Курсовая работа «Стеганографические методы скрытия данных в аудиосигналах» (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра вычислительных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Стеганографические методы скрытия данных в аудиосигналах»

Работу выполнила _____________________________________

  (подпись и дата)

Факультет компьютерных технологий и прикладной математики, курс 3

Направление 010300.62 «Фундаментальные информатика и информационные технологии»

Научный руководитель,

д. ф.-м. н., профессор ____________________________________

  (подпись и дата)

Нормоконтролер                                                                                        

к. ф.-м. н., доцент______________________________________

  (подпись и дата)

Краснодар 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……..……………………………………………………………        3

Постановка задачи ……………………………………………………….        5 Формат WAV файла ……………………………………………………..        6 RIFF заголовок ……………………………………………………….        7 WAV заголовок и его структура ……………………………………        8 Заголовок данных …………………………………………………….        9 Звуковые данные ……………………………………………….........        10 Алгоритм сохранения информации в стегоконтейнере ……………….        11 Алгоритм шифрования информации в стегоконтейнер ………….        11 Алгоритм дешифрования информации из стегоконтейнера …….        11 Ограничение на использование данного алгоритма ……………..        12 Программная реализация ………………………………………………..        13 Результаты работы программы …………………………………………        15 Оценка устойчивости разработанного алгоритма к стегоанализу ……        16

Заключение ………………………………………………………………..        19

Список использованной литературы …………………………………....        20

рограммный код ……..………………………………        21

езультаты ………………………………………………        26

ВВЕДЕНИЕ

Стеганография - это наука о скрытой передаче информации путём сохранения в тайне самого факта передачи. Слово «стеганография» происходит от греческих слов «steganos» (секрет, тайна) и «graphy» (запись) и, таким образом, буквально означает «тайнопись», хотя методы стеганографии появились, вероятно, раньше, чем появилась сама письменность (первоначально использовались условные знаки и обозначения).

Как известно, цель криптографии состоит в блокировании несанкционированного доступа к информации путем шифрования содержания секретных сообщений. Стеганография имеет другую задачу, и ее цель – скрыть сам факт существования секретного сообщения. При этом оба способа могут быть объединены и использованы для повышения эффективности защиты информации (например, для передачи криптографических ключей).

За последние годы компьютерная стеганография окончательно превратилась из технического искусства в научную область исследования и приобрела статус самостоятельной прикладной науки, изучающей способы и методы сокрытия секретных сообщений, а также методы раскрытия стеганографических систем.

Особое развитие получили цифровые методы стеганографии в аудиосреде. Скрытие данных в аудиосигналах является особенно перспективным, поскольку слуховая система человека работает в сверхшироком динамическом диапазоне. Слуховая система человека воспринимает более чем миллиард к одному в диапазоне мощности и более чем тысяча к одному в частотном диапазоне. Кроме этого, высокой является и чувствительность к аддитивному флуктуационному (белому) шуму. Отклонения в звуковом файле могут быть выявлены вплоть до одной десятимиллионной (70 дБ ниже уровня внешних шумов).

Несмотря на это, существуют определенные возможности для скрытия информации и в аудиосреде. Хотя слуховая система человека и имеет широкий диапазон, она характеризуется достаточно малым разностным диапазоном. Как следствие, громкие звуки содействуют маскировки тихих звуков. Кроме того, слуховая система человека не способна различать абсолютную фазу, распознавая только относительную.

Подобные особенности слухового аппарата человека позволяют удачно использовать аудиосреду с целью стеганографической защиты конфиденциальной информации.

В рамках настоящей курсовой работы разработан алгоритм преобразования секретной информации, сохраняемой в младших битах, не нарушая соответствующие закономерности (т. е. устойчивый к стегоанализу). Приведены результаты работы алгоритма.

Алгоритм реализован в виде программы на C++ для персонального компьютера.

Постановка задачи

Метод сокрытия информации в наименьших значащих битах широко известен и применяется в большом количестве программных продуктов. Достоинство этого метода – высокий коэффициент использования стегоконтейнера.

