A steganográfia digitális audió technikáinak áttekintése
1. BEVEZETÉS AZ AUDIO STEGANOGRÁFIAHOZ
A szó steganography származik a görög szó: «Steganos», ami szó szerint azt jelenti: „rejtett” vagy „titkos” és «-graphy», ami azt jelenti, „levél” vagy „rajz”. Ezért a steganográfia a titkos információ elrejtése olyan fájlban, hogy csak a feladó és a vevő tudja a rendelkezésre állását. A bizalmas információk kódolása úgy történik, hogy az üzenet létezését megtagadják.
A steganográfia fő célja az adat biztonságos adatcserének feltűnése, ami tagadja a titkos üzenetek létezését. Ha a steganográfiás módszer gyanakvást okoz valakinek, akkor ezt a módszert sikertelennek kell tekinteni.
Az audio steganográfia alapmodellje egy médium (audio fájl), egy üzenet és egy jelszó. A hordozó olyan fájl, amely titkos információkat rejt vagy rejt. A steganográfiai modellt az 1. ábra mutatja. Az üzenet azok az adatok, amelyeket a feladó titokban tart. Mivel a továbbított üzenet egyszerű szöveget, képeket, hangokat és más típusú fájlokat tud működni. A jelszó szimbolizálja a kulcsot, tudva, hogy a címzett képes lesz-e dekódolni az üzenetet a fájlból. A bizalmas információkkal rendelkező médiafájlt stegofillnek nevezik.
1. ábra Steganográfiai modell.
Az információ elrejtésének folyamata a következő két lépésből áll:
- A redundáns bitek azonosítása a hordozófájlban. A túlzott bitek azok a bitek, amelyek módosíthatók a médiafájl minőségének vagy integritásának károsodása nélkül.
- A hordozófájlban lévő redundáns biteket titkos információ bitjei cserélik.
2. AZ AUDIO STEGANOGROFIA ALAPVETŐ MÓDSZEREI
Az egyik leggyakoribb módszer a LSB (legkisebb helyiértékű bit, LSB) algoritmus, amely felváltja a legkevésbé szignifikáns bitek byte szállító kép elrejteni bájtsorozatok tartalmazó rejtett adatokat. Ez általában akkor érvényes, ha a kisméretű bit kicserélése nem jár jelentős minőségromlással.
Például egy szürkeárnyalatos 8 bites kép van. 00h (00000000b), ami fekete, FFh (11111111b) - fehér. Összesen 256 színátmenet van (2 8). Tegyük fel, hogy az üzenet 1 bájtból áll - pl. 01101011b. Ha a képpont-leírásban a 2 legfontosabb bitet használja, akkor 4 képpontra van szüksége. Tegyük fel, hogy fekete. Ezután pixel tartalmazó rejtett üzenetet, a következők lennének: 00000001 00000010 00000010 00000011. Ezután pixel színét a változást: az első -, hogy 1/255, második és harmadik - negyedik és az 2/255 - 3/255 itt. Az ilyen színátmenetek, nem csak az emberek számára szinte láthatatlanok, egyáltalán nem jeleníthetők meg, ha rossz minőségű kimeneti eszközöket használnak.
Az LSB módszerek instabilak minden típusú támadásra, és csak akkor használhatók, ha az adatkapcsolatban nincs zaj.
2.2. GYAKORI KÓDOLÁS
A kódolás az audio steganográfia egyik legmegbízhatóbb módja. A jel különálló mintákban történő felosztása helyett ez a módszer a jelet külön részekre bontja, és a titkos üzenetet minden bit egy egyenletes bitbe integrálja. Ha a kiválasztott terület egy egyenletes bitjét nem kell egy titkos bitbe kódolni, akkor az eljárás inverzi a régióban lévő egyik minta alacsony rendű bitjét. A 2. ábra bemutatja a kódolás eljárását.
2.3. FÁZISKÓDOLÁS
A fáziskódolási módszer úgy működik, hogy az eredeti audio szegmens fázisát egy referenciafázissal helyettesíti, amely minősített információ. A fennmaradó fázisszegmensek úgy vannak beállítva, hogy fenntartsák a szakaszokat a szegmensek között. A jel-zaj arány szempontjából a fáziskódolás az egyik leghatékonyabb kódolási módszer. Ha az egyes frekvenciakomponensek fázis kapcsolata élesen megváltozik, a zaj észrevehetővé válik. Mindazonáltal, ha a fázis nem módosul sok, akkor az emberi fül nem ismeri fel a változásokat. Ennek alapján elmondható, hogy ez a módszer azon a tényen alapul, hogy az audio fájlon végrehajtott változtatások láthatatlanok az emberi hallásra.
