Bevezetés
Приветствую.
Nem is olyan régen, amikor az egyetemen tanultam, volt egy tanfolyam az „Információbiztonság szoftveres módszerei” tudományágból. A feladathoz olyan programot kellett létrehoznunk, amely üzenetet ágyaz be GIF-fájlokba. Úgy döntöttem, hogy Java-ban csinálom.
Ebben a cikkben leírok néhány elméleti pontot, valamint azt, hogyan készült ez a kis program.
Elméleti rész
GIF formátum
A GIF (Graphics Interchange Format – a képek cseréjének formátuma) egy grafikus képek tárolására szolgáló formátum, amely képes tömörített adatok tárolására minőségromlás nélkül, akár 256 szín formátumban. Ezt a formátumot 1987-ben (GIF87a) fejlesztette ki a CompuServe raszterképek hálózaton keresztüli továbbítására. 1989-ben módosították a formátumot (GIF89a), hozzáadták az átlátszóság és az animáció támogatását.
A GIF-fájlok blokkszerkezettel rendelkeznek. Ezek a blokkok mindig fix hosszúságúak (vagy ez néhány zászlótól függ), így szinte lehetetlen tévedni az egyes blokkok elhelyezkedését illetően. A legegyszerűbb, nem animált GIF-kép felépítése GIF89a formátumban:
A szerkezet összes blokkja közül ebben az esetben a globális palettablokk és a palettáért felelős paraméterek érdekelnek minket:
CT— globális paletta jelenléte. Ha ez a jelző be van állítva, a globális palettának közvetlenül a logikai képernyőfogó után kell kezdődnie.Size— paletta mérete és színek száma a képen. Ennek a paraméternek az értékei:
Méret
Színek száma
Paletta mérete, bájt
7
256
768
6
128
384
5
64
192
4
32
96
3
16
48
2
8
24
1
4
12
0
2
6
Titkosítási módszerek
A képfájlokban lévő üzenetek titkosításához a következő módszereket kell használni:
- LSB (Least Significant Bit) módszer
- Paletta hozzáadása módszer
LSB módszer - a szteganográfia elterjedt módszere. Ez abból áll, hogy a tároló utolsó jelentős bitjeit (esetünkben a globális paletta bájtjait) a rejtett üzenet bitjeire cseréljük.
A program a globális paletta bájtjainak utolsó két bitjét használja ennek a módszernek a részeként. Ez azt jelenti, hogy egy 24 bites képnél, ahol a színpaletta három bájt a piros, a kék és a zöld színénél, egy üzenet beágyazása után minden színösszetevő legfeljebb 3/255 gradációval változik. Egy ilyen változás egyrészt láthatatlan vagy nehezen észrevehető lesz az emberi szem számára, másrészt nem lesz látható a rossz minőségű információs kimeneti eszközökön.
Az információ mennyisége közvetlenül függ a képpaletta méretétől. Mivel a paletta maximális mérete 256 szín, és ha minden szín komponensébe két üzenetbitet írunk, akkor a maximális üzenethossz (a képen látható maximális palettával) 192 bájt. Ha az üzenet beágyazódik a képbe, a fájl mérete nem változik.
Paletta bővítési módszer, amely csak a GIF struktúrához működik. Kis palettával rendelkező képeken lesz a leghatékonyabb. Lényege, hogy megnöveli a paletta méretét, ezáltal további helyet biztosít a szükséges bájtok írására a színbájtok helyére. Ha figyelembe vesszük, hogy a paletta minimális mérete 2 szín (6 bájt), akkor a beágyazott üzenet maximális mérete 256 × 3–6 = 762 bájt lehet. Hátránya az alacsony kriptográfiai biztonság, a beágyazott üzenet bármely szövegszerkesztővel olvasható, ha az üzenetet nem tették alá további titkosításnak.
Gyakorlati rész
Programtervezés
A csomag tartalmazza a titkosítási és visszafejtési algoritmusok megvalósításához szükséges összes eszközt com.tsarik.steganography. Ez a csomag tartalmazza az interfészt Encryptor módszerekkel encrypt и decrypt, Osztály Binary, amely lehetővé teszi a bittömbök, valamint a kivételosztályok kezelését UnableToEncryptException и UnableToDecryptException, amelyet az interfész módszerekben kell használni Encryptor kódolási és dekódolási hibák esetén.
Fő programcsomag com.tsarik.programs.gifed tartalmazni fog egy statikus metódussal futtatható programosztályt main, amely lehetővé teszi a program futtatását; programparamétereket tároló osztály; és csomagok más osztályokkal.
Maguk az algoritmusok megvalósítása a csomagban lesz bemutatva com.tsarik.programs.gifed.gif osztályok GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod. Mindkét osztály megvalósítja az interfészt Encryptor.
A GIF formátum felépítése alapján létrehozhat egy általános algoritmust az üzenet képpalettára való beillesztéséhez:
Az üzenet képben való jelenlétének meghatározásához egy bizonyos bitsorozatot kell hozzáadni az üzenet elejéhez, amelyet a dekóder először beolvas, és ellenőrzi a helyességet. Ha nem egyezik, akkor a képen nincs rejtett üzenet. Ezután meg kell adnia az üzenet hosszát. Aztán maga az üzenet szövege.
A teljes alkalmazás osztálydiagramja:
A program megvalósítása
A teljes program megvalósítása két részre osztható: interfész titkosítási és visszafejtési módszerek megvalósítására Encryptor, az órákon GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod, valamint a felhasználói felület megvalósítása.
Vegye figyelembe az osztályt GIFEncryptorByLSBMethod.
mezők firstLSBit и secondLSBit tartalmazza a kép egyes bájtjainak azon bitszámát, amelybe az üzenetet be kell írni, és honnan kell olvasni az üzenetet. Terület checkSequence ellenőrző bitsorozatot tárol a beágyazott üzenet felismerésének biztosítása érdekében. Statikus módszer getEncryptingFileParameters visszaadja a megadott fájl paramétereit és a potenciális üzenet jellemzőit.
Módszer algoritmus encrypt класса GIFEncryptorByLSBMethod:
És a kódja:
@Override
public void encrypt(File in, File out, String text) throws UnableToEncodeException, NullPointerException, IOException {
if (in == null) {
throw new NullPointerException("Input file is null");
}
if (out == null) {
throw new NullPointerException("Output file is null");
}
if (text == null) {
throw new NullPointerException("Text is null");
}
// read bytes from input file
byte[] bytes = new byte[(int)in.length()];
InputStream is = new FileInputStream(in);
is.read(bytes);
is.close();
// check format
if (!(new String(bytes, 0, 6)).equals("GIF89a")) {
throw new UnableToEncodeException("Input file has wrong GIF format");
}
// read palette size property from first three bits in the 10-th byte from the file
byte[] b10 = Binary.toBitArray(bytes[10]);
byte bsize = Binary.toByte(new byte[] {b10[0], b10[1], b10[2]});
// calculate color count and possible message length
int bOrigColorCount = (int)Math.pow(2, bsize+1);
int possibleMessageLength = bOrigColorCount*3/4;
int possibleTextLength = possibleMessageLength-2;// one byte for check and one byte for message length
if (possibleTextLength < text.length()) {
throw new UnableToEncodeException("Text is too big");
}
int n = 13;
// write check sequence
for (int i = 0; i < checkSequence.length/2; i++) {
byte[] ba = Binary.toBitArray(bytes[n]);
ba[firstLSBit] = checkSequence[2*i];
ba[secondLSBit] = checkSequence[2*i+1];
bytes[n] = Binary.toByte(ba);
n++;
}
// write text length
byte[] cl = Binary.toBitArray((byte)text.length());
for (int i = 0; i < cl.length/2; i++) {
byte[] ba = Binary.toBitArray(bytes[n]);
ba[firstLSBit] = cl[2*i];
ba[secondLSBit] = cl[2*i+1];
bytes[n] = Binary.toByte(ba);
n++;
}
// write message
byte[] textBytes = text.getBytes();
for (int i = 0; i < textBytes.length; i++) {
byte[] c = Binary.toBitArray(textBytes[i]);
for (int ci = 0; ci < c.length/2; ci++) {
byte[] ba = Binary.toBitArray(bytes[n]);
ba[firstLSBit] = c[2*ci];
ba[secondLSBit] = c[2*ci+1];
bytes[n] = Binary.toByte(ba);
n++;
}
}
// write output file
OutputStream os = new FileOutputStream(out);
os.write(bytes);
os.close();
}
A módszer algoritmusa és forráskódja decrypt класса GIFEncryptorByLSBMethod:
@Override
public String decrypt(File in) throws UnableToDecodeException, NullPointerException, IOException {
if (in == null) {
throw new NullPointerException("Input file is null");
