CC BY
0УДК 004
Солдаткин Д.С.
студент
Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича (г. Санкт-Петербург, Россия)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ HALLUCINATE ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СКРЫТЫХ СТЕНОГРАФИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА ОСНОВЕ МЕТОДА LSB
Аннотация: в данной статье рассматривается эффективность работы стеганографических инструментов утилиты Hallucinate для реализации скрытых каналов связи на основе метода наименее значимого бита (LSB). Проведен анализ классификации метода, историческая справка, описание процесса скрытия информации и оценка устойчивости к атакам. Представлены практические результаты и выводы по использованию Hallucinate в данной области.
Ключевые слова: стеганография, стеганографические методы, сокрытие информации, наименее значимый бит, стеганографический контейнер.
Современные технологии значительно расширили возможности стеганографии, превратив её в мощный инструмент для защиты данных в цифровом мире. Актуальность использования стеганографии в современном мире обусловлена значительным ростом объема данных и потребностью в их защите. В условиях всеобщей цифровизации и глобализации, обеспечение конфиденциальности и безопасности данных становится приоритетной задачей. Одной из важнейших целей стеганографии является обеспечение скрытного канала связи, который не привлекает внимания.
Целью данного исследования является анализ эффективности использования утилиты Hallucinate для реализации стеганографических каналов связи на основе метода LSB.
Стеганография — это искусство и наука скрытия информации внутри других данных таким образом, что присутствие скрытой информации остается незамеченным [1]. Различные методы стеганографии можно классифицировать по различным критериям:
По типу носителя:
• Изображения: информация скрывается в цифровых изображениях.
• Аудио: информация встраивается в аудиофайлы.
• Видео: скрытые данные интегрируются в видеопоток.
• Текст: использование текстовых документов для скрытия данных.
По пространству встраивания:
• Пространственные методы: изменение пикселей изображения или амплитуд аудиосигнала на уровне их непосредственного представления.
• Спектральные методы: использование преобразований Фурье или вейвлет-преобразований для скрытия данных в частотных компонентах сигнала.
По видимости изменений:
• Видимая стеганография: изменения заметны, но содержание скрыто.
• Невидимая стеганография: изменения незаметны для человеческого
глаза.
Метод наименее значимого бита (LSB) является одним из наиболее известных и широко используемых методов стеганографии. Его история начинается с ранних дней развития компьютерной науки и цифровых технологий.
С развитием компьютеров и цифровых технологий в середине XX века стеганография получила новое дыхание. Впервые метод LSB был предложен и описан в научных работах в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Одним из первых исследователей, кто обратил внимание на возможности стеганографии в цифровых медиафайлах, был Росс Андерсон. В своей работе "Stretching the
Limits of Steganography" (1998), Андерсон подробно описал, как можно использовать наименее значимые биты пикселей для скрытия информации в цифровых изображениях. Метод LSB стал предметом интенсивных исследований и разработок в 1990-х годах. Исследователи начали изучать различные аспекты применения метода LSB, включая его безопасность, устойчивость к атакам и возможности улучшения.
В последние годы метод LSB продолжает активно использоваться и совершенствоваться. Исследователи разрабатывают новые алгоритмы и подходы для повышения устойчивости метода к стеганализу, а также для улучшения качества скрываемой информации. Важно отметить, что метод LSB применяется не только для скрытия текстовых сообщений, но и для сокрытия изображений, аудио и видео файлов. Одной из современных тенденций является интеграция стеганографии с другими методами защиты информации, такими как криптография. Это позволяет создавать многоуровневые системы защиты, где информация сначала шифруется, а затем скрывается с использованием метода LSB. Такой подход значительно повышает безопасность передаваемых данных.
Метод LSB основан на замене наименее значимых битов (LSB) в данных контейнера битами секретного сообщения. Рассмотрим этот процесс более детально на примере цифрового изображения. В изображениях каждый пиксель обычно представлен несколькими байтами данных, которые кодируют интенсивности красного, зеленого и синего (RGB) цветов. Например, в 24-битных изображениях каждый цвет представлен 8 битами, и каждый пиксель состоит из 24 бит.
Рассмотрим процесс внедрения информации с использованием метода LSB в математической форме. Пусть I(i, j) представляет значение интенсивности цвета пикселя в координатах (¿j). Это значение может быть представлено в двоичной форме:
/а D = М6М4М2М0 (1)
где b7 - старший бит, а b0 - наименее значимый бит. Пусть M представляет секретное сообщение, которое необходимо скрыть. Предположим, что M также представлено в двоичной форме:
М = т0т1т2 ... тк (2)
Процесс внедрения битов секретного сообщения в наименее значимые биты пикселей изображения можно описать следующим образом:
1. Извлекаем наименее значимый бит b0 из пикселя I(i, j),
2. Заменяем этот бит битом секретного сообщения m,
3. Формируем новый пиксель I'(i, j) в котором наименее значимый бит заменен.
