በምስል ውስጥ የተመሰጠረ መልዕክት፦ የSnapSeal ኮዴክ እንዴት ይሠራል?

ምስጢሩና ተሸካሚው

SnapSeal ከምስሎች፣ ከፋይሎች ወይም ከጽሑፍ የመጀመሪያ ባይቶች ይነሳል። ባይቶቹንና ሜታዳታቸውን አመስጥሮ የተመሰጠረውን ጥቅል በሽፋን ምስል ፒክስሎች ውስጥ ያስቀምጣል። ተቀባዩ የተጠበቀውን ፋይልና የይለፍ ቃሉን ይፈልጋል፤ የመጀመሪያው ሽፋን ወይም አገልጋይ አያስፈልገውም።

ምስጠራ ይዘቱን በሚስጥር ይጠብቃል፤ የምስል ስቴጋኖግራፊ ደግሞ መሸከሚያውን ይሰጣል። ሁለቱም የታወቁ ሐሳቦች ናቸው፤ የአሠራሩ ፈተና ድንበራቸውን በግልጽ ማስቀመጥ ነው። በዚህ ምሳሌ የሚጠቀሙት ስዕልና የሙከራ የይለፍ ቃል ሆን ተብለው ይፋ የተደረጉ ናቸው።

1. original_bytes + metadata
2. Argon2id → AES-GCM
3. header + ciphertext + tag
4. RGB → PNG

original.pngcover.webpprotected.png

የታችኛዎቹን ሁለት ቢቶች መጠቀም

እያንዳንዱ የRGB ፒክስል ሦስት ባለ 8-ቢት ቻናሎች አሉት። በዚህ ምሳሌ ኢንኮደሩ ቻናሎቹን ከግራ ወደ ቀኝ ያነባል፣ alphaን ይዘላል፤ የላይኛዎቹን ስድስት ቢቶች ሳይነካ የታችኛዎቹን ሁለት ይተካል። ስለዚህ አራት ቻናሎች አንድ ባይት ይሸከማሉ።

የተደመቁት ቢቶች ሲቀየሩ ለማየት ተንሸራታቹን ያንቀሳቅሱ። ይህ የዝቅተኛ ቢቶች ጽሕፈት ብቻውን የቻናል እሴትን ቢበዛ በ3 ይቀይራል፤ አማራጩ የJPEG ተሸካሚና ሌሎች የማስዋቢያ ለውጦች ግን ሽፋኑን ከዚያ በላይ ሊቀይሩ ይችላሉ።

def embed_byte(channels: bytes, value: int) -> bytes:
    if len(channels) != 4 or not 0 <= value <= 255:
        raise ValueError("Expected four channels and one byte")
    pairs = [(value >> shift) & 3 for shift in (6, 4, 2, 0)]
    return bytes((c & 0xFC) | pair
                 for c, pair in zip(channels, pairs, strict=True))

def read_byte(channels: bytes) -> int:
    value = 0
    for channel in channels:
        value = (value << 2) | (channel & 3)
    return value

cover = bytes([170, 181, 94, 203])
stored = embed_byte(cover, 0xD3)
assert stored == bytes([171, 181, 92, 203])
assert read_byte(stored) == 0xD3

ስንት ባይት ይገባል?

በሦስቱ ቻናሎች እያንዳንዳቸው ሁለት ቢቶችን ሲሸከሙ፣ አንድ ፒክስል ስድስት ቢቶች ይይዛል። 1024×1024 የሆነ ሽፋን ከ16-ባይት የፒክስል ፓኬት ራስጌ በፊት 786,432 ባይቶች ይይዛል፤ ራስጌው ከተቀነሰ በኋላ 786,416 ባይቶች ይቀራሉ። ስዕል ለራሱ ፒክስሎችን ስለሚይዝ የሚገኘውን አቅም ይቀንሳል።

ቋሚ ምልክት የፓኬቱን አቀማመጥ ይለያል፤ የርዝመት መስክ ደግሞ የተመሰጠረው ጥቅል የሚያበቃበትን ቦታ ያመለክታል። የፓኬትና የምስጠራ ስሪቶች የተለያዩ መለያዎች ናቸው፤ የPNG2 ፓኬት የv3 የምስጠራ ጥቅል ሊሸከም ይችላል።

