Прохожев Н.Н., Михайличенко О.В., Башмаков Д.А., Сивачев А.В., Коробейников А.Г. Исследование эффективности применения статистических алгоритмов количественного стеганоанализа в задаче детектирования скрытых каналов передачи информации

Аннотация: Противодействие скрытым каналам передачи информации, является актуальной задачей при организации информационной безопасности. Одним из видов пассивного противодействия является обнаружение факта стеганографического воздействия на исследуемый контейнер. Распространенное применение неподвижных цифровых изображений в качестве стеганоконтейнеров, обуславливается их большой долей в общем информационном трафике. Задача пассивного противодействия (стеганоанализа), позволяющая выявить цифровое изображение с встроенной информацией, фактически представляет собой задачу бинарной классификации. В основе классификатора используется статистический алгоритм количественного стеганоанализа, определяющий количество измененных пикселей в предъявляемом контейнере. От точности такого алгоритма напрямую зависит качество классификации и практическая эффективность пассивного противодействия в целом. Под эффективностью противодействия в статье понимается соотношение вероятности истинно положительного результата классификации к вероятности ложной положительной классификации. К настоящему времени разработано значительное количество статистических алгоритмов количественного стаганоанализа. При этом исследования, посвященные их сравнительному анализу, отсутствуют, что затрудняет выбор конкретного алгоритма при решении задачи противодействия стеганографическим каналам утечки информации. Также остается открытым вопрос о практической эффективности пассивного противодействия стеганографическим каналам на основе встраивания в наименее значимые биты (НЗБ) пикселей цифрового изображения. Предметом исследования является эффективность применения современных статистических алгоритмов количественного стеганоанализа. На основе результатов построены графики доверительных областей, позволяющие произвести сравнительную оценку эффективности пассивного противодействия НЗБ стеганографии. Для исследований выбраны следующие алгоритмы стеганоанализа: RS- analysis, Sample pair analysis, Difference image histogram, Triples analysis, Weighted stego-image. Из тестового множества изображений выбирается изображение. Проводится оценка его пропускной способности (определяется максимальная полезная нагрузка). В проводимых экспериментах за эту величину принято значение общего количества пикселей в изображении. Стеганографическое воздействие моделируется изменением значения наименьших значащих бит для заданного количества пикселей (полезной нагрузки). Модифицированное изображение подается на вход конкретной реализации алгоритма стеганоанализа. Результатом работы алгоритма является количество измененных пикселей в изображении. Эксперименты проводятся в одинаковых условиях для всех реализаций алгоритмов стеганоанализа. Основными выводами проведенного исследования является, то что на основе современных статистических алгоритмов стеганоанализа можно организовать эффективное пассивное противодействие стеганографическим каналам НЗБ встраивания с полезной нагрузкой контейнера более 5%. Уменьшение полезной нагрузки контейнера менее 5% резко снижает эффективность пассивного противодействия. Небольшое изображение разрешением 600х400 пикселей, преобразованное в стеганограмму с полезной нагрузкой в 1-2% практически не детектируется классификаторами на основе статистических количественных алгоритмов стеганоанализа. С учетом возможности предварительного сжатия скрываемых данных и применения матричного встраивания, рассматриваемые современные алгоритмы стеганоанализа нуждаются в дальнейшем совершенствовании.

Ключевые слова:

Abstract: Countering the hidden channels of information transmission is an important task in the organization of information security. One kind of passive physical resistance methods is detection of the steganographic impact on the investigated container. The widespread use of digital still images as stegano-containers is due to their large share in total data traffic. The task of passive counteraction (steganalysis) allowing identifying the digital image with the built-in information is actually a binary classification problem. At the core of the classifier lies statistical algorithm of quantitative steganalysis for determining the amount of modified pixels in the data container. The accuracy of the algorithm directly affects the quality classification and the practical effectiveness of passive physical resistance as a whole. By effective counteraction the article refers to the ratio of probabilities between true positive classification and the probability of a false positive classification. Currently there are many statistical algorithms for quantitative steganalysis. However, there are no studies on their comparative analysis which complicates the selection of an algorithm while solving the problem of counteraction to steganography channels of information leakage. The practical effectiveness of passive physical resistance to steganography channels by inserting the least significant bits of pixel digital image also remains an open question. The subject of the study is the effectiveness of the application of modern quantitative statistical algorithms steganalysis. Based on the results of the study the authors have formed graphics of trust regions, allowing to make a comparative assessment of the effectiveness of the passive counteraction in LSB-steganography. For the study the authors selected the following steganalysis algorithms: RS- analysis, Sample pair analysis, Difference image histogram, Triples analysis, Weighted stego-image. From the test of multiple images an image is selected. An evaluation of its capacity (defined by the maximum payload) is performed. In the experiments for this value authrs accepted the total number of pixels in the image. Steganographic effects modeled by changing the value of the least significant bit for a predetermined number of pixels (the payload). The modified image used as an input to a particular implementation of the algorithm steganalysis. The result of the algorithm is the number of changed pixels in the image. The experiments were carried out under the same conditions for all implementations of algorithms steganalysis. The main conclusions of the study is the fact that based on modern statistical steganalysis algorithms it is possible to organize an effective opposition to the passive channels with LSB steganography with embedding payload container more than 5%. Reducing the payload container of less than 5% dramatically reduces the effectiveness of the passive counteraction. A small 600x400 pixels image converted to steganography with payload of 1-2% is practically not detected by classifiers based on statistical quantitative algorithms steganalysis. Taking into account the possibility of pre-compression hidden data and matrix embedding, the considered modern algorithms for steganalysis need further improvement.

Keywords: