Die versteckte Kommunikation

Transkript

1 Die versteckte Kommunikation Techniken der Steganographie Marcus Nutzinger Institut für IT-Sicherheitsforschung Fachhochschule St. Pölten IT-Security Community Xchange November 2009

2 Einführung Me, myself, and I Studium Telekommunikation und Medien Mitarbeiter im Institut für IT-Sicherheitsforschung Projekt StegIT Nebenberuflicher LB im Studiengang IT-Security

3 Einführung Abgrenzung zur Kryptographie Kryptographie Wissenschaft der Verschlüsselung Schutz von geheimen Informationen Übertragung offensichtlich Steganographie Wissenschaft der verdeckten Kommunikation Verschleierung der Existenz von geheimen Informationen

4 Einführung Abgrenzung zum Watermarking Steganographie Geheime Information unabhängig von Träger Soll nicht entdeckt werden Watermarking Zusätzliche Information zu Träger (Autor, Eigentümer) Existenz kann bekannt sein Robustheit steht im Vordergrund Information Hiding Überbegriff für Einbettung von Informationen in Trägermedien

5 Einführung Technische Steganographie Einbettung von geheimen Daten... in Trägermedien... unter Verwendung bestimmter Algorithmen Trägermedien Bilder Musik Videos Algorithmen zur Einbettung Manipulation im digitalen oder analogen Bereich Vertauschen von Bits Verändern von Signaleigenschaften

6 LSB Hiding Grundlagen Digitales Verfahren Letztes Bit pro Byte des Trägermediums wird geändert Bit Repräsentation der geheimen Daten Synchronisation mit Empfänger wichtig Träger = 0x2c = 0x3a = 0xcb = 0x = 0xa = 0x1a = 0x1b = 0x95 A (0x41) eingebettet = 0x2c = 0x3b = 0xca = 0x = 0xa = 0x1a = 0x1a = 0x95

7 LSB Hiding Dateiformate Verlustfreie Komprimierung des Trägermediums wichtig WAV, BMP, GIF kein MP3, JPG da Kompression LSBs weitgehend zerstört Möglichkeit: Einbettung nach Kompression Farbraumumrechnung, DCT (invertierbar) Datenreduktion durch Quantisierung Entropiekodierung: Zeichen Bits

8 LSB Hiding Beispiel LSB/MSB Hiding in BMP, abwechselnd 0- und 1-bit Visuell nicht erkennbar Statistische Analyse der letzten Bits

9 LSB Hiding Erkenntnisse Analog/Digital Wandlung zerstört geheime Information Fotographie, Resampling,... Existenz geheimer Information statistisch nachweisbar Angreifer kann Kommunikation einfach stören Ändern von LSBs Abhilfen Verschlüsselung der geheimen Information Zufälliges Auswählen von Bytes zur Manipulation

10 Echo Hiding Grundlagen Erzeugung von Echos in einem Signal Verzögerung bestimmt das zu versteckende Bit Synchronisation mit Empfänger wichtig Wichtige Parameter

11 Echo Hiding Exkurs: Cepstrum Neue Transformationsebene, eingeführt 1963 Spektrum des logarithmierten Frequenzspektrums Funktion der Quefrency, Dimension entspricht Variable der ursprünglichen Funktion Vorteil: log des Frequenzspektrums Trennung von Originalsignal und Echo Berechnung

12 Echo Hiding Exkurs: Cepstrum Analyse von Sinus ohne und mit Echo 400 Werte, Verzögerung: 50

13 Echo Hiding Erstellung von Echos Zeitbereich: Verzögertes hinzuaddieren einer abgeschwächten Kopie des Originalsignals

14 Echo Hiding Erkennung von Echos Cepstrum Berechnung Hilfsmittel zur Detektion von Echos Echos treten als Signalspitzen im Cepstrum auf

