סטגנוגרפיה ב-GIF

מבוא

Приветствую.
לפני זמן לא רב, כשלמדתי באוניברסיטה, היו קורסים בדיסציפלינה "שיטות תוכנה לאבטחת מידע". המשימה חייבה אותנו ליצור תוכנית שמטביעה הודעה בקבצי GIF. החלטתי לעשות את זה בג'אווה.

במאמר זה אתאר כמה נקודות תיאורטיות, כמו גם כיצד נוצרה התוכנית הקטנה הזו.

חלק תיאורטי

פורמט GIF

GIF (Graphics Interchange Format - פורמט להחלפת תמונות) הוא פורמט לאחסון תמונות גרפיות, המסוגל לאחסן נתונים דחוסים ללא איבוד איכות בפורמט של עד 256 צבעים. פורמט זה פותח בשנת 1987 (GIF87a) על ידי CompuServe להעברת תמונות רסטר דרך רשתות. בשנת 1989 שונה הפורמט (GIF89a), נוספה תמיכה בשקיפות ובאנימציה.

לקבצי GIF יש מבנה בלוק. לבלוקים האלה יש תמיד אורך קבוע (או שזה תלוי בכמה דגלים), כך שכמעט בלתי אפשרי לטעות איפה כל בלוק ממוקם. המבנה של תמונת GIF ללא אנימציה הפשוטה ביותר בפורמט GIF89a:

מכל בלוקים של המבנה, במקרה זה נתעניין בבלוק הפלטה הגלובלי ובפרמטרים האחראים על הפלטה:

• CT - נוכחות של פלטה גלובלית. אם דגל זה מוגדר, הפלטה הגלובלית חייבת להתחיל מיד לאחר נקודת האחיזה הלוגית במסך.
• Size - גודל לוח ומספר הצבעים בתמונה. ערכים עבור פרמטר זה:

מידה
מספר צבעים
גודל פלטה, בתים

7
256
768

6
128
384

5
64
192

4
32
96

3
16
48

2
8
24

1
4
12

0
2
6

שיטות הצפנה

השיטות הבאות ישמשו להצפנת הודעות בקובצי תמונה:

• שיטת LSB (Last Significant Bit).
• שיטת הוספת פלטות

שיטת LSB - שיטה נפוצה של סטגנוגרפיה. זה מורכב מהחלפת הביטים המשמעותיים האחרונים במיכל (במקרה שלנו, בייטים של הפלטה הגלובלית) בסיביות של ההודעה הנסתרת.

התוכנית תשתמש בשני הביטים האחרונים בבייטים של הפלטה הגלובלית כחלק משיטה זו. המשמעות היא שלתמונה של 24 סיביות, שבה צבע הפלטה הוא שלושה בתים עבור אדום, כחול וירוק, לאחר הטמעת הודעה בתוכה, כל רכיב צבע ישתנה במקסימום של 3/255 הדרגות. שינוי כזה, ראשית, יהיה בלתי נראה או קשה להבחין בעין האנושית, ושנית, הוא לא יהיה גלוי בהתקני פלט מידע באיכות נמוכה.

כמות המידע תהיה תלויה ישירות בגודל פלטת התמונות. מכיוון שהגודל המרבי של הפלטה הוא 256 צבעים, ואם נכתבים שני סיביות של הודעה ברכיב של כל צבע, אז אורך ההודעה המקסימלי (עם הפלטה המקסימלית בתמונה) הוא 192 בתים. ברגע שההודעה מוטמעת בתמונה, גודל הקובץ לא משתנה.

שיטת הרחבת הצבעים, שעובד רק עבור מבנה GIF. זה יהיה הכי יעיל בתמונות עם פלטה קטנה. המהות שלו היא שהוא מגדיל את גודל הפלטה, ובכך מספק מקום נוסף לכתיבת הבתים הדרושים במקום בתים הצבעים. אם ניקח בחשבון שהגודל המינימלי של הפלטה הוא 2 צבעים (6 בתים), אז הגודל המרבי של ההודעה המוטבעת יכול להיות 256 × 3-6 = 762 בתים. החיסרון הוא אבטחה קריפטוגרפית נמוכה; ניתן לקרוא את ההודעה המוטבעת באמצעות כל עורך טקסט אם ההודעה לא עברה הצפנה נוספת.

חלק מעשי

עיצוב תוכנית

כל הכלים הדרושים להטמעת אלגוריתמי הצפנה ופענוח ייכללו בחבילה com.tsarik.steganography. חבילה זו כוללת את הממשק Encryptor עם שיטות encrypt и decrypt, מעמד Binary, המספק את היכולת לעבוד עם מערכי סיביות, כמו גם מחלקות חריגות UnableToEncryptException и UnableToDecryptException, שבו יש להשתמש בשיטות ממשק Encryptor במקרה של שגיאות קידוד ופענוח בהתאמה.

