[논문]SNS 메신저 환경에서의 썸네일 이미지 기반의 새로운 스테가노그래피 통신 기법 연구

육심언; 조영호

doi:10.7472/jksii.2021.22.6.151

SNS 메신저 환경에서의 썸네일 이미지 기반의 새로운 스테가노그래피 통신 기법 연구
A Study on Novel Steganography Communication Technique based on Thumbnail Images in SNS Messenger Environment 원문보기

Journal of Internet Computing and Services = 인터넷정보학회논문지, v.22 no.6, 2021년, pp.151 - 162

육심언 (Department of Defense Science (Computer Engineering), Graduate School of Defense Management, Korean National Defense University) , 조영호 (Department of Defense Science (Computer Engineering), Graduate School of Defense Management, Korean National Defense University)

초록
AI-Helper

스테가노그래피 기술은 은닉하고자 하는 정보를 미세한 노이즈의 형태로 변환하여 이미지, 비디오, 오디오 같은 멀티미디어 파일 속에 은닉함으로써 정보은닉 여부를 육안으로 알 수 없게 하는 것이 주 목적인 고도의 은닉기법으로, 각종 간첩 행위 및 사이버 공격에 악용되어 왔다. SNS 메신저는 스테가노그래피의 주요 매개체로 활용되는 멀티미디어 파일을 송수신하는데 있어서 다양한 장점을 가진 매력적인 플랫폼이다. 본 연구에서는 SNS 메신저 환경에서 썸네일 이미지의 활용을 통해 완전한 수신율을 보장하는 두 가지의 새로운 스테가노그래피 통신 기법을 제안했다. 또한, 대표적인 SNS 메신저인 카카오톡을 사용한 실제 환경에서 제안한 기법들에 대한 구현과 시험을 통해 실현 가능성을 검증하였다. 본 연구를 통해 새로운 유형의 스테가노그래피 통신 기법을 제안함으로써 스테가노그래피 기술의 위험성을 재평가하고, 상응하는 방어기법에 대한 후속 연구의 촉발을 도모한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Steganography is an advanced technique that hides secret messages by transforming them into subtle noise and spreading them within multimedia files such as images, video and audio. This technology has been exploited in a variety of espionage and cyber attacks. SNS messenger is an attractive SNS Service platform for sending and receiving multimedia files, which is the main medium of steganography. In this study, we proposed two noble steganography communication techniques that guarantee the complete reception rate through the use of thumbnail images in the SNS messenger environment. In addition, the feasibility was verified through implementation and testing of the proposed techniques in a real environment using KakaoTalk, a representative SNS messenger in south korea. By proposing new steganography methods in this study, we re-evaluate the risk of the steganography methods and promoted follow-up studies on the corresponding defense techniques.

주제어

표/그림 (12)

그림 (그림 1) 카카오톡의 이미지파일 전송 절차 (Figure 1) Image File Transfer Process in KakaoTalk
그림 (그림 2) 카카오톡 썸네일 이미지 추출 과정 (Figure 2) Thumbnail Image Extraction Process in KakaoTalk
그림 (그림 3) 카카오톡의 썸네일 이미지 생성 조건 (Figure 3) Conditions of Thumbnail Image Generation in KakaoTalk
그림 (그림 4) 제안기법①의 순서도(Flow chart) (Figure 4) Flow chart of Proposed Method ①
표 (표 1) 카카오톡의 썸네일 이미지와 상이한 보간법 플래그 를 적용한 샘플 간 일치율 비교 (Table 1) Comparison of Match Rates between Thumbnail Image in KakaoTalk and Samples with Different Interpolation Flags
그림 (그림 5) LSB 대체 기법 개념 (Figure 5) The Concept of LSB Replacement Technique
표 (표 2) INTER_AREA 축소 스케일링 예시 (Table 2) Example of Down Scaling with INTER_AREA
그림 (그림 6) 제안 기법① 검증 절차 (Figure 6) Verification Process of the Proposed Method ①
그림 (그림 7) 제안 기법② 검증 절차 (Figure 7) Verification Process of the Proposed Method②
표 (표 3) 샘플 이미지의 검증 (Table 3) Validation of Sample Image
표 (표 4) 은닉 메시지와 추출 메시지 비교(4.1) (Table 4) Comparison of Embedded and Extracted Messages
표 (표 5) 은닉 메시지와 추출 메시지 비교(4.2) (Table 5) Comparison of Embedded and Extracted Messages

