System steganograficzny dla sieci o współdzielonym medium

Transkrypt

1 Krzysztof Szczypiorski Instytut Telekomunikacji Politechnika Warszawska, Warszawa System steganograficzny dla sieci o współdzielonym medium STRESZCZENIE Przedstawiony w artykule system steganograficzny HICCUPS (HIdden Communication system for CorrUPted networks) jest przeznaczony dla sieci ze współdzielonym medium transmisyjnym. Nowatorsk ide systemu jest zaproponowanie protokołu steganograficznego z alokacj dodatkowej przepustowoci wykorzystujcego uszkodzone ramki warstwy sterowania dostpem do medium. W artykule przedstawiono zarys przykładowej implementacji systemu dla bezprzewodowych sieci lokalnych wg standardu IEEE Krzysztof Szczypiorski Institute of Telecommunications Warsaw University of Technology, Warsaw K.Szczypiorski@tele.pw.edu.pl Steganographic System for Shared Medium Networks ABSTRACT The article presents HICCUPS (HIdden Communication system for CorrUPted networks), a steganographic system dedicated for shared medium networks. Novelty of HICCUPS is proposal of new steganographic protocol with bandwidth allocation based on corrupted MAC (Medium Access Control) frames. An example of an implementation framework for wireless local area networks IEEE is explained in details.

2 Krzysztof Szczypiorski Instytut Telekomunikacji Politechnika Warszawska, Warszawa System steganograficzny dla sieci o współdzielonym medium Przedstawiony w artykule system steganograficzny HICCUPS (HIdden Communication system for CorrUPted networks) jest przeznaczony dla sieci ze współdzielonym medium transmisyjnym. Nowatorsk ide systemu jest zaproponowanie protokołu steganograficznego z alokacj dodatkowej przepustowoci wykorzystujcego uszkodzone ramki warstwy sterowania dostpem do medium. W artykule przedstawiono zarys przykładowej implementacji systemu dla bezprzewodowych sieci lokalnych wg standardu IEEE Wprowadzenie Prezentowany w artykule system o akronimie HICCUPS (HIdden Communication system for CorrUPted networks), opracowany w Instytucie Telekomunikacji Politechniki Warszawskiej, jest systemem steganograficznym wykorzystujcym niedoskonało rodowiska, w którym działaj sieci zakłócenia kanałów transmisyjnych naturaln podatno na przekłamanie danych. Wikszo współczesnych ogólnodostpnych implementacji systemów ukrywania informacji jest przeznaczona dla aplikacji multimedialnych ukryte dane s przechowywane w plikach z dwikiem, bd z obrazami statycznymi i ruchomymi. Rozwizania przeznaczone dla sieci zlokalizowane poniej warstwy aplikacji s stosunkowo mało rozpowszechnione, przewanie polegaj na wykorzystaniu opcjonalnych pól protokołów komunikacyjnych [1,5,12], bd uyciu nietypowych wartoci z przestrzeni kodów transmisyjnych [2]. HICCUPS jest systemem steganograficznym z alokacj dodatkowej przepustowoci 1 dla sieci ze współdzielonym medium transmisyjnym. 2. rodowisko sieciowe dla systemu Sieci o współdzielonym medium transmisyjnym zwłaszcza sieci lokalne o topologii szyny wykorzystuj róne mechanizmy dostpu do kanału m.in.: CSMA (Carrier Sense Multiple Access), CSMA/CD (CSMA with Collision Detection), CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance), Token Bus. Wspóln cech wymienionych mechanizmów dostpu jest nasłuchiwanie medium transmisyjnego, a co za tym idzie moliwo podsłuchu danych wymienianych przez inne stacje poprzez prac w trybie kopiowania wszelkich ramek z medium. Warunkiem nieodzownym do realizacji podsłuchu ramek jest fizyczny dostp do medium, który w sieciach przewodowych jest realizowany poprzez łczno kablow stacji. Natomiast w sieciach bezprzewodowych fizyczny dostp do medium polega na znalezieniu si w zasigu pracy nadajników radiowych i dostrojeniu odbiornika do poprawnej czstotliwoci. 1 alokacja dodatkowej przepustowoci jest prowadzona wyłcznie na potrzeby systemu steganograficznego i nigdy nie przekracza dostpnej dla danego protokołu sieciowego przepływnoci

