Audio- und Videodateien in der Steganographie

Transkript

1 Audio- und Videodateien in der Steganographie René Frerichs 3. Mai Einleitung In dieser Ausarbeitung geht es um die Benutzung von Audio- und Videodateien in der Steganographie. Dazu erläutere ich zunächst in Kapitel 2, worum es in der Steganographie geht. Ich grenze die Steganographie dann zur Kryptologie ab und erkläre inwiefern sich diese beiden Wissenschaften ergänzen(kapitel 3). Im anschließenden Kapitel 4 gehe ich darauf ein warum sich Audio-und Videodateien besonders gut als steganographische Trägermedien eignen und erkläre ein häufig genutztes Prinzip, um in ihnen Informationen zu verstecken (Kapitel 5). Darauf hin erläutere ich zwei Verfahren, die genutzt werden können um Steganographie mit Audiodateien zu betreiben (Kapitel 6). Nachdem ich dann in Kapitel 7 andeute, wie man auf Basis des JPEG-Formats in Videodateien Geheimnachrichten verstecken kann, stelle ich einige steganographische Programme vor (Kapitel 8). Ich erkläre wie sie funktionieren und welche Erfahrungen ich beim Ausprobieren dieser Programme gesammelt habe. 2 Steganographie Bei der Steganographie (kommt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie verdecktes Schreiben ) geht es darum Informationen so zu verstecken, dass sie nicht erkannt werden können. Die Nachricht wird dabei stets derart in einem Trägermedium verborgen, dass man dem Trägermedium nicht ansieht, dass es eine Nachricht erhält. Dadurch kann die Existenz der Nachricht vor uneingeweihten Betrachtern verborgen werden. Da es anscheinend ein in der Natur des Menschen gelegenes Interesse zu sein scheint, vertrauliche Nachrichten auszutauschen, ohne Dritte daran teilhaben zu lassen, gibt es zahlreiche historische Beispiele für Steganographie. Die ersten Überlieferungen vom Verstecken von Nachrichten stammen von Herodotus ( v. Chr.). Eine steganographische Methode, die Herodotus überliefert hat, möchte ich hier als Beispiel anbringen. Es wurden laut Herodotus Sklaven als Trägemedium verwendet. Hierzu wurde ihr Kopf kahl rasiert und dann die Geheimnachricht auf die Kopfhaut tätowiert. Nachdem die Haare wieder lang gewachsen waren konnte die Nachricht unbemerkt an den Empfänger übermittelt werden. Dieser brauchte die Sklaven lediglich ein weiteres Mal zu rasieren, um an die versteckte Botschaft zu gelangen. Mit der Zeit und der technischen Entwicklung hat sich auch die Steganographie gewandelt. In der heutigen Zeit bietet es sich an, rechnergestützte Steganographie zu nutzen, da eine sehr große Datenmenge digital gespeichert wird und Rechnernetze eine weltweite Kommunikationsplattform bieten. Dabei werden die Nachrichten meist in harmlos wirkende Daten eingebettet. Als beliebte Trägermedien dienen hier Bild-, Video und Audiodateien. 1

2 3 KRYPTOGRAPHIE 2 3 Kryptographie Abbildung 1: Allgemeine Darstellung von Steganographie. Steganographie ist eng verwandt mit der Kryptographie, die darauf zielt, Nachrichteninhalte durch Verschlüsselung für Dritte, auch als Angreifer bezeichnet, unverständlich zu machen. Es geht also nicht darum die Existenz einer Information zu verschleiern, sondern darum, dass keiner außer dem rechtmäßigen Empfänger den Inhalt verstehen kann. Die Techniken der Steganographie und Kryptologie werden in der Realität häufig kombiniert. Denn eine Kombination bietet einige Vorteile: Wenn ein Steganogramm von einer anderen Person als dem vorgesehenen Empfänger als ein Steganogramm erkannt wird, ist die Geheimnachricht immernoch verschlüsselt. Das bedeutet, dass das Entdecken eines Steganogrammes den Inhalt noch nicht offenbart. Der Angreifer kann mit der verschlüsselten Geheimbotschaft solange nichts anfangen, bis er den dazugehörigen Schlüssel hat. Die Kryptologie ermöglicht in vielen Fällen auch ein unauffälligeres Verstecken der Geheimnachricht. Durch eine geeignete Verschlüsselung wird die Geheimbotschaft zu einer scheinbar zufälligen Folge von Nullen und Einsen. Eine derartige Folge ist einem Rauschen sehr ähnlich. Die Verschlüsselung von Informationen mit RSA oder DES erzeugt zum Beispiel eine Gleichverteilung von Nullen und Einsen. Viele steganographische Algorithmen sind am unauffälligsten, wenn die Information derart gleichverteilt eingebettet wird. Daher erhöht es die Sicherheit von Steganogrammen als solche erkannt zu werden, wenn die Informationen vorher verschlüsselt wurden. Steganographie gewinnt durch Kryptographie also an Sicherheit, allerdings kommt sie auch ohne aus. Der grüne Block in der Abbildung 1 ist also als optional zu betrachten, auch wenn er den meisten Anwendungsfällen zum Einsatz kommt. 4 Trägermedium Audio-Video Da es in dieser Ausarbeitung hauptsächlich um Steganographie mit Benutzung von Audio und Videodateien als Trägermedium gehen soll, möchte ich zuerst erläutern, warum diese Datentypen sich sehr gut als