C = floor(W × H × 3 × 2 / 8) − 16
C(1024, 1024) = 786,416 bytes

ቁልፉን ማውጣት፣ ጥቅሉን ማረጋገጥ

የSnapSeal v3 መገለጫ Argon2id v1.3ን ተጠቅሞ ከUTF-8 የይለፍ ቃል ባይቶችና ከዘፈቀደ 16-ባይት salt 32-ባይት ቁልፍ ያወጣል። ለዚህም 64 MiB ማህደረ ትውስታ፣ 3 ዙሮችና 1 lane ይጠቀማል። አንባቢው KDFን ከማስኬዱ በፊት የተገለጹት የሥራ መለኪያዎች ከተደገፉት እሴቶች ጋር መጣጣማቸውን ማረጋገጥ አለበት።

AES-256-GCM የመጀመሪያዎቹን ባይቶችና ሜታዳታቸውን ያመሰጥራል። ባለ 16-ባይት tag የተመሰጠረውን ውሂብና ይፋዊውን 48-ባይት ራስጌ ያረጋግጣል። ማረጋገጫው ካልተሳካ፣ አንባቢው የተፈታውን ውሂብ ፈጽሞ መልቀቅ የለበትም።

from argon2.low_level import Type, hash_secret_raw
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM

def decrypt_v3(envelope: bytes, password: str) -> bytes:
    if not 70 <= len(envelope) <= 50 * 1024 * 1024 + 4096:
        raise ValueError("Invalid envelope size")
    header = envelope[:48]
    if header[:12] != b"SNAPSEAL\x03\x01\x13\x01":
        raise ValueError("Expected the v3 Argon2id profile")
    memory = int.from_bytes(header[12:16], "big")
    passes = int.from_bytes(header[16:20], "big")
    if (memory, passes) != (65536, 3):
        raise ValueError("Unsupported work factors")
    secret = password.encode("utf-8")
    if not 1 <= len(password) <= 256 or len(secret) > 1024:
        raise ValueError("Invalid password length")
    key = hash_secret_raw(
        secret, header[20:36], time_cost=passes,
        memory_cost=memory, parallelism=1, hash_len=32,
        type=Type.ID, version=19,
    )
    return AESGCM(key).decrypt(
        header[36:48], envelope[48:], header,
    )

plaintext = uint32_be(metadata_length) + metadata_json + original_bytes
envelope  = header + AESGCM(key).encrypt(nonce, plaintext, header)

መልዕክቱ በፒክስሎች ውስጥ ነው

ውሂቡ የሚቀመጠው በተፈቱ የRGB እሴቶች ውስጥ ነው፣ በPNG ሜታዳታ ውስጥ አይደለም። ሁለት የPNG ፋይሎች ባይቶቻቸው ቢለያዩም፣ የተፈቱት የRGB እሴቶቻቸው ሳይቀየሩ ከቀሩ ተመሳሳይ የዝቅተኛ ቢት መልዕክት ይይዛሉ። ስክሪንሾት ማንሳት፣ ፒክስሎችን ማርትዕ ወይም መጠን መቀየር ግን ምስሉ የሚታወቅ ሆኖ ሳለ ውሂቡን ሊያጠፋ ይችላል።

የምንጩን መጭመቅ በግልጽ ካልተመረጠ፣ የመጀመሪያዎቹ ባይቶችና ሜታዳታቸው በትክክል ይመለሳሉ። የፋይሉ ስም የተመሰጠረ ነው፤ ጥቅሉ መጠኑን ለመደበቅ ተጨማሪ ባይቶች ስለሌሉት ግን ግምታዊውን የይዘት መጠን ያሳያል።

PNG bytes A ≠ PNG bytes B
RGB(A) = RGB(B), α(A) = α(B) = 255
→ envelope(A) = envelope(B)

መጭመቅን መቋቋም፦ በJPEG በኩል ሁለተኛ መንገድ

«መጭመቅን መቋቋም» የተባለው አሠራር የስፋትና የቁመት መጠኑ ያልተቀየረ JPEG ውስጥ ያለውን ውሂብ ለመመለስ የሚደረግ ሙከራ ነው፤ ስኬቱ የተረጋገጠ አይደለም። ተመሳሳዩ የተመሰጠረ ጥቅል በPNG ዝቅተኛ የRGB ቢቶች ውስጥ ቅጂ አለው፤ እንደ አማራጭም በምስሉ የድግግሞሽ ኮኤፊሺየንቶች ውስጥ የመልሶ ማግኛ ቅጂ ሊኖረው ይችላል። ይህ መጭመቅን አያግድም፤ ቅርጸቱንም ሊለይ የማይችል አያደርገውም።

