Leynd gagnasöfn innan myndskráa

Hefðbundin dulritun miðar að því að hylja sjálfa merkingu skilaboðanna. Launritun (e. steganography) leitast hins vegar við að fela þá staðreynd að nokkur skilaboð séu yfirleitt til staðar.

Myndskrá kann að virðast vera hversdagsleg landslagsmynd, en geyma engu að síður:

• texta í lýsigögnum,
• ZIP-kippuskrá aftan við myndgögnin,
• skilaboð sem leynast í einni litrás,
• liti sem hvíla í algerlega gegnsæjum dílum,
• bita sem sætt hafa lítilfjörlegum breytingum í sérhverjum díl,
• viðauka sem sérstök launritunarverkfæri fá skorið út.

Í þessum kafla munum við beina sjónum okkar að viðfangsefnum úr gagnaglímum og tilbúnum myndskrám. Við skulum ætíð hefja leikinn á einföldum prófunum, fremur en að ræsa fjölmörg launritunarverkfæri samtímis.

Hvar gætu gögnin verið?

Giftudrjúgt er að hefja rannsóknina á eftirfarandi hátt:

file mynd.png
exiftool mynd.png
xxd -l 32 mynd.png
strings -n 8 mynd.png

Við skulum leggja eftirfarandi spurningar fyrir okkur:

1. Fellur skráarendingin sannanlega að skráarsniðinu?
2. Lúta athugasemdir eða óvenjuleg lýsigögn þar í leyni?
3. Hýsir skráin viðbótargögn eða framandi skráarauðkenni?
4. Er myndin óhóflega umfangsmikil miðað við upplausn hennar?
5. Er þar alfa-rás eða sértækri litrás fyrir að fara?
6. Varpar lýsing verkefnisins ljósi á meðferð bita, lita, gagnsæis eða gagnasviða?

Launritun telst aðeins til einnar af mörgum mögulegum tilgátum. Innan ramma margra byrjendaverkefna reynist „leynd mynd“ iðulega vera ZIP-kippuskrá sem skeytt hefur verið aftan við PNG-skrá, eða hreinlega texti í Comment-reitnum.

Æfing: hvaða feluaðferð?

Litrásir

Litrásir (e. colour channels) hlutast til um að aðgreina þau tölugildi sem skipa liti eða aðra eiginleika myndar. Innan RGB-myndar skartar sérhver díll að jafnaði þremur litgildum:

R = rautt
G = grænt
B = blátt

RGBA-sniðið bætir svo við hinni svokölluðu alfa-rás, sem hefur það hlutverk að stýra gagnsæi.

Díll = (R, G, B, A)

Skilaboð kunna að vera deginum ljósari í einni tiltekinni rás, en hverfa sjónum okkar hvenær sem rásirnar blandast saman í eina heild.

Rásaaðskilnaður með tilstyrk ImageMagick

magick mynd.png -channel R -separate nidurstodur/raud.png
magick mynd.png -channel G -separate nidurstodur/graen.png
magick mynd.png -channel B -separate nidurstodur/bla.png

Alfa-rás:

magick mynd.png -alpha extract nidurstodur/alfa.png

Okkur er fært að auka birtuskil á nýrri niðurstöðumynd:

magick nidurstodur/bla.png -auto-level nidurstodur/bla-skyr.png

Æfing: hvaða rás?

G er ekki bara fyrir grænt — það geymir svarið.

magick mynd.png -channel G -separate nidurstodur/graen.png

magick nidurstodur/graen.png -auto-level nidurstodur/graen-skyr.png

Gagnsæir dílar geta hýst litagildi

Gildið 0 í alfa-rás gefur að jafnaði til kynna að díllinn telst fyllilega gegnsær. RGB-litagildin geta hins vegar hæglega verið fyrir hendi:

(255, 0, 0, 0)

Myndvinnsluforrit munu síst af öllu sýna okkur nokkurn rauðan díl sökum alfa-gildisins, þrátt fyrir að hin hráu litgildi beri þess vitni að þar sé rautt á ferð. Höfundur gagnaglímuverkefnis getur þannig teiknað skilaboð með RGB-gildum einum saman og hulið þau sjónum okkar með tilstyrk alfa-rásarinnar.

Ein leið til þess að láta alfa-rásina sem vind um eyru þjóta er að varpa myndinni fram á kunnuglegum bakgrunni eða rýna í litrásirnar hverja fyrir sig. Með ImageMagick-verkfærinu er okkur til að mynda fært að þurrka út alfa-rásina á hvítum bakgrunni:

magick mynd.png -background white -alpha remove -alpha off nidurstodur/an-alfa.png

Slík aðferð færir okkur þó síst af öllu ávallt þau RGB-gildi sem dulið var undir fyllstu gagnsæi á þann hátt sem okkur er hugleikið. Rásaaðskilnaður eða hnitmiðað Python-forrit færir okkur hins vegar mun nákvæmari stjórn á viðfangsefninu.