3 5 LSB-VERFAHREN 3 Trägermedien eignen. Deshalb betrachten wir zuerst einige Eigenschaften, die die Qualität eines Datenformats als Trägermedium beeinflussen. Der Träger sollte gewöhnlich sein. Das bloße Auftreten oder Austauschen des Trägers darf nicht bereits die Aufmerksamkeit auf ein Steganogramm richten. Eine große Kapazität des Trägers ist wünschenswert. Also sollten möglicht viel Geheiminformation eingebettet werden können. Hierbei ist sowohl relevant wie groß der prozentuale Anteil der eingebetteten Information sein kann, aber auch wie groß der Träger ist. Wenn das Trägermedium bereits einen Zufallsanteil hat und kleine Veränderungen wenig Einfluss auf den vom Betrachter beobachteten Inhalt hat. Audio und Videodateien erfüllen die eben genannten Eigenschaften sehr gut. Sie sind sehr weit verbreitet und werden sie in großen Mengen auf Datenträgern gespeichert oder im Internet in großen Mengen ausgetauscht. Somit erregt eine steganographisch veränderte Audio oder Videodatei in der Masse der im Internet getauschten Dateien, ohne sie genauer zu untersuchen, keine Aufmerksamkeit. Die Kapazität, die man in einen Träger einbetten kann hängt davon ab, wie viel man an dem Träger verändern kann, ohne dass der Mensch die Änderung wahrnimmt. Es wird also in der Regel eine Schwäche der menschlichen Wahrnehmung ausgenutzt. Bei Steganographie in Videodateien und Bildern wird zum Beispiel ausgenutzt, dass das menschliche Auge besonders kleine Farbunterschiede nicht erkennen kann. Hierdurch kann relativ viel Information unauffällig versteckt werden. Siehe dazu auch das LSB-Verfahren in Kapitel 5. Im Gegensatz dazu ist das Verstecken von Geheimbotschaften in Textdokumenten relativ schwer, da die menschliche Wahrnehmung zur Unterscheidung von Buchstaben und Zeichen relativ gut ausgeprägt ist. Somit müsste die Geheimnachricht in einer Textdatei in der Regel mit einer sichtbaren Veränderung des Trägers einhergehen. Darüberhinaus eignen sich Textdokumente aufgrund ihrer im Vergleich zu Audio- und Videodateien geringen Größe nur bedingt zur steganographischen Verwendung. So werden beispielsweise Audiodateien im MP3-Format besonders häufig ausgetauscht, wobei einzelne MP3-Dateien im Durchschnitt etwa drei bis vier Megabyte sind. Ein weiterer Aspekt, der die Benutzung von Audio- und Video-Dateien nahelegt, hängt bereits mit der Aufnahme des eigentlichen Trägerinhalts zusammen. Eine Aufnahme mittels Kamera oder Mikfrofon ist stets von Zufallseffekten der Physik abhängig. Durch diese Zufallseffekte entsteht sogenanntes Rauschen, dass die Aufnahme leicht verfälscht. Diese Ungenauigkeiten bei der Abbildung der Realität kann durch eine kodierte Geheimbotschaft ersetzt werden, ohne, dass wir dem Steganogramm die Einbettung anmerken. Gut ist es, wenn die Geheimbotschaft zusätzlich auch verschlüsselt ist (siehe Kapitel 3). Diese Eigenschaft ist ein weiterer Punkt, der die Benutzung dieser Dateitypen als Trägermedium begünstigt. 5 LSB-Verfahren Da dieses Verfahren sowohl für Bild- als auch Audiodateien genutzt werden kann und es ein leicht nachzuvollziehendes Beispiel für rechnergestützte Steganographie ist, möchte ich es an dieser Stelle erläutern. Das LSB-Verfahren wird sehr häufig bei unkomprimierten Audio-Dateien und Bildern angewendet. Es wird zum Beispiel in einer WAV-Datei in jedem Abtastwert der niedrigste Eintrag (Least-Significant-Bit = LSB) geändert. In Abbildung 2 ist ein einfaches Beispiel zu sehen. Hier werden die originalen 8 Bit Abtastwerte, die auf der linken Seite zu sehen sind verändert. Die niedrigsten Bits, die hier im roten Bereich dargestellt sind, werden durch die Geheimbotschaft, im blauen Bereich, ersetzt. So entstehen die steganographisch veränderten Abtastwerte*. In diesem Beispiel kann also ein Achtel der Gesamtgröße des Trägers als Kapazität für Informationen benutzt werden. Die Dateigröße ändert sich dabei nicht.

