Стеганографија во GIF

Вовед

Честитки.
Не толку одамна, кога студирав на универзитетот, имаше предмет во дисциплината „Софтверски методи за безбедност на информациите“. Задачата бараше од нас да создадеме програма која вградува порака во GIF-датотеките. Решив да го направам тоа во Јава.

Во оваа статија ќе опишам некои теоретски точки, како и како е создадена оваа мала програма.

Теоретски дел

GIF формат

GIF (Graphics Interchange Format - формат за размена на слики) е формат за складирање на графички слики, способен за складирање на компресирани податоци без губење на квалитетот во формат до 256 бои. Овој формат беше развиен во 1987 година (GIF87a) од CompuServe за пренос на растерски слики преку мрежи. Во 1989 година, форматот беше изменет (GIF89a), додадена е поддршка за транспарентност и анимација.

GIF-датотеките имаат блок структура. Овие блокови секогаш имаат фиксна должина (или зависи од некои знаменца), така што е речиси невозможно да се направи грешка околу тоа каде се наоѓа секој блок. Структурата на наједноставната неанимирана GIF слика во формат GIF89a:

Од сите блокови на структурата, во овој случај ќе нè интересира блокот на глобалната палета и параметрите одговорни за палетата:

• CT — присуство на глобална палета. Ако ова знаме е поставено, глобалната палета мора да започне веднаш по логичката рачка на екранот.
• Size — големината на палетата и бројот на бои на сликата. Вредности за овој параметар:

големина
Број на бои
Големина на палетата, бајти

7
256
768

6
128
384

5
64
192

4
32
96

3
16
48

2
8
24

1
4
12

0
2
6

Методи за шифрирање

Следниве методи ќе се користат за шифрирање пораки во датотеки со слики:

• LSB (најмалку значаен бит) метод
• Метод на додавање палета

LSB метод - заеднички метод на стеганографија. Се состои од замена на последните значајни битови во контејнерот (во нашиот случај, бајтите на глобалната палета) со битови од скриената порака.

Програмата ќе ги користи последните два бита во бајтите на глобалната палета како дел од овој метод. Ова значи дека за 24-битна слика, каде што палетата на бои е три бајти за црвена, сина и зелена, по вметнување порака во неа, секоја компонента на боја ќе се промени за максимум 3/255 градации. Таквата промена, прво, ќе биде невидлива или тешко забележлива за човечкото око, а второ, нема да биде видлива на уредите за излез на информации со низок квалитет.

Количината на информации директно ќе зависи од големината на палетата на слики. Бидејќи максималната големина на палетата е 256 бои, и ако два бита за пораки се запишани во компонентата на секоја боја, тогаш максималната должина на пораката (со максималната палета на сликата) е 192 бајти. Откако пораката е вградена во сликата, големината на датотеката не се менува.

Метод на проширување на палетата, кој работи само за структурата GIF. Ќе биде најефективно на слики со мала палета. Нејзината суштина е во тоа што ја зголемува големината на палетата, а со тоа обезбедува дополнителен простор за пишување на потребните бајти на местото на бајтите во боја. Ако земеме предвид дека минималната големина на палетата е 2 бои (6 бајти), тогаш максималната големина на вградената порака може да биде 256 × 3–6 = 762 бајти. Недостаток е ниската криптографска безбедност; вградената порака може да се чита со кој било уредувач на текст ако пораката не била подложена на дополнително шифрирање.

Практичен дел

Програмски дизајн

Сите потребни алатки за имплементација на алгоритми за шифрирање и дешифрирање ќе бидат вклучени во пакетот com.tsarik.steganography. Овој пакет го вклучува интерфејсот Encryptor со методи encrypt и decrypt, Класа Binary, кој обезбедува можност за работа со битови низи, како и класи на исклучоци UnableToEncryptException и UnableToDecryptException, што треба да се користи во методите на интерфејс Encryptor во случај на грешки при кодирање и декодирање соодветно.

Главен програмски пакет com.tsarik.programs.gifed ќе вклучи програмска класа што може да се изврши со статичен метод main, овозможувајќи ви да ја извршите програмата; класа која ги зачувува програмските параметри; и пакувања со други класи.

Имплементацијата на самите алгоритми ќе биде претставена во пакетот com.tsarik.programs.gifed.gif часови GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod. И двете од овие класи ќе го имплементираат интерфејсот Encryptor.

Врз основа на структурата на форматот GIF, можете да креирате општ алгоритам за воведување порака во палетата на слики:

За да се одреди присуството на порака во слика, потребно е да се додаде одредена низа од битови на почетокот на пораката, кои декодерот прво ги чита и ја проверува исправноста. Ако не се поклопува, тогаш се смета дека нема скриена порака на сликата. Следно, треба да ја одредите должината на пораката. Потоа текстот на самата порака.

Класен дијаграм на целата апликација:

Имплементација на програмата

Имплементацијата на целата програма може да се подели на две компоненти: имплементација на енкрипција на интерфејс и методи за дешифрирање Encryptor, на часови GIFEncryptorByLSBMethod и GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod, и имплементација на корисничкиот интерфејс.

Размислете за класата GIFEncryptorByLSBMethod.

области firstLSBit и secondLSBit ги содржи броевите на битови од секој бајт од сликата во која треба да се внесе пораката и од каде треба да се прочита пораката. Поле checkSequence складира низа за проверка на битови за да обезбеди препознавање на вградената порака. Статички метод getEncryptingFileParameters ги враќа параметрите на наведената датотека и карактеристиките на потенцијалната порака.

Алгоритам за метод encrypt класа GIFEncryptorByLSBMethod:

И неговиот код:

@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();
}

Алгоритам и изворниот код на методот decrypt класа 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);
}

Имплементација на часот GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod ќе бидат слични, само начинот на зачувување/читање информации е различен.

На час MainFrame методите на обвивка се опишани: encryptImage(Encryptor encryptor) и decryptImage(Encryptor encryptor), обработка на резултатите од методите на интерфејс Encryptor и интеракција со корисникот, т.е. отворање дијалог за избор на датотека, прикажување пораки за грешка итн.; како и други методи: openImage(), дозволувајќи му на корисникот да избере слика, exit(), кој излегува од апликацијата. Овие методи се повикани од Actionсоодветните ставки од менито. Оваа класа дополнително имплементира помошни методи: createComponents() - создавање на компоненти на формата, loadImageFile(File f) — вчитување слика во посебна компонента од датотека. Имплементација на часот GIFEncryptorByPaletteExtensionMethod слично на имплементацијата на класата GIFEncryptorByLSBMethod, главната разлика е во начинот на кој бајтите на пораките се пишуваат и читаат од палетата.

Операција на програмата

LBS метод

Да речеме дека има ваква слика:

На оваа слика, палетата се состои од 256 бои (како што зачувува Paint). Првите четири бои се: бела, црна, црвена, зелена. Другите бои се црни. Секвенцата на битови на глобалната палета ќе биде како што следува:

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

Откако ќе се вметне пораката, подвлечените битови ќе се заменат со битови од пораката. Резултирачката слика речиси не се разликува од оригиналот.

Авторски
Слика со вградена порака

Метод на проширување на палетата

Кога ќе отворите слика што содржи порака користејќи го овој метод, ќе ја видите следната слика:

Јасно е дека овој метод нема да работи за полноправни шпионски активности и може да бара дополнително шифрирање на пораката.

Шифрирањето/дешифрирањето во анимирани слики функционира исто како и кај обичните статични слики, но анимацијата не е скршена.

Користени извори:

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

Download:

• програма
• Извори

Извор: www.habr.com