Czym jest steganografia

Steganografia to praktyka ukrywania samego faktu istnienia wiadomości poprzez umieszczenie jej w danych wyglądających zwyczajnie. Nazwa pochodzi od greckich słów steganos (zakryty) i graphein (pisać), czyli „zakryte pismo”.

Sekret można ukryć w obrazie, pliku audio, dokumencie lub ruchu sieciowym. Dla osoby postronnej nośnik wygląda zupełnie normalnie — jak niewinne zdjęcie z wakacji, piosenka czy plik PDF.

Dla praktyków bezpieczeństwa steganografia ma znaczenie z dwóch powodów: obrońcy muszą rozumieć, jak atakujący wykorzystują ją do przemycania danych, a analitycy muszą wiedzieć, jak ją wykrywać.

Te pojęcia bywają mylone, ale rozwiązują różne problemy:

• Kryptografia ukrywa znaczenie wiadomości. Obserwator wie, że istnieje sekret, ale nie może go odczytać.
• Steganografia ukrywa istnienie wiadomości. Obserwator nie wie nawet, że sekret jest obecny.

Kryptografia chroni treść, a steganografia chroni sam fakt komunikacji. Zaszyfrowany plik zwraca uwagę — oczywiście zawiera jakąś ukrytą treść. Wiadomość steganograficzna ukrywa się w pliku, którego nikt nie podejrzewa.

Najskuteczniejsze podejście łączy oba mechanizmy. Najpierw szyfruje się dane, a następnie je ukrywa:

• Szyfrowanie gwarantuje, że nawet po odnalezieniu ukrytych danych nie będzie można ich odczytać.
• Steganografia sprawia, że zaszyfrowany ciąg danych prawdopodobnie w ogóle nie zostanie odnaleziony.

Szyfrowanie przed ukryciem pomaga także samej steganografii: szyfrogram ma wysoką entropię i jest statystycznie losowy, dzięki czemu może naturalniej wtapiać się w szum danych multimedialnych niż ustrukturyzowany tekst jawny. Ta warstwowa metoda ochrony nosi nazwę defense in depth.

Steganografia ma precyzyjne słownictwo, które warto poznać:

• Payload — ukrywane dane.
• Cover (lub carrier) — niewinny plik używany do ich ukrycia.
• Stego-object — wynik: cover wraz z osadzonym payloadem.
• Stego-key — opcjonalny sekret określający, gdzie lub w jaki sposób osadzany jest payload.
• Embedding — czynność wstawiania payloadu.
• Extraction — odzyskiwanie payloadu ze stego-objectu.

Tak więc: osadzenie payloadu w coverze, opcjonalnie z użyciem stego-key, tworzy stego-object.

Niemal każdy plik zawierający nadmiarowość lub szum może służyć jako nośnik. Typowe nośniki to:

• Obrazy — najpopularniejszy wybór; drobne zmiany kolorów są niewidoczne dla oka.
• Audio — niewielkie modyfikacje amplitudy są niesłyszalne.
• Wideo — duża pojemność dzięki wielu klatkom.
• Tekst i dokumenty — białe znaki, formatowanie lub znaki o zerowej szerokości.
• Ruch sieciowy — nieużywane pola nagłówków lub odstępy czasowe między pakietami (kanały ukryte).
• Systemy plików — wolne miejsce lub ukryte woluminy.

Najlepsze nośniki są duże i naturalnie zaszumione, dzięki czemu osadzone dane ukrywają się wśród istniejących różnic.

Każda metoda steganograficzna równoważy trzy sprzeczne cele — trójkąt steganograficzny:

• Pojemność — ilość danych, które można ukryć.
• Niewykrywalność — stopień, w jakim zmiany pozostają niewykrywalne.
• Odporność — zdolność payloadu do przetrwania modyfikacji (kompresji, zmiany rozmiaru).

Zwiększenie jednego celu zwykle osłabia pozostałe. Ukrycie większej ilości danych (większa pojemność) sprawia, że zmiany statystyczne stają się łatwiejsze do wykrycia (mniejsza niewykrywalność). Metody odporne na kompresję często osadzają dane w sposób bardziej widoczny. Właściwa równowaga zależy od celu: skryta eksfiltracja preferuje niewykrywalność, a znakowanie wodne — odporność.

Najbardziej prymitywna technika dopisuje payload za końcem prawidłowego pliku. Wiele formatów (np. JPEG) ma znacznik końca pliku, więc programy wyświetlające ignorują wszystko, co znajduje się za nim — obraz nadal wyświetla się normalnie.

