Method for estimating the bandwidth capacity of a steganographic communication channel

Abstract

Ensuring information security in critical infrastructure, particularly in the energy sector, is highly relevant today. Steganographic methods are among the most effective for information protection, but they can also be misused for unauthorized extraction of classified data. This makes effective ste-ganalysis crucial. One key task of steganalysis is estimating the bandwidth capacity of a covert commu-nication channel, which remains unsolved, especially for digital video or image sets under low-band-width conditions. The main objectives of the study are to develop a steganalytic method for estimating the bandwidth capacity of a covert channel using an improved approach to analyzing information sys-tems. The method is designed to be effective in low-bandwidth scenarios and independent of container format (lossy or lossless). To achieve these objectives, the study examines how singular value matrix perturbations of video frames/images depend on frame sequence after steganographic embedding. It also defines conditions for the disruption of the stabilization region of singular values, previously identified by the authors in original content. The most important results of this research include the development of an algorithmic implementation of the proposed steganalytic method, which demonstrates high effi-ciency under low-bandwidth conditions (≤25%) and is independent of the container format. Testing of the algorithm revealed no cases of incorrect bandwidth estimation. The significance of the obtained results lies in the demonstrated feasibility of adapting the proposed steganalytic method to assess other types of perturbation effects beyond steganographic embedding. This is particularly relevant for digital content integrity verification and forensic analysis.

Asigurarea securității informațiilor în infrastructura critică, în special în sectorul energetic, este extrem de relevantă astăzi. Metodele steganografice sunt printre cele mai eficiente pentru protecția informațiilor, dar pot fi folosite greșit și pentru extragerea neautorizată a datelor clasificate. Acest lucru face ca steganaliza eficientă să fie crucială. O sarcină cheie a steganalizei este estimarea capacității lățimii de bandă a unui canal de comunicație ascuns, care rămâne nerezolvată, în special pentru seturi video digitale sau imagini în condiții de lățime de bandă redusă. Obiectivele principale ale studiului sunt dezvoltarea unei metode steganalitice pentru estimarea capacității lățimii de bandă a unui canal sub acoperire folosind o abordare îmbunătățită a analizei sistemelor informaționale. Metoda este concepută pentru a fi eficientă în scenarii cu lățime de bandă redusă și independentă de formatul containerului (cu pierderi sau fără pierderi). Pentru a atinge aceste obiective, studiul examinează modul în care perturbațiile matricei cu valori singulare ale cadrelor/imaginilor video depind de secvența de cadre după încorporarea steganografică. De asemenea, definește condiții pentru perturbarea regiunii de stabilizare a valorilor singulare, identificate anterior de autori în conținutul original. Cele mai importante rezultate ale acestei cercetări includ dezvoltarea unei implementări algoritmice a metodei steganalitice propuse, care demonstrează eficiență ridicată în condiții de lățime de bandă redusă (≤25%) și este independentă de formatul containerului. Testarea algoritmului nu a evidențiat niciun caz de estimare incorectă a lățimii de bandă. Semnificația rezultatelor obținute constă în fezabilitatea demonstrată a adaptării metodei steganalitice propuse pentru a evalua alte tipuri de efecte de perturbare dincolo de încorporarea steganografică. Acest lucru este deosebit de relevant pentru verificarea integrității conținutului digital și analiza criminalistică.

Вопросы защиты информации, циркулирующей в критической, в частности энергетической, инфраструктуре на сегодняшний день, являются чрезвычайно важными и актуальными. Одними из наиболее эффективных для защиты информации являются стеганографические методы. Однако эти же методы могут использоваться противоправными структурами для несанкционированного получения секретной информации, относящейся, в частности, к энергетическому сектору, что делает здесь критически актуальной проблему организации эффективного стеганоанализа. Одной из задач стеганоанализа является определение/оценка пропускной способности скрытого канала связи, не имеющей в настоящий момент удовлетворительного решения, в частности, когда в качестве контейнера используется цифровое видео или совокупность изображений в условиях малой пропускной способности стеганоканала. Целью работы является разработка на основании усовершенствованного общего подхода к анализу состояния информационных систем стеганоаналитического метода оценки пропускной способности скрытого канала связи для цифрового видео/пакета изображений, использованных в качестве контейнера, эффективного, в том числе, в условиях малой пропускной способности стеганоканала независимо от формата (с/без потерь) контейнера. Цель была достигнута путем исследования свойств функции зависимости возмущения сингулярного числа матрицы видеокадра/изображения от его номера в результате стеганопреобразования; определения формальных условий разрушения области стабилизации сингулярных чисел, наличие которой для оригинального контента установлено авторами ранее. Наиболее важным результатом работы является разработка алгоритмической реализации предложенного стеганоаналитического метода, эффективной, в частности в условиях малой пропускной способности стеганоканала (≤25%), без ограничений на формат (с/без потерь) используемого контейнера, что обеспечивается универсальной теоретической базой метода. В ходе тестирования разработанного алгоритма не было зафиксировано случаев ошибочной оценки пропускной способности стеганоканала. Значимость проведенных в работе исследований заключается в установлении принципиальной возможности адаптации разработанного стеганоаналитического метода для оценки величины возмущающего воздействия, отличного от стеганопреобразования, что актуально при проведении экспертизы целостности цифрового контента.