RGB → Y → DCT(8×8)
q = round(coefficient / JPEG_quantizer)
coefficient′ = q × JPEG_quantizer

from math import floor

def put_bit(coefficient: float, bit: int, step: int = 24) -> int:
    cell = floor((coefficient / step - bit) / 2 + 0.5)
    return step * (2 * cell + bit)

def read_bit(coefficient: float, step: int = 24) -> int:
    return floor(coefficient / step + 0.5) % 2

stored = put_bit(70, 1)              # 72
assert read_bit(stored + 11) == 1    # 83: same cell
assert read_bit(stored + 13) == 0    # 85: crossed the boundary

223 + 32 = 255 bytes
t = (255 − 223) / 2 = 16 byte errors
A₀ B₀ C₀ A₁ B₁ C₁ … → A, B, C
repair → CRC → AES-GCM → original_bytes

exact(PNG) ∧ exact(Q60) ∧ exact(Q85 → Q60)
max(corrected_bytes_per_codeword) ≤ 12 < 16
automatic: envelope_length ≤ 280_000

ቅርጸቱ የሚያጋልጠው

ቋሚ ምልክቶቹ ቅርጸቱን ለይቶ ማወቅ ያስችላሉ። የሽፋኑ ስዕል ይፋዊ ነው፤ እንደ ስዕልም አይረጋገጥም። የላይኛዎቹ ቢቶች ቢቀየሩ እንኳ የተቀመጠው መልዕክት ሳይበላሽ ሊቀር ይችላል። የስህተት እርማትና CRC የማስተላለፊያ ጉዳትን ለመቋቋምና ለመለየት ይረዳሉ፤ AES-GCM ደግሞ የተጠበቀውን ይዘት ያረጋግጣል።

አጥቂ አሁንም የይለፍ ቃላትን ከመስመር ውጭ መገመት ይችላል። Argon2id የእያንዳንዱን ግምት ወጪ ያሳድጋል፣ ደካማ የይለፍ ቃልን ግን ማዳን አይችልም። የይለፍ ቃልን መልሶ ማግኛ የለም፤ ገለልተኛ የደህንነት ኦዲት ተደርጓል የሚል መግለጫም የለም።

ያለ መተግበሪያው ማንበብ

የዚህ አሠራር ጠቀሜታ የታወቁ የምስጠራ አልጎርይዝሞችን፣ በግልጽ የተገለጹ ገደቦችንና ገለልተኛ አንባቢን በአንድ ቅርጸት ማቀናጀቱ ነው። የPython 3.12+ አንባቢው የመጀመሪያ PNG ፋይሎችን፣ የJPEG መልሶ ማግኛ ቅጂ ያላቸውን PNGዎች ጨምሮ፣ ይደግፋል። እንዲሁም በተወሰነ ገደብ ውስጥ አንድ PNG የያዙ SnapSeal ZIP ፋይሎችንና ያልታሸጉ v3 ጥቅሎችን ያነባል። ወደ JPEG የተቀየሩ ፋይሎች ግን የTypeScript ኮዴክን ይፈልጋሉ።

እዚህ የተገለጸው ክፍት ምንጭ የሆነው የv3 ትግበራ ነው፤ ቀድመው የተሰማሩ የቆዩ አንባቢዎች ፋይሎቹን ላይቀበሉ ይችላሉ። የተዘረዘሩትን ጥገኛ ጥቅሎች በምናባዊ አካባቢ ይጫኑ። ሙሉ ምንጭ ኮዱና አማራጭ ማውረጃዎች ከምሳሌዎቹ በኋላ ይገኛሉ።

python -m pip install -r requirements.txt

from getpass import getpass
from pathlib import Path
from decode_snapseal import decode_path

result = decode_path(
    Path("protected.png"),
    getpass("Password: "),
)

output = Path("restored")
output.mkdir(exist_ok=True)
with (output / result.filename).open("xb") as target:
    target.write(result.data)