}
// read bytes from input file
byte[] bytes = new byte[(int)in.length()];
InputStream is = new FileInputStream(in);
is.read(bytes);
is.close();
// check format
if (!(new String(bytes, 0, 6)).equals("GIF89a")) {
throw new UnableToDecodeException("Input file has wrong GIF format");
}
// read palette size property from first three bits in the 10-th byte from the file
byte[] b10 = Binary.toBitArray(bytes[10]);
byte bsize = Binary.toByte(new byte[] {b10[0], b10[1], b10[2]});
// calculate color count and possible message length
int bOrigColorCount = (int)Math.pow(2, bsize+1);
int possibleMessageLength = bOrigColorCount*3/4;
int possibleTextLength = possibleMessageLength-2; // one byte for check and one byte for message length
int n = 13;
// read check sequence
byte[] csBits = new byte[checkSequence.length];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
byte[] ba = Binary.toBitArray(bytes[n]);
csBits[2*i] = ba[firstLSBit];
csBits[2*i+1] = ba[secondLSBit];
n++;
}
byte cs = Binary.toByte(csBits);
if (cs != Binary.toByte(checkSequence)) {
throw new UnableToDecodeException("There is no encrypted message in the image (Check sequence is incorrect)");
}
// read text length
byte[] cl = new byte[8];
for (int i = 0; i < 4; i++) {
byte[] ba = Binary.toBitArray(bytes[n]);
cl[2*i] = ba[firstLSBit];
cl[2*i+1] = ba[secondLSBit];
n++;
}
byte textLength = Binary.toByte(cl);
if (textLength < 0) {
throw new UnableToDecodeException("Decoded text length is less than 0");
}
if (possibleTextLength < textLength) {
throw new UnableToDecodeException("There is no messages (Decoded message length (" + textLength + ") is less than Possible message length (" + possibleTextLength + "))");
}
// read text bits and make text bytes
byte[] bt = new byte[textLength];
for (int i = 0; i < bt.length; i++) {
byte[] bc = new byte[8];
for (int bci = 0; bci < bc.length/2; bci++) {
byte[] ba = Binary.toBitArray(bytes[n]);
bc[2*bci] = ba[firstLSBit];
bc[2*bci+1] = ba[secondLSBit];
n++;
}
bt[i] = Binary.toByte(bc);
}
return new String(bt);
}
Az osztály megvalósítása GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod hasonló lesz, csak az információ mentésének/olvasásának módja különbözik.
Osztályban MainFrame A csomagolási módszerek leírása: encryptImage(Encryptor encryptor) и decryptImage(Encryptor encryptor), interfész módszerek eredményeinek feldolgozása Encryptor és interakció a felhasználóval, azaz fájlkiválasztó párbeszédablak megnyitása, hibaüzenetek megjelenítése stb.; valamint egyéb módszerek: openImage()lehetővé teszi a felhasználó számára egy kép kiválasztását, exit(), amely kilép az alkalmazásból. Ezeket a módszereket innen hívják Actiona megfelelő menüpontokat. Ez az osztály emellett kiegészítő metódusokat valósít meg: createComponents() - formaelemek létrehozása, loadImageFile(File f) — kép betöltése egy fájlból egy speciális komponensbe. Az osztály megvalósítása GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod hasonló az osztály megvalósításához GIFEncryptorByLSBMethod, a fő különbség az üzenet bájtok írási és olvasási módja a palettáról.
A program működése
LBS módszer
Tegyük fel, hogy van egy ilyen kép:
Ezen a képen a paletta 256 színből áll (amint a Paint menti). Az első négy szín: fehér, fekete, piros, zöld. A többi szín fekete. A globális paletta bitsorrendje a következő lesz:
11111111 11111111 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000...
Az üzenet beágyazása után az aláhúzott bitek az üzenet bitjére cserélődnek. A kapott kép szinte semmiben sem különbözik az eredetitől.
Eredeti
Kép beágyazott üzenettel
Paletta bővítési módszer
Amikor ezzel a módszerrel megnyit egy üzenetet tartalmazó képet, a következő kép jelenik meg:
Nyilvánvaló, hogy ez a módszer nem működik teljes értékű kémtevékenység esetén, és további titkosítást igényelhet az üzenetben.
Az animált képek titkosítása/visszafejtése ugyanúgy működik, mint a normál statikus képeknél, de az animáció nem szakad meg.
Felhasznált források:
letöltés:
Forrás: will.com