2.3. Сетевая стеганография

Информационный обмен в глобальных сетях открыл массу возможностей для скрытой связи. Сообщения могут скрываться не только в файлах, как в традиционной стеганографии, но и в элементах управления протоколов связи и в результатах изменения логики протокола.

Сетевая стеганография в качестве носителей секретных данных использует сетевые протоколы эталонной модели «OSI» — сетевой модели взаимодействия открытых систем. В общем виде — это семейство методов модификации данных в заголовках сетевых протоколов и в полях полезной нагрузки пакетов, изменения структуры передачи пакетов в том или ином сетевом протоколе (иногда и в нескольких сразу).

Общей чертой всех методов сетевой стеганографии является создание с их помощью скрытых каналов передачи информации в любом открытом канале, в котором есть некая избыточность. Методы сетевой стеганографии можно разделить на три группы:

1. Методы модификации пакетов:

? методы, изменяющие данные в полях заголовков сетевых протоколов;

? методы, изменяющие данные в полях полезной нагрузки пакетов — это всевозможные алгоритмы водяных знаков, речевых кодеков и прочих стеганографических техник по сокрытию данных;

? методы, объединяющие два предыдущих класса.

2. Методы стеганографии, изменяющие структуру и параметры передачи пакетов:

? методы, в которых изменяется порядок следования пакетов;

? методы, изменяющие задержку между пакетами;

? методы, вводящие преднамеренные потери пакетов путём пропуска порядковых номеров у отправителя;

3. Смешанные (гибридные) методы стеганографии, изменяющие и содержимое пакетов, и сроки доставки пакетов, и порядок их передачи. При этом используются два подхода: преднамеренные задержки аудио пакетов «LACK» (англ. Lost Audio Packets) и ретрансляция пакетов «RSTEG» (англ. Retransmission Steganography).

Метод модификации сетевых пакетов «TranSteg» (англ. Transcoding Steganography), изменяющий полезную нагрузку «VoIP»-пакета, пользуется успехом за счёт популярности программ, обеспечивающих голосовую и видеосвязь через Интернет.

Как следует из названия, метод заключается в сжатии полезной нагрузки сетевого пакета за счёт перекодирования, и может применяться везде, где существует возможность сжатия открытых данных. Само сжатие требуется для ограничения размера передаваемых данных, поскольку скрытый канал связи имеет ограниченную пропускную способность.

«TranSteg» также проводит пересжатие исходных данных с потерями, чтобы освободить место под стеганограмму. Голосовые данные высокого битрейта (занимающие больше места в полезной нагрузке пакета) перекодируются в низкий битрейт, по возможности, с минимальными потерями качества, а на освободившееся место вносятся данные стеганограммы.

Метод позволяет получить неплохую стеганографическую пропускную способность в 32 кб/с при наименьшей разнице в битрейте голосового потока. Учёные Варшавского технологического университета и института телекоммуникаций провели ряд экспериментов, которые показали, что задержка в передаче «VoIP» пакета с использованием «TranSteg» возрастает на 1 миллисекунду в отличие от пакета без стеганограммы.

Сложность обнаружения напрямую зависит, например, от места расположения наблюдателя, в котором он может просматривать «VoIP»-трафик. К недостаткам данного метода стоит отнести сложность его реализации: нужно выяснить, какие кодеки используются для формирования голосового потока, и подобрать кодеки с наименьшей разницей потери качества речи, которое неизбежно будет снижаться.

В качестве примера второго класса методов рассмотрим использование механизмов «SCTP» (англ. Stream control transport protocol — транспортный протокол с контролем пакетов). Этот протокол реализуется в таких операционных системах как «BSD», «Linux», «HP-UX» и «SunSolaris», а также поддерживает сетевые устройства операционной системы «CiscoIOS» и может быть использован в «Windows». «SCTP»-стеганография использует характерные особенности данного протокола, такие как мультипоточность и использование множественных интерфейсов (англ. multi-homing).

Методы изменения содержимого «SCTP»-пакетов основаны на том, что каждая часть «STCP»-пакета может иметь переменные параметры. Обнаружение данного метода строится на основе статистический анализ адресов сетевых карт, используемых для пересылки пакетов, с целью выявления скрытых связей. Бороться же с организацией скрытого канала передачи, основанном на этом принципе, можно изменяя адреса отправителя и получателя в случайно выбранном пакете, который содержится в повторно высылаемом блоке.