4 6 STEGANOGRAPHIE IN AUDIODATEIEN 4 Abbildung 2: Die ursprünglichen niedrigsten Bits werden durch die Geheiminformation ersetzt. Da dieses Verfahren für unkomprimierte Audio- und Bilddateien verwendet werden kann, gibt es einige Programme, die in der Lage sind beispielsweise WAV-Dateien und GIF-Dateien steganographisch zu verändern, wie etwa S-Tools 8.2. Das LSB Verfahren ist weit verbreitet, weil es vergleichsweise einfach zu implementieren ist und der Träger eine hohe Kapazität hat. 5.1 Erweiterte LSB-Verfahren Neben dem eben erklärten einfachsten LSB-Verfahren gibt es einige Verbesserungsmöglichkeiten. So können zum Beispiel anstatt des untersten Bits die untersten drei Bits verwendet werden, was eine höhere Kapazität ermöglicht. Natürlich wird mit jedem weiteren Bit, dass verändert wird, die Gefahr ein wahrnehmbares Rauschen zu erzeugen größer. Man kann, anstatt die Abtastwerte, in deren niedrigwertigen Bits etwas eingebettet wird, einfach vom ersten Abtastwert fortlaufend zu benutzen, mit einem Pseudozufallszahlengenerator auswählen in welchen Abtastwerten etwas eingebettet werden soll. Dadurch wird gewährleistet, dass im ersten Teil der Audiodatei, in dem sich sonst die Nachricht befinden würde, keine auffällige Gleichverteilung von Nullen und Einsen befindet. Die zur Einbettung genutzten Abtastwerte können auch durch die Analyse des Trägers ausgewählt werden. So ist es weniger sinnvoll die Bits in Abtastwerten zu verändern, die sich an einer stillen Stelle befinden. 6 Steganographie in Audiodateien Hier werden etwas komplexere Methoden als das LSB-Verfahren genannt, die genutzt werden können, um Informationen in Audiodateien einzubetten. Da ich für diese Verfahren keine Implementierungen oder genaue Beschreibungen gefunden habe, werden diese Techniken nur im Ansatz beschrieben. Im Folgenden werde ich Echo Hiding und Phase Coding erläutern. 6.1 Echo-Hiding Echo-Hiding bettet Geheiminformationen durch ein Hinzufügen von Echo zum Trägermaterial ein. Die Daten werden dabei durch den Offset (Abstand zum originalen Signal) des Echos kodiert. Wenn das Echo einen sehr kleinen Abstand zum Original hat, dann kann das menschliche Ohr ds Echo nicht mehr erkennen. Diese Verschmelzung von Original mit Echo ist vom Hörer und der Art des Trägers abhängig. Sie befindet sich aber ungefähr bei einer Millisekunde. Das Echo fügt dem Originalsound dann zusätzliche Resonanz hinzu, was allenfalls zu einem volleren Klang, im Vergleich zum Originalträger, führen kann.

