摘 要： 基于信息隱藏技術開發(fā)了一種用于無線傳感器網絡的隱蔽的敏感數(shù)據通信協(xié)議。通過犧牲大值傳感數(shù)據的精度來隱蔽地傳輸敏感數(shù)據，可廣泛應用于多個領域。
關鍵詞： 數(shù)字水印；信息隱藏；數(shù)據通信
無線傳感器網絡具有節(jié)點成本低、電源消耗小、網絡自組織等優(yōu)點，已廣泛地應用于很多領域［1］。
無線傳感器網絡在很多應用中，存在著在節(jié)點間傳輸敏感信息的需求。敏感數(shù)據是指密鑰、ID、軍事領域中的關鍵數(shù)據、節(jié)點的身份驗證信息等涉及系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的一類關鍵數(shù)據。這類數(shù)據通常要求采用一種比常規(guī)通信方式更安全、可靠的方式傳遞。敏感數(shù)據的傳輸有很多種方法，比較常見的是基于加密技術來實現(xiàn)。但由于傳感器節(jié)點資源有限，復雜的算法無法在節(jié)點中實現(xiàn)［2］，這些算法在資源耗費方面、加密強度方面尚不完美。
本文基于數(shù)字水印的原理來實現(xiàn)敏感數(shù)據的傳輸，通過信息隱藏來實現(xiàn)敏感數(shù)據的傳輸。與加密傳輸相比，該算法具備簡單高效、不易察覺等優(yōu)點，適合于在無線傳感器網絡中實現(xiàn)。
數(shù)字水?。╠igital watermarking）技術是實現(xiàn)信息隱藏的一種主要手段。敏感信息可以毫無察覺地嵌入到數(shù)據中，嵌入的信息就叫做水?。?］。數(shù)字水印是信息隱藏學的一個分支，是利用人類感覺器官的不敏感及多媒體數(shù)據中存在的冗余，將秘密信息隱藏到宿主信息中，水印的添加不會影響原數(shù)據的正常使用［4-7］。
基于以上原理，本文提出一種基于數(shù)字水印技術和信息隱藏的敏感信息通信協(xié)議。
目前絕大多數(shù)傳感器節(jié)點都支持16位的寄存器，傳感數(shù)據在通信時也是基于16位無符號數(shù)整數(shù)傳輸?shù)?。?6位無符號整數(shù)的取值范圍是0~65 535。當實際采集的傳感數(shù)據值比較大時，改變最低位對傳感器數(shù)據值的影響很小，可以忽略不計。
因此，本文通過16位無符號整數(shù)的最低位來傳輸敏感數(shù)據，并利用數(shù)字水印嵌入算法將敏感數(shù)據嵌入其中，達到敏感數(shù)據隱蔽傳輸?shù)哪康摹楸苊庾畹臀坏母淖儗鞲袛?shù)據的精度造成太大影響，本文設置了一個閥值，只有大于該值的數(shù)據才會被嵌入敏感信息。
1 敏感數(shù)據嵌入及提取過程
嵌入敏感信息的方法與數(shù)字水印的嵌入方法基本相同。如圖1所示，首先將敏感信息轉化為一個二進制流，命名為輸入二進制流；將傳感數(shù)據轉化為一個16位無符號整數(shù)流，命名為輸入整數(shù)流；將輸出的含有敏感數(shù)據的無符號整數(shù)流命名為輸出整數(shù)流。則敏感數(shù)據嵌入過程描述如下：如果輸入整數(shù)流當前位置的傳感數(shù)據值大于或等于閥值，且輸入二進制流中當前位置的二進制值為“1”，則將整數(shù)流當前位置的數(shù)據最低位置“1”，并添加到輸出整數(shù)流中，否則置“0”；如果輸入整數(shù)流當前位置的傳感數(shù)據值小于閥值，則不添加水印，直接將該數(shù)添加到輸出整數(shù)流中。
敏感數(shù)據的嵌入算法描述如下：
#define N 0x0100; //閥值
typedef BitStream TInputBitStream; //定義輸入二進制流
typedef Uint16Stream TInputUintStream; //定義輸入無符號整數(shù)流
typedef Uint16Stream TOutputUintStream;//定義輸出無符號整數(shù)流
//---------------------------------------
/** 用敏感數(shù)據初始化輸入二進制流 **/
TInputBitStream * TheIBS=
new TInputBitStream(SensitiveData aData);
/** 用傳感數(shù)據初始化輸入無符號整數(shù)流**/
TInputUintStream * TheIUS=
new TInputUintStream(SensorData aData);
/** 用空數(shù)據初始化輸出無符號整數(shù)流 **/
TOutputUintStream * TheOUS=new TOutputUintStream();
//------------------------------------
/** 數(shù)字水印嵌入方法
** 注意：本方法假定輸入整數(shù)流的長度
*足以嵌入所有的敏感數(shù)據
* 參數(shù)TheIBS: 輸入二進制流
* 參數(shù)TheIUS:輸入無符號整數(shù)流
* 參數(shù)N：預先定義的閥值
* 返回值：輸出無符號整數(shù)流TheOUS **/
TOutputUintStream* InsertWaterMarking(TheIBS,TheIUS,N)
{
uint16_t TheUintIndex=0; //用于保存輸入整數(shù)流的位號
uint16_t TheBitIndex=0; //用于保存輸入二進制流的位號
uint16_t CurrentUintData; //用于保存當前的無符號整數(shù)值