Метод «RSTEG» основан на механизме повторной посылки пакетов. Отправитель посылает пакет, но получатель не отвечает пакетом с флагом подтверждения. Срабатывает механизм повторной посылки пакетов, и теперь посылается пакет со стеганограммой внутри, на который также не приходит подтверждения. При следующем срабатывании данного механизма посылается оригинальный пакет без скрытых вложений, на который приходит пакет с подтверждением об удачном получении.

Ни один из реальных методов стеганографии не является совершенным. Независимо от метода, скрытая информация может быть обнаружена: чем больше скрытой информации внесено в поток данных, тем больше шансов, что она будет обнаружена методами стегоанализа. Более того, чем больше пакетов используется для посылки скрытых данных, тем сильнее возрастает частота ретранслированных пакетов, что существенно облегчает обнаружение скрытого канала связи.

К тому же, потери пакетов в сети тщательно контролируются, а «RSTEG» использует легальный трафик, таким образом увеличивая общие потери. Чтобы убедиться, что общая потеря пакетов в сети нормальна и доля «RSTEG» не слишком высока по сравнению с другими соединениями в той же сети, уровень ретрансляции в целях стеганографии должен контролироваться и динамично адаптироваться.

Метод стеганографии с использованием ретрансляции пакетов «RSTEG» является гибридным. Поэтому его стеганографическая пропускная способность примерно равна пропускной способности методов с модификацией пакета, и при этом выше, чем у методов изменения порядка передачи пакетов. Сложность обнаружения и пропускная способность напрямую связана с используемым механизмом реализации метода.

Метод «RSTEG» на основе «RTO» (англ. Recovery Time Objective — директивное время восстановления) характеризуется высокой сложностью обнаружения и низкой пропускной способностью, а тот же метод на основе «SACK» (англ. Selective acknowledgment — выборочное подтверждение) обладает максимальной для «RSTEG» пропускной способностью, но более легко обнаруживается.

Метод «RSTEG» хорошо подходит для «TCP/IP» и при разумном уровне преднамеренных ретрансляций не должен вызвать подозрений у наблюдателя. Но данный метод весьма сложно реализовать, особенно те его алгоритмы, которые основаны на перехвате и исправлении пакетов обычных пользователей. Из-за резко возросшей частоты ретранслируемых пакетов или возникновения необычных задержек при передаче, стеганограммы могут вызвать подозрения у стороннего наблюдателя.

Метод «LACK» работает с протоколом «VoIP». Связь через «IP»-телефонию состоит из двух частей: сигнальной (служебной) и разговорной. В обеих частях происходит передача информации в обе стороны. Для передачи используется сигнальный протокол «SIP» (англ. Session Initiation Protocol — протокол установления сеанса) и «RTP» (англ. Real-time Transport Protocol — протокол трафика реального времени, собственно — разговора).

Это значит, что в течение сигнальной фазы вызова конечные точки «SIP» (так называемые «пользовательские SIP-агенты») обмениваются некоторыми «SIP»-сообщениями. Обычно «SIP»-сообщения проходят через «SIP»-серверы, что позволяет пользователям искать и находить друг друга. После установления соединения начинается фаза разговора, где аудио-поток «RTP» идёт в обоих направлениях между вызывающим и вызываемым.

И именно здесь эффективен метод «LACK». Пропускная способность его не меньше, а иногда и выше, чем у остальных алгоритмов, использующих аудио-пакеты. Принцип функционирования «LACK» выглядит следующим образом.

Передатчик выбирает один из пакетов голосового потока, и его полезная нагрузка заменяется битами секретного сообщения — стеганограммой, которая встраивается в один из пакетов. Затем выбранный пакет намеренно задерживается. Каждый раз, когда чрезмерно задержанный пакет достигает получателя, незнакомого со стеганографической процедурой, он отбрасывается.

Однако, если получатель знает о скрытой связи (именно ему адресована стеганограмма), то вместо удаления полученных «RTP»-пакетов он извлекает скрытую информацию. При намеренном вызове потерь возникает ухудшение качества связи, что может вызвать подозрение как у обычных пользователей, так и у прослушивающего наблюдателя.