5 6 STEGANOGRAPHIE IN AUDIODATEIEN 5 Abbildung 3: Einbettungsvorgang: 0-Signal und 1-Signal werden erstellt und den Geheimbits entsprechend gemischt Einbettung Beim Einbetten werden von dem originalen Träger zwei Kopien erstellt, die jeweils um ein Echo des gesamten Originalsignals angereichert werden. Das Echo der beiden Varianten hat dabei eine unterschiedliche Verzögerungszeit. Wie man in 3 sehen kann, hat das 1-Signal einen größeren Abstand zwischen Original und Echo als das 0-Signal. Beide Verzögerungszeiten sind dabei natürlich so gewählt, dass sie beim Hören nicht als Echo zu identifizieren sind. Die so entstandenen Signale werden jetzt mit weich überblendenden Mischern anhand der zu kodierenden Geheimbits ineinander übergeblendet. Die Mischer müssen sich dabei an eine festgelegte Blocklänge halten, die natürlich ausreichend groß genug sein muss, um ein Echo beinhalten zu können. Das Mischen ist auf der rechten Seite von 3 zu sehen Extrahierung Beim Extrahieren der Geheiminforamtion wird das Steganogramm mittels einer Autokorrelation mit sich selbst verglichen, wodurch das Echo gefunden werden kann. Jetzt wird durch den Abstand zwischen dem Original und dem Echo entschieden, ob das Geheimbit Null oder Eins ist Anmerkungen Es ist nicht sichergestellt, dass durch dieses Verfahren die Geheiminformation komplett extrahiert werden kann. Je nach Eigenschaft des Trägermaterials können zum Beispiel natürliche Echos zum Problem beim Extrahieren werden. Ein zusätzlicher Faktor, dessen Veränderung die erfolgreiche Extrahierung verbessern kann, ist die Amplitude des Echos. Aber eine besonders große Amplitude des Echos führt natürlich zu einer starken Resonanzerweiterung des Steganogramms, was unter Umständen auffällig sein kann. Da eine Extrahierung der Geheimnachrichten hier nicht gewährleistet werden kann, bieten sich die Benutzung von Datenredundanz und selbstkorrigierenden Kodes an.

6 7 STEGANOGRAPHIE IN VIDEODATEIEN Phase Coding Bei Phase Coding werden die Anfangsphasen eines Audiosegments so gesetzt, dass diese die Geheimbits repräsentieren. Da die Phasen aller folgenden Segmente um diesen gesetzten Wert mitverschoben werden, gibt es keine Phasensprünge innerhalb des Audiosignals. Auf diese Phasensprünge reagiert das menschliche Ohr empfindlich, aber mit welcher Phase eine Frequenz startet ist schwerer wahrzunehmen, was beim Phase Coding ausgenutzt wird Einbettung 1. Der Träger wird in N Segmente unterteilt, die jeweils K Abtastwerte enthalten. 2. Für jedes Segment n, wobei 0 n N 1, wird eine K-punktige diskrete Fourier-Transformation durchgeführt. Man erhält dadurch eine Matrix für die Phasen Φ n (ω k ) mit 0 k K 1 und eine Matrix mit k Einträgen für die Amplitude, die wir im Folgenden nicht mehr benötigen. 3. Für jede Frequenz k bildet man nun die Phasendifferenz zweier aufeinander folgender Segmente n und n + 1: Φ n+1 (ω k ) = Φ n+1 (ω k ) Φ n (ω k ). 4. Die Geheimnachricht wird nun kodiert, indem im Segment n = 0 die Werte in der Phasenmatrix auf π 2, um eine 1 zu repräsentieren, oder π 2, um eine 0 zu repräsentieren, setzt. Man erhält also eine veränderte Phasenmatrix, die wir Φ 0 nennen. 5. Anhand von Φ 0 können jetzt die veränderten Phasen Φ n für alle folgenden Segmente n mit 0 < n 1 wie folgt berechnet werden. Φ n(ω k ) = Φ n (ω k ) + Φ n 1(ω k ). Mit den dadurch veränderten Phasenmatrizen Φ n(ω k ) und den originalen Amplitudenmatrtzen wird das Audiosignal durch die inverse diskrete Fourier-Transformation wieder hergestellt Extrahierung Um die Geheimnachricht zu extrahieren muss der Empfänger die Segmentlänge kennen und wissen wie Geheimbits durch die Phasen repräsentiert werden. Nach einer diskreten Fourier-Transformation des Steganogramms mit der richtigen Segmentlänge, kann der Empfänger anhand der Phasenmatrix des ersten Segments die Geheimnachricht ablesen Anmerkungen Im Gegensatz zum Echo Hiding kann die Geheimnachricht immer extrahiert werden. Phase Coding erzeugt kein Rauschen, aber wenn zu viele Frequenzen signifikant in der Phase verschoben werden, kann es zu unerwünschten Resonanzen oder kommen. Daher müssen die Frequenzen und Anzahl der Verschiebungen sinnvoll gewählt werden. Laut [Ben96] können durch dieses Verfahren 8 bis 32 Bit pro Sekunde versteckt werden, je nach Art des Audiosignals. 7 Steganographie in Videodateien Ein Video besteht meist aus Bild- und Audioinformationen. Also können versteckte Nachrichten auch über diese beiden Komponenten übermittelt werden. In diesem Kapitel soll es dabei nicht um den Audioanteil gehen. Man könnte hier Inhalte mit Methoden verstecken, wie sie von den Programmen aus Kapitel 8 benutzt werden. An dieser Stelle möchte ich vorstellen, wie Inhalte in JPEG-Dateien versteckt werden können. JPEG bietet nämlich aufgrund seiner guten Kompression eine Grundlage für einige Videoformate. So besteht zum Beispiel ein Video im M-JPEG-Format einfach aus einer Vielzahl von JPEG-Bildern.

