Tik-76.115 Tekninen määrittely

Stegano

http://
Viimeksi päivitetty .

Sisällysluettelo

1. Johdanto
2. Järjestelmän yleiskuvaus
3. Arkkitehtuurin kuvaus
4. Moduli (ja prosessi) -kuvaukset

Liite 1: The JPEG-format
Liite 2: The GIF-format

1. Johdanto

Tämä dokumentti

Luvussa 2 "Järjestelmän yleiskuvaus" kuvataan lyhyesti järjestelmän käyttöympäristö ja yleiset rajoitteet.

Luvussa 3 "Arkkitehtuurin kuvaus" kuvataan ohjelmiston arkkitehtuuri ja ratkaisuperiaatteet.

Luvussa 4 "Moduli (ja prosessi)-kuvaukset" kuvataan yksityiskohtaisesti modulien rajapinnat ja sisältö.

Liittessä 1 "the JPEG-format" ja liitteessä 2 "the GIF-format" kuvataan kuvaformaattien rakennetta ja niille sopivia kätkemisalgoritmeja.

Käyttäjät

Tavoitteet

Lisäksi ohjelmakirjaston päälle rakennetaan unix- ja Windows käyttöliitttymät, joiden avulla mahdollistetaan kirjaston helppo käyttö ja joilla demonstroidaan kirjaston toimivuutta erilaisissa käyttöjärjestelmäympäristöissä.

Ohjelmiston tarkoituksena on toimia kokeiluvälineenä tutkimustyössä sekä osoittaa tiedon siirron täydellisen valvomisen olevan teknisesti mahdotonta.

Määritelmät ja termit

• Kätkentäbitti (hiding bit)

  Sellainen peitetiedoston kohinainen bitti, johon salainen viesti kätketään. Kaikki kohinaiset bitit eivät ole välttämättä kätkentäbittejä.

• Peitetiedosto (cover file)

  Tiedosto, johon salainen viesti kätketään. Tiedoston täytyy sisältää kohinaa, johon salainen viesti kätketään.

• Kätköviesti (stego message)

  Peitetiedosto kätkennän jälkeen, eli viesti, joka kuljettaa kätkettyä salaista viestiä.

Lähdeluettelo

• Bruce Schneier. Applied Cryptography. John Wiley & Sons, Inc. 1996.
• Tuomas Aura. Practical invisibility in digital communication, Workshop on Information Hiding, University of Cambridge, May 1995.
• Maxwell T. Sandford II, Jonathan N Bradley, and Theodore G. Handel. The data embedding method. In Proceeding of the SPIE Photonics East Conference, Philadelphia, September 1995.
• Michael Luby and Charles Rackoff. How to construct pseudorandom permutations from pseudorandom functions. SIAM Journal on Computing, 17(2):373-386, April 1988.
• Steffen Möller, Andreas Pfizmann, and Ingo Stierand. Rechnergstutzte Steganographie: Wie sie funktioniert und warum folglich jede Reglementierung von Verschlusselung unsinnig ist. Dateschultz und Datensicherung, (6):318-326, June 1994.
• gif89a.doc
• bmp.doc
• pbm.html
• jpeg
• Crypto++ 2.1

2. Järjestelmän yleiskuvaus

Sovellusalueen kuvaus

Kuva 1: Steganograafisen systeemin ympäristö

Tässä projektissa tehtävä ohjelmisto on itse tiedon kätkemisen suorittava ohjelmisto. Ohjelmisto soveltaa valittavia algoritmejä salaiseen viestiin ja peiteviestiin salaisen avaimen avulla tuottaen tuloksena kätköviestin. Ohjelmisto ilmenee kuvassa 1 laatikoina Hiding ja Extracting.

Käyttöympäristö

Ohjelmakirjaston päälle rakennetaan lisäksi käyttöliittymät UNIX- ja Windows95 ympäristöihin.

Yleiset rajoitteet

• Ohjelmointikielenä käytetään C/C++:aa.
• Kryptografisten algoritmien toteutuksen osalta käytetään valmiita luotettaviksi todettuja kryptografisia kirjastoja. Tämä siksi että kryptografisten algoritmien ohjelmoinnista on helppo tehdä pieniä virheitä, jotka huonontavat algoritmien turvallisuutta dramaattisesti.
• Ohjelmakirjasto tulee suunnitella ja ohjelmoida mahdollisimman laitteistoriippumattomaksi.

3. Arkkitehtuurin kuvaus

3.1 Päämodulit

• Käyttöliittymä
• Steganografinen kirjasto
• Kryptografinen kirjasto

Steganografinen kirjasto suorittaa itse tiedon kätkemisen ja purkamisen. Stegografinen kirjasto toteuttaa varsinaiset steganografiset funktiot, kuten esimerkiksi tiedon kätkemiseen käytettävien bittien valinnan. Näissä se käyttää apunaan kryptografisen kirjaston tarjoamia kryptografisia perusfunktioita, kuten esimerkiksi IDEA-salausta.