15 Echo Hiding Erstellung von Echo v2 Cepstrum Ebene: Hinzufügen von Signalspitze bei gewünschter Verzögerung Brutale Methode

16 Echo Hiding Beispiel Signal mit Echo, delay = 1.25ms, decay = 0.3

17 Echo Hiding Beispiel Cepstrum Einheit: Samples, f s = 8000Hz Pro Sample: s = 0.125ms Erwartete Signalspitze (1.25ms) bei 10

18 Echo Hiding Erkenntnisse Beeinträchtigung der Audioqualität Lange Verzögerung Geringe Abschwächung Erkennung ungenau, stark von Originalsignal abhängig Signalpausen bieten keine Möglichkeit, Echo zu erstellen Angreifer kann Übertragung stören Rauschen Detektion und Subtraktion von Echos Abhilfen Erstellung des Echos im Cepstrum (hörbar) Einsatz von mehreren Echos (teilweise hörbar)

19 Spread Spectrum Grundlagen Prinzip Verfahren aus Militärbereich Einsatz bei UTMS und GPS (CDMA) Schmalbandiges Signal wird auf große Bandbreite aufgespreizt Signal verschwindet im Rauschen Nur mit Code wieder extrahierbar

20 Spread Spectrum Aufspreizen Repräsentation jedes Datenbits als Folge von Chips Erzeugung von Zufallsfolgen mittels LFSR Antipodales Spread Spectrum: 0-bit: 1001, 1-bit: 0110

21 Spread Spectrum Exkurs: LFSR Beispiel Rückgekoppeltes Schieberegister Erzeugung von Zufallsfolgen Länge, Output abhängig von Registerlänge, Rückkopplung Optimal: m-folge L = 2 n 1, danach Wiederholung m-folge:

22 Spread Spectrum Sender Erzeugung Sinus Signal, etwa Bandmitte Parameter: Abtastpunkte Modulation der Chipfolge auf Sinusträger mittels PSK Sinus Chipfolge

23 Spread Spectrum Exkurs: PSK Phasenmodulation, digitale Version: PSK Änderung im Datensignal Phasenänderung bei Trägersignal BPSK zwei Zustände +90 Phase: Chip 0, 90 Phase: Chip Phasenunterschied gute Erkennbarkeit

24 Spread Spectrum Sender PSK Signal Parameter: Schwingungen pro Chip Nächster Schritt Addition von Originalsignal und PSK Signal Parameter: Amplitude < kleinste Amplitude im Originalsignal

25 Spread Spectrum Sender Beispiel

26 Spread Spectrum Empfänger Prinzip Extrahieren der Chipfolge durch... Mischung von Audiosignal in Ursprung... Filterung um 0Hz, doppelte Frequenzanteile entfernen

27 Spread Spectrum Empfänger BPSK Signal Mischung mit Sinus Gefiltertes Signal

28 Spread Spectrum Empfänger Beispiel

29 Spread Spectrum Empfänger Analyse Gefiltertes Signal wird Chip für Chip ausgewertet Center-Point Matching Korrelation mit Chipfolge 0 oder 1: Irrelevant wegen antipodalem System Synchronisation wichtig Prinzip Korrelation Chip "0" gefiltertes Signal Korrelation Chip "1"

30 Spread Spectrum Ergebnisse Große Parameteranzahl erschwert Angriff Chips pro Bit Sinus Amplitude... Schwer störbar, Signal bereits im Rauschen Schwer auffindbar Lange Chipfolgen kleinere Amplitude für PSK Signal robuster, unauffälliger Aber niedrige Datenrate

31 Fazit LSB Hiding Einfaches aber sehr unsicheres Verfahren, leicht störbar Echo Hiding Komplexer als LSB Hiding, bietet dennoch Angriffsfläche, ist vom Originalsignal abhängig und eventuell hörbar Spread Spectrum Robustes Verfahren, schwer zu entdecken und zu stören, größter Aufwand, geringe Datenrate