Хорошко В.А., Чекатков А.А. Методы и средства защиты информации

Подождите немного. Документ загружается.

Цифровое скремблирование 441

таких процедур не слишком велики, достоинством же является снижение скорости пере-

дачи сигналов.

Наибольшее распространение среди систем цифрового кодирования речи с после-

дующим шифрованием получили системы, основным узлом которых являются вокодеры

с линейным предсказанием речи (ЛПР).

Математическое представление модели цифрового фильтра, используемого в вокоде-

ре с линейным предсказанием, имеет вид кусочно-линейной аппроксимацией процесса

формирования речи с некоторыми упрощениями: каждый текущий отсчет речевого сиг-

нала является линейной функцией

P предыдущих отсчетов. Несмотря на несовершенст-

во такой модели, ее параметры обеспечивают приемлемое представление речевого сиг-

нала. В вокодере с линейным представлением анализатор осуществляет минимизацию

ошибки предсказания, представляющего собой разность текущего отсчета речевого сиг-

нала и средневзвешенной суммы предыдущих отсчетов. Существует несколько методов

минимизации ошибки. Общим для всех является то, что при оптимальной величине ко-

эффициентов предсказания спектр сигнала ошибки приближается к белому шуму и со-

седние значения ошибки имеют минимальную коррекцию. Известные методы делятся на

две категории: последовательные и блочные, которые получили наибольшее распро-

странение.

В вокодере с линейным предсказанием речевая информация передается тремя пара-

метрами: амлитудой, решением “тон/шум” и периодом основного тока для вокализован-

ных звуков. Так, согласно федеральному стандарту США, период анализируемого отрез-

ка речевого сигнала составляет 22,5 мс, что соответствует 180 отсчетам при частоте дис-

кретизации 8 кГц. Кодирование в этом случае осуществляется 54 битами, что

соответствует скорости передачи 2400 бит/с. При этом 41 бит отводится на кодирование

десяти коэффициентов предсказания, 5 — на кодирование величины амплитуды, 7 — на

передачу периода основного тона и 1 бит определяет решение “тон/шум”. При осущест-

влении подобного кодирования предполагается, что все параметры независимы, однако

в естественной речи параметры коррелированы и возможно значительное снижение ми-

нимально допустимой скорости передачи данных без потери качества, если правило ко-

дирования оптимизировать с учетом зависимости всех параметров. Такой подход извес-

тен под названием векторного кодирования. Его применение к вокодеру с линейным

предсказанием позволяет снизить скорость передачи данных до 800 бит/с и менее, с

очень малой потерей качества.

Основной особенностью использования систем цифрового закрытия речевых сигна-

лов является необходимость использования модемов. В принципе возможны следующие

подходы к проектированию систем закрытия речевых сигналов.

1. Цифровая последовательность параметров речи с выхода вокодерного устройства

подается на вход шифратора, где подвергается преобразованию по одному из крипто-

графических алгоритмов, затем поступает через модем в канал связи, на приемной

стороне которого осуществляются обратные операции по восстановлению речевого

сигнала, в которых задействованы модем и дешифратор (см. рис. 19.3, 19.4). Модем

представляет собой отдельное устройство, обеспечивающее передачу данных по од-

442 Глава 19. Скремблирование

ному из протоколов, рекомендованных МККТТ. Шифрующие/дешифрующие функ-

ции обеспечиваются либо в отдельных устройствах, либо в программно-аппаратной

реализации вокодера.

2. Шифрующие/дешифрующие функции обеспечиваются самим модемом (так называе-

мый засекречивающий модем), обычно по известным криптографическим алгорит-

мам типа DES и т.п. Цифровой поток, несущий информацию о параметрах речи, с

выхода вокодера поступает непосредственно в такой модем. Организация связи по

каналу аналогична приведенной выше.

Критерии оценки систем закрытия речи

Существует четыре основных критерия, по которым оцениваются характеристики

устройств закрытия речевых сигналов, а именно: разборчивость речи, узнаваемость

говорящего, степень закрытия и основные технические характеристики системы.

