GIF의 스테가노그래피

소개

에 오신 것을 환영합니다.
얼마 전 제가 대학에서 공부할 때 "정보 보안의 소프트웨어 방법"이라는 분야의 교과 과정이 있었습니다. 과제를 수행하려면 GIF 파일에 메시지를 삽입하는 프로그램을 만들어야 했습니다. 나는 자바로 하기로 결정했다.

이 기사에서는 몇 가지 이론적 요점과 이 작은 프로그램이 어떻게 만들어졌는지 설명할 것입니다.

이론적인 부분

GIF 형식

GIF(Graphics Interchange Format - 이미지 교환 형식)는 그래픽 이미지를 저장하는 형식으로, 최대 256색 형식으로 압축된 데이터를 품질 저하 없이 저장할 수 있습니다. 이 형식은 네트워크를 통해 래스터 이미지를 전송하기 위해 CompuServe가 1987년(GIF87a)에 개발했습니다. 1989년에는 형식이 수정되었고(GIF89a) 투명도 및 애니메이션에 대한 지원이 추가되었습니다.

GIF 파일은 블록 구조를 가지고 있습니다. 이러한 블록은 항상 고정된 길이를 가지므로(또는 일부 플래그에 따라 다름) 각 블록의 위치를 ​​실수하는 것은 거의 불가능합니다. GIF89a 형식의 가장 단순한 비애니메이션 GIF 이미지의 구조:

구조의 모든 블록 중에서 이 경우 우리는 전역 팔레트 블록과 팔레트를 담당하는 매개변수에 관심이 있습니다.

• CT — 글로벌 팔레트의 존재. 이 플래그가 설정되면 전역 팔레트는 논리 화면 핸들 바로 뒤에서 시작되어야 합니다.
• Size — 그림의 팔레트 크기 및 색상 수. 이 매개변수의 값:

크기
색상 수
팔레트 크기, 바이트

7
256
768

6
128
384

5
64
192

4
32
96

3
16
48

2
8
24

1
4
12

0
2
6

암호화 방법

이미지 파일의 메시지를 암호화하는 데는 다음 방법이 사용됩니다.

• LSB(최하위 비트) 방식
• 팔레트 추가 방법

LSB 방식 - 스테가노그래피의 일반적인 방법. 이는 컨테이너의 마지막 중요한 비트(우리의 경우 전역 팔레트 바이트)를 숨겨진 메시지의 비트로 바꾸는 것으로 구성됩니다.

프로그램은 이 방법의 일부로 전역 팔레트 바이트의 마지막 두 비트를 사용합니다. 이는 색상 팔레트가 빨간색, 파란색, 녹색의 24바이트인 3비트 이미지의 경우 메시지를 삽입한 후 각 색상 구성 요소가 최대 255/XNUMX 그라데이션만큼 변경된다는 의미입니다. 이러한 변화는 첫째, 인간의 눈에 보이지 않거나 알아차리기 어려울 것이며, 둘째, 품질이 낮은 정보 출력 장치에서는 보이지 않을 것입니다.

정보의 양은 이미지 팔레트의 크기에 따라 직접적으로 달라집니다. 팔레트의 최대 크기는 256색이고 두 개의 메시지 비트가 각 색상의 구성 요소에 기록되면 최대 메시지 길이(이미지의 최대 팔레트 포함)는 192바이트입니다. 메시지가 이미지에 삽입되면 파일 크기는 변경되지 않습니다.

팔레트 확장 방법, 이는 GIF 구조에서만 작동합니다. 팔레트가 작은 이미지에 가장 효과적입니다. 그 본질은 팔레트의 크기를 늘려 컬러 바이트 대신 필요한 바이트를 쓸 수 있는 추가 공간을 제공한다는 것입니다. 팔레트의 최소 크기가 2가지 색상(6바이트)이라고 가정하면 포함된 메시지의 최대 크기는 256 × 3–6 = 762바이트가 될 수 있습니다. 단점은 암호화 보안이 낮다는 것입니다. 메시지에 추가 암호화가 적용되지 않은 경우 텍스트 편집기를 사용하여 포함된 메시지를 읽을 수 있습니다.

실용적인 부분

프로그램 설계

암호화 및 암호 해독 알고리즘을 구현하는 데 필요한 모든 도구가 패키지에 포함됩니다. com.tsarik.steganography. 이 패키지에는 인터페이스가 포함되어 있습니다. Encryptor 방법으로 encrypt и decrypt, 수업 Binary, 비트 배열 및 예외 클래스로 작업할 수 있는 기능을 제공합니다. UnableToEncryptException и UnableToDecryptException, 인터페이스 메소드에 사용해야 함 Encryptor 인코딩 및 디코딩 오류가 각각 발생한 경우.