Sýnidæmi með Pillow

Eftirfarandi dæmi þarf Python-safnið Pillow:

from PIL import Image

mynd = Image.open("mynd.png").convert("RGBA")

for i, (r, g, b, a) in enumerate(mynd.getdata()):
    if a == 0 and (r, g, b) != (0, 0, 0):
        print(i, r, g, b)

Forritinu er ætlað að hafa uppi á dílum sem teljast fyllilega gegnsæir en hýsa engu að síður tiltekin litagildi. Það sannar ekki að þau myndi skilaboð, en gefur okkur mælanlega vísbendingu.

Gildislægsti bitinn

Sérhvert litgildi er iðulega skipað tölu á bilinu 0 til 255, sem jafngildir átta bitum. Gildislægsti bitinn (e. least significant bit, LSB) er sá biti sem skipar sér lengst til hægri og hefur því minnst áhrif á sjálfa töluna.

200 = 11001000
201 = 11001001
               ↑ aðeins síðasti bitinn breyttist

Hversdagslegum rannsakanda reynist jafnan þrautin þyngri að greina breytingu á rauðu litgildi úr 200 yfir í 201. Hins vegar getur þessi síðasti biti hæglega hýst annaðhvort 0 eða 1. Takist okkur að safna saman einum bita úr fjölmörgum dílum, getum við hæglega mótað úr þeim heilt bæti og í kjölfarið ritað texta.

Sýnidæmi: eitt bæti í átta gildum

Rauðu gildin eru:

100, 101, 102, 104, 106, 108, 110, 111

Við skulum láta okkur nægja að rýna í sjálfan lokabitann, eða sem jafngildir því, kanna hvort um slétta tölu eða oddatölu sé að ræða:

100 → 0
101 → 1
102 → 0
104 → 0
106 → 0
108 → 0
110 → 0
111 → 1

Bitarnir verða:

01000001

Það er 0x41, ASCII-stafurinn A.

Æfing: lestu LSB

120, 121, 122, 125, 126, 128, 131, 133

120 → 0
121 → 1
122 → 0
125 → 1
126 → 0
128 → 0
131 → 1
133 → 1

01010011

Lesum LSB með Python

Pillow-forritasafnið gerir okkur kleift að rýna í sérhvern díl fyrir sig. Þetta dæmi les gildislægsta bita rauðu rásarinnar og reynir að mynda bæti:

from PIL import Image

mynd = Image.open("mynd.png").convert("RGB")
bitar = "".join(str(r & 1) for r, g, b in mynd.getdata())

baeti = bytes(
    int(bitar[i : i + 8], 2)
    for i in range(0, len(bitar) - 7, 8)
)

# Í kennsludæminu lýkur skilaboðunum á núllbæti.
skilabod = baeti.split(b"\x00", 1)[0]
print(skilabod)

Hér er byggt á fjölmörgum forsendum:

• að stuðst sé við hina rauðu litrás,
• að rannsóknin hefjist við fyrsta díl myndarinnar,
• að bitarnir séu rýndir í þessari tilteknu röð,
• að átta bitar skipi hvert bæti frá vinstri talið,
• að núllbætið (e. null byte) gefi til kynna lok skilaboðanna.

Vísbendingar gagnaglímunnar verða að renna stoðum undir þessar forsendur, að öðrum kosti skulum við láta reyna á nokkrar kerfisbundnar útfærslur og færa þær til bókar.

Bitaplön

Í stað þess að einskorða rannsóknina við sjálfan lokabitann, reynist okkur unnt að varpa sérhverju bitasæti fram sem sjálfstæðri svarthvítri mynd. Mynd af því tagi nefnist iðulega bitaplan (e. bit plane).

Fyrir átta bita litgildi höfum við plan 0 til 7:

plan 7: gildishæsti bitinn — sá sem mestu ræður um útlit myndarinnar
...
plan 0: gildislægsti bitinn — sá sem síst hefur áhrif á sjónræna myndina

Falin teikning eða texti getur orðið greinilegur í plani 0 eða 1 þótt venjulega myndin líti eðlilega út.

Veftól eins og StegOnline geta sýnt litrásir og bitaplön. Vinsamlegast gætið þess að deila síst persónulegum eða viðkvæmum myndum með utanaðkomandi aðilum; látið ykkur nægja að styðjast við gögn úr gagnaglímum sem óhætt telst að miðla.

Sérhæfð verkfæri

zsteg

Verkfærið zsteg annast skipulega leit að kunnuglegum bitamynstrum innan PNG- og BMP-skráa:

zsteg mynd.png

Viðamikil eftirleit:

zsteg -a mynd.png

Stillingin -a getur hæglega skilað talsverðu suði og tilviljunarkenndum textabrotum. Við skulum því beina sjónum okkar að niðurstöðum sem:

• falla að vísbendingum verkefnisins,
• hýsa trúverðug skráarauðkenni,
• mynda samfelldan texta eða gilt skráarsnið,
• reynast unnt að endurtaka með nákvæmri tilgreiningu á zsteg-stillingum.

steghide

Verkfærið steghide býður upp á þann möguleika að hylja gögn innan tiltekinna JPEG-, BMP-, WAV- og AU-skráa.