Приемлемым коммерческим качеством восстановленной на приемном конце речи

считается такое, когда слушатель может без труда определить голос говорящего и смысл

произносимого сообщения. Помимо этого, под хорошим качеством передаваемого рече-

вого сигнала подразумевается и возможность воспроизведения эмоциональных оттенков

и других специфических эффектов разговора.

Влияющие на качество восстановленного узкополосного речевого сигнала параметры

узкополосных закрытых систем передачи речи определяются способами кодирования,

методами модуляции, воздействием шума, инструментальным ошибками и условиями

распространения. Шумы и искажения воздействуют на характеристики каждой компо-

ненты системы по-разному, и снижение качества, ощущаемое пользователем, происхо-

дит от суммарного эффекта понижения характеристик отдельных компонент. Сущест-

вующие объективные методы оценки качества речи и систем не применимы для сравне-

ния характеристик узкополосных дискретных систем связи, в которых речевой сигнал

сначала преобразуется в систему параметров на передающей стороне, потом передается

по каналу связи, а затем синтезируется в речевой сигнал в приемнике.

Существующие субъективные методы измерения разборчивости и естественности

отличаются значительной трудоемкостью, поскольку в этом деле многое зависит от ис-

пользуемого словаря, выбранного канала связи, диалекта, возраста и эмоционального

состояния испытуемых дикторов. Поэтому проведение измерений для получения стати-

стически надежных и повторяемых оценок параметров системы при изменяющихся ус-

ловиях требует больших затрат.

При использовании радиоканалов эти трудности еще более возрастают из-за неопре-

деленности условий распространения, и достичь повторяемости результатов невозможно

без применения моделей радиоканалов.

Для дуплексных систем дополнительное влияние на качество оказывает временная

задержка сигнала, вносимая речевым скремблером или шифратором. Поскольку основ-

ным показателем секретности передаваемых речевых сообщений является его неразбор-

чивость при перехвате злоумышленником, сравнение по степеням защиты является оп-

ределяющим моментом при выборе пользователем конкретной системы закрытия речи.

Критерии оценки систем закрытия речи 443

В основном распределение по уровням закрытия речевых сообщений соответствует ра-

нее приведенной диаграмме.

Как правило, аналоговые скремблеры используются там, где применение цифровых

систем закрытия речи затруднено из-за наличия возможных ошибок передачи (наземные

линии связи с плохими характеристиками или каналы дальней радиосвязи), обеспечива-

ют тактический уровень защиты и хорошо предохраняют переговоры от посторонних

“случайных ушей”, имеющих ограниченные ресурсы, будь то соседи или сослуживцы.

Для таких применений годятся системы со статическим закрытием, т.е. осуществляю-

щие шифрование по фиксированному ключу.

Если же необходимо сохранить конфиденциальность информации от возможных

конкурентов, обладающих достаточным техническим и специальным оснащением, то

нужно применять аналоговые скремблеры среднего уровня закрытия с динамически ме-

няющимся в процессе разговора ключом. Естественно, что эти системы будут дороже,

чем системы закрытия с фиксированным ключом, однако они настолько осложняют ра-

боту злоумышленников по разработке дешифрующего алгоритма, что время, потрачен-

ное на это, значительно обесценит добытую информацию из перехваченного сообщения.

Поскольку в отечественных устройствах закрытия, как правило, перед началом со-

общения передается синхропоследовательность, в которой содержится часть дополни-

тельной информации о ключе текущего передаваемого сообщения, у злоумышленника

имеется только один шанс попытаться его раскрыть, перебрав широкое множество клю-

чевых установок. Если ключи меняются ежедневно, то даже при известном алгоритме

преобразования речи злоумышленнику придется перебрать много тысяч вариантов в по-

исках истинной ключевой последовательности.

