Tik-76.115 Toiminnallinen määrittely

Stegano

Sisällysluettelo

1. Johdanto
2. Yleiskuvaus
3. Tiedot
3.1. Tietovuokaavio
3.2. Otsikko
4. Toiminnot
5. Ulkoiset liittymät
5.1 Unix -käyttöliittymä
5.2 Windows -käyttöliittymä
6. Muut ominaisuudet

Yhteenveto

1. Johdanto

Tämä dokumentti

Luvussa 2 "Yleiskuvaus" kuvataan lyhyesti järjestelmän käyttöympäristö ja yleiset rajoitteet.

Luvussa 3 "Tiedot" kuvataan järjestelmän käsittelemän tiedon kulkua ja tietosisältöä.

Luvussa 4 "Toiminnot" kuvataan kaikki käyttäjän valittavissa olevat toiminnot.

Luvussa 5 "Ulkoiset liittymät" kuvataan käyttöliittymät: Unix -käyttöliittymä ja Windows -käyttöliittymä

Luvussa 6 "Muut ominaisuudet" kuvataan ohjelmiston ei-toiminnallisia ominaisuuksia.

Käyttäjät

Tavoitteet

Lisäksi ohjelmakirjaston päälle rakennetaan unix- ja Windows käyttöliittymät, 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

2. Yleiskuvaus

Kuva 1: Projektin tarkoitus

3. Tiedot

3.1. Tietovuokaavio

Kuva 2: Kätkentävaiheen tietovuokaavio

Vuokaavio sanallisesti selitettynä:

1. Käyttäjän valitsema peitetiedosto (cover file) sisältää sekä kätkentäbittejä (cover bits) (kuva voidaan ajatella mittausdataksi, jolloin kätkentäbitit ovat mittausdatan vähiten merkitseviä bittejä) että muita ei-kätkentäbittejä (non-cover bits).
2. Ei-kätkentäbiteistä muodostetaan yhdessä käyttäjän antaman mielivaltaisen pitkän salasanan (passphrase) kanssa jollakin menetelmällä (esimerkiksi SHA-algoritmillä) avainmateriaalia (key material), josta muut kätkennässä käytettävät algoritmit saavat avaimensa.
3. Käyttäjän antama kätkettävä viesti (plain message) kompressoidaan niin haluttaessa ja siihen lisätään seuraavassa alikappaleessa määriteltävä otsikkokenttä, joka kertoo mm. viestin pituuden ja käytetyn kompressiomenetelmän.
4. Kompressoitu otsikollinen viesti salataan otsikoineen jollain symmetrisellä salausalgoritmillä (encrypt), jolloin saadaan piilotettava viestidata (message to hide).
5. Peitetiedoston kätkentäbiteistä (cover bits) valitaan (select hiding bits) valinta-algoritmilla (esim. pseudorandom permutation) ne bitit, joihin piilotettava viestidata sisällytetään (substitute).

3.2. Otsikko

Jotta salattu sanoma voidaan purkaa oikein peitetiedostosta, täytyy sanoman lisäksi kätkeä otsikko, joka sisältää sanomatiedoston nimen, käytetyn kompressio-algoritmin, käytetyn viestin pituuden ja tunnuksen algoritmille jolla sanoma on kätketty tiedostoon. Seuraavassa kuvassa on esitetty tämän otsikon rakenne ja kenttien pituudet.

Kuva 3: Kätketyn tiedon otsikko

Varsinaisen tiedostonimen loppuun lisätään null -merkki, joka ilmoittaa tiedostonimen ja koko otsikon päättymisen. Siten tiedostonimen pituus voi olla minimissään yksi (1) tavu (tällöin lukeminen tapahtuu esim. UNIX:ssa stdin:stä).

Otsikossa eniten merkitsevä tavu on kaikkein vasemmanpuoleisin ja vähiten merkitsevä tavu on kaikkein oikeanpuoleisin. Tavun eniten merkitsevä bitti on vasemmanpuoleisin ja vähiten merkitsevä bitti on oikeanpuoleisin.

Sanoman kätkemisnopeus riippuu hyvin paljon käytetyistä algoritmeista ja kuvaformaatista. Oletamme näiden algoritmien olevan tehokkaita. Vaatimukseksi tehokkuuden osalta projektissa tehtävälle ohjelmalle on asetettu, että ohjelma pyritään totettamaan mahdollisimman optimaalisesti. Siten sen ei tulisi heikentää käytettävien algoritmien toimintaa oleellisesti. Edellä oleva pätee myös kapasiteettivaatimuksille.