AI 본문요약
AI-Helper

가설 설정

본 제안 기법은 원본 이미지의 해상도가 이미 충분히 작은 이미지라면, 썸네일 이미지 생성 간 축소 스케일링이나 압축 없이 원본 그대로 전송될 것이라는 가정에 기반한다. 썸네일 이미지는 원본 이미지 대비 용량을 줄이는 것이 목적이지만, 최소한의 시인성은 보장되어야 하므로 해상도를 무한정으로 축소시킬 수 없기 때문이다.
셋째, 확산성이 높다. SNS 메신저는 사전에 모의한 인원 간에 은밀하게 파일을 주고받는 데에도 활용할 수 있지만, 스테가노그래피 기술로 은닉한 파일을 불특정 다수 인원을 대상으로 대량 유포하는 데에도 활용할 수 있다.
즉, 상기 조건을 모두 만족하는 이미지를 커버 이미지로 사용하여 비밀 메시지를 은닉, 스테고 이미지를 생성하고 이를 전송하여 생성된 썸네일 이미지로부터 비밀 메시지의 추출이 가능할 것으로 가정할 수 있다(그림 4).
카카오톡에서 사용하는 축소 스케일링 함수 DS() 역시 자체 고안된 것이 아니라, 이미지 처리 라이브러리를 활용했을 것으로 가정하였다. 이를 검증하기 위해 카카오톡을 통해 생성된 썸네일 이미지와, 파이썬 OpenCV에서 제공하는 해상도 변경 함수 resize()의 보간법 플래그 (InterpolationFlag) 7종을 각기 상이하게 적용하여 생성된 샘플 이미지 간의 픽셀값 일치율을 비교하여 표 1과 같은 결과를 확인하였다.

제안 방법

SNS 메신저 환경은 스테가노그래피 통신을 수행하기에 매우 매력적인 특성이 많아 활발히 연구되어왔다. 기존 연구에서는 스테고 매개체를 신뢰성있게 전송하지 못하는 제한사항이 있었는데, 본 연구에서는 썸네일 이미지를 스테고 매개체로 활용함으로써 스테고 매개체의 전송 신뢰성을 보장하는 두 가지 기법을 제안하였다.
둘째, 썸네일 이미지 생성 간 발생하는 축소 스케일링에 의해 은닉된 메시지가 파괴되지 않도록, 발생이 예상되는 축소 스케일링 과정을 감안하여 스테가노그래피 은닉 알고리즘을 설계하는 방안이다.
일반적으로 썸네일 이미지 생성에 사용되는 압축의 경우에는 JPEG가 사용되는데, 이는 손실압축(Lossy compression) 과정에 해당되어 비가역적 정보 손실이 발생하기 때문에 은닉된 정보 역시 파괴될 가능성이 매우 크다. 따라서 본 연구에서는 첫째와 둘째 방안을 연구 범위로 집중하여 각각의 방안을 적용한 기법을 제안한다.
본 장에서는 스테가노그래피 기술에 대해 소개하고, 주요 실제 악용사례를 문헌 연구를 통해 살펴본다. 또한 SNS 메신저 환경이 스테가노그래피 통신에 적합한 이유와 관련한 기존 연구사례에 대해 알아본다.
셋째, 썸네일 이미지 생성 간 발생하는 압축에 의해 은닉된 메시지가 파괴되지 않도록, 발생이 예상되는 압축과정을 고려하여 스테가노그래피 은닉 알고리즘을 설계하는 방안이다.
또한, SNS 메신저가 스테가노그래피 통신에 매우 적합한 특성들을 갖고 있기 때문에, 공격자가 이 환경을 악용할 가능성이 높다고 평가하였다. 이에 따라 기존 연구의 제한사항인 완전하지 못한 수신율을 보완하기 위해, 썸네일 이미지를 활용하는 두 가지의 새로운 스테가노그래피 통신 기법을 제안하였다. 또한, 카카오톡을 사용한 실제 환경에서 제안한 기법들에 대한 구현과 시험을 통해 실현 가능성 역시도 검증하였다.
이에 본 연구에서는 ‘SNS 메신저 환경에서 발신자가 전송하고자 하는 스테고 매개체가 신뢰성 있게 수신자에게 전송됨을 보장하는 것’을 핵심 문제로 정의하여 이를 해결하기 위한 기법을 제안한다.
이와 같은 가정을 검증하기 위해 다양한 조건의 원본 이미지 I를 전송하여, 카카오톡의 썸네일 이미지 생성함수 Thumb()에 의해 생성된 썸네일 이미지 T의 양상을 분석하였다. I와 T, Thumb()는 다음 식(1)을 만족한다.
첫째, 원본 이미지에 조작이 가해지지 않은 채 그대로 썸네일 이미지로 생성되는 조건을 찾고, 그 조건을 만족하는 원본 이미지를 커버 이미지로 활용하는 방안이다.

대상 데이터

본 장에서는 3장에서 제안한 두 가지 기법을 구현 및 시험을 통해 실현 가능성을 검증한다. 모바일 기기는 삼성 갤럭시 S9, PC는 Intel i5 10세대, 16GB RAM 사양의 삼성 랩탑으로 환경을 구성하였으며, 이미지 처리는 파이썬3의 OpenCV 라이브러리를 활용하였다. 본 장을 통해 달성하고자하는 목표는 다음의 두 가지이다.