В случае, если есть предположение, что в целях добывания крайне интересующей его

информации злоумышленник может воспользоваться услугами высококвалифицирован-

ных специалистов и их техническим арсеналом, то для того, чтобы быть уверенным в

отсутствии утечки информации, необходимо применять системы закрытия речи, обеспе-

чивающие стратегическую (самую высокую) степень защиты. Это могут обеспечить

лишь устройства дискретизации речи с последующим шифрованием и новый тип анало-

говых скремблеров. Последние используют методы преобразования аналогового речево-

го сигнала в цифровую форму, затем применяют методы криптографического закрытия,

аналогичные тем, что используются для закрытия данных, после чего результирующее

закрытое сообщение преобразуется обратно в аналоговый сигнал и подается в линию

связи. Для раскрытия полученного сигнала на приемном конце производятся обратные

преобразования. Эти новые гибридные устройства легко адаптируются к существующим

коммуникационным сетям и предлагают значительно более высокий уровень защиты

речевых сообщений, чем традиционные аналоговые скремблеры, с сохранением всех

преимуществ последних в разборчивости и узнаваемости восстановленной речи.

Следует отметить, что в системах засекречивания речи, основанной на шифре пере-

становки

N речевых элементов, общее количество ключей-перестановок равно N!. Од-

нако это значение не отражает реальной криптографической стойкости системы из-за

избыточности информации, содержащейся в речевом сигнале, а также из-за разборчиво-

444 Глава 19. Скремблирование

сти несовершенным образом переставленной и инвертированной речи. Поэтому крип-

тоаналитику часто необходимо опробовать лишь

K << N! случайных перестановок для

вскрытия речевого кода. Этот момент следует учитывать при выборе надежной системы

аналогового скремблирования.

Глава 20

Стеганография

Надежная защита информации от несанкционированного доступа является актуаль-

ной, но не решенной в полном объеме проблемой. Одно из перспективных направлений

защиты информации сформировали современные методы стеганографии. Слово стега-

нография в переводе с греческого буквально означает тайнопись (steganos — тайна, сек-

рет; graphy — запись).

Стеганография представляет собой совокупность методов, основывающихся на раз-

личных принципах, которые обеспечивают сокрытие самого факта существования сек-

ретной информации в той или иной среде, а также средств реализации этих методов. К

ней можно отнести огромное множество секретных средств связи, таких как невидимые

чернила, микрофотоснимки, условное расположение знаков, тайные (скрытые) каналы,

средства связи с плавающими частотами, голография и т.д.

В настоящее время развиваются методы компьютерной стеганографии — самостоя-

тельного научного направления информационной безопасности, изучающей проблемы

создания компонентов скрываемой информации в открытой информационной среде, ко-

торая может быть сформирована вычислительными системами и сетями. Особенностью

стеганографического подхода является то, что он не предусматривает прямого оглаше-

ния факта существования защищаемой информации. Это обстоятельство позволяет в

рамках традиционно существующих информационных потоков или информационной

среды решать некоторые важные задачи защиты информации ряда прикладных облас-

тей.

Основным определяющим моментом в стеганографии является стеганографическое

преобразование. До недавнего времени стеганография, как наука, в основном изучала

отдельные методы сокрытия информации и способы их технической реализации. Разно-

образие принципов, заложенных в стеганографических методах, по существу тормозило

развитие стеганографии как отдельной научной дисциплины и не позволило ей сформи-

роваться в виде некоторой науки со своими теоретическими положениями и единой

концептуальной системой, которая обеспечила бы формальное получение качественных

и количественных оценок стеганометодов. В этом история развития стеганографии резко

отличается от развития криптографии.

До конца XIX века стеганография и криптография развивались в рамках единой нау-

ки о тайнописи. После формулирования голландским офицером Кирхгоффсом (A.