주요 프로그램 패키지 com.tsarik.programs.gifed 정적 메서드가 있는 실행 가능한 프로그램 클래스가 포함됩니다. main, 프로그램을 실행할 수 있습니다. 프로그램 매개변수를 저장하는 클래스; 다른 클래스와 패키지.

알고리즘 자체의 구현은 패키지에 표시됩니다. com.tsarik.programs.gifed.gif 클래스 GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod. 이 두 클래스 모두 인터페이스를 구현합니다. Encryptor.

GIF 형식의 구조를 기반으로 이미지 팔레트에 메시지를 삽입하기 위한 일반 알고리즘을 만들 수 있습니다.

이미지에 메시지가 있는지 확인하려면 메시지 시작 부분에 특정 비트 시퀀스를 추가해야 합니다. 그러면 디코더가 먼저 이를 읽고 정확성을 확인합니다. 일치하지 않으면 이미지에 숨겨진 메시지가 없는 것으로 간주됩니다. 다음으로 메시지 길이를 지정해야 합니다. 그런 다음 메시지 자체의 텍스트입니다.

전체 애플리케이션의 클래스 다이어그램:

프로그램 구현

전체 프로그램의 구현은 인터페이스 암호화 구현과 암호 해독 방법의 두 가지 구성 요소로 나눌 수 있습니다. Encryptor, 수업 중 GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod, 사용자 인터페이스 구현.

수업을 고려해보세요 GIFEncryptorByLSBMethod.

분야 firstLSBit и secondLSBit 메시지가 입력되어야 하고 메시지를 읽어야 하는 이미지의 각 바이트의 비트 수를 포함합니다. 필드 checkSequence 포함된 메시지의 인식을 보장하기 위해 검사 비트 시퀀스를 저장합니다. 정적 방법 getEncryptingFileParameters 지정된 파일의 매개변수와 잠재적인 메시지의 특성을 반환합니다.

방법 알고리즘 encrypt 클래스 GIFEncryptorByLSBMethod:

그의 코드는 다음과 같습니다.

@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();
}

메소드의 알고리즘 및 소스 코드 decrypt 클래스 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);
}

클래스 구현 GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod 비슷할 뿐 정보를 저장/읽는 방법만 다릅니다.

클래스 MainFrame 래퍼 메서드는 다음과 같이 설명됩니다. encryptImage(Encryptor encryptor) и decryptImage(Encryptor encryptor), 인터페이스 메소드의 결과 처리 Encryptor 사용자와의 상호 작용(예: 파일 선택 대화 상자 열기, 오류 메시지 표시 등) 뿐만 아니라 다른 방법들: openImage(), 사용자가 이미지를 선택할 수 있도록 허용, exit(), 응용프로그램을 종료합니다. 이러한 메서드는 다음에서 호출됩니다. Action의 해당 메뉴 항목입니다. 이 클래스는 추가로 보조 메서드를 구현합니다. createComponents() - 양식 구성 요소 생성, loadImageFile(File f) — 파일에서 특수 구성 요소로 이미지를 로드합니다. 클래스 구현 GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod 클래스 구현과 유사 GIFEncryptorByLSBMethod, 주요 차이점은 팔레트에서 메시지 바이트를 쓰고 읽는 방식에 있습니다.

프로그램 운영

LBS방식

다음과 같은 이미지가 있다고 가정해 보겠습니다.

이 이미지에서 팔레트는 256가지 색상으로 구성됩니다(그림판 저장). 처음 네 가지 색상은 흰색, 검정색, 빨간색, 녹색입니다. 다른 색상은 검정색입니다. 전역 팔레트 비트 시퀀스는 다음과 같습니다.

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

메시지가 포함되면 밑줄이 그어진 비트가 메시지의 비트로 대체됩니다. 결과 이미지는 원본과 거의 다르지 않습니다.

독창적 인
메시지가 포함된 이미지

팔레트 확장 방법

이 방법을 사용하여 메시지가 포함된 이미지를 열면 다음 그림이 표시됩니다.

이 방법은 본격적인 스파이 활동에는 작동하지 않으며 메시지에 대한 추가 암호화가 필요할 수 있다는 것은 분명합니다.

애니메이션 이미지의 암호화/암호 해독은 일반 정적 이미지와 동일하게 작동하지만 애니메이션이 손상되지 않습니다.

사용된 소스:

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

다운로드 :

• 프로그램
• 출처

출처 : habr.com