一种基于数字水印的无线传感器网络敏感数据通信协议

　　无线传感器网络具有节点成本低、电源消耗小、网络自组织等优点，已广泛地应用于很多领域［1］。
 
　　无线传感器网络在很多应用中，存在着在节点间传输敏感信息的需求。敏感数据是指密钥、ID、军事领域中的关键数据、节点的身份验证信息等涉及系统安全、稳定运行的一类关键数据。这类数据通常要求采用一种比常规通信方式更安全、可靠的方式传递。敏感数据的传输有很多种方法，比较常见的是基于加密技术来实现。但由于传感器节点资源有限，复杂的算法无法在节点中实现［2］，这些算法在资源耗费方面、加密强度方面尚不完美。
 
　　本文基于数字水印的原理来实现敏感数据的传输，通过信息隐藏来实现敏感数据的传输。与加密传输相比，该算法具备简单高效、不易察觉等优点，适合于在无线传感器网络中实现。
 
　　数字水印（digital watermarking）技术是实现信息隐藏的一种主要手段。敏感信息可以毫无察觉地嵌入到数据中，嵌入的信息就叫做水印［3］。数字水印是信息隐藏学的一个分支，是利用人类感觉器官的不敏感及多媒体数据中存在的冗余，将秘密信息隐藏到宿主信息中，水印的添加不会影响原数据的正常使用［4-7］。
 
　　基于以上原理，本文提出一种基于数字水印技术和信息隐藏的敏感信息通信协议。

　　目前绝大多数传感器节点都支持16位的寄存器，传感数据在通信时也是基于16位无符号数整数传输的。而16位无符号整数的取值范围是0~65 535。当实际采集的传感数据值比较大时，改变最低位对传感器数据值的影响很小，可以忽略不计。

　　因此，本文通过16位无符号整数的最低位来传输敏感数据，并利用数字水印嵌入算法将敏感数据嵌入其中，达到敏感数据隐蔽传输的目的。为避免最低位的改变对传感数据的精度造成太大影响，本文设置了一个阀值，只有大于该值的数据才会被嵌入敏感信息。

　　1 敏感数据嵌入及提取过程

　　嵌入敏感信息的方法与数字水印的嵌入方法基本相同。如图1所示，首先将敏感信息转化为一个二进制流，命名为输入二进制流；将传感数据转化为一个16位无符号整数流，命名为输入整数流；将输出的含有敏感数据的无符号整数流命名为输出整数流。则敏感数据嵌入过程描述如下：如果输入整数流当前位置的传感数据值大于或等于阀值，且输入二进制流中当前位置的二进制值为“1”，则将整数流当前位置的数据最低位置“1”，并添加到输出整数流中，否则置“0”；如果输入整数流当前位置的传感数据值小于阀值，则不添加水印，直接将该数添加到输出整数流中。

　　敏感数据的嵌入算法描述如下：
 
　　#define N  0x0100;                        //阀值 
　　typedef BitStream TInputBitStream;    //定义输入二进制流 
　　typedef Uint16Stream TInputUintStream; //定义输入无符号整数流 
　　typedef Uint16Stream TOutputUintStream;//定义输出无符号整数流 
　　//--------------------------------------- 
　　/** 用敏感数据初始化输入二进制流 **/ 
　　TInputBitStream * TheIBS=
　　new TInputBitStream(SensitiveData aData); 
　　/** 用传感数据初始化输入无符号整数流**/ 
　　TInputUintStream * TheIUS=
　　new TInputUintStream(SensorData aData); 
　　/** 用空数据初始化输出无符号整数流 **/ 
　　TOutputUintStream * TheOUS=new TOutputUintStream(); 
　　//------------------------------------ 
　　/**  数字水印嵌入方法 
　　** 注意：本方法假定输入整数流的长度 
　　*足以嵌入所有的敏感数据 
　　* 参数TheIBS: 输入二进制流 
　　* 参数TheIUS:输入无符号整数流 
　　* 参数N：预先定义的阀值 
　　* 返回值：输出无符号整数流TheOUS  **/ 
　　TOutputUintStream* InsertWaterMarking(TheIBS,TheIUS,N) 
　　{ 
　　uint16_t  TheUintIndex=0; //用于保存输入整数流的位号 
　　uint16_t  TheBitIndex=0; //用于保存输入二进制流的位号 
　　uint16_t  CurrentUintData; //用于保存当前的无符号整数值 
　　bit_t  CurrentBitData;     //用于保存当前的二进制值 
　　while(TheBitIndex<TheIBS.Size) 
　　{ 
　　CurrentUintData=TheIUS.Read(TheUintIndex,1); 
　　CurrentBitData=TheIBS.Read(TheBitIndex,1); 
　　/**若当前无符号整数值小于阀值，则读取下一个值， 
　　*直到大于阀值时，停止循环   **/ 
　　while(CurrentUintData<N) 
　　{ 
　　TheOUS.Write(CurrentUintData);//将当前值加入输出流 
　　TheUintIndex++; 
　　CurrentUintData=TheIUS.Read(TheUintIndex,1); 
　　} 
 　　/** 如果当前二进制值为1，则将当前无符号整数值的最后一位置为“1”，并将该值加入到输出流中；否则，将最后一位置为“0”，并将该值加入到输出流中。 **/
　　if(CurrentBitData==1)
　　TheOUS.Write(CurrentUintData|0x0001); 
　　else TheOUS.Write(CurrentUintData&0xfff0); 
　　TheBitIndex++; 
　　TheUintIndex++; 
　　}
　　} 