Математически это можно записать следующим образом:
/' (i, D = (I(i, У)&~1)|т (3)
где & - побитовая операция И, | - побитовая операция ИЛИ. Этот процесс повторяется для всех пикселей изображения, пока все биты секретного сообщения не будут скрыты [3].
Процесс извлечения скрытого сообщения из изображения является обратным процессом внедрения. Для извлечения секретного сообщения необходимо:
1. Извлечь наименее значимые биты из каждого пикселя.
2. Собрать извлеченные биты для формирования исходного секретного сообщения.
Для успешного применения метода LSB в реальных условиях необходимы соответствующие программные инструменты, которые позволят пользователям легко и надежно внедрять и извлекать скрытые данные. В современном мире существует множество программных решений для стеганографии, и одним из наиболее удобных инструментов является утилита Hallucinate. Данная утилита представляет собой чрезвычайно компактное (объём составляет 35 Кбайт) программное обеспечение, разработанное на языке программирования Java, предназначенное для реализации стеганографических преобразований на основе метода LSB. Несмотря на кажущуюся простоту,
Hallucinate предлагает достаточно гибкие настройки, позволяющие адаптировать процесс стеганографии под конкретные нужды пользователя. Рассмотрим основные возможности этой утилиты более подробно. Первой и основной функцией Hallucinate является возможность выбора файла, который необходимо скрыть. Следующим шагом является выбор файла, который станет стеганографическим контейнером. Hallucinate поддерживает работу с различными типами медиафайлов такими как PNG и BMP. Одной из ключевых возможностей Hallucinate является настройка качества итогового медиафайла. Программа предоставляет пользователю восемь уровней качества, каждый из которых влияет на количество информации, которую можно скрыть, и на визуальное восприятие конечного изображения. Чем сильнее огрубляется исходное изображение, тем больше в нем можно спрятать, однако тем заметнее становятся различные артефакты в получившемся изображении. После завершения этих шагов Hallucinate выполняет процесс внедрения информации, создавая итоговый медиафайл, в котором скрыта секретная информация. Пользователь может сохранить этот файл и использовать его для безопасной передачи данных.
Для оценки эффективности и устойчивости утилиты Hallucinate был проведен комплексный эксперимент, включающий несколько этапов. В данном эксперименте использовалось изображение формата PNG размером 400 на 400 пикселей в качестве контейнера. Скрываемыми файлами были выбраны два текстовых документа размером 164 байта и 16,4 Кбайта соответственно. Первый этап эксперимента заключался в сокрытии текстовых документов внутри изображения-контейнера с использованием утилиты Hallucinate. Для обоих случаев были выбраны наилучшие параметры итогового изображения, обеспечивающие максимальное качество и минимальную заметность изменений. Для оценки визуальных изменений были использованы методы сравнения оригинального и полученного изображений. В обоих случаях полученные изображения практически не отличались от оригинала на глаз, что подтверждает высокую степень скрытности метода LSB при использовании Hallucinate.
Исходное изображение, изображение в которое внедрён текстовый файл размером 164 байта, и изображение, в которое внедрён текстовый файл размером 16,4 Кбайта представлены на рис.1.
Оригинальное изображение Изображение содержащее Изображение содержащее
текстовый файл размером 164 бай га текстовый файл размером 16,4 Кбайта
Рис. 1. Оригинальное изображения и изображения содержащие текстовые файлы
Также в ходе эксперимента было установлено, что оригинальное изображение имело размер 344 Кбайта, в то время как изображение, содержащее файл размером 164 байта, увеличилось до 351 Кбайта, а изображение, содержащее файл размером 16,4 Кбайта, достигло размера 376 Кбайт. Далее, При помощи ПО Beyond Compare были проведены точные сравнения пикселей оригинального и получившихся изображений. Пиксели, которые отличались, были отмечены оттенками синего, а идентичные пиксели -оттенками серого. Визуализация различий показала, что изменения присутствую, однако практически незаметны без специального анализа. Результаты сравнения оригинала изображения и изображения, содержащего файл, размером 164 байта, представлены на рис. 2.
Рис. 2. Результаты сравнения оригинала изображения и изображения, содержащего файл,
размером 164 байта.
Результаты сравнения оригинала изображения и изображения, содержащего файл, размером 16,4 Кбайта, представлены на рис. 3.