데이터처리

카카오톡에서 사용하는 축소 스케일링 함수 DS() 역시 자체 고안된 것이 아니라, 이미지 처리 라이브러리를 활용했을 것으로 가정하였다. 이를 검증하기 위해 카카오톡을 통해 생성된 썸네일 이미지와, 파이썬 OpenCV에서 제공하는 해상도 변경 함수 resize()의 보간법 플래그 (InterpolationFlag) 7종을 각기 상이하게 적용하여 생성된 샘플 이미지 간의 픽셀값 일치율을 비교하여 표 1과 같은 결과를 확인하였다. 카카오톡의 축소 스케일링 함수 DS() 는 INTER_AREA 플래그가 적용된 OpenCV의 resize()함수와 완전히 같은 결과를 출력한 것으로 보아 두 함수는 서로 같은 원리로 동작함을 확인할 수 있었다.

성능/효과

둘째, 정보를 은닉한 스테고 이미지를 전송하고, 축소 스케일링을 거쳐 생성된 스테고 썸네일 이미지로부터 메시지 추출이 가능함을 보인다(제안 기법②의 검증).
본 연구에서는 과거 스테가노그래피 기술의 악용사례를 확인함으로써 현재에도 실존하는 위협임과 동시에 활용양상이 점차 발전하고 있다는 점을 확인하였다. 또한, SNS 메신저가 스테가노그래피 통신에 매우 적합한 특성들을 갖고 있기 때문에, 공격자가 이 환경을 악용할 가능성이 높다고 평가하였다. 이에 따라 기존 연구의 제한사항인 완전하지 못한 수신율을 보완하기 위해, 썸네일 이미지를 활용하는 두 가지의 새로운 스테가노그래피 통신 기법을 제안하였다.
이에 따라 기존 연구의 제한사항인 완전하지 못한 수신율을 보완하기 위해, 썸네일 이미지를 활용하는 두 가지의 새로운 스테가노그래피 통신 기법을 제안하였다. 또한, 카카오톡을 사용한 실제 환경에서 제안한 기법들에 대한 구현과 시험을 통해 실현 가능성 역시도 검증하였다. 본 연구를 통해 SNS 메신저 환경에서 발생할 수 있는 스테가노그래피 통신의 위험성이 재평가되게 하는 한편, 이에 상응하는 방어기법에 대한 후속 연구의 촉발을 위한 초석을 마련하였다.
본 연구에서는 과거 스테가노그래피 기술의 악용사례를 확인함으로써 현재에도 실존하는 위협임과 동시에 활용양상이 점차 발전하고 있다는 점을 확인하였다. 또한, SNS 메신저가 스테가노그래피 통신에 매우 적합한 특성들을 갖고 있기 때문에, 공격자가 이 환경을 악용할 가능성이 높다고 평가하였다.
비밀 메시지 M을 은닉한 스테고 이미지 S를 카카오톡을 통해 전송한 후, 축소 스케일링 결과 생성된 썸네일 이미지 ST로부터 추출한 비밀 메시지 M을 비교하여 서로 일치하는 경우 검증에 성공한 것으로 판단한다.
알고리즘1을 파이썬 코드로 구현하여 PNG 확장자의 커버 이미지 C(960*960px)에 은닉 메시지 M(226*226px, 104KB)을 은닉, 스테고 이미지 S를 생성하였다. 이를 카카오톡을 통해 전송하여 수신자의 디바이스에서 스테고 썸네일 이미지 ST를 확보하여 메시지 M을 추출하였고, 은닉 메시지와 비교한 결과 일치함을 확인하였다(표 5). 이후 커버 이미지의 해상도를 달리하여 수행한 추가 시험(5회) 에서도 동일한 결과를 확인, 제안 기법②를 검증하였다.
첫째, 썸네일 이미지가 동일하게 생성되는 조건을 만족하는 스테고 이미지를 전송하여 썸네일 이미지로부터 메시지 추출이 가능함을 보인다(제안 기법①의 검증).

후속연구

은닉기법이 공개되는 순간부터 방어자는 그에 상응하는 방어대책을 강구할 것이기에, 아직 알려지지 않은 은닉기법을 활용함으로써 누릴 수 있는 공격자의 상대적 우위가 사라지게 되어, 결과적으로 은닉행위가 드러날 가능성이 증대되기 때문이다. 또한 방어자로 하여금 과거에 식별되지 않았거나 저평가된 위협을 적절한 수준으로 재평가되게 함으로써 관련 방어기술에 대한 후속 연구를 촉발시키는 효과 역시도 기대할 수 있다.
또한, 카카오톡을 사용한 실제 환경에서 제안한 기법들에 대한 구현과 시험을 통해 실현 가능성 역시도 검증하였다. 본 연구를 통해 SNS 메신저 환경에서 발생할 수 있는 스테가노그래피 통신의 위험성이 재평가되게 하는 한편, 이에 상응하는 방어기법에 대한 후속 연구의 촉발을 위한 초석을 마련하였다.
향후 연구에서는 본 연구에서 다루지 못한 손실 압축 과정을 거쳐 생성되는 썸네일 이미지에 대해서도 메시지가 파괴되지 않도록 은닉하는 추가적인 스테가노그래피 기법에 대해 연구할 계획이다.

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"Steg," http://www.fabionet.org/node/237

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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