Исходя из представленных результатов стегоанализа метода «LACK», можно заключить, что данный метод обладает средней сложностью обнаружения. Реализация метода слишком сложна, и может быть невозможна в пределах некоторых операционных систем.

Сравним все методы стеганографии по пропускной способности, сложности обнаружения, стоимости и сложности реализации. Например, самой высокой пропускной способностью обладает метод «TranSteg», а самой высокой сложностью обнаружения — «HICCUPS». При этом «HICCUPS» обладает наименьшей сложностью реализации, и находится на третьем месте по пропускной способности, что позволяет рассматривать его как фаворита.

Необходимо также учитывать, что характеристики находятся в самой тесной взаимосвязи. Так, например, сложность обнаружения будет напрямую зависеть от качества реализации, а следовательно — сложности реализации.

«HICCUPS» (англ. HIdden Communication system for Corrupted Networks — стегосистема для поврежденных сетей) — система с распределением полосы пропускания для сетей с разделяемой средой передачи данных. «HICCUPS» использует несовершенства среды передачи — шумы и помехи, которые являются естественными причинами искажения данных.

Сети с разделяемой средой передачи данных, в особенности локальные сети с шинной топологией, используют различные механизмы доступа к среде, например, «CSMA» (англ. Carrier Sense Multiple Access), «CSMA/CD» (англ. CSMA with Collision Detection), «CSMA/CA» (англ. CSMA with Collision Avoidance), «Token Bus».

Общая черта всех упомянутых механизмов — возможность «слышать» все кадры с данными, передаваемые в среде. Обязательное условие для перехвата кадров — доступ к физической среде. В проводной сети — через кабельные соединения, а в беспроводных — посредством работы с радиопередающим и принимающим оборудованием на соответствующем расстоянии и частоте.

«Прослушивание» всех передаваемых в среде кадров с данными и возможность отправки поврежденных кадров с неправильными значениями кодов коррекции — важнейшие сетевые функции для «HICCUPS». В частности, беспроводные сети используют радиопередачу с переменной частотой битовых ошибок, что создает возможность для инъекций «искусственных» поврежденных кадров.

В целом, новизна «HICCUPS» заключается в:

— использовании защищенной телекоммуникационной сети, оборудованной криптографическими механизмами, для создания стегосистемы;

— новом протоколе с распределением пропускной способности для стеганографических целей, основанного на поврежденных кадрах.

Предлагаемая система предназначена для реализации в средах, обладающих следующими свойствами (обязательным является только свойство 1):

— разделяемая среда передачи данных с возможностью перехвата кадров;

— общеизвестный метод инициализации алгоритма шифрования, например, векторами инициализации;

— механизмы целостности для зашифрованных кадров, например, односторонняя хеш-функция, циклический избыточный код «CRC».

В сети с описанными свойствами можно создать три скрытых канала данных в кадре «MAC»:

— «HDC1» — основанный на векторах инициализации шифра;

— «HDC2» — основанный на «MAC»-адресах (например, назначение и источник);

— «HDC3» — на основе значений механизма целостности (например, контрольной суммы кадра).

В сетях, где безопасность не обеспечивается, используются только «HDC2» и «HDC3». Большинство проводных сетей не поддерживают безопасность на уровне «MAC», в отличие от беспроводных.

Общая схема «HICCUPS» основана на трех режимах:

— система инициализации,

— базовый режим,

— режим поврежденных кадров.

При инициализации системы все станции, включенные в скрытую группу, устанавливают секретный ключ для шифров, встроенных в стегосистему. Предлагаемая система не ограничена одноадресной рассылкой (один отправитель одному получателю), многоадресной рассылкой (одна для многих или многие для многих) или широковещательным соединением. Решение открыто для любых процедур добавления в группу, ключевого соглашения или протокола обмена ключами.

Основным режимом работы «HICCUPS» является обмен данными на основе векторов инициализации шифра (HDC1) и «MAC»-адресов (HDC2). Эти скрытые каналы связи характеризуются низкой пропускной способностью — менее 1 % доступного объема кадра. Они могут использоваться для обмена контрольными сообщениями между скрытыми рабочими станциями и для связи с низкой пропускной способностью.

Для установленной последовательности, передаваемой через «HDC1» или «HDC2», станции скрытой группы перемещаются в режим поврежденных кадров, имеющий дополнительную полосу пропускания. В режиме поврежденных кадров информация передается внутри полезной нагрузки кадров с намеренно созданными неправильными контрольными суммами (HDC3).

