МЕТОДЫ АНТИЧНОЙ И КЛАССИЧЕСКОЙ СТЕГАНОГРАФИИ В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ

АННОТАЦИЯ

Представлены результаты анализа методов античной и классической стеганографии, применяемых в настоящее время. Показано их назначение и методы технической реализации.

Приводятся результаты экспериментальных исследований стеганографических меток, применяемых для защиты подлинности документов и денежных купюр, выполненные на приборе DORS-1300.

Введение

С момента возникновения письменности человечество использует два набора методов защиты информации при ее передаче и хранении – криптографию и стеганографию. Оба термина переводятся на русский язык как «тайнопись», однако имеют разные цели и реализацию. Цель криптографии – скрыть от злоумышленника семантическую (смысловую) составляющую информации. Цель стеганографии – скрыть сам факт наличия информации на материальном носителе.

Основные исторические этапы развития стеганографии

Несмотря на то, что стеганография применяется с древнейших времен, сам термин появился только в районе 1500 года. Этим словом Иоган Тритемий озаглавил свой труд, в котором описал известные на тот момент методы тайнописи [10].

Рисунок 1. Часть титульного листа книги Иогана Тритемия «Стеганография»

В истории развития стеганографии принято выделять несколько исторических этапов:

•  античная (наивная) стеганография (от античности до средних веков);
•  классическая стеганография (от средних веков до второй половины 20 века);
•  современная (цифровая, компьютерная) стеганография.

Для каждого этапа характерны как применяемые методы, так и способы их реализации, основанные на достижениях науки и техники.

В будущем ожидается появление голографической, квантовой и генетической (скрытие данных в ДНК биологических объектов) разновидностей стеганографии [9].

Методы античной и классической стеганографии

Наиболее распространенными и известными методами, применяемыми в этот исторический период, можно назвать следующие:

•  защитное покрытие;
•  водяные знаки;
•  симпатические чернила;
•  микроточки;
•  микроперфорация.

Рассмотрим более подробно их исходную и современную реализацию и области применения.

Защитное покрытие: античность и современность

Первое упоминание об использовании защитного покрытия для скрытой передачи информации находится в труде Геродота [1].

Царю Спарты Леониду странники принесли деревянные дощечки, покрытые воском, на которых греки делали обычные записи. Но на этих дощечках никаких записей не было. Леонид не обратил на них внимания, а его жена Горго сказала, что нужно удалить воск. В результате под слоем воска было обнаружено послание, которое предупреждало о военном походе царя Персии Ксеркса на Спарту.

В настоящее время защитное покрытие не используется для скрытой передачи или хранения информации, но нашло применение при производстве билетов мгновенной лотереи (рис. 2.). Покрытие обеспечивает невозможность отбора билетов с выигрышем, даже при использовании специальной техники.

Рисунок 2. Билеты мгновенной лотереи с защитным покрытием(слева) и без защитного покрытия(справа)

Водяные знаки: классика и современность

Водяные знаки появились вместе с технологией изготовления бумаги. В нужных местах бумага делалась тоньше или толще и, при наблюдении в проходящем свете, возникало двухтоновое изображение или текст. Изначально бумагу с водяными знаками использовали в дипломатической переписке для подтверждения подлинности отправителя, а с появлением бумажных денег – для защиты купюр от подделки. Защитное действие состоит в простоте обнаружения и сложности изготовления или имитации.

В настоящее время технология водяных знаков используется практически в первозданном виде для защиты документов и платежных средств (рис. 3).

Рисунок 3. Портрет и номинал купюры в виде водяного знака

Симпатические чернила: античность – классика – современность

Симпатические (невидимые) чернила – множество веществ органического и неорганического происхождения, которые при обычных условиях не воспринимаются органолептически (органами чувств). Чтобы запись, сделанная такими веществами, стала видимой, необходимо произвести химическое или физическое воздействие. Например, бесцветный фенолфталеин в присутствии любой щелочи приобретает красную окраску, а надпись, сделанная молоком, после нагревания становится коричневой.

Симпатические чернила использовались с древнейших времен. Плиний Старший в своей «Естественной истории» [4] описывал применение для тайнописи соков растений. Во время гражданской войны в США между южанами и северянами передавали информацию Джорджу Вашингтону, используя специальные чернила. Революционеры в России для скрытой переписки использовали молоко [5].

В настоящее время применение симпатических чернил для скрытой передачи и хранения информации утратило свое значение, однако, широко используется для защиты подлинности документов и денежных купюр.

В качестве воздействия, делающего стегометки видимыми, используют электромагнитные излучения невидимых частей оптического диапазона – ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК).

Представленные ниже результаты получены на приборе DORS-1300 [8].

