Стеганография и криптография

Криптография и стеганография — взаимодополняющие области с разными целями. Криптография преобразует сообщение так, что без ключа его содержание невозможно понять, но само существование секретного сообщения очевидно. Стеганография скрывает само существование сообщения внутри безобидного на вид носителя, поэтому наблюдатель вообще не знает, что секретное сообщение присутствует.

Наиболее защищенная скрытая связь объединяет обе техники: сначала сообщение шифруют, чтобы даже при обнаружении скрытых данных их нельзя было прочитать; затем шифротекст встраивают в носитель с помощью стеганографии. Злоумышленник, обнаруживший скрытые данные, видит только байты, похожие на случайные. Такой многоуровневый подход используется как в законных средствах защиты конфиденциальности, так и в разведывательных операциях государств.

У стеганографии богатая история, предшествующая появлению компьютеров. Невидимые чернила из лимонного сока или молока использовали для письма между строк безобидных писем. Нулевые шифры скрывали сообщения в первых буквах слов обычного на вид текста. Немецкие шпионы во время Второй мировой войны использовали микроточки: фотографии, уменьшенные до размера точки и встроенные в печатные документы.

В цифровую эпоху любой формат файла с избыточными данными или данными с потерями может служить носителем. К распространенным цифровым носителям относятся растровые изображения (JPEG, PNG, BMP), аудиофайлы (WAV, MP3), видеофайлы (AVI, MP4) и даже сами сетевые пакеты. Выбор носителя влияет как на емкость сокрытия, так и на риск обнаружения с помощью статистического анализа.

Основное требование стеганографии — файл-носитель должен быть неотличим от обычной, не измененной версии того же формата. Изображение размером 10 мегабайт, в котором внезапно содержится 5 мегабайт скрытых данных, будет выглядеть для человеческого глаза так же, но может иметь обнаружимые статистические аномалии. Эффективная стеганография сохраняет небольшой размер скрытой полезной нагрузки по сравнению с размером носителя.

Стеганоанализ — искусство обнаружения скрытых сообщений, аналогичное криптоанализу, который используется для взлома шифров. Специалисты по стеганоанализу ищут статистические отклонения, выдающие наличие скрытых данных. Криптоаналитики пытаются восстановить открытый текст из шифротекста. Успешный стеганоанализ показывает, что что-то скрыто; успешный криптоанализ раскрывает, что именно говорится в этом сообщении. Обе области способствуют развитию противостоящих направлений.

Естественные изображения обладают предсказуемыми статистическими свойствами: значения пикселей имеют плавное распределение, соседние пиксели коррелируют, а характеристики шума соответствуют сенсору камеры. Встраивание стеганографических данных нарушает эти свойства. Критерий хи-квадрат, RS-анализ и анализ пар образцов — методы, измеряющие отклонения от ожидаемой статистики для выявления потенциально скрытого содержимого.

Российские разведчики, арестованные в US в 2010 году, использовали стеганографию для встраивания сообщений в опубликованные в открытом доступе изображения на веб-сайтах. Изображения выглядели как обычные фотографии, но содержали инструкции и разведданные. Этот реальный случай показал, что современные противники сочетают стеганографию с шифрованием и сетевой стеганографией для многоуровневой скрытой связи.

Объем данных, который можно скрыть в носителе, ограничен размером носителя и используемой техникой стеганографии. Типичная техника LSB на цветном изображении позволяет разместить примерно 1 бит на цветовой канал каждого пикселя, то есть около 3 бит на пиксель. Превышение порога емкости заметно ухудшает качество изображения или создает статистические признаки, которые могут обнаружить средства стеганоанализа.

Помимо шпионажа, стеганография имеет законные применения. Водяные знаки встраивают сведения о владельце в изображения и аудио для защиты авторских прав. Цифровые отпечатки встраивают уникальные идентификаторы, позволяющие отследить источник утечек. Скрытые каналы в сетевых протоколах могут обходить фильтры содержимого в сетях с цензурой. Исследователи также изучают стеганографию, чтобы создавать более эффективные средства обнаружения и понимать пределы скрытой связи.

Сама по себе стеганография не является незаконной в большинстве юрисдикций, однако ее использование для сокрытия преступной деятельности или обхода наблюдения, санкционированного судом, вызывает этические и правовые вопросы. Фильтры содержимого в некоторых странах пытаются обнаруживать и блокировать каналы стеганографии. Те же методы, которые активисты используют для обхода цензуры, преступники могут использовать для сокрытия сообщений от правоохранительных органов.

Какова основная цель, отличающая стеганографию от криптографии?

Стеганография скрывает существование связи, а криптография — смысл. Их сочетание обеспечивает многоуровневую защиту. Исторические методы включают невидимые чернила, нулевые шифры и микроточки. Цифровые носители включают изображения, аудио и видео. Носитель должен выглядеть статистически обычным. Стеганоанализ обнаруживает скрытые данные по статистическим отклонениям. Емкость носителя принципиально ограничена его размером.