7 8 STEGANOGRAPHISCHE PROGRAMME 7 Auch das weit verbreitete Format MPEG-2 basiert auf JPEG. Das Format spart Datenmengen im direkten Vergleich zu M-JPEG. Dies geschieht dadurch, dass neben vollständigen JPEG-Bildern, auch Bilder gespeichert werden, in denen nur Veränderungen zu vorherigen oder folgenden kompletten JPEG-Bildern kodiert werden. 7.1 Steganographie in JPEG-Dateien Da, wie eben erwähnt, JPEG die Grundlage für einige Videoformate bildet, betrachten wir nun eine Möglichkeit in JPEGs Informationen zu verstecken. Wir behalten dabei im Hinterkopf, dass wir dieses Verfahren auf die Videoformate übertragen können. Im Folgenden wird schrittweise skizziert, wie die Einbettung von Daten in ein JPEG mittels diskreter Kosinustransformation (DCT) funktioniert. 1. Die Helligkeitswerte der Bildpunkte der Quelldatei werden in Bereichen von 8x8 Bildpunkten aufgeteilt. Diese werden in eine 8x8 Matrix geschrieben. 2. Jetzt wird diese Matrix transformiert. Dazu wird die zweidimensionale diskrete Kosinustransformation (DCT) benutzt. Durch die Transformation erhält man wieder eine 8x8 Matrix. Die Linearkombination dieser Werte mit den 64 festgelegten DCT-Basisbildern repräsentiert die Helligkeit des Quellbilds. Die Basisbilder findet man in [Wesc]. Siehe dazu auch Abbildung 4. Bis hier hin ist lediglich ein zu vernachlässigender Qualitätsverlust durch Rundungsfehler entstanden. 3. Die Koeffizienten in der DCT-Matrix werden dann quantisiert, damit die Anzahl der von Null verschiedenen Werte sinkt. Bei der Quantisierung werden die Matrixwerte erst durch eine ganze Zahl geteilt und danach gerundet. Dabei wird der Quantisierungsfaktor gespeichert, der bei der Dekomprimierung als Multiplikator gebraucht wird. In diesem Schritt findet ein Qualitätsverlust statt. 4. Jetzt wird entschieden, ob in dem Teil des Bildes, das durch diese DCT-Matrix repräsentiert wird überhaupt eine Geheiminformation unauffällig genug versteckt werden kann. Dazu wird die Robustheit der Matrix auf Veränderungen getestet. Hierfür gibt es eine Tabelle, an der man für jeden Koeffizienten auslesen kann, wieviel Veränderung er zulässt. Diese Tabelle ist zu finden bei [Wesc]. Hierfür multipliziert man den Wert des Koeffizienten mit dem zugehörigen Wert aus der Tabelle. Wenn das Produkt größer als Eins ist, so eignet sich dieser Block zum Einbetten. 5. Wenn ein Block sich nun als geeignet herausgestellt hat, also ein ausreichend großer Koeffizient K gefunden wurde, dann wird die Parität des Blockes überprüft. Die Parität ist die Summer aller Koeffizienten modulo zwei. Entspricht die Parität dem einzubettenden Geheimbit, so wird der Block nicht verändert. Ist die Parität ungleich dem Geheimbit, dann wird der DCT-Koeffizient links neben dem Koeffizienten K dekrementiert, oder wenn er Null ist auf Eins gesetzt. Dabei ist zu beachten, dass der nullte DCT-Koeffizient (oben links), der die Grundhelligkeit repräsentiert niemals geändert werden darf. 6. Der Empfänger des Steganogramms kann dann mit der gleichen Tabelle, die die Qualität von Blöcken auf Informationseinbettung überprüft, entscheiden ob ein Block Steganographischen Inhalt enthält. Durch dieses Verfahren erreicht man keine besonders große Kapazität, da man nicht in jeden Block etwas einbettet und pro Block immer nur ein Bit einbetten kann. Aber es ist sichergestellt, dass der optische Unterschied sehr gering ist. Die Kapazität ist durch die Qualitätsbewertung der Blöcke natürlich vom Inhalt des Trägers abhängig. 8 Steganographische Programme 8.1 Steghide Steghide ist ein kommandozeilenbasierstes OpenSource-Programm von Stefan Hetzl. Mit Steghide können Informationen jeder Art sowohl in Bild (BMP, JPG) als auch Audio-Dateien(WAV, AU) versteckt werden.