4. Toiminnot

• Pakkauksen/salauksen valinta

  Ennen tiedon piilottamista salaista tiedostoa on mahdollista esikäsitellä pakkaamalla ja/tai salaamalla sen. Kirjasto sisältää molempiin toimintoihin useita algoritmeja joista käyttäjä voi valita haluamansa.

• Satunnaislukugeneraattorin valinta

  Kätkemisalgoritmin tarvitsemien (pseudo)satunnaislukujen generoimiseen käytettävä algoritmi on myös käyttäjän valittavissa. Mikäli käyttäjä ei tätä valintaa tee, käyttää ohjelmisto automaattisesti oletusarvoksi valittua algoritmia.

• Kätkemisalgoritmin valinta

  Jokaiselle peitetiedosto-tyyppille on olemassa yksi tai useampi sopiva algoritmi tiedon kätkemiseksi peitetiedostoon. Algoritmi valitaan automaattisesti, mutta käyttäjä voi halutessaan valita käytettävän algoritmin. On kuitenkin otettava huomioon että kaikki algoritmit eivät sovi jokaiselle peitetiedosto-tyypille: ohjelma antaa varoituksen jos käyttäjä yrittää käyttää peitetiedostoon sopimatonta kätkemisalgoritmia.

Kätkemisen jälkeen ohjelma kertoo, kuinka suuri osa mahdollisista kätkentäbiteistä tuli käytettyä.

5. Ulkoiset liittymät

NAME
   stegano - hide messages to image files

SYNOPSIS

   stegano -[aN|dN] [-cNsNrN] [-w] [-h] -k "used key" cover_src [cover_dst] [message]

DESCRIPTION

COMMANDS

-aN Choose hiding algorithm. N is the name or the number of the used
    algorithm.

-dN Choose extracting algorithm. N is the name or the number of the
    used algorithm. Notice that the value of N should be same as used
    in hiding. 0 stands for all available algorithms and it should be
    used only if the hiding algorithm is not known.

-cN Choose compression algorithm. N is the name or the number of the
    used algorithm. This option is not used when extracting the message.

-sN Choose algorithm for encrypting the message before hiding. N is the
    name or the number of the used algorithm.

-rN Choose random number generator. N is the name or the number of the
    used algorithm.

-h  Online help.

-w  This option shows the pixels in the picture where the message
    would be hidden. When this option is used the message is not
    really hidden.

-k "key" The secret key which is used hiding/extracting the message in/from
    the cover file.

cover_src The name of the cover file where the message will be hidden.

cover_dst The name of the cover file which includes the hidden message.

message The name of the file that includes the message to be hidden. This
    can be also stdin (or cin).

DISCLAIMER

AUTHORS

KUVA 4: Welcome-ikkuna

Aloitusikkunassa paitsi tervehditään käyttäjää, myös ilmaistaan ohjelmien copyrightit ja mahdolliset käytön ja kopioinnin rajoitukset. Tästä ikkunasta käyttäjä valitsee haluaako hän piilottaa tietoa kuvaan (Hide-näppäin) vai purkaa viestin kuvasta (Extract-näppäin). Käyttäjä voi myös selata käyttöohjeita (Help) tai poistua ohjelmasta (Exit).
Jos käyttäjä valitsee viestin piilotuksen aukeaa seuraavan kuvan kaltainen ikkuna. Käyttäjän valitessa viestin purun aukeaa kuvan 9 kaltainen ikkuna.

KUVA 5: Peitetiedoston valinta

Viestin kätkemis-ikkuna koostuu korteista, joissa valitaan ohjelmalle tiedostot ja kätkemiseen tarvittavat algoritmit ja generaattorit, ja tietysti salainen avain. Korttien vieressä näkyy yhteenveto tehdyistä valinnoista. Korttien toteutus tehdään siten, että aina kun käyttäjä on tehnyt valinnan, seuraava kortti aukeaa automaattisesti. Käyttäjä voi kuitenkin halutessaan liikkua korttien välillä "Next"- ja "Previous"-näppäimillä tai vaihtoehtoisesti näpäyttämällä hiirellä kortin yläosaa.