Kuva 2: Ohjelmiston päämodulit

3.2 Päärajapinnat

• Käyttöliittymän ja steganografisen kirjaston välinen rajapinta
• Steganografisen ja kryptografisen kirjaston välinen rajapinta

Tässä työssä käytetään kryptografisena kirjastona Wei Dai:n Crypto++ 2.1:aa. Tällöin steganografisen ja kryptografisen kirjaston rajapinta on valmiiksi määritelty eli Crypto++:n ulkoinen rajapinta tarvittavin osin. Crypto++ on C++ kirjasto, joka tarjoaa kaikki tässä työssä tarvittavat kryptografiset perusfunktiot sekä monia muita. Haittapuolena tästä valinnasta on se että kirjaston käyttä rajoittaa muiden apukirjastojen kuten STL käyttöä, koska Crypto++ määrittelee osan perustietorakenteista (kuten vektorin) itse uudelleen.

4. Moduli (ja prosessi) -kuvaukset

4.1 Käyttöliittymät

4.2 Steganografinen kirjastomoduli

Kuva 3: Steganografinen kirjasto

4.2.1 Rajapinta käyttöliittymään

Luokan CoverPool tehtävänä on osaltaan mahdollistaa se, ettei käyttöliittymää tarvitse välttämättä muuttaa lisättäessä uusia peitetiedostotyyppejä. Luokka CoverPool sisältää jäsenfunktion match, jota kutsuttaessa luokka käy läpi kaikki ohjelmistoon implementoidut peitetiedostoformaatit yrittäen löytää formaatin, joka on sama kuin kutsussa annetun tiedoston.

Tyypillinen käyttöliittymän ja steganografisen kirjaston välinen kommunikaatio olisi:

1. Käyttöliittymä kutsuu CoverPool-luokan funktiota match käyttäjän antamalla tiedoston nimellä.
2. CoverPool-luokka antaa uuden instanssin oikeantyyppiseen Cover-luokasta perittyyn peitetiedostoluokkaan, esim. PGMCover.
3. Käyttöliittymä avaa tiedoston kutsumalla PGMCover-luokan funktiota open.
4. (Windows) käyttöliittymä kysyy PGMCover-luokalta, mitä algoritmejä ja metodeja se voi soveltaa viestin kätkemisessä ja näyttää nämä käyttäjälle. Kysely tapahtuu kutsumalla PGMCover-luokan funktioita compressionAlgorithms, encryptAlgorithms, selectors.
5. Käyttäjän valittua algoritmit ja annettua salanan ja viestin käyttöliittymä kutsuu PGMCover-luokan funktiota hide, joka kätkee viestin peitetiedostoon.
6. Käyttöliittymä tallettaa tiedoston levylle komennolla save.

Kuva 4: Esimerkki käyttöliittymärajapinnan tapahtumista (*)

(*) Erilaiset sovellettavien metodien/algoritmien kyselyt (esim. compressionAlgorithms) on esitetty yhdellä kyselyllä get applicaple methods.

4.2.2 Luokka CoverPool

Julkiset jäsenfunktiot:

• konstruktori. Ei ota mitään argumentteja eikä tee mitään ulospäin näkyvää.
• destruktori. Ei ota mitään argumentteja eikä tee mitään ulospäin näkyvää.
• error Palauttaa viimeisimmän suoritetun jäsenfunktion virheen, NoError jos virheetön suoritus.
• registerCoverFormat. Rekisteröi peitetiedostoformaatin, jolloin se voidaan myöhemmin löytää match-jäsenfunktiossa.
  Argumentit:
  • Osoitin funktioon joka tutkii onko annetun tiedoston formaatti peitetidoston mukainen ja palauttaa osoittimen ko. peitetiedoston luokan (luokan Cover aliluokka) uuteen instanssiin.
  Palauttaa:
  • 1 jos rekisteröinti onnistui.
  • 0 jos rekisteröinti epäonnistui.
  Virheet:
  • -
• match
  Argumentit:
  • Tutkittavan tiedoston nimi.
  Palauttaa:
  • Osoittimen sellaisen peitetiedoston luokan (luokan Cover aliluokan) uuteen instanssiin, jonka formaatti on sama kuin tutkittavan tiedoston.
  • 0 jos ei löytynyt sellaista peitetiedostoluokkaa, jolla olisi sama formaatti.
  Virheet:
  • Could not open file, jos tiedostoa ei voitu avata.
  • Unknown cover file format, jos ei löytynyt peitetiedostoluokkaa, jolla olisi sama formaatti.

