Стереография без файлове: скриваме данни директно в секторите

Небольшо предисловие

Стеганография, ако някой не помни, е скриването на информация в определени контейнери. Например, в изображения (дискутирано тук и тук). Може да се скрие информация и в служебни таблици на файловата система (за това бе писано тук), и дори в служебни пакети на протокола TCP. За съжаление, всички тези методи имат един недостатък: за да се вмъкне информация незабележимо в контейнера, са нужни хитри алгоритми, които да отчитат особеностите на вътрешната конструкция на контейнера. Има и проблеми с устойчивостта на контейнера към манипулации: например, ако леко редактирате изображението, скритата информация може да бъде загубена.

Възможно ли е да се мине без хитри алгоритми и фини манипулации с данните, и в същото време да се осигури работоспособност на контейнера и приемливо ниво на безопасност на скритите данни? Предварително ще кажа – да, възможно е! И ще предложа дори малка утилита.

Кървави подробности на метода

Основната идея е проста, като удар с бухалка по челото: на диска има области, в които операционната система никога не записва (или записва в редки случаи). За да не се налага да търсим тези области с хитри алгоритми, ще се възползваме от излишността - т.е. ще дублираме многократно нашата скрита информация по всички сектори на диска. След това директно върху всичко това можем да създаваме необходимите дялове, да форматираме файлови системи, да записваме файлове и да инсталираме операционни системи - все пак част от секретните данни ще остане и може да бъде извлечена, а многократното дублиране ще ни помогне да съставим изходното цяло от парчета.

Предимството на този метод е очевидно: не зависим нито от формата на файловете, нито дори от типа на използваната файловата система.

Недостатъците също, мисля, са очевидни:

• Секретните данни могат да бъдат променени само чрез пълно презаписване на целия диск, последвано от възстановяване на видимото за потребителя съдържание. В този случай не може да се използва софтуер, който възстановява диска от образ, тъй като той ще възстанови и предишните секретни данни.
• Колкото повече е обемът на секретните данни, толкова по-голяма е вероятността да се загуби част от информацията.
• Извличането на данни от диска може да отнеме много време. От няколко минути до няколко дни (съвременните дискове са по-големи).

Сега да преминем към подробностите.

Ясно е, че ако просто разпилем секретните данни из целия диск, те ще бъдат прикрити само от неподготвения поглед. Ако погледнем с помощта на редактор на диска, данните ще излязат наяве. Затова е добре да криптираме данните, за да не се налагат. Ще криптираме по един прост, но вкусен начин: с algorithma aes256-cbc. Ключът за криптиране ще попитаме потребителя, нека измисли добро парола.

Следващият въпрос е как да различим "правилните" данни от повредените. Тук ще ни помогне контролна сума, но не просто каквато и да е, а SHA1. За git тя е достатъчно добра, значи, ще е подходяща и за нас. Решено: снабдяваме всеки запазен фрагмент информация с контролна сума и ако след декриптиране тя съвпада — значи декриптирането е успешно.

Също така задължително ще ни трябва номер на фрагмента и общата дължина на секретните данни. Номер на фрагмента — за проследяване на коя част вече сме декриптирали, а коя остава. Общата дължина ще ни е нужна при обработката на последния фрагмент, за да не пишем излишни данни (т.е. паддинг). И тъй като имаме заглавие, ще добавим името на секретния файл там. То ще бъде полезно след декриптиране, за да не гадаем как да го отворим.

Тестваме метода на практика

За тест ще вземем най-разпространеното носител — флашка. Намерих стара на 1 Гб, която е напълно подходяща за експерименти. Ако и на вас, както и на мен, ви дойде наум идеята да не се занимавате с физически носители, а да тествате с файл — образ на диск, веднага да кажа: няма да стане. При форматиране на такъв "диск" Linux създава файла отново и всички неизползвани сектори ще бъдат попълнени с нули.

Като машина с Linux, за съжаление, се наложи да използвам метеостанция на Raspberry Pi 3, която търсех на балкона. Паметта там не е много, затова няма да крием големи файлове. Ограничаваме се до максимален размер от 10 мегабайта. Прекалено малките файлове също няма смисъл да крием: утилитата записва данни на диска на кластери по 4 Кб. Следователно ще се ограничим до файл от 3 кб — той се побира в един такъв кластер.

Ще се подиграваме с флашката стъпково, проверявайки след всяка стъпка, дали скритата информация е четима:

1. Бързо форматиране в FAT16 формат с размер на клъстера 16 кб. Това е, което Windows 7 предлага да направи с флашка, на която липсва файлова система.
2. Запълване на флашката с всякакви боклуци на 50%.
3. Запълване на флашката с всякакви боклуци на 100%.
4. „Дълго“ форматиране в FAT16 формат (с презапис на всичко).

