Týždeň 3 – Cvičenie: Ukry správu a potom ju nájdi

Krok 1: Priprav si prostredie

Potrebuješ Python a jednu knižnicu na prácu s obrázkami.

pip install pillow

from PIL import Image
Image.open("fotka.jpg").convert("RGB").save("nosic.png")

Poznámka: Formát PNG je dôležitý. Uchováva každý bod presne tak, ako bol. Prečo to je podstatné, uvidíš v poslednom kroku.

Krok 2: Pozri sa, čo o tebe vie obyčajná fotka

Skôr než začneš niečo ukrývať, pozri sa, čo je v tom súbore už teraz.

from PIL import Image
from PIL.ExifTags import TAGS, GPSTAGS

img = Image.open("fotka.jpg")
exif = img.getexif()

for tag_id, value in exif.items():
    print(TAGS.get(tag_id, tag_id), "=", value)

gps = exif.get_ifd(0x8825)
for tag_id, value in gps.items():
    print("GPS", GPSTAGS.get(tag_id, tag_id), "=", value)

Upozornenie: Toto nie je steganografia. Je to opak — údaje, ktoré tam niekto uložil otvorene a ty si o tom nevedel. Práve preto je forenzná analýza metaúdajov jednou z metód steganalýzy. Často odhalí nezrovnalosť skôr, než sa niekto vôbec pozrie na samotný obsah.

Krok 3: Ukry správu najhrubším možným spôsobom

Najjednoduchšia technika vôbec — správu jednoducho pripojíš na koniec súboru. Prehliadač obrázkov prestane čítať tam, kde sa obrázok končí, a zvyšok ignoruje.

with open("nosic.png", "rb") as f:
    data = f.read()

with open("hruby.png", "wb") as f:
    f.write(data + b"TAJNA SPRAVA: stretnutie o 18:00")

A teraz sa postav na druhú stranu a správu nájdi:

with open("hruby.png", "rb") as f:
    data = f.read()

print(data[-60:])

Poznámka: Táto technika má neobmedzenú kapacitu a nulovú nedetegovateľnosť. Nájde ju ktokoľvek, kto sa na súbor pozrie čímkoľvek iným než prehliadačom obrázkov. Je to presne ten kompromis, o ktorom bola reč na prednáške.

Krok 4: Ukry správu metódou LSB

Teraz to isté poriadne. Správu zapíšeš do najmenej významných bitov jednotlivých farebných zložiek.

from PIL import Image

def ukry(vstup, vystup, sprava):
    img = Image.open(vstup).convert("RGB")
    bity = "".join(format(b, "08b") for b in sprava.encode("utf-8"))
    bity += "00000000" * 3          # znacka konca spravy
    pixely = list(img.getdata())
    if len(bity) > len(pixely) * 3:
        raise ValueError("sprava je prilis dlha pre tento nosic")
    novy, i = [], 0
    for r, g, b in pixely:
        kanaly = [r, g, b]
        for k in range(3):
            if i < len(bity):
                kanaly[k] = (kanaly[k] & ~1) | int(bity[i])
                i += 1
        novy.append(tuple(kanaly))
    img.putdata(novy)
    img.save(vystup)

ukry("nosic.png", "stego.png", "Stretnutie o 18:00 pri hlavnej brane")

A extrakcia:

from PIL import Image

def najdi(vstup):
    img = Image.open(vstup).convert("RGB")
    bity = ""
    for r, g, b in img.getdata():
        for k in (r, g, b):
            bity += str(k & 1)
    bajty = [bity[i:i+8] for i in range(0, len(bity) - 7, 8)]
    vysledok = bytearray()
    nuly = 0
    for b in bajty:
        hodnota = int(b, 2)
        if hodnota == 0:
            nuly += 1
            if nuly == 3:
                break
        else:
            nuly = 0
            vysledok.append(hodnota)
    return vysledok.decode("utf-8", errors="replace")

print(najdi("stego.png"))

Krok 5: Over, či je to naozaj nedetegovateľné

Voľným okom si rozdiel nenašiel. To ale neznamená, že tam nie je.

from PIL import Image

a = list(Image.open("nosic.png").convert("RGB").getdata())
b = list(Image.open("stego.png").convert("RGB").getdata())

zmenene = sum(1 for x, y in zip(a, b) if x != y)
print("zmenenych bodov:", zmenene, "z", len(a))
print("maximalny rozdiel:", max(abs(p - q) for x, y in zip(a, b) for p, q in zip(x, y)))

Teraz sa pozri na štatistiku posledných bitov. V bežnej fotografii je posledný bit prakticky náhodný šum. Po vložení správy sa jeho rozloženie zmení.

from PIL import Image

def pomer_jednotiek(subor, kolko=200000):
    data = list(Image.open(subor).convert("RGB").getdata())[:kolko]
    bity = [k & 1 for p in data for k in p]
    return sum(bity) / len(bity)

print("povodny:", round(pomer_jednotiek("nosic.png"), 4))
print("stego:  ", round(pomer_jednotiek("stego.png"), 4))

Poznámka: Toto je presne štatistická steganalýza, o ktorej bola reč na prednáške. Všimni si, že si nepotreboval poznať kľúč ani prečítať správu. Stačilo zistiť, že tam niečo je — a tým je metóda považovaná za prelomenú.

Krok 6: Znič správu tak, ako to urobí bežná aplikácia

Nakoniec si over robustnosť. Ulož stegomédium do formátu so stratovou kompresiou — presne to, čo s obrázkom urobí väčšina služieb, ktorými ho pošleš.

from PIL import Image
Image.open("stego.png").save("stego.jpg", quality=90)
Image.open("stego.jpg").save("stego_spat.png")
print(najdi("stego_spat.png")[:60])