חבילת תוכנית ראשית com.tsarik.programs.gifed יכלול מחלקת תוכנית הניתנת להרצה עם שיטה סטטית main, המאפשר לך להפעיל את התוכנית; מחלקה המאחסנת פרמטרים של תוכנית; וחבילות עם כיתות אחרות.

יישום האלגוריתמים עצמם יוצג בחבילה com.tsarik.programs.gifed.gif שיעורים GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod. שתי המחלקות הללו יישמו את הממשק Encryptor.

בהתבסס על המבנה של פורמט GIF, אתה יכול ליצור אלגוריתם כללי להכנסת הודעה ללוח התמונות:

כדי לקבוע נוכחות של הודעה בתמונה, יש צורך להוסיף רצף מסוים של ביטים לתחילת ההודעה, אותם המפענח קורא תחילה ובודק את נכונותם. אם זה לא תואם, אז זה נחשב שאין הודעה נסתרת בתמונה. לאחר מכן עליך לציין את אורך ההודעה. ואז הטקסט של ההודעה עצמה.

תרשים כיתתי של היישום כולו:

יישום התוכנית

ניתן לחלק את יישום התוכנית כולה לשני מרכיבים: יישום הצפנת ממשק ושיטות פענוח Encryptor, בשיעורים GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod, והטמעת ממשק המשתמש.

קחו בחשבון את הכיתה GIFEncryptorByLSBMethod.

שדות firstLSBit и secondLSBit מכילים את מספר הביטים של כל בייט של התמונה שלתוכה יש להזין את ההודעה ומהיכן יש לקרוא את ההודעה. שדה checkSequence מאחסן רצף סיביות בדיקה כדי להבטיח זיהוי של ההודעה המוטבעת. שיטה סטטית getEncryptingFileParameters מחזירה את הפרמטרים של הקובץ שצוין ואת המאפיינים של ההודעה הפוטנציאלית.

אלגוריתם שיטה encrypt כיתה GIFEncryptorByLSBMethod:

והקוד שלו:

@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();
}

אלגוריתם וקוד מקור של השיטה decrypt כיתה 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);
}

יישום השיעור GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod יהיה דומה, רק שיטת השמירה/קריאת המידע שונה.

בכיתה MainFrame שיטות עטיפה מתוארות: encryptImage(Encryptor encryptor) и decryptImage(Encryptor encryptor), עיבוד התוצאות של שיטות ממשק Encryptor ואינטראקציה עם המשתמש, כלומר פתיחת דו-שיח לבחירת קבצים, הצגת הודעות שגיאה וכו'; כמו גם שיטות אחרות: openImage(), המאפשר למשתמש לבחור תמונה, exit(), אשר יוצא מהאפליקציה. שיטות אלו נקראות מ Actionפריטי התפריט התואמים של. מחלקה זו מיישמת בנוסף שיטות עזר: createComponents() - יצירת רכיבי טופס, loadImageFile(File f) - טעינת תמונה לרכיב מיוחד מקובץ. יישום השיעור GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod בדומה למימוש הכיתה GIFEncryptorByLSBMethod, ההבדל העיקרי הוא באופן הכתיבה והקריאה של בתים של הודעות מהלוח.

תפעול התוכנית

שיטת LBS

נניח שיש תמונה כזו:

בתמונה זו, הפלטה מורכבת מ-256 צבעים (כפי ש-Paint שומר). ארבעת הצבעים הראשונים הם: לבן, שחור, אדום, ירוק. צבעים אחרים הם שחור. רצף הסיביות הגלובלי של הצבעים יהיה כדלקמן:

11111111 11111111 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000...

לאחר הטמעת ההודעה, הסיביות המסומנות בקו תחתון יוחלפו בסיביות מההודעה. התמונה המתקבלת כמעט ואינה שונה מהמקור.

מקורי
תמונה עם הודעה מוטבעת

שיטת הרחבת הצבעים

כאשר אתה פותח תמונה המכילה הודעה בשיטה זו, תראה את התמונה הבאה:

ברור ששיטה זו לא תעבוד עבור פעילויות ריגול מן המניין, ועשויה לדרוש הצפנה נוספת של ההודעה.

הצפנה/פענוח בתמונות מונפשות עובד בדיוק כמו בתמונות סטטיות רגילות, אך האנימציה אינה שבורה.

מקורות בשימוש:

• http://ru.wikipedia.org/wiki/Gif
• http://ru.wikipedia.org/wiki/Стеганография
• http://home.onego.ru/~chiezo/gif.htm

הורדה:

• תכנית
• מקורות

מקור: www.habr.com