Этот режим обеспечивает почти 100 % пропускной способности в течение определенного периода времени. Обычно станции, которые не принадлежат к скрытой группе, отбрасывают поврежденные кадры с неправильными контрольными суммами. Общеизвестным является метод создания контрольных сумм с поврежденным кадром для скрытых групповых станций.

Последовательный перебор режимов обмена «HDC1» — «HDC3» приводит к возврату в базовый режим. Сетевые адаптеры, работающие в режиме поврежденного кадра должны мониторить всех фреймы (даже с ошибочной контрольной суммой кадров) из среды передачи.

Основными функциональными частями предлагаемой системы являются:

1) «P1» — сетевые карты, предназначенные, например, для «IEEE 802.11b», «IEEE 802.11g»; сетевые карты должны иметь возможность контролировать «HDC1» — «HDC3» и полезную нагрузку данных в кадре «MAC»;

2) «P2» — система управления для контроля «HDC1» — «HDC3» и данных в кадре «MAC». Система может быть программной или аппаратной и должна выполнять следующие функции:

— подключение к скрытой группы;

— отключение от скрытой группы;

— обеспечение интерфейса для верхнего сетевого уровня для управления «HDC1» — «HDC3» и данных в кадре «MAC»;

3) с расширением криптографии:

— ключевое соглашение / обмен ключами;

— обновление ключа;

— шифрование/дешифрование.

Стеганография в «VoIP»-потоке

В передатчике из потока «RTP» выбирается один пакет, а его полезная аудио-нагрузка (голосовая информация) заменяется битами стеганограммы. Затем выбранный звуковой пакет намеренно задерживается перед передачей. Если пакет с превышенной задержкой достигает получателя, не подозревающего о стеганографической процедуре, он отбрасывается, потому что для не подозревающих приемников скрытые данные «невидимы».

Однако, если приемник знает о скрытом сообщении, он извлекает скрытую («полезную») нагрузку вместо удаления пакета. Поскольку скрытая нагрузка умышленно задерживаемых пакетов используется для передачи секретной информации получателям, осведомленным о процедуре, никаких дополнительных пакетов не генерируются.

Стегоанализ «LACK» трудно выполнить, поскольку потеря пакетов в IP-сетях является «естественным явлением», и поэтому умышленные потери, введенные «LACK», нелегко обнаружить, если они находятся в разумных пределах. Потенциальные методы стегоанализа «LACK» включают следующее:

1. Статистический анализ потерянных пакетов для вызовов в подсети. Этот тип стегоанализа может быть реализован с помощью пассивного «надзирателя» (или какого-либо другого сетевого узла), например, на основе информации, включенной в отчеты протокола управления транспортным режимом «RTCP» в режиме реального времени между пользователями во время их обмена или наблюдения за потоками потока «RTP» (порядковые номера пакетов).

Если для некоторых наблюдаемых вызовов количество потерянных пакетов выше среднего (или определенного выбранного порога), этот критерий может использоваться как указание на потенциальное использование «LACK».

2. Статистический анализ на основе длительности «VoIP»-звонков. Если известно распределение вероятности продолжительности вызова для определенной подсетей, то статистический стегоанализ может быть выполнен для обнаружения источников «VoIP», которые не соответствуют распределению. Продолжительность вызовов «LACK» может быть больше по сравнению с вызовами без «LACK» в результате введения стеганографических данных.

3. Активный «надзиратель», который анализирует все «RTP»-потоки в сети, может идентифицировать пакеты, которые слишком задержаны и уже не могут быть использованы для восстановления голоса. Активный «надзиратель» может стирать их поля данных или просто отбросить их.

Потенциальной проблемой, возникающей в этом случае, является удаление задержанных пакетов, которые все еще могут использоваться для восстановления разговора. Размер буфера дрожания в приемнике, в принципе, неизвестен активному «надзирателю».

Если активный «надзиратель» отбрасывает все задержанные пакеты, тогда он потенциально может отбросить пакеты, которые могут быть использованы для восстановления голоса. Таким образом, качество разговора может значительно ухудшиться. Более того, в этом случае затрагиваются не только стеганографические звонки, но и обыкновенные.