Для формирования УФ-стегометок применяют люминофоры [8], которые при воздействии УФ излучения светятся видимым светом (рис. 4.).

Рисунок 4. Акцизная марка в видимом свете (слева) и в УФ-лучах (справа)

Надпись «РОССИЯ» является УФ-стегометкой и ее наличие подтверждает подлинность документа и затрудняет его подделку.

Общегражданские паспорта имеют аналогичную защиту (рис. 5.).

Рисунок 5. Страница общегражданского паспорта в УФ лучах

Загранпаспорт также имеет защитные УФ-стегометки (рис.6.). Кроме меток «RUS» и номеров страниц видно свечение спецволокон, а прошивка страниц сделана светящейся нитью. Таможенные отметки делаются люминесцентными чернилами.

Рисунок 6. Страницы загранпаспорта и таможенная отметка в УФ лучах

Вторым современным способом формирования невидимых стегометок является применение красителей с различными коэффициентами отражения/поглощения излучений инфракрасного (ИК) диапазона.

ИК-излучения занимают участок спектра электромагнитных излучений с длинами волн в пределах 0,74 мкм – 0,2 мм и не воспринимаются человеческими органами чувств [6].

Процесс обнаружения ИК-стегометок сложнее, для него необходим источник ИК-излучения и сенсор, чувствительный в этой области спектра.

В настоящее время дешевыми и надежными источниками излучений являются твердотельные светодиоды, а современные ПЗС-матрицы фотоаппаратов и видеокамер обладают достаточной чувствительностью в ИК диапазоне. Отечественная и зарубежная промышленность выпускает большое количество приборов контроля для обнаружения ИК-стегометок.

Наиболее распространенными документами, защищенными ИК-стегометками, являются общегражданский и заграничный паспорта гражданина РФ [2].

При исследовании бланка общегражданского паспорта РФ в ИК области спектра видно, что на первой странице часть текста выполнена красителем с высоким коэффициентом поглощения ИК-лучей (на мониторе отображается черным цветом), а другая – красителем с высоким коэффициентом отражения (на мониторе эта часть текста становится невидимой). На рис. 7 представлены изображения первой страницы общегражданского паспорта РФ в видимой и инфракрасной областях спектра.

Рисунок 7. Первая страница общегражданского паспорта РФ в видимой (слева) и инфракрасной (справа) областях спектра

Заграничный паспорт гражданина РФ также имеет ИК-стегометки. Страница 3 содержит две надписи выполненные кириллическим и латинским шрифтами. В ИК диапазоне виден только латинский текст.

Рисунок 8. Страница 3 загранпаспорта РФ в видимой (слева) и инфракрасной (справа) областях спектра

ИК-стегометки находят широкое применение для защиты от фальсификации денежных купюр [2].

Например, на лицевой стороне купюры ЦБ РФ номиналом 5000 рублей в ИК-лучах отображаются серийный номер, защитная полоса, голограмма и часть изображения (рис. 9). Номинал купюры и текст выполнены красителем с высоким коэффициентом отражения и на мониторе выглядят как белое поле. Имеется четкая наклонная граница между видимой и невидимой частями изображения.

Рисунок 9. Лицевая сторона купюры 5000 рублей в видимой (слева) и ИК (справа) областях спектра

Купюры Евросоюза и ФРС США также имеют ИК-стегометки.

На оборотной части купюры 500 евро (рис. 10) воспроизводится только серийный номер и номинал, остальное изображение выполнено красителем с высоким коэффициентом отражения и отображается на мониторе как белое поле.

Рисунок 10. Оборотная сторона купюры 500 евро в видимой (слева) и ИК (справа) областях спектра

На рис. 11 представлена купюра номиналом 100 долларов в видимой и ИК областях спектра. ИК-стегометками являются две светлые полосы в левой части купюры и «невидимость» числа 100 (светлое поле справа).

Рисунок 11. Оборотная сторона купюры 100 долларов в видимой (слева) и ИК (справа) областях спектра

На рис. 12 представлено изображение купюры 100 долларов и ее имитации в видимой части спектра и ИК-лучах.

Рисунок 12. Купюра ФРС США номиналом 100 долларов и ее имитация в видимой (слева) и ИК (справа) областях спектра

На подлинной купюре обозначение номинала (крупное число 100) выполнено красителем с высоким коэффициентом отражения и в ИК спектре отображается как светлое поле, на имитации краситель поглощает ИК-лучи и число 100 отображается темным, как и другие части купюры.

Микроточки: классика и современность

Микроточки представляют собой доведенный до совершенства вариант микрофотографии, первоначальное применение которой не имело отношения к стеганографии.