Kerckhoffs) знаменитого правила о том, что стойкость криптографического алгоритма

должна определяется исключительно стойкостью ключа, криптография как отдельная

446 Глава 20. Стеганография

наука отделилась от стеганографии. За последние десятилетия криптология из совокуп-

ности специальных методов превратилась в наукоемкую дисциплину, основанную на

фундаментальных исследованиях из теории вероятности, математической статистики,

чисел, алгебраических полей, что позволило ей решить ряд важных для практического

применения задач. Например, определение стойкости зашифрованных сообщений по от-

ношению к возможным средствам криптоанализа, а также целый ряд других задач, ре-

шение которых позволяет получать достаточно четкие количественные характеристики

средств криптографической защиты информации.

В основе многих подходов к решению задач стеганографии лежит общая с крипто-

графией методическая база, заложенная Шенноном (C. E. Shannon) в теории тайнописи.

Однако до сих пор теоретические основы стеганографии остаются практически неразра-

ботанными.

Наблюдаемый в настоящее время интерес к стеганографии, как совокупности мето-

дов сокрытия информации, возник в большой мере благодаря интенсивному внедрению

и широкому распространению средств вычислительной техники во все сферы деятель-

ности человека. В рамках вычислительных сетей возникли достаточно широкие возмож-

ности по оперативному обмену различной информацией в виде текстов, программ, зву-

ка, изображений между любыми участниками сетевых сеансов независимо от их терри-

ториального размещения. Это позволяет активно применять все преимущества, которые

дают стеганографические методы защиты.

Стеганографические методы находят все большее применение в оборонной и ком-

мерческой сферах деятельности в силу их легкой адаптируемости при решении задач

защиты информации, а также отсутствия явно выраженных признаков средств защиты,

использование которых может быть ограничено или запрещено (как, например, крипто-

графических средств защиты).

Стеганографические технологии

Сегодня стеганографические технологии активно используются для решения сле-

дующих основных задач:

• защиты информации с ограниченным доступом от несанкционированного доступа;

• защиты авторских прав на некоторые виды интеллектуальной собственности;

• преодоления систем мониторинга и управления сетевыми ресурсами;

• камуфляжа программного обеспечения;

• создания скрытых каналов утечки чувствительной информации от законного пользо-

вателя.

Использование стеганографических систем является наиболее эффективной при ре-

шении проблемы защиты информации с ограниченным доступом. Так, например, толь-

ко одна секунда оцифрованного звука с частотой дискретизации 44100 Гц и уровнем от-

счета 8 бит в стереорежиме позволяет скрыть за счет замены младших разрядов на скры-

ваемое сообщение около 10 Кбайт информации. При этом изменение значений отсчетов

составляет менее 1%. Такое изменение практически не обнаруживается при прослуши-

вании файла большинством людей.

Классификация стеганографических методов 447

Кроме скрытой передачи сообщений, стеганография является одним из самых пер-

спективных направлений для аутентификации и маркировки авторской продукции с це-

лью защиты авторских прав на цифровые объекты от пиратского копирования. На ком-

пьютерные графические изображения, аудио продукцию, литературные произведения

(программы в том числе) наносится специальная метка, которая остается невидимой для

глаз, но распознается специальным программным обеспечением. Метка содержит скры-

тую информацию, подтверждающую авторство. Скрытая информация призвана обеспе-

чить защиту интеллектуальной собственности. В качестве внедряемой информации

можно использовать данные об авторе, дату и место создания произведения, номера до-

кументов, подтверждающих авторство, дату приоритета и т.п. Такие специальные сведе-

ния могут рассматриваться в качестве доказательств при рассмотрении споров об автор-

стве или для доказательства нелегального копирования.

Как и любые другие инструменты, стеганографические методы требуют к себе бе-

режного отношения, так как они могут быть использованы как с целью защиты, так и в

противоправных целях.

