Капча

Целью капчи является предотвращение спама на сайтах — например, рекламного, регистрационного и извлечения данных (data scraping). Механизм позволяет эффективно блокировать автоматические «набеги» ботов^[7]. Более новые реализации оценивают поведение пользователя в сети, чтобы проверить, является ли он человеком^[8]. Обычно капча появляется только при подозрительной активности (например, при слишком частом открытии страниц или кликах по ссылкам).

С 1980—1990-х годов в интернет-среде существовало желание сделать текст нечитаемым для автоматизированных систем^[9]. Первыми такие хаки применяли хакеры, изменяя написание слов при обсуждении чувствительных тем на форумах, чтобы обходить фильтры по ключевым словам. Для этого использовались похожие символы, например, HELLO заменялось на |-|3|_|_() или )-(3££0, так что фильтр не мог учесть все варианты. Позднее это стало известно как leetspeak^[10].

Одно из первых коммерческих применений капчи — тест Гаусебека-Левчина, применявшийся на сайте idrive.com в 2000 году для защиты страницы регистрации^[11][9]. В 2001 году PayPal внедрил такие тесты для борьбы с мошенничеством, предлагая пользователям «ввести искажённый текст, который сложно распознать программам»^[12]; сооснователь и технический директор PayPal Макс Левчин сыграл ключевую роль в коммерциализации технологии.

Популярная система reCAPTCHA была приобретена Google в 2009 году^[13]. Помимо предотвращения автоматических атак, Google использует reCAPTCHA для оцифровки архивов The New York Times и книг из Google Books (2011 год)^[14].

Капчи автоматизированы и требуют минимального администрирования, что выгодно для стоимости и надёжности^[15]. Современные текстовые капчи требуют от пользователя одновременного применения трёх навыков: инвариантного распознавания (распознавание букв вне зависимости от искажений), сегментации (отделение символов друг от друга в усложнённом изображении) и синтаксического анализа (общее понимание последовательности символов)^[16].

Каждая из этих задач по отдельности сложна для компьютера. Совмещение всех трёх делает капчу особенно устойчивой^[17]. Помимо безопасности, капча используется как эталонная задача для проверки методов искусственного интеллекта. В работе фон Ана, Блума и Лэнгфорда говорится, что любая программа, успешно проходящая капчу, способна решать сложные задачи ИИ^[18]. Сложность капчи обеспечивает либо стабильную защиту, либо стимул для ИИ: если программа её решает — значит преодолена труднейшая задача искусственного интеллекта.

Графические капчи затрудняют доступ к ресурсам для слепых и слабовидящих пользователей^[19]. Большинство вспомогательных технологий (например, экранные дикторы) не способны их интерпретировать, что делает сервисы с капчей недоступными для части пользователей. Использование капчи может противоречить законодательству о доступности веб-сайтов, например стандарту Section 508 в США.

Вместо визуальных заданий возможны альтернативы — например, распознавание речи, аудиокапча, математические задачи, логические головоломки или вопросы по тривиальным знаниям^[20]. Некоторые реализации позволяют выбрать аудиоальтернативу, хотя и такие схемы были взломаны^[21]. Также реализуются математические капчи (MAPTCHA), но такие задания затруднены для людей с дискалькулией^[22]. Для повышения удобства разрабатываются методы, сочетающие капчу и JavaScript: боты не могут корректно исполнять сценарии и не видят нужного поля^[23]. Более сложные задачи — логические, визуальные или на знание — также способны выступать в роли капчи^[24].

Существует два основных способа обхода капчи: дешёвая человеческая рабочая сила и автоматизация с помощью машинного обучения^[25]. По словам бывшего специалиста Google по клик-фроду Шумана Гхосемаджумдера, действуют множество сервисов для автоматического решения капчи^[26].

Атаки на основе машинного обучения

Ранние типы капчи нередко имели стандартную длину и ограниченные наборы слов, что делало возможным автоматические атаки методом угадывания и анализа; чрезмерная ставка на сложный фон в изображении также облегчала взлом. Лёгкие модификации задания часто нейтрализовали такие эксплойты. Современные системы, включая reCAPTCHA, используют наложение и слияние символов, мешая сегментации и усложняя автоматизацию.

В 2013 году компания Vicarious заявила о разработке универсального алгоритма распознавания капчи с точностью до 90 %^[27]. Основатель reCAPTCHA Луис фон Ан отметил, что подобные заявления делаются регулярно, — с 2003 года их было не менее 50^[28].

В 2014 году на конференции Usenix WoOT Эли Бурштейн и соавторы продемонстрировали универсальный алгоритм на основе обучения с подкреплением, преодолевающий сложные схемы капчи. В 2018 в ходе ACM CCS’18 Йе и соавторы представили атаку на основе глубинных сетей, способную взламывать все 11 актуальных схем текстовых капч у наиболее популярных сайтов, обучаясь на 500 примерах^[29].

Предлагаются варианты, основанные на распознавании изображений — пользователям предлагается определить объекты на картинке. Такие задания считаются сложнее для ИИ, чем текстовые, и более устойчивы к автоматизации. В работе Чью и др. были опробованы три типа «картинной» капчи, лучшей из которых оказалась anomaly CAPTCHA: 100 % участников успешно проходили её за 42 секунды при вероятности не менее 90 %^[36]. Datta и др. (IMAGINATION, 2005) предложили искажение изображений как системную основу защиты^[37].

Microsoft (Джереми Элсон и др.) разработала систему ASIRRA — пользователь различал кошек и собак на фотографии. Эта система показывала 99,6 % успешного прохождения за 30 секунд среди людей; опыт её использования был оценён как более приятный, чем обычные текстовые задания^[38]. Проект был закрыт в октябре 2014 года^[39].

Иногда ложные капчи применяются для распространения вредоносного ПО. Злоумышленники убеждают пользователя скопировать и выполнить вредоносный скрипт (обычно якобы для прохождения проверки), который устанавливает шпионские программы для кражи паролей и персональных данных. Такие мошеннические схемы оказываются более эффективными, чем другие, за счёт «усталости от проверок» — пользователи кликают капчу автоматически, не вчитываясь в предупреждения^[40].