В период Франко-Прусской войны французская армия использовала голубиную почту, и, чтобы повысить «грузоподъемность» голубя, вместо сотни депеш на бумажном носителе отправляли их общую уменьшенную фотографию. Для чтения таких посланий использовали или проектор, или микроскоп.

Как метод стеганографии микроточки получили широкое распространение в период холодной войны и применялись практически всеми разведками мира [7]. Используя примитивное оборудование и подручные средства, агенты делали фото сообщений размером с печатную точку машинописного шрифта. В дальнейшем это фото наклеивалось на типографскую точку в книге или пряталось под почтовой маркой на конверте.

В настоящее время метод микрофото утратил свое значение для целей скрытой передачи и хранения информации, однако, практически все библиотеки имеют огромные запасы микрофильмов, на которых в компактной форме хранятся большие объемы печатной информации.

В настоящее время микроизображения используются для определения подлинности и защиты от подделки ценных бумаг и денежных купюр, т.к. они не воспроизводятся копировальной техникой, но легко обнаруживаются при увеличении прядка 20х.

Примеры микроизображений на купюрах ЦБ РФ и ФРС США представлены на рис. 13 – 14.

Рисунок 13. Микротекст (ЦБРФ) и фигура леопарда на купюре 5000 руб. (Увеличение 20х)

Рисунок 14. Микротекст на купюре 100 долларов. (Увеличение 20х)

Микроперфорация: античность и современность

Микроперфорация представляет собой определенную последовательность микроскопических отверстий, которые можно разглядеть только при целенаправленном поиске. Этот способ фиксации информации был описан Энеем Тактиком [1], который предложил «книжный шифр». Для передачи тайного сообщения в открытом тексте помечались нужные буквы, последовательность которых и несла секретную информацию. Делать такие пометки предлагалось в виде малозаметных проколов иглой над или под буквой. Такой способ скрытия успешно применялся даже в начале 20 века революционерами в России.

В настоящее время микроперфорация применяется для определения подлинности и защиты от подделки денежных купюр. Отверстия прожигаются лазером, не заметны при тактильном восприятии, и легко обнаруживаются в проходящем свете. Для подделки этого элемента защиты требуется весьма дорогое и высокотехнологичное оборудование.

На рис. 15 представлен вид микроперфорации на купюре ЦБ РФ.

Рисунок 15. Микроперфорация на купюре ЦБРФ номиналом 5000 руб.

Выводы

1. Стеганография, зародившаяся как набор методов защиты информации при передаче и хранении, значительно расширила сферы применения и успешно используется в настоящее время для защиты и определения подлинности документов и денежных купюр.
2. Методы античной и классической стеганографии, реализованные на основе достижений современной науки, техники и технологий, обеспечивают надежную защиту подлинности документов и платежных средств.
3. Техника современных стеганографических меток позволяет производить их обнаружение, как органолептически (органами чувств), так и с применением специальных технических средств.

Список литературы:

1. Военное искусство античности: [Сборник / Сост. К. Королев]. - М.: ЭКСМО; СПб.: Terra fantastica, 2003. – 759с – ISBN 5699042180.
2. Гознак [Электронный ресурс]. -2020. - Режим доступа: http://goznak.ru/ (дата обращения: 12.02.2020)
3. Грибунин В. Г., Костюков В. Е., Мартынов А. П., Николаев Д. Б., Фомченко В. Н. Стеганографические системы. Критерии и методическое обеспечение: Учебно-методическое пособие / Под редакцией доктора технических наук Грибунина В.Г. — г. Саров: ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", 2016. — С. 25—29. — 324 с. — ISBN 978-5-9515-0317-6.
4. Плиний Старший. Естественная история. Кн. 7 / Пер. и коммент. А.А. Павлова // Адам и Ева. Альманах гендерной истории / Под. ред. Л.П. Репиной. М.: ИВИ РАН, 2009. № 17. С. 211-242.
5. Стеганография. История тайнописи / В. Гребенников — Москва: ЛитРес: Самиздат, 2019. — 142 с.
6. Физическая энциклопедия. [Текст]/ Гл. ред. А. М. Прохоров: — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. —ISBN 5-85270-101-7.
7. Шелков, В.А. История «микроточки». «Микроточка» в годы «холодной войны» / В.А. Шелков // Специальная техника. – 1999. - №6.
8. DORS [Электронный ресурс]. – 2020. – Режим доступа: http://dors.com (дата обращения: 09.02.2020)
9. Koch E., Zhao J. Towards Robust and Hidden Image Copyright Labeling. IEEE Workshop on Nonlinear Signal and Image Processing. 1995. P. 123—132.
10. Steganographia (Secret Writing), by Johannes Trithemius [Электронный ресурс]. – 2019. – Режим доступа: http://www.esotericarchives.com/tritheim/stegano.htm (дата обращения: 10.01.2020)