3.6. Стегосистемы с бесконечными алфавитами.

Результаты, приведенные выше, могут быть расширены на случай стегосистем с бесконечными алфавитами контейнеров и стего X и ключей K. Заметим, что стегосистемы с непрерывными сообщениями и ключами существенно отличаются от известных криптографических систем. Для бесконечномерных сигналов существуют криптосистемы, например, использующие частотные или временные преобразования речи или изображений. Системы шифрования, в которых криптографические преобразования осуществляются над непрерывными в пространстве или времени сигналами, называются маскираторами и, как правило, не обеспечивают высокой криптографической стойкости [27]. Забегая вперед, скажем, что в отличие от криптосистем, для стегосистем с бесконечными алфавитами известны доказуемые оценки их устойчивости к атакам нарушителя. К тому же маскираторы используют ключ конечной длины, элементы которого принадлежат дискретному алфавиту. И, вообще, представить себе произвольную криптосистему с ключом, элементы которого принадлежат бесконечному алфавиту, довольно затруднительно.

Расширим определение взаимной информации для переменных и K стегосистемы, принадлежащих бесконечным алфавитам в виде [25]:

Где дискретные переменные и , принадлежащие конечным алфавитам, аппроксимируют с некоторой допустимой погрешностью соответствующие непрерывные переменные. Если все функции плотности вероятности являются абсолютно непрерывными, то результаты из пункта 3.3 справедливы при замене соответствующих сумм интегралами.

Особый интерес имеет случай контейнеров , распределенных по нормальному закону и оцениваемых среднеквадратической погрешностью вида . Назовем этот случай гауссовским контейнером. Он позволяет точно оценит величину скрытой ПС. Пусть множество X совпадает с множеством действительных значений, математическое ожидание значений отсчетов контейнера равно нулю и их дисперсия равна . В дальнейшем будем использовать условное обозначение нормального распределения с математическим ожиданием и дисперсией в виде .

Рассмотрим два случая. В первом случае секретным ключом К стегосистемы является контейнер . Во втором случае контейнер получателю не известен (слепая система скрытия информации).

Случай негауссовского распределения контейнера намного сложнее, но полезные результаты также могут быть получены. В частности, нижняя граница скрытой ПС может быть получена оценкой оптимальной атаки при конкретной, в общем случае подоптимальной, информационно-скрывающей стратегии . Нижние и верхние границы скрытой ПС могут быть вычислены оценкой оптимальной информационно-скрывающей стратегии при конкретной, в общем случае подоптимальной, атаке :

. (3.18).

Эти границы полезны для негауссовских контейнеров, полагая что распределения и выбраны соответствующим образом (см. пункт 3.8). Разумеется, если нижняя и верхняя границы в выражении (3.18) равны, пара распределений дает седловую точку платежа в формуле (3.8).

3.6.1. Использование контейнера как ключа стегосистемы.

Рассмотрим случай, когда в качестве секретного ключа стегосистемы используется описание контейнера. Соответственно, ключ-контейнер должен быть известен получателю скрываемого сообщения. Для этого случая теорема 3.6 определяет величину скрытой ПС стегоканала с бесконечным алфавитом контейнеров.

Назовем гауссовским атакующим воздействием воздействие нарушителя, при котором искаженное стего имеет нормальное распределение с математическим ожиданием, величина которого пропорциональна среднему значению стего, и дисперсией, величина которой пропорциональна искажению .

Теорема 3.6: Пусть в стегосистеме с бесконечным алфавитом используется среднеквадратическая мера погрешности вида . При использовании контейнера в качестве секретного ключа K:

1) если контейнер имеет нормальное распределение с нулевым средним и дисперсией , то при использовании оптимального скрывающего преобразования величина скрытой ПС равна.

(3.19).

Где . Оптимальное скрывающее преобразование задается в виде , где переменная Z имеет нормальное распределение с нулевым средним и дисперсией и независима от контейнера . Оптимальная атака нарушителя есть гауссовское атакующее воздействие с функцией распределения вида.

(3.20).

2) если контейнер является негауссовским с нулевым средним и дисперсией , то выражение (3.19) определяет верхнюю оценку скрытой ПС.

На рис. 3.6 представлена стегосистема с гауссовским контейнером и гауссовским атакующим воздействием. Скрываемое сообщение М преобразуется в последовательность Z с искажением кодирования не более . По условию последовательность Z описывается нормальным законом распределения с нулевым средним и дисперсией и независима от гауссовского контейнера . Нарушитель искажает стего X с помощью гауссовского атакующего воздействия. Для этого согласно рис. 3.6 на стего сначала накладывается шум W, описываемый нормальным законом распределения с нулевым средним и дисперсией , тем самым формируя промежуточную последовательность . Искаженное стего Y получается умножением последовательности V на коэффициент . На приемной стороне получатель восстанавливает суммированием последовательностей и .

Рис. 3.6. Стегосистема с гауссовским контейнером и гауссовским атакующим воздействием.