Upplýsingar:

steghide info mynd.jpg

Útdráttur með lykilorði sem verkefnið gefur:

steghide extract -sf mynd.jpg -p eldfjall

Við skulum rita hin útdregnu gögn í viðeigandi verkefnismöppu og rýna í þau með file-skipuninni löngu áður en freistað er opnunar.

Aperi’Solve og StegOnline

• Aperi’Solve keyrir mörg greiningartól og sýnir rásir.
• StegOnline reynist okkur giftudrjúgt við rannsóknir á litrásum, bitoplönum og hversdagslegum útdrætti gagna.

Þessi verkfæri reynast vissulega vel til þess að vísa veginn, en vönduð úrlausn okkar verður ætíð að gera grein fyrir því hvaða niðurstaða það var sem máli skipti og hvaða rök hvíldu þar að baki.

Verkfærafrálag er ekki sjálfkrafa fáni

Víð leit getur fundið orð eins og:

pass
key
PNG
admin

innan um tilviljunarkennd bæti. Okkur ber að færa sönnur á frambjóðandann með því að:

1. endurtaka nákvæmlega sjálfan útdráttinn,
2. rýna í bætaröð eða sjálft skráarauðkennið,
3. vitja innihaldsins með viðeigandi verkfæri,
4. leggja mat á það með hliðsjón af lýsingu og fánasniði,
5. kanna hvort niðurstaðan vísi okkur með eðlilegum hætti að næsta gagnasviði.

Æfing: hvaða niðurstöðu treystum við?

b1,r,lsb,xy  .. text: "key"
b1,b,lsb,xy  .. file: Zip archive data
b3,g,msb,yx  .. text: "Aq!9"

b1,b,lsb,xy .. file: Zip archive data

Myndstærðir og hnökrar í skráarhausum

Skráarhaus myndar hýsir iðulega upplýsingar um breidd, hæð og aðra veigamikla þætti. Innan ramma gagnaglímunnar getur höfundur hæglega gripið til þess að:

• tilgreina ranga hæð svo neðri hluti myndarinnar hvíli í leynd,
• valda skemmdum á einu staku bæti í sjálfu skráarauðkenninu,
• skeyta viðbótargögnum aftan við sjálft endamerkið,
• nýta sér framandi litategund eða hljóðrás.

Við byrjum á:

file mynd.png
magick identify mynd.png
pngcheck -v mynd.png

Reynist skráarhausinn gallaður, skulum við einvörðungu gera breytingar á nýju afriti og færa nákvæmlega til bókar hvaða bæti það var sem tók breytingum. Við skulum forðast að láta reyna á handahófskenndar stærðir í þeirri von einni að fáni birtist, nema því aðeins að verkefnið færi okkur skýra vísbendingu þar um.

Lokaverkefni: mynd sem hvíslar

magick mynd.png -channel B -separate nidurstodur/bla.png

magick mynd.png -alpha extract nidurstodur/alfa.png

Samantekt

Í þessum kafla lærðum við að:

• launritun hlutast til um að dylja sjálfa tilvist upplýsinganna á meðan dulritun beinist að því að hylja merkingu þeirra,
• ríkt er lagt upp úr því að hversdagsleg lýsigögn og viðbótargögn hljóti forgang löngu áður en lagt er í viðameiri bitaleit,
• RGB- og alfa-rásir geta hæglega varpað fram gerólíkum mynstrum,
• díll sem telst gegnsær getur engu að síður hýst tiltekin RGB-litagildi,
• gildislægsti bitinn hróflar síst við sjónrænum lit myndarinnar en getur þó hýst einn stakan gagnabita,
• bitaplön búa yfir þeim eiginleika að gera sérhvert bitasæti sýnilegt rannsakandanum,
• verkfæri á borð við zsteg, steghide, StegOnline og Aperi’Solve teljast til hjálpartóla en síst til staðgengla fyrir vandaða staðfestingu gagna,
• skráarhausar mynda og stærðartilgreiningar þeirra geta verið gallaðar af ásettu ráði,
• við skulum ætíð nýta vísbendingar verkefnisins við val á litrás, bitaröð og viðeigandi verkfærum,
• okkur ber að forðast að miðla viðkvæmum myndskrám til utanaðkomandi vefþjónustna.

Í eftirfarandi kafla munum við kveðja myndskrárnar og beina sjónum okkar að hljóði: þar munum við fjalla um bylgjuform, tíðni, rófsrit (e. spectrograms), DTMF-tóna og Morse-merki.