8 8 STEGANOGRAPHISCHE PROGRAMME 8 Abbildung 4: Darstellung des 8x8 Quellbildes durch die Linearkombination der 64 Basisbildanteile Funktionsweise Zuerst wird die Geheimbotschaft komprimiert und mit AES (als Standard) verschlüsselt. Das Einbetten in den Träger erfolgt, indem dieser mit Hilfe des bereits für die Verschlüsselung verwendeten Passworts und einem Pseudozufallszahlengenerator in eine zufällige Reihenfolge von Teilblöcken gebracht wird. In diese Teilblöcke werden die Geheiminformationen eingebettet. Wie genau das dann gemacht wird habe ich leider nicht in Erfahrung bringen können. Aber Steghide tauscht dabei irgendwie Werte, um gegen statistische Angriffe robust zu sein Erfahrungen Hier ein kleines Beispiel, wie man Steghide benutzt. Die folgenden drei Punkte habe ich aus der Kommandozeile kopiert. Beim ersten Punkt habe ich mir Informationen über die von mir gewünschte Trägerdatei ausgeben lassen. Dort zeigt mir Steghide auch die Kapazität des Trägers an. Im nächsten Punkt habe ich eine Datei in den Träger eingebettet und habe den Namen des Steganogramms festgelegt. Der dritte Punkt zeigt, wie man aus dem Steganogramm die Geheiminformationen wieder extrahieren kann. 1. steghide info TrägerDatei.wav Format: wave audio, PCM encoding Kapazität: 1.1 MB 2. steghide embed -cf TrägerDatei.wav -ef monkey.jpg -sf Steganogramm.wav Passwort eingeben: Passwort wiederholen: Bette monkey.jpg in TrägerDatei.wav ein... fertig Schreibe Stegodatei Steganogramm.wav... fertig 3. steghide extract -sf Steganogramm.wav -xf Geheimnachricht Passwort eingeben: Extrahierte Daten wurden nach Geheimnachricht geschrieben. Nach kurzer Einfindung in das Programm ging alles sehr einfach und schnell. Ich hatte mit diesem Programm weder beim Einbetten noch beim Extrahieren der Geheimnachricht Probleme. Standardmässig benutzt Steghide AES zur Verschlüsselung der Geheimnachricht, bevor diese eingebettet wird, jedoch kann man auch einen anderen Verschlüsselungsalgorithmus wählen (Twofish, DES, TripleDES, XTEA,..). Die von mir mit Informationen bestückten WAV-Dateien konnte ich nicht von den originalen Datein unterscheiden Schwächen Die eingebettete Geheimnachricht ist durch das LSB-Verfahren gegen Foramtwandlungen nicht resistent.