Например, в конце 2001 года под пристальным вниманием прессы оказались сведе-

ния о том, что один из опаснейших террористов мира Осама бин Ладен и члены его

группировки широко используют Internet для передачи сообщений по организации тер-

рористических акций. Правительства некоторых стран предпринимают шаги с целью

обуздания такой угрозы, пытаясь ввести ограничения на распространение программ,

связанных с криптографическими и стеганографическими методами. Однако стегано-

графические методы успешно применяются для противодействия системам монито-

ринга и управления сетевыми ресурсами промышленного шпионажа. С их помощью

можно противостоять попыткам контроля над информационным пространством при

прохождении информации через серверы управления локальных или глобальных вычис-

лительных сетей.

Нередко методы стеганографии используют для камуфлирования программного

обеспечения. В тех случаях, когда использование программ незарегистрированными

пользователями является нежелательным, оно может быть закамуфлировано под стан-

дартные универсальные программные продукты (например, текстовые редакторы) или

скрыто в файлах мультимедиа (например, в звуковом сопровождении компьютерных

игр).

И, наконец, стеганографический подход используется при создании скрытого канала

утечки чувствительной информации от санкционированных пользователей.

Классификация стеганографических методов

В современной стеганографии, в целом, можно выделить в направления: технологиче-

скую стеганографию и информационную стеганографию (рис. 20.1).

448 Глава 20. Стеганография

Рис. 20.1. Классификация методов стеганографической защиты

К методам технологической стеганографии относятся методы, которые основаны на

использовании химических или физических свойств различных материальных носителей

информации.

Химические методы стеганографии сводится почти исключительно к применению

невидимых чернил, к которым относятся органические жидкости и симпатические хи-

микалии.

К физическим методам можно отнести микроточки, различного вида тайники и мето-

ды камуфляжа. В настоящее время физические методы представляют интерес в области

исследования различный носителей информации с целью записи на них данных, которые

бы не выявлялись обычными методами считывания. Особый интерес имеется к стан-

дартным носителям информации средств вычислительной, аудио и видео техники. По-

мимо этого, появился целый ряд новых технологий, которые, базируясь на традицион-

ной стеганографии, используют последние достижения микроэлектроники (голограммы,

кинеграммы).

К информационной стеганографии можно отнести методы лингвистической и ком-

пьютерной стеганографии.

Лингвистические методы стеганографии подразделяются на две основные категории:

условное письмо и семаграммы.

Существуют три вида условного письма: жаргонный код, пустышечный шифр и гео-

метрическая система.

В жаргонном коде внешне безобидное слово имеет совершенно другое реальное зна-

чение, а текст составляется так, чтобы выглядеть как можно более невинно и правдопо-

добно. При применении пустышечного шифра в тексте имеют значение лишь некоторые

определенные буквы или слова. Пустышечные шифры обычно выглядят еще более ис-

кусственно, чем жаргонный код. Третьим видом условного письма является геометриче-

ская форма. При ее применении имеющие значение слова располагаются на странице в

Классификация стегосистем 449

определенных местах или в точках пересечения геометрической фигуры заданного раз-

мера.

Вторую категорию лингвистических методов составляют семаграммы — тайные со-

общения, в которых шифрообозначениями являются любые символы, кроме букв и

цифр. Эти сообщения могут быть переданы, например, в рисунке, содержащем точки и

тире для чтения по коду Морзе.

Стеганографические методы в их проекции на инструментарий и среду, которая реа-

лизуется на основе компьютерной техники и программного обеспечения в рамках от-

дельных вычислительных или управляющих систем, корпоративных или глобальных

вычислительных сетей, составляют предмет изучения сравнительно нового научного на-

правления информационной безопасности — компьютерной стеганографии.

В рамках компьютерной стеганографии рассматриваются вопросы, связанные с со-

крытием информации, которая хранится на носителях или передается по сетям телеком-

муникаций, с организацией скрытых каналов в компьютерных системах и сетях, а также

с технологиями цифровых водяных знаков и отпечатка пальца.