Рис. 3. Результаты сравнения оригинала изображения и изображения, содержащего файл,
размером 16,4 Кбайта.
Следующим этапом эксперимента было тестирование устойчивости скрытой информации к различным преобразованиям изображений. В ходе данного этапа были проведены следующие преобразования:
• Преобразование PNG-изображения в другие форматы, такие как JPEG и BMP,
• Изменение ориентации изображения,
• Обрезание краев изображения, чтобы проверить, сохранится ли скрытая информация в центральной части изображения.
После выполнения указанных преобразований были предприняты попытки извлечения скрытых текстовых документов с использованием утилиты Hallucinate. Результаты показали, что при любом преобразовании файла утилита Hallucinate не смогла обнаружить и извлечь скрытое содержимое, что проявилось в виде ошибок извлечения.
Заключение. В ходе данной работы был проведен комплексный анализ и оценка эффективности использования утилиты Hallucinate для реализации стеганографических каналов связи на основе метода наименее значимого бита (LSB). Были рассмотрены основные принципы метода LSB, его математическая модель и особенности применения. В ходе экспериментов было установлено, что утилита Hallucinate эффективно скрывает информацию в изображениях, используя метод наименее значимого бита (LSB). Визуальные изменения практически незаметны без специализированного ПО и наличия оригинала изображения. Однако при преобразовании файлов, включая изменение формата, поворот и обрезание изображений, скрытая информация становится недоступной для извлечения. Это указывает на уязвимость метода LSB к подобным преобразованиям, что следует учитывать при его использовании для обеспечения конфиденциальности информации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Коржик В. И. Цифровая стеганография : учебник / В. И. Коржик, А. В. Красов. - Москва : Общество с ограниченной ответственностью "Издательство "КноРус", 2023. - 324 с. - ISBN 978-5-406-10970-0. - EDN KNKBXU;
2. Коржик В. И. Обнаружение стегосистем, использующих погружение конфиденциальной информации в контуры изображения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2021. - Т. 13, № 5. - С. 75-85. - EDN COUQRN;
3. Красов А. В. Модель нарушителя информационной безопасности, использующего стеганографические каналы взаимодействия / А. В. Красов // Наука и бизнес: пути развития. - 2022. - № 4(130). - С. 79-88. - EDN TZAHFJ;
4. Деревянко В. С. Возможности программы stegdetect для определения скрытых вложений в JPEG файлах // Сборник «Технологии информационного общества» С. 156-158. - EDN WUJFBO;
5. Dasgupta K., Mandal J. K., Dutta P. Hash based least significant bit technique for video steganography (HLSB) // International Journal of Security. - 2012. -[Электронный ресурс]. URL: https://w.academia.edu/download/89097085/1212ijsptm01.pdf (дата обращения: 09.07.2024);
6. Gupta S., Goyal A., Bhushan B. Information hiding using least significant bit steganography and cryptography // International Journal of Modern Education and Computer Science. - 2012 URL: https://w.mecs-press.org/ijmecs/ijmecs-v4-n6/IJMECS-V4-N6-4.pdf (дата обращения: 10.07.2024);
7. Younes M. A. B., Jantan A. A new steganography approach for images encryption exchange by using the least significant bit insertion // International Journal of Computer Science and Network Security. - 2008. - [Электронный ресурс]. URL: https://citeseerx.ist.psu.edu (дата обращения: 10.07.2024);
8. ALabaichi A., Al-Dabbas M. A. A. K. Image steganography using least significant bit and secret map techniques // International Journal of Computer Applications. - 2020. - [Электронный ресурс]. URL: https://w.researchgate.net/ (дата обращения: 12.07.2024);
9. Asad M., Gilani J., Khalid A. An enhanced least significant bit modification technique for audio steganography // International Conference on Computer Networks and Information Technology (ICCNIT). - 2011 URL: https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6020921/ (дата обращения: 10.07.2024)
Soldatkin D.S.
Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications (St. Petersburg, Russia)
USE OF HALLUCINATE FOR REALISATION OF HIDDEN STENOGRAPHIC CHANNELS OF INTERACTION ON THE BASIS OF LSB METHOD
Abstract: paper examines the effectiveness of steganographic tools of the Hallucinate utility to realize hidden communication channels based on the Least Significant Bit (LSB) method. The classification of the method, historical background, description of the information hiding process and attack resistance evaluation are analysed. Practical results and conclusions on the use of Hallucinate in this area are presented.
Keywords: steganography, steganographic methods, information hiding, LSB, least significant bit, Hallucinate, steganographic container, resistance to transformations.