9 8 STEGANOGRAPHISCHE PROGRAMME S-Tools S-Tools ist ein kostenloses Programm für Microsoft Windows. Das Programm kann Informationen jeder Art in Audio (WAV, AU) und Bilddateien (BMP, GIF) verstecken. S-Tools hat eine graphische Benutzeroberfläche Funktionsweise Die von S-Tools benutzten WAV-Dateien müssen Mono sein eine Abtastrate von 22050Hzbei einer Auflösung von 8 Bit haben. In diese Dateien werden die Informationen mit Hilfe des LSB-Verfahrens eingebettet, nachdem sie vorher mit einem der enthaltenen Verschlüsselungsalgorithmen (IDEA, DES, Triple DES, MDC) verschlüsselt wurden Erfahrungen S-Tools verfügt über eine sehr übersichtliche GUI bei der man Dateien per ziehen und loslassen in andere Dateien einfügen kann. Dabei kann man noch aus einigen Kryptographischen Algorithmen zur Verschlüsselung wählen. Das Einbetten von Bilddateien klappte bei mir sofort. Allerdings konnte ich das dadurch erstellte Steganogramm nicht abspeichern. Das Steganogramm hatte mit dem Original verglichen einen sehr hohen Qualitätsverlust, selbst wenn ich in einen Träger, dessen Kapazität mit 360Kb angegeben war nur 2 Kb versteckte. Das ist aber angeblich nur ein Anzeigefehler in S-Tools selber. Nach dem Abspeichern soll das Steganogramm dem Original um einiges ähnlicher sein. Leider konnte ich das nicht ausprobieren. Das extrahieren der Informationen aus dem Steganogramm ging jedoch sehr einfach und problemlos. Bei jeder WAV-Datei, die ich in das Arbeitsfenster von S-Tools gezogen habe wurde mir mittgeteilt, dass dieser Wave-Typ nicht unterstützt wird, obwohl die Dateien die in der Hilfe geforderten Eigenschaften (Mono, 22050Hz, 8-Bit) erfüllt haben. Dadurh konnte ich die Steganographie mit Audiodateien leider nicht ausprobieren Schwächen Die eingebettete Geheimnachricht ist durch das LSB-Verfahren gegen Foramtwandlungen nicht resistent. Statistische Angriffe auf die LSB-Methode sind recht erfolgreich. 8.3 MP3Stego MP3Stego von Fabien Petitcolas versteckt Textdateien (vom Typ.txt) in eine komprimierte Audiodatei vom ISO-MPEG Audio Layer-Format (MP3). Ein großer Vorteil ist dabei, dass das Trägerformat MP3 sehr weit verbreitet ist. MP3Stego bettet die Informationen dabei während des Kompressionsvorgangs ein. Dazu wird eine modifizierte Version eines Mp3-Kodierungsalgorithmus genutzt, der WAV-Dateien in MP3-Dateien umwandeln kann. MP3Stego verwendet die von einer Musik-CD typischen.wav-datein mit einer Abtastrate von 44100HZ und einer Quantisierungsrate von 16 Bit. Die Datengröße des Trägers wird bei der Kompression um einen Fakter von elf reduziert. Dieser Vorgang ist zwar verlustbehaftet, dennoch bleibt die Klangqualität, durch die bei der MP3-Kompression typische Ausnutzung von psychoakustischen Hörschwächen des menschlichen Gehörs, nahezu unverändert Funktionsweise Die einzubettende Information wird zunächste mit Triple-DES verschlüsselt. Dabei kann der Nutzer ein Passwort festlegen, mit dem der Empfänger die Geheimbotschaft später wieder entschlüsseln kann.

10 8 STEGANOGRAPHISCHE PROGRAMME 10 Abbildung 5: [Wesa] Hier ist eine Vereinfachung der Inneren Schleife der MP3-Komprimierung zu sehen, wie MP3Stego sie benutzt.