Из формулы (3.19) видно, что величина скрытой ПС растет при увеличении отношения / и при уменьшении коэффициента . Коэффициент принимает минимальное значение, равное 1, при . Очевидно, что в реальных стегосистемах обычно >, следовательно, увеличение скрытой ПС может быть достигнуто за счет увеличения дисперсии . Скрытая ПС равна нулю, если , что соответствует случаю использования контейнера, энергия которого меньше величины искажения при атакующем воздействии.

Отметим, что в соответствии с выражением (3.19) для обеспечения ненулевой скрытой ПС при выполнении неравенства вклад обоих слагаемых суммы равноценен. Это потенциально обеспечивает возможность маневра при синтезе стегосистем: увеличивать или искажение кодирования при встраивании скрываемого сообщения или энергию контейнера, или сочетать оба подхода.

Для случая гауссовских контейнеров с распределением оптимальное атакующее воздействие легко синтезируется нарушителем. Атакующий просто заменяет стего шумовым сигналом, имеющим нормальное распределение с математическим ожиданием и дисперсией при . Если допустимое для нарушителя искажение достаточно велико, чтобы выполнилось неравенство , то согласно выражения (3.20) оптимальной стратегией нарушителя является, перехватив стего , замена его на сигнал , независимый от . Такая атака достаточно просто реализуется на практике. Таким образом, чтобы гарантированно подавить канал скрытой связи, нарушителю надо внести в стего искажение величиной порядка энергии контейнера.

В целом недопустимо малая величина скорости передачи скрываемой информации при активном противодействии нарушителя является основным недостатком многих ранее предложенных системах водяного знака, в которых водяной знак прячется в наименее значимых битах контейнера, что является уязвимым даже к небольшим по величине искажениям . Такие водяные знаки легко удаляются атакующим простой рандомизацией наименее значимых битов, при этом в контейнер вносятся минимальные искажения. Следовательно, в более совершенных системах водяные знаки должны скрытно внедряться в существенно значащие компоненты контейнера. Однако при этом увеличивается величина искажения кодирования и поэтому ухудшается качество контейнера (что актуально для систем ЦВЗ) или ухудшается незаметность стегоканала (что актуально для систем скрытия от нарушителя факта передачи информации).

Таким образом, задача синтеза стегосистемы может быть сформулирована как задача поиска компромисса между ее характеристиками, так как улучшение одного ее параметра, например, величины скрытой ПС, приходится обеспечивать за счет других параметров, таких как скрытность передачи информации или устойчивость к разрушающему воздействию.

3.6.2. Слепая стегосистема с бесконечным алфавитом.

Рассмотрим стегосистему с бесконечным алфавитом, в которой декодеру получателя неизвестно описание использованного отправителем контейнера. Очевидно, что скорость достоверной передачи скрываемой информации в слепых системах не может быть выше, чем скорость передачи в случае, когда декодер имеет доступ к дополнительной информации, такой как использованный контейнер. Поэтому в слепых стеганографических системах величина скрытой ПС ограничена сверху выражением (3.19) для произвольных распределений контейнерных сигналов.

Рассматриваемая далее теорема 3.7 для слепых стегосистем определяет оптимальную стратегию скрывающего информацию и оптимальное атакующее воздействие для гауссовских контейнеров. Эта пара оптимальных стратегий противоборствующих сторон формирует решение седловой точки. Оптимальная атака нарушителя описывается гауссовским атакующим воздействием с распределением согласно выражения (3.20). Теорема 3.7 также определяет величину скрытой ПС для слепых информационно-скрывающих систем.

Теорема 3.7. Пусть в слепой стегосистеме с бесконечным алфавитом используется среднеквадратическая мера искажения вида . Контейнер описывается нормальным распределением с нулевым математическим ожиданием и дисперсией . Тогда следующее построение стегосистемы дает седловую точку платежа в выражении (3.8):

Где коэффициенты принимают значения , переменная описывается нормальным распределением с нулевым математическим ожиданием и дисперсией и независима от контейнера , а распределение описывает гауссовское атакующее воздействие вида (3.20). Величина скрытой ПС слепой стегосистемы определяется выражением (3.19).

Таким образом, в общем случае максимальная скорость безошибочной передачи скрытой информации не зависит от того, знает или нет декодер описание контейнера.

Прокомментируем суть теоремы 3.7.

1. Рассмотрим построение скрывающего преобразования в виде , где значение отличается от оптимальной величины . Скорость безошибочной передачи скрываемых сообщений определяется в виде:

(3.21).

Рассмотрим частный случай построения скрывающего преобразования, при котором коэффициент . Это означает, что встраивание скрываемого сообщения совершенно не зависит от используемого контейнера . В явном виде этот вариант построения стегосистемы показан на рис. 3.2.

Из выражения (3.21) определим скорость безошибочной передачи для такого класса кодеров стегосистемы для случая малых искажений контейнера в виде.

. (3.22).

