一種基于數字水印的無線傳感器網絡敏感數據通信協議

　　無線傳感器網絡具有節點成本低、電源消耗小、網絡自組織等優點，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，存在著在節點間傳輸敏感信息的需求。敏感數據是指密鑰、ID、軍事領域中的關鍵數據、節點的身份驗證信息等涉及系統安全、穩定運行的一類關鍵數據。這類數據通常要求采用一種比常規通信方式更安全、可靠的方式傳遞。敏感數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。但由于傳感器節點資源有限，復雜的算法無法在節點中實現［2］，這些算法在資源耗費方面、加密強度方面尚不完美。
 
　　本文基于數字水印的原理來實現敏感數據的傳輸，通過信息隱藏來實現敏感數據的傳輸。與加密傳輸相比，該算法具備簡單高效、不易察覺等優點，適合于在無線傳感器網絡中實現。
 
　　數字水印（digital watermarking）技術是實現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據中，嵌入的信息就叫做水印［3］。數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據的正常使用［4-7］。
 
　　基于以上原理，本文提出一種基于數字水印技術和信息隱藏的敏感信息通信協議。

　　目前絕大多數傳感器節點都支持16位的寄存器，傳感數據在通信時也是基于16位無符號數整數傳輸的。而16位無符號整數的取值范圍是0~65 535。當實際采集的傳感數據值比較大時，改變最低位對傳感器數據值的影響很小，可以忽略不計。

　　因此，本文通過16位無符號整數的最低位來傳輸敏感數據，并利用數字水印嵌入算法將敏感數據嵌入其中，達到敏感數據隱蔽傳輸的目的。為避免最低位的改變對傳感數據的精度造成太大影響，本文設置了一個閥值，只有大于該值的數據才會被嵌入敏感信息。

　　1 敏感數據嵌入及提取過程

　　嵌入敏感信息的方法與數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；將傳感數據轉化為一個16位無符號整數流，命名為輸入整數流；將輸出的含有敏感數據的無符號整數流命名為輸出整數流。則敏感數據嵌入過程描述如下：如果輸入整數流當前位置的傳感數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”，則將整數流當前位置的數據最低位置“1”，并添加到輸出整數流中，否則置“0”；如果輸入整數流當前位置的傳感數據值小于閥值，則不添加水印，直接將該數添加到輸出整數流中。

　　敏感數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流 
　　typedef Uint16Stream TOutputUintStream;//定義輸出無符號整數流 
　　//--------------------------------------- 
　　/** 用敏感數據初始化輸入二進制流 **/ 
　　TInputBitStream * TheIBS=
　　new TInputBitStream(SensitiveData aData); 
　　/** 用傳感數據初始化輸入無符號整數流**/ 
　　TInputUintStream * TheIUS=
　　new TInputUintStream(SensorData aData); 
　　/** 用空數據初始化輸出無符號整數流 **/ 
　　TOutputUintStream * TheOUS=new TOutputUintStream(); 
　　//------------------------------------ 
　　/**  數字水印嵌入方法 
　　** 注意：本方法假定輸入整數流的長度 
　　*足以嵌入所有的敏感數據 
　　* 參數TheIBS: 輸入二進制流 
　　* 參數TheIUS:輸入無符號整數流 
　　* 參數N：預先定義的閥值 
　　* 返回值：輸出無符號整數流TheOUS  **/ 
　　TOutputUintStream* InsertWaterMarking(TheIBS,TheIUS,N) 
　　{ 
　　uint16_t  TheUintIndex=0; //用于保存輸入整數流的位號 
　　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); 
　　/**若當前無符號整數值小于閥值，則讀取下一個值， 
　　*直到大于閥值時，停止循環   **/ 
　　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++; 
　　}
　　} 

　　敏感數據的提取過程與嵌入過程相反，將接收到的含有敏感數據的16位無符號整數流命名為輸入整數流，將提取出的二進制敏感數據流命名為輸出二進制流，將輸出的16位傳感數據流命名為輸出整數流。則敏感數據提取過程描述如下：首先將該值添加到輸出無符號整數流中，然后檢測輸入整數流中當前位置的數據值，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據。最后，將輸出二進制流轉化為敏感數據，將輸出無符號整數流轉化為傳感數據。 

　　為進一步提升敏感數據傳輸的安全級別，還可以在預處理時對敏感數據加校驗、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、光照等環境信息。為檢測各個節點未被敵方捕獲而傳回虛假信息，各節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”由節點ID、當前時間、基站回復碼等信息實時運算生成，為一串數字。
 
　　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”傳感數據中，當數據值大于256（0x0100）時，嵌入“識別碼”。如圖2所示，“光照”數據的值通常白天在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”前后數據對照如表1所示。表中左列為未嵌入“識別碼”時的“光照”數據，中間列為嵌入“識別碼”后的“光照”數據，右列是“識別碼”的二進制形式。中間列標有*的數字為嵌入“識別碼”后發生變化的數據。

　　3 結果分析

　　3.1 水印嵌入對傳感數據的影響 

　　采用以上嵌入算法后，對傳感數據的影響可分為以下三類：

　　(1)傳感數據的值大于等于閥值，且其最低位在嵌入水印時發生了變化，即原始數據的最低位由“0”變為“1”或由“1”變為“0”。這時，傳感數據的值在嵌入水印后發生了變化，變化前后傳感數據相差為“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256時，其相對變化率小于0.39%

　　(2)傳感數據的值大于等于閥值，但其最低位在嵌入水印時未發生變化，其值不受影響。

　　(3)傳感數據的值小于閥值。傳感數據的值小于閥值時，不嵌入水印，因此，其值不受影響。

　　3.2 N值大小對協議的影響

　　當N值較大時，水印嵌入對原始傳感數據的影響較小（相對變化率較小），但滿足條件的傳感數據則會變少，傳輸敏感數據的周期會變長；當N值較小時，水印嵌入對原始數據的影響較大（相對變化率較大），但滿足條件的傳感數據多，敏感數據傳輸周期較短。因此，在實際應用中應根據數據的實際取值范圍合理地選取N值。

　　本文所提出的基于數字水印原則無線傳感器網絡敏感數據通信協議，具備以下特點：

　　(1)可實現敏感數據的隱蔽傳輸。由于水印嵌入算法僅改變了傳感數據的最低位，數據變化微小。在不知道原始數據的情況下，很難發現數據中嵌入了水印。達到了敏感數據隱蔽傳輸的目的；
　　(2)對原始數據影響小。采用本協議后，僅大于閥值且最低位與水印當前位不一致的值會發生變化，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據的后續應用；
　　(3)算法簡單，易于實現。

　　因此，該協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。