3 Nowatorsk ide proponowanego w artykule rozwizania jest: (1) wykorzystanie sieci zabezpieczonej ju uprzednio innymi metodami kryptograficznymi do zrealizowania systemu steganograficznego oraz (2) zaproponowanie protokołu komunikacyjnego z alokacj dodatkowej przepustowoci na potrzeby systemu steganograficznego wykorzystujcego uszkodzone ramki ramki z niepoprawnie stworzonymi sumami kontrolnymi. Istotne z punktu widzenia zastosowania tajnego systemu komunikacyjnego (systemu steganograficznego) informacje s wymieniane w ukrytych kanałach. Pozostałe zwykłe kanały komunikacyjne na poziomie warstwy sterowania dostpem do medium (Medium Access Control MAC) s naraone na atak kryptoanalityczny i pozostawione na penetracj, stanowic przynt, słu normalnej pracy sieci. Przedstawione rozwizanie moe by zaimplementowane w rodowisku sieciowym o nastpujcych cechach: C1: dostp do współdzielonego medium transmisyjnego dajcego moliwo kopiowania wszystkich ramek z medium transmisyjnego np. sie lokalna o topologii szyny, C2: jawna metoda inicjacji parametrów szyfrów np. za pomoc wartoci, wektorów inicjujcych, C3: kontrola poprawnoci szyfrogramów za pomoc sum kontrolnych (np. funkcje skrótu, cykliczne kody nadmiarowe Cyclic Redundancy Code CRC). Cech nieodzown rodowiska sieciowego jest cecha C1. 3. Działanie systemu Nagłówek Pole danych Suma kontrolna Rysunek 1 Generyczna ramka MAC W sieciach spełniajcych cechy C1-C3 mona stworzy na poziomie ramki MAC (por. Rysunek 1) nastpujce kanały ukrywania informacji: K1: kanał oparty na wartociach inicjujcych szyfry, K2: kanał oparty na adresach sieciowych MAC (np. adresach ródła i przeznaczenia), K3: kanał oparty na sumach kontrolnych. Dla rodowiska posiadajcego wyłcznie cech C1 uywane s wyłcznie kanały K2-K3. Ogólny schemat działania proponowanego systemu (por. Rysunek 2) jest nastpujcy: Inicjacja systemu: Stacje tworzce ukryt grup (por. Rysunek 3) ustalaj wspólny klucz dla systemu steganograficznego. Rozwizanie majce cechy ogólnego szkieletu nie definiuje, czy

4 system ma by systemem unicastowym (1:1 jeden nadawca do jednego odbiorcy), multicastowym (1:N jeden nadawca do wielu odbiorców, M:N wielu nadawców do wielu odbiorców) czy broadcastowym (jeden do wszystkich). Nie precyzuje metody prowadzenia naboru do grupy, ani algorytmu uzgodnienia, czy dystrybucji klucza. Do uzgodnienia klucza moe by uyty np. algorytm Diffie-Hellman [3] opcjonalnie z algorytmem podpisów cyfrowych DSS (Digital Signature System [10]). Równie specyfikacja uytego algorytmu szyfrujcego uywanego do przesyłania danych w obrbie ukrytej grupy wykracza poza ramy rozwizania moe to by np. symetryczny algorytm blokowy AES (Advanced Encryption Standard [11]). W szczególnym przypadku system moe działa bez dodatkowego wsparcia ze strony technik kryptograficznych. / 0 / 0 1! # ( )* +, -.! " # $! %& ' Rysunek 2 Ogólny schemat działania proponowanego systemu Tryb podstawowy: Podstawowym trybem pracy jest przesyłanie komunikatów sterujcych na wartociach inicjujcych szyfry (K1), opcjonalnie na polach adresowych MAC (K2). Kanały te maj nisk przepływno: poniej 1% dostpnej przepływnoci. Oprócz informacji sterujcych, kanały te mog by uywane jako kanały transmisyjne dla danych wymienianych w obrbie ukrytej grupy. Ustalona przez stacje sekwencja wartoci inicjujcych szyfry lub wartoci na polach adresowych MAC prowadzi do stanu, w którym stacje stanowice ukryt grup przechodz w tryb tzw. uszkodzonych ramek tj. tryb z wiksz przepustowoci. Ustalona przez stacje sekwencja wartoci inicjujcych szyfry lub wartoci na polach adresowych MAC stanowi wspóln wiedz stacji i nie jest przedmiotem propozycji. Mona tu zastosowa np. rozwizanie wzorowane na hasłach jednorazowych. Rysunek 3 Przykładowa ukryta grupa składajca si z czterech stacji