4.2.3 Luokka Cover

Virheiden käsittely

Julkiset jäsenfunktiot käyttöliitymärajapinnalla:

• konstruktori. Ei ota mitään argumentteja eikä tee mitään ulospäin näkyvää.
• destruktori. Ei ota mitään argumentteja eikä tee mitään ulospäin näkyvää.
• error Palauttaa viimeisimmän suoritetun jäsenfunktion virheen, NoError jos virheetön suoritus.
• open. Yrittää avata ja lukea tiedoston muistiin käsittelyä varten.
  Argumentit:
  • Avattavan tiedoston nimi.
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • Could not open file.
  • Unknown cover file format.
  • Corrupted file.
  • Out of memory
• format. Tällä funktiolla saadaan tulostettavassa muodossa peitetiedostonluokan formaatin nimi, esim. PGM.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Peitetiedostonluokan formaatti.
  Virheet:
  • -
• selectors. Palauttaa listan niistä kätköbittien valintametodeista, joita ko. peitetiedostyyppiin voidaan soveltaa.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Lista kätköbittien valintametodeista. Listan ensimmäinen metodi on oletusarvoinen metodi.
  Virheet:
  • -
• encryptAlgorithms. Palauttaa listan niistä salausmetodeista, joita voidaan käyttää viestin salaamiseen (esim. DES, IDEA). Tämä funktio ja compressionAlgorithms ovat osa Cover-luokkaa, jotta rajapinta käyttöliittymään pysyisi yksinkertaisena.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Lista salausmetodeista. Listan ensimmäinen metodi on oletusarvoinen metodi.
  Virheet:
  • -
• compressionAlgorithms. Palauttaa listan niistä kompressiometodeista, joita voidaan käyttää viestin salaamiseen (esim. GZIP, ei kompressiota).
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Lista kompressiometodeista. Listan ensimmäinen metodi on oletusarvoinen metodi.
  Virheet:
  • -
• hide. Kätkee salaisen viestin peitetiedostoon.
  Argumentit:
  • Käyttäjän antama salainen viesti.
  • Käyttäjän antama salasana.
  • Haluttu salaisen viestin kompressiometodi. Jos ei tahdota kompressiota, voidaan antaa arvo none.
  • Haluttu salaisen viestin salausmetodi. Voidaan antaa myös arvo default, jolloin valitaan oletusarvoinen salausalgoritmi.
  • Haluttu kätköbittien valintametodi. Voidaan antaa myös arvo default, jolloin valitaan oletusarvoinen valintametodi.
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • No cover file open.
  • Out of memory.
  • Unsupported selector.
  • Unsupported compression algorithm
  • Unsupported encryption algorithm
  • Message too long
  Tarkempi toiminallinen kuvaus:
  1. Peitetiedoston pohjalta lasketaan avainmateriaali. Tämä tapahtuu syöttämällä SHA-algoritmille inputtina ensin käyttäjän antama salasana, sitten peitetiedoston ei kohinaiset bitit ja lopuksi vielä käyttäjän antama salasana uudelleen. SHA-algoritmin ulostulo on avainmateriaali.
  2. Kätköbittien valinta-algoritmi alustetaan.
  3. Kutsutaan MessageHider-luokan instanssia, joka suorittaa itse viestin esikäsittelyn ja kätkemisen (käyttäen apunaan tämän luokan funktiota writeNextBit).
  Huom! Jos kätkentä epäonnistuu, on peitetiedosto sen jälkeen tilassa, jossa voi olla kätkettynä vain osa viestiä eli tiedosto on siltä kannalta katsoen korruptoituneessa tilassa. Tallentamista save:lla ei suositella.
• extract. Purkaa salaisen viestin peitetiedostosta.
  Argumentit:
  • Käyttäjän antama salainen viesti.
  • Käyttäjän antama salasana.
  • Haluttu salaisen viestin salausmetodi. Voidaan antaa myös arvo default, jolloin valitaan oletusarvoinen salausalgoritmi.
  • Haluttu kätköbittien valintametodi. Voidaan antaa myös arvo default, jolloin valitaan oletusarvoinen valintametodi.
  Palauttaa:
  • Peitetiedostoon kätketty salainen viesti.
  Virheet:
  • No cover file open.
  • Out of memory.
  • Unsupported selector.
  • Unsupported compression algorithm.
  • Unsupported encryption algorithm.
  • No message hidden.
  • Corrupted message.
  Tarkempi toiminallinen kuvaus:
  1. Peitetiedoston pohjalta lasketaan avainmateriaali. Tämä tapahtuu syöttämällä SHA-algoritmille inputtina ensin käyttäjän antama salasana, sitten peitetiedoston ei kohinaiset bitit ja lopuksi vielä käyttäjän antama salasana uudelleen. SHA-algoritmin ulostulo on avainmateriaali.
  2. Kätköbittien valinta-algoritmi alustetaan.
  3. Kutsutaan MessageExtractorr-luokan instanssia, joka suorittaa itse viestin purkamisen (käyttäen apunaan tämän luokan funktiota readNextBit.
• save. Tallettaa peitetiedoston levylle.
  Argumentit:
  • Talletettavan tiedoston nimi.
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • No cover file open.
  • Could not open file.
• close. Sulkee peitetiedoston.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • -

Suojatut jäsenfunktiot viestien bittien kirjoittamiseen ja lukemiseen

• readNextBit. Lukee yhden bitin peitetiedostosta käyttäen valittua kätköbittien valinta-algoritmia.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Yhden bitin.
  Virheet:
  • Message too long.
  • No cover file open.
• writeNextBit. Kirjoittaa yhden bitin peitetiedostoon käyttäen valittua kätköbittien valinta-algoritmia.
  Argumentit:
  • kirjoitettava bitti.
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • Message too long.
  • No cover file open.

Funtio formaatin tunnistukseen

• isFormat. Tutkii onko annettu tiedosto samaa formaattia kuin peitetiedostoluokka.
  Argumentit:
  • Tiedoston nimi.
  Palauttaa:
  • Osoittimen sellaisen luokan uuteen instanssiin, jos tutkittavan tiedoston formaatti on sama.
  • 0 jos formaatti ei ollut sama.
  Virheet:
  • -

4.2.4 MessageHandler

Tämän ja tästä johdettujen luokkien MessageHider ja MessageExtractor tehtävänä on eristää viestiin kohdistuvat toimenpiteet (pakkaus, salaus ja otsikon lisäys) omiksi luokiksi, jottei jokaisen Cover-luokasta johdetun peitetiedostoluokan tarvitsisi implementoida niitä erikseen.

• error. Palauttaa viimeisimmän virheen.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Viimeinen tapahtunut virhe.
  Virheet:
  • -
• encryptAlgorithms. Palauttaa listan niistä salausmetodeista, joita voidaan käyttää viestin salaamiseen (esim. DES, IDEA).
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Lista salausmetodeista. Listan ensimmäinen metodi on oletusarvoinen metodi.
  Virheet:
  • -
• compressionAlgorithms. Palauttaa listan niistä kompressiometodeista, joita voidaan käyttää viestin salaamiseen (esim. GZIP, ei kompressiota).
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • Lista kompressiometodeista. Listan ensimmäinen metodi on oletusarvoinen metodi.
  Virheet:
  • -

4.2.5 MessageHider

Kantaluokan MessageHandler funktioiden lisäksi:

• hide.
  Argumentit:
  • Peitetiedostoluokan instanssi, johon kätkeminen tapahtuu (sen writeNextBit-funktion avulla).
  • Kätkettävä viesti.
  • Pakkausalgoritmi.
  • Salausalgoritmi.
  • Avainmateriaali.
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • Could not write message into cover.
  • Out of memory.
  • Unsupported compression algorithm.
  • Unsupported encryption algorithm.
  • Unsufficient key material.

4.2.6 MessageExtractor

Kantaluokan MessageHandler funktioiden lisäksi:

• extract.
  Argumentit:
  • Peitetiedostoluokan instanssi, johon kätkeminen tapahtuu (sen readNextBit-funktion avulla).
  • Salausalgoritmi.
  • Avainmateriaali.
  Palauttaa:
  • Peitetiedostoon kätketty viesti.
  Virheet:
  • Corrupted message.
  • No message hidden.
  • Out of memory.
  • Unsufficient key material.
  • Unsupported compression algorithm.
  • Unsupported encryption algorithm.

4.2.7 Kätköbittien valinta-algoritmit (Hiding bit selectors)

Pseudosatunnaiseen permutaatioon pohjautuva kätköbittien valinta-algoritmi SelectPRP:

• konstruktori. Alustaa luokan, ei tee mitään ulospäin näkyvää.
• init. Alustaa algoritmin kuvan dimensioilla. Asettaa lukupään bitin 0 kohdalle.
  Argumentit:
  • Kuvan leveys ja korkeus.
  • Avain.
  Palauttaa:
  • -
  Virheet:
  • -
• nextBit. Palauttaa nykyisen kätköbitin koordinaatit ja siirtää lukupäätä seuraavaan bittiin.
  Argumentit:
  • -
  Palauttaa:
  • 1 ja kätköbitin koordinaatit jos onnistunut kutsu.
  • 0 jos kaikki kätköbitit oli jo käyty läpi.
  Virheet:
  • -

4.3 Kryptografinen kirjastomoduli

Koska kryptografisen ja steganografisen kirjaston rajapinta on suoraan Crypto++ 2.1:n ulkoinen rajapinta tarvittavin osin ei sitä ole tässä erikseen määritelty.