Игнорирование характеристик контейнера существенно уменьшает скорость надежной передачи скрываемой информации. Уменьшение величины скрытой ПС при отклонении от оптимального построения скрывающего преобразования наглядно показано на рис. 3.7. Из графика видно, насколько величина скрытой ПС при оптимальном построении (сплошная линия) превышает величину скрытой ПС при неиспользовании характеристик контейнера выбором (штрих-пунктирная линия). При заданных величине искажения = 1 и дисперсии контейнера игнорирование характеристик контейнера приводит к снижению величины скрытой ПС в десятки раз.

Рис. 3.7. Зависимость скрытой ПС стегоканала с гауссовским контейнером при и ,

Оптимальное скрывающее преобразование,

Скрывающее преобразование при ,

Скрывающее преобразование при .

Для оптимального построения скрывающего преобразования, если искажение кодирования существенно больше энергии контейнера , величина скрытой ПС очень мала. По мере увеличения величины искажения кодирования скрытая ПС быстро увеличивается, достигая максимума при .

2. Рассмотрим построение стегосистемы при выборе (соответственно, ). Практическая схема такой стегосистемы, в которой кодер построен по принципу кодовой книги, описана в [23]. Из выражения (3.21) следует, что максимальная скорость такой системы равна . Можно показать, что скорость передачи скрываемых сообщений равна нулю для . Следовательно, при выполнении неравенства такие стегосистемы нереализуемы. Зависимость скрытой ПС для случая вида показана на рис. 3.7 пунктирной линией при параметрах и . Из представленных графиков видно, что из-за неоптимальности построения стегосистемы для случая вида максимальный проигрыш в величине скрытой ПС составляет порядка 0,15 бит на отсчет гауссовского контейнера.

Из двух рассмотренных случаев очевидно, что стегосистему целесообразно строить для выбора , где .

3. Рассмотрим возможные атаки нарушителя на слепую стегосистему с бесконечным алфавитом. Атака с аддитивным белым гауссовским шумом со средним значением и мощностью является в общем случае подоптимальной, но она становится асимптотически оптимальной при так как в этом случае . Напротив, атака, в которой делается попытка разрушить скрытое сообщение путем восстановления пустого контейнера из перехваченного стего с использованием правила максимальной апостериорной вероятности (МАВ) вида , является совершенно неэффективной. В такой атаке , поэтому значения X и Y совпадают при . В этом случае условие выполняется с равенством и данная атака не способна удалить скрываемую информацию. Однако на практике такая стратегия действий нарушителя может быть достаточно эффективной, если законным получателем используется неоптимальный декодер, например, восстанавливающий водяные знаки при простом масштабировании яркости пикселов изображений, что приводит к невозможности обнаружения водяных знаков в таких декодерах.

4. На рис. 3.7 представлены зависимости достижимой скорости безошибочной передачи для гауссовских контейнеров при различных информационно-скрывающих стратегиях. Скорость является функцией от величины искажения при искажении с дисперсией контейнера . Показано, что при использовании оптимальной стратегии в каждом отсчете гауссовского контейнерного сигнала можно надежно передавать до 0,5 бит скрываемой информации (сплошная линия). В ряде работ приведены оценки достигнутых в реально построенных стегосистемах скоростей передачи скрываемой информации [4,5]. Достигнутые скорости во много раз меньше величины скрытой ПС, что должно стимулировать поиск более совершенных принципов построения стегосистем.

5. Вернемся к случаю малых искажений при . Из теории связи известно, что для достижения скорости безошибочной открытой передачи информации очень близкой к величине пропускной способности канала связи, требуется построить блочный код достаточно большой длины N, для которого количество кодовых комбинаций равно [25]. Соответственно, сложность реализации декодера системы открытой передачи пропорциональна числу вычислительных операций . В работе [2] показано, что для достижения скрытой ПС необходим блочный код с числом кодовых комбинаций не , а . Соответственно, сложность реализации стегосистемы пропорциональна числу операций . Величина обычно является существенно больше по сравнению со скоростью . Следовательно, построить стегосистему со скоростью передачи скрываемой информации, приближающейся к величине скрытой ПС, значительно сложнее, чем построить систему передачи открытой информации со скоростью, приближающейся к величине ПС открытого канала связи.

Таким образом, если мы желаем передавать информацию по каналу связи не только безошибочно, но и скрытно, то мы должны за это дополнительно платить. Эта плата заключается как в меньшей скрытой ПС по сравнению с пропускной способностью каналов открытой связи, так и в большей сложности стегосистемы по сравнению со сложностью системы открытой связи. Этот вывод подтверждается накопленным к настоящему времени опытом построения стегосистем. Известно, как сложно построить практическую стегосистему, способную безошибочно передавать скрываемую информацию в условиях целенаправленного активного противодействия нарушителя. Например, до сих пор известные системы ЦВЗ не обеспечивают требуемую защищенность авторских и имущественных прав производителей информационной продукции при всевозможных практически реализуемых атаках злоумышленников [22].