Първите два теста завършиха с пълна победа: утилитата успя да извлече 10 мегабайта секретни данни от флашката. Но след като флашката беше запълнена до краен предел с файлове, настъпи срив:

Общо прочетени клъстери: 250752, декриптирани: 158
ГРЕШКА: не може да запише непълния secretFile

Както виждаме, успяхме да декодираме само 158 клъстера (632 килобайта сурови данни, което дава 636424 байта полезно натоварване). Ясно е, че 10 мегабайта тук по никакъв начин не могат да се съберат, а сред тези клъстера явно има дубликати. Дори 1 мегабайт по този начин вече не може да се възстанови. Но затова пък можем да гарантираме, че 3 килобайта секретни данни ще възстановим от флашката дори след като бъде форматирана и запълнена до краен предел. Въпреки това, експериментите показват, че от такава флашка е напълно възможно да извлечем файл с дължина 120 килобайта.

Последният тест, за съжаление, показа, че флашката е презаписана напълно:

$ sudo ./steganodisk -p password /dev/sda
Размер на устройството: 250752 клъстера
250700 99%
Общо прочетени клъстери: 250752, декриптирани: 0
ГРЕШКА: не може да запише непълния secretFile


Никакви клъстери не останаха… Тъжно, но не трагично! Нека опитаме да създадем раздел на флашката преди форматирането, а в него — файлова система. Между другото, от завода тя е дошла именно с такова форматиране, така че не правим нищо подозрително.
Очаквано е, че наличното пространство на флашката малко е намаляло.

Също е напълно очаквано, че 10 мегабайта не успяхме да скрием на напълно запълнен диск. Но затова пък броят успешно декодирани клъстери се е увеличил повече от два пъти!

Общо прочетени клъстери: 250752, декодирани: 405

Мегабайтът, за съжаление, не може да се събере от парчета, но двеста килобайта — без проблем.

И новината за последния, 4-ти тест, този път радостна: пълното форматиране на такава флашка не доведе до унищожаване на цялата информация! 120 килобайта секретни данни прекрасно се побраха в неизползваното пространство.

Обобщена таблица по тестването:

Малко теоретизиране: за свободното място и неизползваните сектори.

Ако някога сте разделяли твърдия диск на раздели, може да сте забелязали, че не винаги е възможно да се задели всичкото свободно пространство на диска. Първият раздел винаги започва с определено отстъпление (обикновено 1 мегабайт или 2048 сектора). Зад последния раздел също понякога остава малък "опашка" от неизползвани сектори. И между разделите понякога остават интервали, макар и рядко.

С други думи, на диска има сектори, до които не се има достъп при нормална работа с диска, но данни могат да бъдат записани в тези сектори! А значи, и да бъдат прочетени също. С поправка на това, че има и таблица на разделите и код на зареждане, които са разположени в празната област в началото на диска.

Да се отклоним за малко от разделите и да погледнем на диска от височината, така да се каже, на птичия полет. Ето, имаме празен раздел на диска. Ще създадем файловата система в него. Можем ли да кажем, че някои сектори на диска остават незаписани?

И-и-и — барабанна дроб! Отговорът почти винаги ще бъде — да! Защото в повечето случаи създаването на файловата система се свежда до записването на само няколко блока служебна информация на диска, а в останалата част съдържанието на раздела не се променя.

А също така — чисто емпирично — може да се предположи, че файловата система не винаги може да заеме всичкото предоставено й пространство до последния сектор. Например, файловата система FAT16 с размер на кластера от 64 килобайта очевидно не може напълно да заеме раздел с размер, не кратен на 64 килобайта. В края на такъв раздел трябва да остане "опашка" от няколко сектора, недостъпна за съхранение на потребителски данни. Въпреки това, експериментално не успяхме да потвърдим това предположение.

И така, за да максимизирате мястото, достъпно за стеганограма, трябва да използвате файловата система с по-голям размер на кластера. Можете също така да създадете раздел, дори ако това не е задължително (например на флашка). Не е нужно да създавате празни раздели или да оставяте неразпределени области — това ще привлече вниманието на заинтересованите лица.

Утилита за експерименти

Изходните кодове на утилитата могат да бъдат прегледани тук.

За компилиране ще е необходима версия 5.0 и по-нова на Qt и OpenSSL. Ако нещо не се компилира — може да се наложи да коригирате файла steganodisk.pro.

Можете да промените размера на клъстера от 4 Кб на, да кажем, 512 байта (в secretfile.h). Разходите за служебна информация ще се увеличат: заглавието и контролна сума заемат фиксирани 68 байта.

Утилитата трябва да се стартира, разбира се, с права на потребителя root и с внимание. Няма да има никакви въпроси преди презаписването на посочения файл или устройство!

Наслаждавайте се.

Източник: habr.com