11 9 FAZIT 11 Das Einbetten der Informationen findet im Herzen der MP3-Kodierung statt, wo die Quantisierung der einzelnen Blöcke durchgeführt wird. Dabei werden die Blöcke solange quantisiert, bis sie kleiner sind als die maximal zugelassene Blocklänge. Dann wird die Parität der Blocklänge überprüft. Die Parität der Blocklänge soll nämlich dem einzubettenden Bit entsprechen. Ist dies nicht der Fall, so wird ein weiterer Quantisierungsschritt vorgenommen, der die Blocklänge verringert. Eine vereinfachte Darstellung der inneren Schleife ist in Abbildung 5 zu sehen. Die Gesamtgröße der Datei wird durch das Verringern von einigen Blocklängen nicht beeinflusst, da der so gewonnene Speicherplatz dem nächsten Block zur Verfügung gestellt wird Erfahrungen Meine ersten Erfahrungen mit MP3Stego war sehr positiv. Ich habe ein beliebige WAV-Daetei eines Musikstückes gewählt und eine Geheimnachricht im Textformat erstellt. Das Einbetten und Extrahieren klappte sofort. Ich konnte zwischen der Ausgangsdatei im WAV-Format und dem Steganogramm im MP3-Format keinen Unterschied hören. Leider konnte ich diesen Erfolg nicht reproduzieren. Ich habe weitere Einbettungsversuche unternommen, aber das Programm hat die Stenogramme nicht mehr erstellt. Mit einer mitgelieferten WAV-Datei funktionierte es zwar weiterhin, aber der Erfolg blieb bei anderen WAV-Dateien aus. Die Bedienung war sehr einfach, da das Programm sehr überschaubar ist was daraus folgt, dass es vergleichsweise wenige Funktionen bietet. So kann man beispielsweise nicht zwischen unterschiedlichen Verschlüsselungsalgorithmen wählen, oder andere Geheiminformationen als Textdateien in den Träger einbetten. Schade ist, dass ich nicht nachvollziehen kann, warum MP3Stego nicht einwandfrei funktionierte Schwächen Die Geheimnachricht kann von Dritten zerstört werden, indem die MP3-Datei dekomprimiert und neu komprimiert wird. Dadurch entsteht ein Qualitätsverlust und die Nachricht geht verloren. MP3Stego hat eine, mit anderen Programmen verglichen, geringe Kapazität von weniger als 0,1 Prozent. Das macht bei einer MP3-Datei mit einer gewöhnlichen Größe von 4MB lediglich 4kB Geheiminformation. Man kann bei der Analyse von MP3 erkennen von welchem Kodierer sie eventuell stammen. Das bedeutet, dass man relativ einfach einschränken kann welche MP3s mit MP3Stego komprimiert sein können. 9 Fazit Die Steganographie mit Video- und Audiodatein ist auf jeden Fall ein sehr interessantes Gebiet. Es gibt wirklich viele Programme, und Techniken um Dateien zu verstecken. Da das mein erster Kontakt mit Steganographie war, hat es mich sehr überrascht, wie einfach man zum Beispiel relativ große Dateien in WAV-Dateien verstecken kann und wie groß die Kapazität von Bildern ist, ohne dass ein Mensch deutliche Veränderungen wahrnehmen kann. Das Suchen nach Informationen im Internet gestaltete sich allerdings vor allem im Audiosteganographischen Bereich als nicht wirklich einfach. Es gibt zwar viele Quellen, deren Inhalt sich oft decken, aber viele Verfahren werden nur grob beschrieben und Implementierungen von beispielsweise Echo Hiding oder Phase Coding sind nicht zu finden. Auf jeden Fall ist zu erkennen, dass es eine vielzahl an Möglichkeiten gibt Steganographie mit Audiodateien zu betreiben. Es gibt dabei viele Ansätze die man ausprobieren/kombinieren und erweitern kann. Da das Themengebiet so groß und vielfältig ist habe ich mit dieser Ausarbeitung leider nur an der Oberfläche kratzen können. So habe ich die Steganalyse weitestgehend unbetrachtet gelassen. Weitere Techniken für Steganographie mit Audiodateien, wie zum Beispiel Spread Spectrum und Phase Modulation, habe ich nicht beahndelt.

12 LITERATUR 12 Literatur [Ben96] W. Bender. Implementierung eines steganographischen systems am beispiel einer videokonferenz. westfeld/publikationen/andreas.westfeld.gb. pdf, feb [BFH05] Torsten Bölke, Hertel Frank, and Tobias Hoppe. Eignung ausgewählter steganographie-algorithmen für den einsatz in voice over ip. fhertel/arbeiten/ stego/stego.pdf, sep [Not] Mark Noto. Mp3stego: Hiding text in mp3 files. room/ whitepapers/stenganography/550.php. [Pet08] [Wei] [Wesa] Fabien Petitcolas. Mp3stego Alexandra Weikert. Steganographie - eine andere art von verschlüsselung. bildung/kongress/stegano.html. Andreas Westfeld. Detecting low embedding rates. de/ stego/intern/seminar/11 Audio-Video/Detecting low embedding rates.pdf. [Wesb] Andreas Westfeld. F5 - ein steganographischer algorithmus. westfeld/publikationen/westfeld.vis01.pdf. [Wesc] Andreas Westfeld. Techniques for data hiding. sectiona/bender.html.