სტეგანოგრაფია GIF-ში

შესავალი

სალამი.
არც ისე დიდი ხნის წინ, როდესაც უნივერსიტეტში ვსწავლობდი, იყო კურსი დისციპლინაში "ინფორმაციული უსაფრთხოების პროგრამული მეთოდები". დავალება მოგვითხოვდა შეგვექმნა პროგრამა, რომელიც გზავნის GIF ფაილებში ჩადებს. გადავწყვიტე ამის გაკეთება ჯავაში.

ამ სტატიაში მე აღვწერ რამდენიმე თეორიულ პუნქტს, ასევე როგორ შეიქმნა ეს პატარა პროგრამა.

თეორიული ნაწილი

GIF ფორმატი

GIF (Graphics Interchange Format - გამოსახულების გაცვლის ფორმატი) არის გრაფიკული სურათების შესანახი ფორმატი, რომელსაც შეუძლია შეინახოს შეკუმშული მონაცემები ხარისხის დაკარგვის გარეშე 256 ფერამდე ფორმატში. ეს ფორმატი შეიქმნა 1987 წელს (GIF87a) CompuServe-ის მიერ ქსელებში რასტრული სურათების გადასაცემად. 1989 წელს ფორმატი შეიცვალა (GIF89a), დაემატა გამჭვირვალობისა და ანიმაციის მხარდაჭერა.

GIF ფაილებს აქვთ ბლოკის სტრუქტურა. ამ ბლოკებს ყოველთვის აქვთ ფიქსირებული სიგრძე (ან ეს დამოკიდებულია ზოგიერთ დროშაზე), ამიტომ თითქმის შეუძლებელია შეცდომის დაშვება იმის შესახებ, თუ სად მდებარეობს თითოეული ბლოკი. უმარტივესი არაანიმაციური GIF სურათის სტრუქტურა GIF89a ფორმატში:

სტრუქტურის ყველა ბლოკიდან, ამ შემთხვევაში ჩვენ დავინტერესდებით გლობალური პალიტრის ბლოკით და პალიტრაზე პასუხისმგებელი პარამეტრებით:

• CT - გლობალური პალიტრის არსებობა. თუ ეს დროშა დაყენებულია, გლობალური პალიტრა უნდა დაიწყოს დაუყოვნებლივ ლოგიკური ეკრანის სახელურის შემდეგ.
• Size - პალიტრის ზომა და ფერების რაოდენობა სურათზე. მნიშვნელობები ამ პარამეტრისთვის:

ზომა
ფერების რაოდენობა
პალიტრის ზომა, ბაიტი

7
256
768

6
128
384

5
64
192

4
32
96

3
16
48

2
8
24

1
4
12

0
2
6

დაშიფვრის მეთოდები

გამოსახულების ფაილებში შეტყობინებების დაშიფვრისთვის გამოყენებული იქნება შემდეგი მეთოდები:

• LSB (ნაკლებად მნიშვნელოვანი ბიტი) მეთოდი
• პალიტრის დამატების მეთოდი

LSB მეთოდი - სტეგანოგრაფიის გავრცელებული მეთოდი. იგი შედგება კონტეინერის ბოლო მნიშვნელოვანი ბიტების ჩანაცვლებისგან (ჩვენს შემთხვევაში, გლობალური პალიტრის ბაიტები) ფარული შეტყობინების ბიტით.

პროგრამა გამოიყენებს ბოლო ორ ბიტს გლობალური პალიტრის ბაიტებში, როგორც ამ მეთოდის ნაწილი. ეს ნიშნავს, რომ 24-ბიტიანი სურათისთვის, სადაც ფერების პალიტრა არის სამი ბაიტი წითელი, ლურჯი და მწვანე, მასში შეტყობინების ჩასმის შემდეგ, თითოეული ფერის კომპონენტი შეიცვლება მაქსიმუმ 3/255 გრადაციის მიხედვით. ასეთი ცვლილება, ჯერ ერთი, იქნება უხილავი ან ძნელად შესამჩნევი ადამიანის თვალისთვის და მეორეც, არ იქნება ხილული დაბალი ხარისხის ინფორმაციის გამომავალ მოწყობილობებზე.