bit_t CurrentBitData; //用于保存當前的二進制值
while(TheBitIndex<TheIBS.Size)
{
CurrentUintData=TheIUS.Read(TheUintIndex,1);
CurrentBitData=TheIBS.Read(TheBitIndex,1);
/**若當前無符號整數(shù)值小于閥值，則讀取下一個值，
*直到大于閥值時，停止循環(huán) **/
while(CurrentUintData<N)
{
TheOUS.Write(CurrentUintData);//將當前值加入輸出流
TheUintIndex++;
CurrentUintData=TheIUS.Read(TheUintIndex,1);
}
/** 如果當前二進制值為1，則將當前無符號整數(shù)值的最后一位置為“1”，并將該值加入到輸出流中；否則，將最后一位置為“0”，并將該值加入到輸出流中。 **/
if(CurrentBitData==1)
TheOUS.Write(CurrentUintData|0x0001);
else TheOUS.Write(CurrentUintData&0xfff0);
TheBitIndex++;
TheUintIndex++;
}
}
敏感數(shù)據的提取過程與嵌入過程相反，將接收到的含有敏感數(shù)據的16位無符號整數(shù)流命名為輸入整數(shù)流，將提取出的二進制敏感數(shù)據流命名為輸出二進制流，將輸出的16位傳感數(shù)據流命名為輸出整數(shù)流。則敏感數(shù)據提取過程描述如下：首先將該值添加到輸出無符號整數(shù)流中，然后檢測輸入整數(shù)流中當前位置的數(shù)據值，如果該值大于或等于閥值且最低位為“1”，則將“1”添加到二進制輸出流中；否則，將“0”添加到二進制輸出流中；如果該值小于閥值，則不往二進制輸出流添加數(shù)據。最后，將輸出二進制流轉化為敏感數(shù)據，將輸出無符號整數(shù)流轉化為傳感數(shù)據。
為進一步提升敏感數(shù)據傳輸?shù)陌踩墑e，還可以在預處理時對敏感數(shù)據加校驗、加簽名、加密等。
2 實際驗證
無線傳感器網絡在某軍事化應用中，多個節(jié)點被布設于一個生疏地域內，實時采集該地域的溫度、濕度、光照等環(huán)境信息。為檢測各個節(jié)點未被敵方捕獲而傳回虛假信息，各節(jié)點將不定時地傳回自己的“識別碼”，以證明自己的身份。“識別碼”由節(jié)點ID、當前時間、基站回復碼等信息實時運算生成，為一串數(shù)字。
在該應用中，采用了本文所述方法傳輸“識別碼”。具體做法是：在“光照”傳感數(shù)據中，當數(shù)據值大于256（0x0100）時，嵌入“識別碼”。如圖2所示，“光照”數(shù)據的值通常白天在600以上，均大于閥值，方便嵌入水印，同時，嵌入水印后，對原值影響較小。
嵌入“識別碼”前后數(shù)據對照如表1所示。表中左列為未嵌入“識別碼”時的“光照”數(shù)據，中間列為嵌入“識別碼”后的“光照”數(shù)據，右列是“識別碼”的二進制形式。中間列標有*的數(shù)字為嵌入“識別碼”后發(fā)生變化的數(shù)據。
3 結果分析
3.1 水印嵌入對傳感數(shù)據的影響
采用以上嵌入算法后，對傳感數(shù)據的影響可分為以下三類：
(1)傳感數(shù)據的值大于等于閥值，且其最低位在嵌入水印時發(fā)生了變化，即原始數(shù)據的最低位由“0”變?yōu)?ldquo;1”或由“1”變?yōu)?ldquo;0”。這時，傳感數(shù)據的值在嵌入水印后發(fā)生了變化，變化前后傳感數(shù)據相差為“1”。其相對變化率如下：
可見，其相對變化率小于1/N，當N=0x0100,即十進制數(shù)256時，其相對變化率小于0.39%
(2)傳感數(shù)據的值大于等于閥值，但其最低位在嵌入水印時未發(fā)生變化，其值不受影響。
(3)傳感數(shù)據的值小于閥值。傳感數(shù)據的值小于閥值時，不嵌入水印，因此，其值不受影響。
3.2 N值大小對協(xié)議的影響
當N值較大時，水印嵌入對原始傳感數(shù)據的影響較?。ㄏ鄬ψ兓瘦^?。?，但滿足條件的傳感數(shù)據則會變少，傳輸敏感數(shù)據的周期會變長；當N值較小時，水印嵌入對原始數(shù)據的影響較大（相對變化率較大），但滿足條件的傳感數(shù)據多，敏感數(shù)據傳輸周期較短。因此，在實際應用中應根據數(shù)據的實際取值范圍合理地選取N值。
本文所提出的基于數(shù)字水印原則無線傳感器網絡敏感數(shù)據通信協(xié)議，具備以下特點：
(1)可實現(xiàn)敏感數(shù)據的隱蔽傳輸。由于水印嵌入算法僅改變了傳感數(shù)據的最低位，數(shù)據變化微小。在不知道原始數(shù)據的情況下，很難發(fā)現(xiàn)數(shù)據中嵌入了水印。達到了敏感數(shù)據隱蔽傳輸?shù)哪康模?br />
(2)對原始數(shù)據影響小。采用本協(xié)議后，僅大于閥值且最低位與水印當前位不一致的值會發(fā)生變化，變化結果為值加“1”或減“1”，相對變化率最大為1/N。當選取合適N值后，相對變化率可以控制在1%以下，基本上不會影響傳感數(shù)據的后續(xù)應用；
(3)算法簡單，易于實現(xiàn)。
因此，該協(xié)議能很好地應用于無線傳感器網絡需要傳輸敏感信息的場合中。
參考文獻
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