A fáziskódolás a következő lépéseket tartalmazza:
- Osszuk az eredeti audiojelet kisebb szegmensekre oly módon, hogy teljes hosszuk megegyezzen az üzenet hosszával;
- Fázismátrix létrehozása diszkrét Fourier-transzformációval történik;
- A szomszédos szegmensek közötti fáziskülönbség kiszámítása;
- Mivel a két szomszédos szegmens közötti fáziseltolódások könnyen észlelhetők, a fázisbeli különbségeket a stegoniás jelben kell tartani. Ezért a titkos üzenet csak az első szegmens fázisában van beágyazva:
- Az első szegmens új fázisának felhasználásával új fázismátrixot és azok közötti különbséget hoznak létre;
- Az audiojelet inverz diszkrét Fourier-transzformációval helyettesíti az új mátrix és az értékek eredeti mátrixa felhasználásával, majd az audio szegmensek párosulnak.
A címzettnek tudnia kell a szegmens hosszát, hogy kivonja a titkos üzenetet az audiofájlból. Ezt követően a címzett az érzékeny adatokat egy diszkrét Fourier-transzformációval nyithatja ki.
2.4. EXPANDED SPECTRUM MÓDSZER
A hangsteganográfiában a szórt spektrumú módszer megkísérli átadni az érzékeny információkat az audiojel frekvenciáinak spektrumán. Ez a módszer némileg hasonló az LSB módszerhez, amely véletlenszerűen továbbítja az üzenetek bitjeit az egész hangfájlban. Az LSB módszerrel ellentétben azonban a szórt spektrumú módszer az audiofájl frekvenciaspektrumán keresztül érzékeny információkat osztozik az aktuális jeltől független kóddal. Ennek eredményeképpen a végső jel olyan sávszélességet foglal el, amely nagyobb, mint a szükséges átviteli méret.
A szórt spektrumú módszer hozzájárulhat a teljesítmény-javuláshoz az LSB-módszerekkel, a fázisokkal és a páros kódolásokkal szemben a szerény adatsebesség és a magas stabilitás mellett. Azonban a szórt spektrumú módszernek van egy jelentős hátránya - behatolhat az audio fájlba. A 2. ábrán bemutatott eljárás vázlatát szemléltetjük.
4. ábra: A szórt spektrumú módszer működésének rendszere.
Ez a módszer egy titkos információt beilleszt egy hangfájlba, és egy visszhangot vezet be egy különálló jelre. Az echo-módszer fő előnyei a nagy adatátviteli sebesség, valamint a megnövelt stabilitás a többi módszerhez képest. Ha csak egy visszhangot lehet kihúzni a forrásjelről, akkor csak egy bit titkos információ kódolható. Ezért, mielőtt a kódolási folyamat megkezdődik, az eredeti jel blokkokra oszlik. A kódolás után a blokkok össze vannak hangolva a végső kimeneti jel előállításához.
Fő hátránya eljárások alkalmazásával, mint például az echo szórt spektrumú kódolás és paritás olyan, hogy zajt az audio fájl, ami meglehetősen látható az emberi fül, valamint a e módszerek megbízhatósága megkérdőjelezhető.
A fáziskódolásnak nagy hátránya van, ami az alacsony adatsebesség, mivel a titkos üzenetet csak az első jel szegmensre kódolják. Ezért ezt a módszert csak akkor használják, ha kis mennyiségű adatot továbbítanak.
A fenti javasolt steganográfiás módszerek közül a legérdekesebb bit vagy LSB módszer a titkos információ beágyazásának legegyszerűbb módja. LSB módszer lehetővé teszi, hogy kódolni nagy mennyiségű adat egy hangfájlt, egy magasabb szintű biztonságot, mint más módszerek, hatékony módszer a titkos információk elrejtésének a betolakodóktól, és biztosítja az állandó fájl mérete után is kódoló és alkalmas bármilyen audio formátumok.