ინფორმაციის რაოდენობა პირდაპირ იქნება დამოკიდებული სურათის პალიტრის ზომაზე. ვინაიდან პალიტრის მაქსიმალური ზომაა 256 ფერი და თუ თითოეული ფერის კომპონენტში ჩაწერილია შეტყობინების ორი ბიტი, მაშინ შეტყობინების მაქსიმალური სიგრძე (სურათზე მაქსიმალური პალიტრით) არის 192 ბაიტი. მას შემდეგ, რაც შეტყობინება ჩასმულია სურათში, ფაილის ზომა არ იცვლება.

პალიტრის გაფართოების მეთოდი, რომელიც მუშაობს მხოლოდ GIF სტრუქტურისთვის. ის ყველაზე ეფექტური იქნება მცირე პალიტრის მქონე სურათებზე. მისი არსი იმაში მდგომარეობს, რომ ის ზრდის პალიტრის ზომას, რითაც უზრუნველყოფს დამატებით ადგილს ფერადი ბაიტების ნაცვლად საჭირო ბაიტების ჩასაწერად. თუ გავითვალისწინებთ, რომ პალიტრის მინიმალური ზომაა 2 ფერი (6 ბაიტი), მაშინ ჩაშენებული შეტყობინების მაქსიმალური ზომა შეიძლება იყოს 256 × 3–6 = 762 ბაიტი. მინუსი არის დაბალი კრიპტოგრაფიული უსაფრთხოება; ჩაშენებული შეტყობინების წაკითხვა შესაძლებელია ნებისმიერი ტექსტური რედაქტორის გამოყენებით, თუ შეტყობინება არ დაექვემდებარა დამატებით დაშიფვრას.

პრაქტიკული ნაწილი

პროგრამის დიზაინი

დაშიფვრისა და გაშიფვრის ალგორითმების განსახორციელებლად ყველა საჭირო ინსტრუმენტი შედის პაკეტში com.tsarik.steganography. ეს პაკეტი მოიცავს ინტერფეისს Encryptor მეთოდებით encrypt и decrypt, Კლასი Binary, რომელიც იძლევა ბიტის მასივებთან მუშაობის შესაძლებლობას, ასევე გამონაკლის კლასებს UnableToEncryptException и UnableToDecryptException, რომელიც უნდა იქნას გამოყენებული ინტერფეისის მეთოდებში Encryptor შესაბამისად კოდირების და დეკოდირების შეცდომების შემთხვევაში.

ძირითადი პროგრამის პაკეტი com.tsarik.programs.gifed მოიცავს გაშვებად პროგრამის კლასს სტატიკური მეთოდით main, საშუალებას გაძლევთ გაუშვათ პროგრამა; კლასი, რომელიც ინახავს პროგრამის პარამეტრებს; და პაკეტები სხვა კლასებთან.

თავად ალგორითმების განხორციელება წარმოდგენილი იქნება პაკეტში com.tsarik.programs.gifed.gif კლასები GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod. ორივე ეს კლასი განახორციელებს ინტერფეისს Encryptor.

GIF ფორმატის სტრუქტურიდან გამომდინარე, შეგიძლიათ შექმნათ ზოგადი ალგორითმი სურათის პალიტრაში შეტყობინების შესატანად:

გამოსახულებაზე შეტყობინების არსებობის დასადგენად, საჭიროა შეტყობინების დასაწყისში დაემატოს ბიტების გარკვეული თანმიმდევრობა, რომელსაც დეკოდერი ჯერ კითხულობს და ამოწმებს სისწორეს. თუ ის არ ემთხვევა, მაშინ ითვლება, რომ სურათზე ფარული შეტყობინება არ არის. შემდეგი, თქვენ უნდა მიუთითოთ შეტყობინების ხანგრძლივობა. შემდეგ თავად შეტყობინების ტექსტი.

მთელი განაცხადის კლასის დიაგრამა:

პროგრამის განხორციელება

მთელი პროგრამის განხორციელება შეიძლება დაიყოს ორ კომპონენტად: ინტერფეისის დაშიფვრის და გაშიფვრის მეთოდების განხორციელება Encryptor, კლასებში GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethodდა მომხმარებლის ინტერფეისის დანერგვა.