5 Tryb uszkodzonych ramek : W trybie uszkodzonych ramek informacje s przesyłane w czci informacyjnej ramek z celowo niepoprawnie stworzonymi sumami kontrolnymi (K3). W ten sposób moe by wykorzystane przez pewien czas 100% przepływnoci. Pozostałe stacje nie bdce członkami ukrytej grupy odrzucaj ramki z niepoprawnymi sumami kontrolnymi. Sposób tworzenia niepoprawnych sum kontrolnych stanowi wspóln wiedz stacji i nie jest przedmiotem propozycji. Zadana sekwencja na kanałach (K1-K3) powoduje powrót do stanu wyjciowego do trybu podstawowego. Zadana sekwencja stanowi wspóln wiedz stacji i nie jest przedmiotem propozycji. Praca interfejsów sieciowych przesyłajcych do warstw wyszych dane z uszkodzonych ramek, wymaga tzw. trybu pracy monitor, trybu kopiowania wszystkich ramek z medium, take tych, które maj niepoprawne CRC. 4. Elementy realizujce system Podstawowymi elementami systemu s: E1: interfejs sieciowy pracujcy w danej technologii sieciowej np. IEEE b ([7]), umoliwiajcy modyfikacj kanałów K1-K3 oraz pełne sterowanie polem uytkowym w ramce MAC, oraz E2: system zarzdzania, który zajmuje si modyfikacj kanałów i pola uytkowego. System zarzdzania (E2) moe zosta zrealizowany sprztowo lub programowo i powinien zapewnia nastpujce funkcj: dołczanie si do ukrytej grupy, odłczenia si od ukrytej grupy, interfejs dla warstw wyszych umoliwiajcy sterowanie kanałami K1-K3 i polem uytkowym, a rozszerzajc funkcjonalno systemu o dystrybucj klucza dodatkowo: uzgadnianie/wymian klucza, odwieanie klucza, realizacj poufnoci. 5. Zarys przykładowej implementacji dla IEEE Obecnie wszystkie cechy rodowiska C1-C3 spełniaj bezprzewodowe sieci lokalne (Wireless Local Area Networks WLAN) działajce wg standardu IEEE [6]. Dodatkowym atutem rodowiska bezprzewodowego jest rednia stopa bitowa błdów na poziomie naturalne przekłamanie ramek zachodzi tu niekiedy milion razy czciej ni w sieciach przewodowych. W sieciach IEEE , wykorzystujcych CSMA/CA, opcjonalnie w warstwie MAC implementuje si algorytm realizujcy poufno i integralno WEP (Wired Equivalent Privacy). Stacje korzystajce z algorytmu WEP współdziel tajny 40-bitowy klucz i za pomoc symetrycznego pseudostrumieniowego algorytmu szyfrujcego RC4 wymieniaj dane. Dla kadej ramki (por. Rysunek 4) uywane s unikalne wartoci inicjujce o długoci 24 bity, które połczone wraz ze współdzielonym kluczem tworz unikalny klucz sesyjny (64-bitowy). Ataki na sieci wykorzystujce WEP wykorzystuj brak zarzdzania kluczami kryptograficznymi w danej realizacji IEEE [4,9,14]. Wtedy, gdy klucz współdzielony nie jest wystarczajco czsto zmieniany, wartoci inicjujce mog tworzy słabe klucze dla uywanego algorytmu szyfrujcego. W przypadku WEP znaczco ułatwia to kryptoanaliz, gdy dla algorytmu RC4 dla słabych kluczy istnieje korelacja

6 pomidzy kluczem a pierwszym bajtem strumienia klucza. Kontrola poprawnoci ramek z szyfrogramami jest dokonywana za pomoc cyklicznego kodu nadmiarowego CRC-32. rodowisko sieci IEEE posiada zatem cechy C1-C3: C1.WLAN: bezprzewodowa sie lokalna o topologii szyny z metod dostpu CSMA/CA, C2.WLAN: jawna metoda inicjacji parametrów szyfru RC4 za pomoc wartoci inicjujcych, C3.WLAN: kontrola poprawnoci szyfrogramów za pomoc sum kontrolnych CRC Nagłówek IV[0] IV[1] IV[2] Numer klucza Pole danych Suma kontrolna oznacza zaszyfrowan cz ramki Rysunek 4 Ramka zabezpieczona WEP W sieciach IEEE kanały ukrywania informacji przyjmuj nastpujc posta (por. Rysunek 4): K1.WLAN: kanał oparty na wartociach inicjujcych szyfr RC4: 24-bitowy, K2.WLAN: kanał oparty na adresach sieciowych MAC: ródła (Source Address SA): 48-bitowy, przeznaczania (Destination Address DA): 48-bitowy, odbiornika (Receiver Address RA): 48-bitowy, nadajnika (Transmitter Address TA): 48-bitowy, K3.WLAN: kanał oparty na sumach kontrolnych na poziomie WEP: 32-bitowy. Wiele dostpnych na rynku interfejsów sieciowych IEEE posiada moliwo pracy w trybie monitor. Dla sieci IEEE proponowany system bdzie moliwy do zaimplementowania take po wprowadzeniu nowych rozszerze zabezpiecze w ramach standardu IEEE i [8]. 6. Przykłady zastosowa Przykłady zastosowania rozwizania to: 1. System monitoringu wizyjnego oparty na bezprzewodowych kamerach; kamery przekazuj obraz rónicowy; w momencie pojawienia si ruchomego obiektu w obszarze pracy wybranej kamery nastpuje alokacja wikszej przepustowoci na potrzeby systemu steganograficznego, niezbdnej do przesłania wikszej porcji danych. 2. Kryptosystem pracujcy w rodowisku podatnym na podsłuch (np. bezprzewodowa sie lokalna o duym zasigu np. kilku kilometrów kwadratowych).

7 3. System uwierzytelniajcy stacje sieciowe działajcy niezalenie do mechanizmów zaimplementowanych w danym protokole sieciowym. 7. Podsumowanie Przedstawiony system HICCUPS jest oryginalnym systemem steganograficznym przeznaczonym dla sieci ze współdzielonym medium. Oryginalno systemu polega przede wszystkim na wykorzystaniu ramek z niepoprawnie stworzonymi sumami kontrolnymi jako metody na stworzenie dodatkowego dostpnego na danie pasma dla systemu steganograficznego. W niektórych przypadkach, przy czstym alokowaniu dodatkowej przepustowoci na potrzeby systemu, sie, w której działa proponowany system, moe mie znacznie wysz stop bitow błdów, ni sie działajca bez systemu steganograficznego. Wskazanie wyszej stopy błdów moe by wskazaniem dla steganoanalizy, dlatego te zwizku z tym istotnym kierunkiem dalszych prac badawczych jest rozbudowanie systemu o mechanizm elastycznego sterowania prawem głosu moliwoci zaalokowania dodatkowej przepływnoci w zalenoci od bitowej stopy błdów. Literatura 1. Ahsan K., Kundur D.: Practical Data Hiding in TCP/IP. Proc. Workshop on Multimedia Security at ACM Multimedia '02, Juan-les-Pins, France, December Chmielewski A.: Wykorzystanie nadmiarowoci kodu transmisyjnego do przesyłania dodatkowego strumienia danych. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Diffie W., Hellman M. E.: New Directions in Cryptography. IEEE Transactions on Information Theory, V. IT-22, n. 6, June Fluhrer S., Mantin I., Shamir A.: Weaknesses in the Key Scheduling Algorithm of RC4. Proceedings of SAC 2001, Eighth Annual Workshop on Selected Areas in Cryptography, Toronto, Ontario, Canada, August 2001, pp Handel T. and Sandford M.: Hiding Data in the OSI Network Model. Proceedings of the First International Workshop on Information Hiding, pp , Cambridge, U.K., May 30-June 01, 1996, vol of Lecture Notes in Computer Science, Springer-Verlag Inc. 6. IEEE , 1999 Edition (ISO/IEC : 1999) IEEE Standards for Information Technology Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Network Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications 7. IEEE b-1999 Supplement to , Wireless LAN MAC and PHY specifications: Higher speed Physical Layer (PHY) extension in the 2.4 GHz band 8. IEEE P802.11i/D3.0 Unapproved Draft Supplement to Standard for Telecommunications and Information Exchange Between Systems LAN/MAN Specific Requirements Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Specification for Enhanced Security 9. Mironov I.: (Not So) Random Shuffles of RC4. Proc. of Crypto'02, pp , NIST FIPS PUB 186 Digital Signature Standard. National Institute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce, May 18, NIST FIPS PUB 191 Advanced Encryption Standard (AES). National Institute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce, November 26, Rowland C. H.: Covert Channels in the TCP/IP Protocol Suite. Psionics Technologies, November 14, 1996

8 13. Szczypiorski K., Szafran P.: Sposób steganograficznego ukrywania i przesyłania danych dla sieci telekomunikacyjnych ze współdzielonym medium transmisyjnym oraz układ formowania ramek warstwy sterowania dostpem do medium. Zgłoszenie wynalazku nr P Politechnika Warszawska, Szczypiorski K.: Bezpieczestwo lokalnych sieci bezprzewodowych IEEE Materiały: VI Krajowa Konferencja Zastosowa Kryptografii Enigma 2002, Warszawa, maj 2002