Существуют определенные отличия между технологиями цифровых водяных знаков и

отпечатка пальца, с одной стороны, и собственно стеганографическими технологиями со-

крытия секретной информации для ее последующей передачи или хранения. Самое глав-

ное отличие — это то, что цифровые водяные знаки и отпечатки имеют целью защиту са-

мого цифрового объекта (программы, изображения, музыкального файла и пр.), куда они

внедряются, и обеспечивают доказательство прав собственности на данный объект.

При использовании методов компьютерной стеганографии должны учитываться сле-

дующие условия:

• противник может иметь полное представление о стеганографической системе и дета-

лях ее реализации. Единственной информацией, которая должна оставаться ему не-

известной, — это ключ, с помощью которого можно установить факт присутствия

скрытого сообщения и его содержание;

• если противнику каким-то образом удалось узнать о факте существования скрытого

сообщения, то это не должно позволить ему извлечь подобные сообщения из других

стеганограмм до тех пор, пока ключ хранится в тайне;

• потенциальный противник должен быть лишен каких-либо технических и иных пре-

имуществ в распознавании или раскрытии содержания тайных сообщений.

В последующих разделах будут обсуждены основные теоретические положения ком-

пьютерной стеганографии и рассмотрены некоторые методы сокрытия данных в инфор-

мационной среде, которая может быть поддержана вычислительными системами и сетя-

ми.

Классификация стегосистем

По аналогии с криптографическими системами, в стеганографии различают системы

с секретным ключом и системы с открытым ключом.

450 Глава 20. Стеганография

В стеганографической системе с секретным ключом используется один ключ, кото-

рый должен быть заранее известен абонентам до начала скрытого обмена секретными

сообщениями либо переслан по защищенному каналу.

В стегосистеме с открытым ключом для встраивания и извлечения тайного сообще-

ния используются разные ключи, причем вывести один ключ из другого с помощью вы-

числений невозможно. Один из ключей (открытый) может передаваться свободно по не-

защищенному каналу связи, а второй, секретный ключ, — по защищенному каналу.

Данная схема хорошо работает при взаимном недоверии отправителя и получателя.

Учитывая все многообразие стеганографических систем, сведем их к следующим ти-

пам: безключевым стегосистемам, системам с секретным ключом, системам с от-

крытым ключом и смешанным стегосистемам.

Безключевые стегосистемы

Для функционирования безключевых стегосистем не требуется никаких дополни-

тельных данных в виде стегоключа помимо алгоритма стеганографического преобразо-

вания.

Определение 20.1

Совокупность Ξ=<C,М,D,E>, где С — множество возможных контейнеров; М —

множество секретных сообщений,

|C|≥|М|; E: C×M→С и D: C→M — функции сокры-

тия и извлечения сообщения из контейнера, причем

D(E(c,m))=m для любых m∈М и

с∈С, называется безключевой стегосистемой.

Из определения следует, что безопасность безключевых стегосистем основана на

секретности используемых стеганографических преобразований

E и D. Это противоре-

чит основному принципу Керкхоффса для систем защиты информации. Действительно,

если предположить, что противник знает алгоритмы

E и D, которые используются для

скрытой передачи информации, то он способен извлечь любую скрытую информацию из

перехваченных стеганограмм.

Зачастую для повышения безопасности безключевых систем, перед началом процесса

стеганографического сокрытия предварительно выполняется шифрование скрываемой

информации. Ясно, что такой подход увеличивает защищенность всего процесса связи,

поскольку это усложняет обнаружение скрытого сообщения. Однако, “сильные” стега-

нографические системы, как правило, не нуждаются в предварительном шифровании

скрываемых сообщений.

Стегосистемы с секретным ключом

Следуя закону Керкхоффса, безопасность системы должна основываться на некото-

рой секретной информации, без знания которой нельзя извлечь из контейнера секретную

информацию. В стегосистемах такая информация называется стегоключом. Отправи-

тель, встраивая секретное сообщение в выбранный контейнер

с, использует секретный

стегоключ

k. Если используемый в стеганографическом преобразовании ключ k извес-