Można to łatwo wykryć, ponieważ plik jest większy, niż powinien być, i zawiera dane poza swoim logicznym końcem:

Technika ta jest łatwa do zastosowania i łatwa do wykrycia — nie zapewnia prawdziwej niewykrywalności, ale ilustruje koncepcję ukrywania danych ignorowanych przez program wyświetlający.

Najsłynniejszą właściwą techniką steganograficzną jest podstawianie LSB (najmniej znaczącego bitu). Na obrazie każdy kanał barwny piksela jest liczbą od 0 do 255. Zmiana najmniej znaczącego bitu zmienia wartość najwyżej o 1 — jest to zmiana niewidoczna dla ludzkiego oka.

Nadpisując LSB wielu pikseli, koduje się ukrytą wiadomość bit po bicie. Obraz RGB o rozdzielczości 1 megapiksela może w ten sposób ukryć około 375 KB.

W następnym kursie omówimy dokładniej LSB; na razie wystarczy zrozumieć zasadę: dane należy ukrywać w tych częściach pliku, które są zbyt subtelne, aby człowiek je zauważył.

Steganografia sama w sobie nie jest złośliwa — ma wiele uzasadnionych zastosowań:

• Cyfrowe znakowanie wodne osadzanie informacji o właścicielu w multimediach w celu potwierdzenia praw autorskich lub śledzenia wycieków.
• Wykrywanie manipulacji kruchy znak wodny, który ulega uszkodzeniu po zmianie pliku.
• Osadzanie metadanych przechowywanie danych o autentyczności lub pochodzeniu.
• Prywatność ochrona komunikacji w sytuacjach, gdy sam fakt szyfrowania mógłby być niebezpieczny.

Znakowanie wodne w szczególności wymaga odporności — znak musi przetrwać kompresję i edycję, co stanowi przeciwieństwo priorytetu dyskretnego ukrywania.

Atakujący również wykorzystują steganografię, dlatego obrońcy muszą brać to pod uwagę:

• Eksfiltracja danych przemycanie skradzionych danych w obrazach przepuszczanych przez filtry.
• Sterowanie złośliwym oprogramowaniem ukrywanie instrukcji w obrazach publikowanych w publicznie dostępnych serwisach (stegware).
• Dostarczanie ładunku ukrywanie złośliwego kodu w plikach wyglądających niewinnie.
• Omijanie DLP obchodzenie systemów zapobiegania utracie danych, które skanują pliki w poszukiwaniu oczywistych sekretów.

Ponieważ steganografia ukrywa sam fakt istnienia danych, narzędzia oparte na sygnaturach często jej nie wykrywają. Wykrywanie wymaga steganalizy, omówionej w dalszej części tego kursu.

Częsty błąd polega na poleganiu na tajności metody — bezpieczeństwie przez niejawność. Zgodnie z zasadą Kerckhoffsa system powinien pozostać bezpieczny nawet wtedy, gdy atakujący zna zastosowaną technikę.

W przypadku steganografii oznacza to:

• Nie należy zakładać, że algorytm osadzania jest tajny — analitycy znają popularne metody.
• Prawdziwe bezpieczeństwo zapewniają klucz stego (kontrolujący rozmieszczenie) oraz szyfrowanie ładunku.
• Metoda może być publiczna; tajne powinny pozostać wyłącznie klucze.

Steganografia ukrywa istnienie danych, ale nie zastępuje szyfrowania — należy łączyć oba rozwiązania.

Sprawdź, czy rozumieją Państwo kluczową różnicę.

Poznali Państwo podstawy ukrywania danych na widoku.

• Steganografia ukrywa istnienie wiadomości, podczas gdy kryptografia ukrywa jej znaczenie — warto łączyć oba rozwiązania, aby uzyskać wielowarstwową ochronę.
• Najważniejsze terminy to: ładunek, nośnik, obiekt stego, klucz stego, osadzanie i ekstrakcja.
• Nośnikami mogą być obrazy, dźwięk, wideo, tekst, ruch sieciowy lub systemy plików; duże, zaszumione pliki najlepiej ukrywają dane.
• Każda metoda równoważy trzy elementy: pojemność / niezauważalność / odporność.
• Klasyczną techniką jest substytucja LSB; prostsze metody dołączają dane za końcem pliku.
• Zastosowania obejmują zarówno legalne znakowanie wodne, jak i złośliwą eksfiltrację i stegware; należy polegać na kluczach stego i szyfrowaniu, a nie na niejawności metody.

Następnie przejdą Państwo do praktycznego osadzania danych w obrazach i dźwięku.