Ensimmäisessä kortissa valitaan kuvatiedosto, johon viesti halutaan kätkeä. Tiedosto valitaan normaaliin Windows-tyyliin etsimällä haluttu tiedosto tiedostolistasta. Levyasema ja hakemisto valitaan vastaavasti valitsemalla listasta. Valinta tehdään kaksoinapauttamalla oikeaa vaihtoehtoa. Tiedoston nimi voidaan myös kirjoittaa sille varattuun tilaan kortin vasemmassa yläreunassa. Kun tiedosto on valittu ilmestyy ruutuu ikkuna, jossa näytetään juuri valittu kuvatiedoston kuva. Samalla aukeaa automaattisesti seuraava kortti:

KUVA 6: Viestin valinta

Tässä kortissa valitaan tiedosto, joka halutaan kätkeä kuvaan. Tiedoston valinta tapahtuu täsmälleen samalla tavalla kuin edellisessä kortissa. Tiedoston sijasta salattava viesti voidaan kirjoittaa kortin alalaidassa olevaan tilaan. Kun tiedosto on valittu tai viesti kirjoitettu aukeaa seuraava kortti:

KUVA 7: Kohdetiedoston valinta

Tässä kortissa annetaan tiedosto, johon viestin sisältävä kuva talletetaan. Kun tiedoston nimi on annettu aukeaa seuraava kortti:

KUVA 8: Optioiden valinta

Tässä kortissa valitaan viestin kätkemisessä käytettävät tiivistys- ja bittien valinta algoritmit sekä tarvittava satunnaislukugeneraattori. Tässä kortissa annetaan myös salainen avain.

Kun kaikki tiedostot ja optiot on annettu, suoritetaan varsinainen kätkeminen. Kun kätkeminen on tehty, avautuu alkuperaisen kuvan sisältävän ikkunan viereen ikkunat, joissa toisessa on kuva, johon viesti on kätketty, ja toisessa on korostettu pikselit, joihin viesti on kätketty. Näin voidaan tarkastella kuvien eroja ja algoritmien toimivuutta.

Kuvien lisäksi avautuu ikkuna, jossa annetaan tilastotietoa kätkemisestä. Samalla kysytään käyttäjältä hyväksyykö hän kätkemisen vai haluaako käyttäjä muuttaa joitakin optioita tai tiedostoja.

Seuraava ikkuna avautuu, jos käyttäjä oli welcome-ikkunassa valinnut viestin purkamisen kuvasta:

KUVA 9: Viestin purkaminen

Tässä ikkunassa annetaan normaaliin tyyliin tiedoston nimi, josta halutaan viestiä etsiä. Tiedoston nimen lisäksi valitaan kätkettäessä käytetyt algoritmit. "View"-näppäimestä voidaan katsoa valitun kuvatiedoston sisältöä.

Jos valitusta kuvatiedostosta löytyy viesti ja avain on oikea, aukeaa ikkuna, jossa löydetty viesti näytetään. Jos viestinä oli käytetty tiedostoa, käyttäjältä kysytään millä nimellä tiedosto talletetaan (oletusarvona on kätketyn tiedoston nimi). Jos viesti ei ollut tiedosto, vaan se oli syötetty näppäimistöltä, näytetään viesti ruudulla, ja käyttäjä voi sen myös tallettaa tiedostoon.

6. Muut ominaisuudet

• Ohjelmakirjaston modulaarisuus Uusien algoritmien ja peitetiedostoformaattien lisäyksen tulee olla helppoa.
• Ohjelmakirjastoon valittavien algoritmien tulee olla parhaan saatavissa olevan tiedon pohjalta mahdollisimman turvallisia. Algoritmien turvallisuuden arvioi projektin asiakas.
• Ohjelmakirjastossa käytetään hyväksi mahdollisimman paljon valmiita kryptografisia kirjastoja.
• Ohjelmakirjasto ja siten myös käyttöliittymällä varustetun ohjelmiston suorituskyky riippuu voimakkaasti valituista algoritmeista ja valmiista kryptografisista kirjastoista. Ohjelmiston turvallisuutta ei vaaranneta valitsemalla nopeampia mutta vähemmän turvallisia algoritmejä. Ohjelmistoon itse kirjoitettavan ohjelmakoodin ei tule ratkaisevasti huonontaa suorituskykyä.
• Ohjelmakoodin tulee olla hyvän ohjelmointitavan mukaan kirjoitettua ja hyvin kommentoitua itse kirjoitettavan koodin osalta. Tämä pätee erityisesti ohjelmakirjastoon.