуемых местах дисков 1. Используются дорожки, доступные для чтения, но не воспринимаемые ОС (например, в резервную область жесткого диска).
2. Запись в неиспользуемые места оптических дисков (CD, DVD, Blue-ray и т.д.)
1. Низкая степень скрытности.
2. Возможна передача больших объемов информации.
1.2. Нанесение дополнительных дорожек на гибкие магнитные диски (вышли из употребления) Т.к. ширина дорожки в несколько раз меньше расстояния между дорожками (для гибких магнитных дисков), то на диск можно нанести дополнительные дорожки и записать туда информацию, не доступную ОС. Возможна передача больших объемов информации.
1.3. Специальное форматирование дисков Форматирование диска под размер секторов отличный от принятого в ОС. 1. Наличие программ как форматирующих подобным образом диски, так и читающих любое форматирование.
2. Возможна передача больших объемов информации.
2. Методы, основанные на использовании специальных свойств форматов данных
2.1. Методы использования полей данных, зарезервированных для расширения Поля расширения имеются во многих мультимедийных форматах. Они заполняются нулевой информацией и не учитываются программой. 1. Низкая степень скрытности.
2. Передача небольших объемов информации.
2.2. Методы специального форматирования в текстовых документах 1. Использование смещения символов, слов, предложений или абзацев в тексте (можно обеспечить вставкой дополнительных пробелов).
2. Выбор определенных позиций символов (например, акростих).
3. Использование дополнительных возможностей форматирования текстов (например, использование в MS Word: скрытого текста; специальных шрифтов; символов определенного шрифта, размера или цвета; белого цвета для символов и фона; одного пробела между словами для кодирования "0" и двух – для кодирования "1" и т.д.).
1. Слабая производительность методов.
2. Передача небольших объемов информации.
3. Низкая степень скрытности.
2.3. Методы специального форматирования текстов при печати 1. Печать специальными шрифтами, символами определенного шрифта, размера или цвета.
2. Внесение малозаметных искажений информации при печати (Был использован при печати контрактов с клиентами в одной из московских компаний. Эта тайнопись выглядела как обычные незначительные дефекты печати и обеспечивала определенную степень подтверждения подлинности документа).
1. Слабая производительность методов.
2. Передача небольших объемов информации.
2.4. Скрытие информации в свободных областях диска 1. Использование свободной части последнего кластера файла.
2. Использование свободных кластеров без записи в таблицы размещения файлов информации о том, что в этих кластерах содержится информация.
1. Низкая степень скрытности.
2. Возможна передача больших объемов информации.
2.5. Использование особенностей файловой системы 1. Использование скрытых файлов.
2. Использование потоков в NTFS.
1. Низкая степень скрытности.
2. Возможна передача больших объемов информации.
3. Методы, основанные на использовании избыточности аудио- и видеоинформации
3.1. Методы использования избыточности мультимедийных форматов Младшие разряды байт, несущие информацию об интенсивности света и звука содержат очень мало полезной информации. Их заполнение практически не влияет на качество восприятия. 1. За счет введения дополнительной информации искажаются статистические характеристики цифровых потоков.
2. Для снижения компрометирующих признаков требуется коррекция статистических характеристик.
3. Возможна передача больших объемов информации.

Использование потоков в NTFS.

Любой файл в NTFS может содержать несколько потоков ("файлов"). Каждый файл NTFS содержит стандартный (default) или безымянный (unnamed) поток данных (data stream). Именно этот поток видит перед собой пользователь, открывающий файл в текстовом редакторе. И именно размер этого потока отображается в качестве размера файла. Альтернативный поток данных (alternate data stream) – файл, встраиваемый в другой. Ему может даваться любое имя и его размер не влияет на размер файла.

В частности, информация о файле с вкладки "Сводка" окна "Свойства" храниться в альтернативном потоке "♣SummaryInformation"

Рис 21.8. Свойства файла

Работа с потоками командами DOS.

Копирование файла "СовСек.txt" в альтернативный поток "ss" файла "НеСек.txt".

type СовСек.txt > НеСек.txt:ss

После копирования размер файла "НеСек.txt" не меняется.

Шутка. Таким образом, в файл размером 0 байт, можно записать несколько Гбайт мусора в потоки, заняв почти все место на диске, но файл по-прежнему будет иметь размер 0 байт.

Восстановление текстового файла из потока.

more < НеСек.txt:ss > СовСек.txt

Для выявления файлов, обладающих альтернативными потоками можно воспользоваться утилитой Streams (http://technet.microsoft.com/ru-ru/sysinternals, с исходным текстом утилиты на С).

Рис 21.9. Отображение потоков утилитой Streams

Кроме легкого обнаружения, другим существенным недостатком является возможность использования данного способа только на дисках с NTFS. При копировании файлов на диски с другой файловой системой альтернативные потоки теряются.

Использование избыточности аудио- и видеофайлов.

Из всех приведенных в табл. 21.2 методов, этот является наиболее перспективным. Существуют различные его модификации, самый простой из которых LSB (Least Significant Bit, наименьший значащий бит). Суть этого метода заключается в замене последних значащих битов в контейнере (изображения, аудио или видеозаписи) на биты скрываемого сообщения. Допустим, имеется 8-битное изображение в градациях серого (0 (000000002) обозначает черный цвет, 255 (111111112) – белый). Всего имеется 256 градаций. Также предположим, что сообщение состоит из 1 байта – например, (011010112). При использовании 2 младших бит в описании пикселей, нам потребуется 4 пикселя. Допустим, они черного цвета. Тогда пиксели, содержащие скрытое сообщение, будут выглядеть следующим образом: (00000001 00000010 00000010 000000112). Тогда цвет пикселей изменится: первого - на 1/256, второго и третьего - на 2/256 и четвертого - на 3/256. Такие искажения исходного изображения, как правило, незаметны для человеческого зрения. Для разноцветных изображений искажения еще менее заметны, тем более, что в них биты исходного изображения могут совпадать с битами секретного сообщения.

Одной из лучших программ в своем классе является SecretBMP (http://www.bordak.fatal.ru/secretbmp/). В примере при скрытии файла give-me-too.zip (570 404 байта) в файле etr500.bmp (1 229 852 байта) размер результирующего файла 5.bmp стал 1 229 850 байта, а качество рисунка осталось неизменным для глаза.

Рис 21.9. Окно программы SecretBMP
(слева – исходный файл-контейнер, справа – файл со вставленной секретной информацией)

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Перечислите основные методы классической стеганографии и дайте им характеристику.

2. В каких целях применяется компьютерная стеганография?

3. Опишите метод сокрытия информации с помощью потоков NTFS.

4. За счет чего достигается сокрытие информации в аудио- и видеофайлах?