摘  要： 基于信息隱藏技術開發了一種用于無線傳感器網絡的隱蔽的敏感數據通信協議。通過犧牲大值傳感數據的精度來隱蔽地傳輸敏感數據，可廣泛應用于多個領域。
關鍵詞： 數字水印；信息隱藏；數據通信

    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。
參考文獻
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