Самым простым и часто используемым аудио форматом является - Waveform Audio (Wave, Wav), который разработан корпорациями Microsoft и IBM для хранения несжатой, цифровой звуковой информации. Все данные хранятся в виде 8-ми битовых чисел, расположенных так, чтобы младшая часть данных записывается первой. В заголовочной части извлекаются основные параметры — число каналов, битрейт, число фреймов — на основании которых осуществляется разбор аудиопотока. Wav-файл хранит в себе 1 или 2 канала, каждый из которых кодируется 8, 16, 24 или 32 битами. Последовательность бит, описывающая амплитуду волны в момент времени, называется семплом. Последовательность семплов для всех каналов в определенный момент называется фреймом.

Программный код, рассмотренный нами в приложении А, заключается в том, чтобы распознать область, в которую можно производить запись, пропустив при этом RIFF заголовок, WAV заголовок,  заголовок данных и перейти к звуковым данным. Программа также должна записать файл-сообщение нулями и единицами, и она размещает эти биты поверх самых младших - восьмых битов каждого семпла в звуковом файле. Если ноль или единица файла-сообщения волею случая совпадают с нулём или единицей файла-контейнера, то никаких изменений не происходит. Если же они не совпадают, программа-стеганограф спокойно записывает последний бит так, как ей нужно.

Возьмем произвольный текст в кодировке windows-1251 и зашифруем его в Wav-файл и извлечем его обратно без искажений. Если заменять Байт звука Байтом текста, то мы получим очень сильное искажение звука.
Поэтому наиболее удобно заменять только 1 бит каждого семпла на 1 бит Текста. Такая подмена будет незаметна для слуховой системы человека.

Формат WAV файла

Waveform Audio (Wave, Wav) – является самым простым и часто используемым форматом, который разработан корпорациями Microsoft и IBM для хранения несжатой, цифровой звуковой информации. При дальнейшей обработке из 8-ми битных или 16-ти битных данных Wave-формата,  формируются другие форматы звука, которые в большинстве случаев являются – сжатыми форматами звука – ADPCM, MP3, OGG и другие.

Использование формата WAV является общепринятым, благодаря его простоте и простой структуре, которая в большой степени основана на формате файлов RIFF. Благодаря этому, формат WAV не испытывает притеснения среди различного программного обеспечения или аппаратных плееров, он поддерживает практически везде.

Формат WAV сохраняет звук в своем изначальном виде без сжатия и потерь. Именно поэтому WAV-файлы отличаются впечатляющим качеством звука и зачастую используются на радиостанциях. Например, Радио BBC (BBC Radio) в Соединенном Королевстве использует 44.1 кГц, 16 бит, стерео - аудио данные как стандарт в их системе VCS, система ABC “D-Cart”, которая разработана Австралийским радиовещателем, использует 48 кГц, 16 бит, стерео - аудио данные, что идентично цифровым аудио кассетам (DAT).

Ниже рассмотрим структуру Wav-файлов. При этом нужно учитывать, что все данные хранятся в виде 8-ми битовых чисел, расположенных так, чтобы младшая часть данных записывается первой.

Структура WAV-файла состоит из следующих частей:

RIFF заголовок; WAV заголовок и его структура; Заголовок данных; Звуковые данные;

Таблица 1 - Структура WAV-файла.        

Смещение от начала файла	Длина	Описание
0h	4h	Идентификатор формата ('RIFF')
4h	4h	Длина блока данных (длина файла - 8h)
8h	4h	Идентификатор блока звуковых данных ('WAVE')
0ch	4h	Идентификатор подблока заголовка ('fmt" - с пробелом в конце)
10h	4h	000ch/0010h - длина подблока заголовка
14h	2h	01h - тип формата представления данных
16h	2h	Число каналов (1 - моно, 2 - стерео)
18h	2h/4h	Частота дискретизации, Гц
1ah/1ch	2h/4h	Скорость передачи данных, байт/с (произведение числа каналов, частоты дискретизации и разрядности в байтах)
1ch/20h	2h	Число байт для представления одного отсчета (1 - 8 бит моно, 1 - 16 бит стерео)
1eh/22h	2h	Разрядность, бит (8, 16)
20h/24h	4h	Идентификатор подблока данных ('data')
24h/28h	4h	Длина звуковых данных
28h/2ch	Звуковые данные

RIFF заголовок

Вначале идет заголовок RIFF файла. Он описан следующим образом: