一種基于混沌變換的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法

周 飛，趙懷勛

(武警工程學(xué)院通信工程系，陜西西安 710086)

信息時(shí)代的到來(lái)使得數(shù)據(jù)成為一種商品。隨著網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字產(chǎn)品的版權(quán)保護(hù)等安全問(wèn)題日益突出。2002年 IBM Almaden研究中心的R.Agrawal[1]教授在中國(guó)香港召開的第28屆VLDB會(huì)議上首次提出數(shù)據(jù)庫(kù)水印技術(shù)(DBWM)，目的在于保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的版權(quán)信息，該技術(shù)一經(jīng)提出就受到學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。2003年R.Sion[2]等對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)值屬性進(jìn)行標(biāo)記，嵌入了有意義的水印。同年，牛夏牧[3]等實(shí)現(xiàn)了將具有實(shí)際意義字符串嵌入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。2004年張志浩[4]等成功地將一幅圖像作為水印嵌入到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。

文中提出一種新的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法，將水印圖像進(jìn)行混沌加密，根據(jù)數(shù)值屬性權(quán)重的不同嵌入水印。將水印算法與混沌理論相結(jié)合，隱蔽性更強(qiáng)，提高了水印的不可見性，同時(shí)水印檢測(cè)是一個(gè)盲檢測(cè)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠抵抗多種攻擊，具有較強(qiáng)的魯棒性。

1 基于混沌的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法

假設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中一些屬性值進(jìn)行微小改動(dòng)并不影響數(shù)據(jù)庫(kù)的使用價(jià)值。算法利用水印生成算法將版權(quán)圖像生成的水印信息，并根據(jù)水印嵌入算法嵌入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖1所示，通過(guò)水印檢測(cè)算法提取出水印，如圖2所示。

定義 1關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)系 R(P，A0，A2，…，Av-1)，其中P為主鍵，Ai(0≤i≤v-1)為v個(gè)數(shù)值型屬性，且允許修改其最低有效位(LSB)。

定義2根據(jù)屬性Ai(0≤i≤v-1)的重要性和冗余度定義屬性權(quán)重，記作

表1 算法中參數(shù)及其意義

1.1 水印生成算法

水印生成算法主要包括3個(gè)步驟:對(duì)版權(quán)圖像進(jìn)行編碼預(yù)處理;利用版權(quán)圖像生成水印信息;通過(guò)混沌序列對(duì)水印信息進(jìn)行加密。

(1)壓縮版權(quán)圖像。版權(quán)圖像數(shù)據(jù)量很大，如果直接嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)中勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)庫(kù)的使用，因此必須對(duì)版權(quán)圖像進(jìn)行壓縮處理，算法采用小波變換方法。

(2)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。根據(jù)從左到右，從上到下的順序，可以得到版權(quán)圖像像素點(diǎn)的一個(gè)數(shù)據(jù)集S={S1，S2，…，Sn×n}，其中每個(gè)元素為像素點(diǎn)的灰度值，將這些灰度值轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)可以得到一個(gè)新的數(shù)據(jù)集 B={B1，B2，…，Bn×n}。

(3)水印加密。混沌序列與單向散列函數(shù)的特性類似，因此利用混沌序列加密水印大大提高了算法的安全性。算法選用Logistic映射，其定義為Xn+1=μXn(1-Xn)，其中 Xn∈(0，1)，當(dāng)3.569 945 6 ＜ μ ＜4 時(shí)Logistic映射呈現(xiàn)混沌狀態(tài)。令μ=4，輸入密鑰k1，生成一個(gè)實(shí)值混沌序列，采用閾值門限法，構(gòu)造一個(gè)閾值函數(shù)，設(shè)閾值為Q，得到一個(gè)二值混沌序列P(i)，將P(i)和W(i)異或加密得到E(i)。如此重復(fù)，直到數(shù)據(jù)集 S={S1，S2，…，Sn×n}中所有元素加密完成，得E={E1，E2，…，En×n}。

1.2 水印嵌入算法

算法將權(quán)重值大的確定為候選屬性，利用單向散列函數(shù)計(jì)算具體標(biāo)記數(shù)據(jù)位，因此單向散列函數(shù)H至關(guān)重要。根據(jù)公式id=H(k2，P，k2)標(biāo)記候選屬性的元組，通過(guò)id值和L(水印位的個(gè)數(shù))對(duì)元組進(jìn)行分組，即group(R)=id mod L，并按升序排列。將第i位水印嵌入第i組元組中，對(duì)嵌入水印后的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差判斷，若數(shù)據(jù)誤差大于允許誤差，則水印嵌入回滾，否則水印嵌入成功。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程見算法1。

1.3 水印檢測(cè)算法

水印的提取過(guò)程與嵌入相對(duì)應(yīng)，先用同樣的方法找到嵌入水印的位置，對(duì)每個(gè)標(biāo)記位，利用多數(shù)表決算法確定水印碼值，得到一個(gè)二進(jìn)制序列，再將其恢復(fù)成圖像，與原始版權(quán)圖像進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)版權(quán)保護(hù)。具體實(shí)現(xiàn)見算法2。

2 實(shí)驗(yàn)分析

算法實(shí)驗(yàn)環(huán)境為2.4 GHz CPU，256 MB RAM，Windows XP操作系統(tǒng)。版權(quán)圖像采用的二值圖像，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用某城市街道規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)，共有100 000個(gè)元組，每個(gè)元組有31個(gè)屬性，選取其中的4個(gè)數(shù)值型屬性嵌入水印，實(shí)驗(yàn)程序使用Matlab7.0完成，利用JDBC連接SQLServer2000，根據(jù)上述算法嵌入水印。

圖3 版權(quán)圖像

從數(shù)字水印嵌入前后屬性的統(tǒng)計(jì)特征來(lái)看，文中算法與混沌理論相結(jié)合，使水印信息更加均勻、分散，增強(qiáng)了隱蔽性。水印信息嵌入前后統(tǒng)計(jì)信息如表2所示。從均值和方差改變比例的數(shù)據(jù)可以看出，水印嵌入引入的誤差很小。

表2 水印嵌入前后各指標(biāo)比較

實(shí)驗(yàn)?zāi)M攻擊者對(duì)算法進(jìn)行子集選擇、添加、修改攻擊，得到仿真結(jié)果如圖4所示，對(duì)于子集選擇攻擊，選擇的數(shù)據(jù)比例越大，相應(yīng)提取水印信息就越多，因此準(zhǔn)確恢復(fù)水印的概率就越高;對(duì)于子集添加和修改得越多，水印的提取率就越低。

圖4 子集選取、添加、修改攻擊

3 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印技術(shù)已成為當(dāng)前信息科學(xué)中一個(gè)新穎且具有廣闊應(yīng)用前景的研究熱點(diǎn)。文中提出一種新的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法，將水印圖像進(jìn)行混沌加密，根據(jù)數(shù)值屬性權(quán)重的不同嵌入水印，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明算法具有較高的魯棒性與隱蔽性，有效地保證了數(shù)據(jù)庫(kù)的安全問(wèn)題。

[1]RAKESH A，KIERNAN J.Watermarking relational databases[C].Hong Kong，China:Proceeding of the 28th VLDB Conference，2002:155-166.

[2]SION R，ATALLAH M，PRABHAKAR S.Rights protection for relational data[J].IEEE Transaction on Knowledge and Data Engineering，2004(16):1509-1525.

[3]牛夏牧，趙亮，黃文軍.利用數(shù)字水印技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的版權(quán)保護(hù)[J].電子學(xué)報(bào)，2003，31(12A):2050-2053.

[4]ZHANG Zhihao，JIN Xiaoming，WANG Jianmin.Wtermarking relational database usin g image[C].Shanghai:Proceedings of the Third International Conference on Machine Learning and Cybernetics，2004:1739-1744.

[5]CUI Xinchun，QIN Xiaolin，SHENG Gang.A weighted algorithm for watermarking relational databases[J].Wuhan University Journal of Natural Sciences，2007(l):12-13.

[6]陳明剛，孫星明，肖湘蓉.基于小波變換的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，37(6):130-136.

[7]曹再輝.基于圖像的數(shù)據(jù)庫(kù)水印算法研究[D].曲阜:曲阜師范大學(xué)，2008.