განიხილეთ კლასი GIFEncryptorByLSBMethod.

სფეროში firstLSBit и secondLSBit შეიცავდეს გამოსახულების თითოეული ბაიტის ბიტების რაოდენობას, რომელშიც უნდა შეიტანოს შეტყობინება და საიდანაც უნდა წაიკითხოს შეტყობინება. ველი checkSequence ინახავს შემოწმების ბიტების თანმიმდევრობას, რათა უზრუნველყოს ჩაშენებული შეტყობინების ამოცნობა. სტატიკური მეთოდი getEncryptingFileParameters აბრუნებს მითითებული ფაილის პარამეტრებს და პოტენციური შეტყობინების მახასიათებლებს.

მეთოდის ალგორითმი encrypt კლასი GIFEncryptorByLSBMethod:

და მისი კოდი:

@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();
}

მეთოდის ალგორითმი და წყაროს კოდი decrypt კლასი 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);
}

კლასის განხორციელება GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod მსგავსი იქნება, მხოლოდ ინფორმაციის შენახვის/წაკითხვის მეთოდია განსხვავებული.

Კლასში MainFrame შეფუთვის მეთოდები აღწერილია: encryptImage(Encryptor encryptor) и decryptImage(Encryptor encryptor)ინტერფეისის მეთოდების შედეგების დამუშავება Encryptor და მომხმარებელთან ინტერაქცია, ანუ ფაილის შერჩევის დიალოგის გახსნა, შეცდომის შეტყობინებების ჩვენება და ა.შ.; ისევე როგორც სხვა მეთოდები: openImage(), რომელიც საშუალებას აძლევს მომხმარებელს აირჩიოს სურათი, exit(), რომელიც გამოდის აპლიკაციიდან. ამ მეთოდებს ეძახიან Actionმენიუს შესაბამისი ელემენტები. ეს კლასი დამატებით ახორციელებს დამხმარე მეთოდებს: createComponents() - ფორმის კომპონენტების შექმნა, loadImageFile(File f) - სურათის ჩატვირთვა ფაილიდან სპეციალურ კომპონენტში. კლასის განხორციელება GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod კლასის განხორციელების მსგავსი GIFEncryptorByLSBMethod, მთავარი განსხვავება მდგომარეობს იმაში, თუ როგორ იწერება და იკითხება პალიტრიდან შეტყობინება ბაიტი.

პროგრამის ოპერაცია

LBS მეთოდი

ვთქვათ, არის ასეთი სურათი:

ამ სურათზე პალიტრა შედგება 256 ფერისგან (როგორც Paint ინახავს). პირველი ოთხი ფერია: თეთრი, შავი, წითელი, მწვანე. სხვა ფერები შავია. გლობალური პალიტრის ბიტების თანმიმდევრობა იქნება შემდეგი:

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

შეტყობინების ჩაშენების შემდეგ, ხაზგასმული ბიტები შეიცვლება შეტყობინების ბიტით. შედეგად მიღებული სურათი თითქმის არ განსხვავდება ორიგინალისგან.

Original
სურათი ჩაშენებული შეტყობინებით

პალიტრის გაფართოების მეთოდი

როდესაც ამ მეთოდით ხსნით სურათს, რომელიც შეიცავს შეტყობინებას, ნახავთ შემდეგ სურათს:

ნათელია, რომ ეს მეთოდი არ იმუშავებს სრულფასოვანი ჯაშუშური საქმიანობისთვის და შესაძლოა საჭირო გახდეს შეტყობინების დამატებითი დაშიფვრა.

დაშიფვრა/გაშიფვრა ანიმაციურ სურათებში მუშაობს ისევე, როგორც ჩვეულებრივ სტატიკურ სურათებში, მაგრამ ანიმაცია არ არის გატეხილი.

გამოყენებული წყაროები:

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

ჩამოტვირთვა:

• პროგრამა
• წყაროები

წყარო: www.habr.com