　　敏感数据的提取过程与嵌入过程相反，将接收到的含有敏感数据的16位无符号整数流命名为输入整数流，将提取出的二进制敏感数据流命名为输出二进制流，将输出的16位传感数据流命名为输出整数流。则敏感数据提取过程描述如下：首先将该值添加到输出无符号整数流中，然后检测输入整数流中当前位置的数据值，如果该值大于或等于阀值且最低位为“1”，则将“1”添加到二进制输出流中；否则，将“0”添加到二进制输出流中；如果该值小于阀值，则不往二进制输出流添加数据。最后，将输出二进制流转化为敏感数据，将输出无符号整数流转化为传感数据。 

　　为进一步提升敏感数据传输的安全级别，还可以在预处理时对敏感数据加校验、加签名、加密等。

　　2 实际验证
 
　　无线传感器网络在某军事化应用中，多个节点被布设于一个生疏地域内，实时采集该地域的温度、湿度、光照等环境信息。为检测各个节点未被敌方捕获而传回虚假信息，各节点将不定时地传回自己的“识别码”，以证明自己的身份。“识别码”由节点ID、当前时间、基站回复码等信息实时运算生成，为一串数字。
 
　　在该应用中，采用了本文所述方法传输“识别码”。具体做法是：在“光照”传感数据中，当数据值大于256（0x0100）时，嵌入“识别码”。如图2所示，“光照”数据的值通常白天在600以上，均大于阀值，方便嵌入水印，同时，嵌入水印后，对原值影响较小。

　　嵌入“识别码”前后数据对照如表1所示。表中左列为未嵌入“识别码”时的“光照”数据，中间列为嵌入“识别码”后的“光照”数据，右列是“识别码”的二进制形式。中间列标有*的数字为嵌入“识别码”后发生变化的数据。

　　3 结果分析

　　3.1 水印嵌入对传感数据的影响 

　　采用以上嵌入算法后，对传感数据的影响可分为以下三类：

　　(1)传感数据的值大于等于阀值，且其最低位在嵌入水印时发生了变化，即原始数据的最低位由“0”变为“1”或由“1”变为“0”。这时，传感数据的值在嵌入水印后发生了变化，变化前后传感数据相差为“1”。其相对变化率如下：

　　可见，其相对变化率小于1/N，当N=0x0100,即十进制数256时，其相对变化率小于0.39%

　　(2)传感数据的值大于等于阀值，但其最低位在嵌入水印时未发生变化，其值不受影响。

　　(3)传感数据的值小于阀值。传感数据的值小于阀值时，不嵌入水印，因此，其值不受影响。

　　3.2 N值大小对协议的影响

　　当N值较大时，水印嵌入对原始传感数据的影响较小（相对变化率较小），但满足条件的传感数据则会变少，传输敏感数据的周期会变长；当N值较小时，水印嵌入对原始数据的影响较大（相对变化率较大），但满足条件的传感数据多，敏感数据传输周期较短。因此，在实际应用中应根据数据的实际取值范围合理地选取N值。

　　本文所提出的基于数字水印原则无线传感器网络敏感数据通信协议，具备以下特点：

　　(1)可实现敏感数据的隐蔽传输。由于水印嵌入算法仅改变了传感数据的最低位，数据变化微小。在不知道原始数据的情况下，很难发现数据中嵌入了水印。达到了敏感数据隐蔽传输的目的；
　　(2)对原始数据影响小。采用本协议后，仅大于阀值且最低位与水印当前位不一致的值会发生变化，变化结果为值加“1”或减“1”，相对变化率最大为1/N。当选取合适N值后，相对变化率可以控制在1%以下，基本上不会影响传感数据的后续应用；
　　(3)算法简单，易于实现。

　　因此，该协议能很好地应用于无线传感器网络需要传输敏感信息的场合中。