嚴(yán)圣華，周蓮英

(1.江蘇大學(xué)計算機科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院信息工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212016)

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及，網(wǎng)絡(luò)信息傳輸存在的問題也日益突出，例如匿名系統(tǒng)攻擊，泄露隱私信息等情況需要對數(shù)據(jù)流來源進行確認追蹤.目前網(wǎng)絡(luò)通信安全研究領(lǐng)域已經(jīng)提出多種流水印技術(shù)用于識別數(shù)據(jù)流來源，即能夠判斷監(jiān)聽雙方是否存在通信關(guān)系［1］.網(wǎng)絡(luò)流水印是一種基于隱通道實現(xiàn)的追蹤技術(shù)，通過處理數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間間隔，將水印信息嵌入至待發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流中，水印接收方通過指定的規(guī)則對截獲的數(shù)據(jù)流進行分析，譯碼得到水印序列，最終與原始嵌入水印序列進行對比，通過檢測率值域范圍判斷雙方通信關(guān)系［2］.

目前用于水印嵌入的載體大致可分為3類［2］:數(shù)據(jù)包載荷［3-4］、數(shù)據(jù)流速率［3］、數(shù)據(jù)包發(fā)送時間間隔［3，5］.由于第1類和第2類載體在實現(xiàn)時，受數(shù)據(jù)包內(nèi)容信息的制約，處理方式存在較大的局限性，而第3類載體可用于調(diào)制的方式較多，因此逐漸成為近期主流研究方向.文獻［6］詳細論證了利用時間作為載體嵌入水印的可行性，目前主流處理時間間隔的方式為:基于定長時間窗口中包數(shù)量大小、基于定長時間窗口的平均間隔重心、基于包到達時延.

定長時間窗口技術(shù)是通過觀測在固定長度時間窗口內(nèi)數(shù)據(jù)包數(shù)量值進行水印提取.Y.J.Pyun等［7］提出基于時間間隔水印技術(shù)(interval-based watermarking，IBW)將水印嵌入方時間坐標(biāo)軸平均分成數(shù)個等長度時間窗口，對隨機選中多個相鄰的時間窗口(每4個為一組)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送時間調(diào)制延遲，控制該窗口內(nèi)數(shù)據(jù)包發(fā)送的數(shù)量，實現(xiàn)水印信息的嵌入.該算法能有效應(yīng)對包重組干擾，但針對添加垃圾包干擾或多條數(shù)據(jù)流合并分析等攻擊手段，其隱蔽性不強，檢測率較低.

A.Houmansadr等［8］提出 Rainbow 技術(shù)，通過設(shè)置足夠大的初始間隔，對后續(xù)的每個包間隔根據(jù)嵌入的水印信息延遲不同的量，實施較為簡單.該方法主要缺點是基于非盲水印嵌入技術(shù)，需要水印嵌入方和提取方共享所有數(shù)據(jù)包初始發(fā)送時間序列.隨后張璐等［9］提出了分組包時延(inter-packet delay，IPD)的技術(shù)，隨機選定2m個數(shù)據(jù)包后，按一定步長將包時間間隔分為m個IPD，通過給每個IPD增加固定的值來嵌入水印信息，由于該技術(shù)使用固定值對IPD進行調(diào)制，導(dǎo)致抵御時間擾亂特性較弱，且隱蔽性不強.文獻［10］提出的包分組技術(shù)則利用了非固定的延遲值對每個IPD中發(fā)送時間間隔進行調(diào)制，該算法在應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中大幅度抖動干擾沒有采用相應(yīng)的校驗措施，從而其譯碼準(zhǔn)確度較低.

結(jié)合上述分析，文中提出使用變化時間窗口進行分組嵌入水印信息技術(shù)，結(jié)合碼分復(fù)用自適應(yīng)糾錯機制，有效抵御網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的較大抖動時延等干擾.

1 基于變化時隙的網(wǎng)絡(luò)流水印技術(shù)

在現(xiàn)有數(shù)據(jù)包時隙間隔的分組方式基礎(chǔ)上［10］，文中提出基于變化窗口間隔分組包延遲均值水印技術(shù)(interval-based changing slots watermarking，IBCSW)，通過統(tǒng)計分析不同窗口內(nèi)IPD的均值進行水印的嵌入和提取，同時采用了碼分復(fù)用的思想對水印信息擴頻后再發(fā)送，實現(xiàn)了自適應(yīng)糾錯性能，提高了檢測效率.

1.1 IBCSW模型結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)流水印技術(shù)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 IBCSW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在主機A發(fā)送正常通信數(shù)據(jù)包的傳輸路徑中進行主動干擾，即在待發(fā)送數(shù)據(jù)流中嵌入水印信息，處理后的數(shù)據(jù)流經(jīng)過匿名網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)送至主機B處，該處根據(jù)指定的算法對接收到的數(shù)據(jù)流進行分析，得到恢復(fù)水印序列，通過與原始水印序列對比，判斷數(shù)據(jù)流的來源.

IBCSW技術(shù)的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.

圖2 IBCSW水印嵌入傳輸結(jié)構(gòu)

由圖2可見，發(fā)送方首先將待發(fā)送的載體數(shù)據(jù)包存入緩沖區(qū)，然后將擴頻后的水印二進制比特序列碼根據(jù)編碼規(guī)則轉(zhuǎn)換為包發(fā)送的時間間隔序列，以實現(xiàn)水印信息傳送.

接收方通過主動設(shè)置過濾條件，將獲取的數(shù)據(jù)包對應(yīng)至劃分好的窗口中，根據(jù)設(shè)定的算法對選中時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)包時隙進行統(tǒng)計分析并解擴，最終與原始二進制水印比特序列進行對比，判斷通信關(guān)系是否存在.

1.2 IBCSW水印預(yù)處理

當(dāng)n個數(shù)據(jù)包流p1，p2，…，pn進入緩沖區(qū)時，記錄每個數(shù)據(jù)包的時間戳值并存儲在相應(yīng)存儲結(jié)構(gòu)中.假定每個數(shù)據(jù)包pi到達處理器的時間為ti，i=1，2，…，n，且大小關(guān)系符合不等式t1＜t2＜t3＜…＜tn.若隨機產(chǎn)生的水印為長度為m，將n個包分為m個大組，每組12a個數(shù)據(jù)包，其中a∈N+(a為水印譯碼重復(fù)度，即冗余度)，進一步將12a個數(shù)據(jù)包為2個小組:前4a個連續(xù)數(shù)據(jù)包為一組，后8a個連續(xù)數(shù)據(jù)包為另一組.

數(shù)據(jù)包pi和pj到達緩沖區(qū)時刻的間隔定義為包pi和pj所帶時間戳的差值，即為

取偏移量ο，并在時間軸上連續(xù)劃分T1，T2(T2≥1.5T1)相鄰的窗口組合.其中第k組中的前4a個數(shù)據(jù)包在T1時間窗口內(nèi)發(fā)送，后8a個數(shù)據(jù)包在T2窗口內(nèi)發(fā)送.

用qk表示第k個大組(k=1，2，…，m)包含的數(shù)據(jù)包，定義如下:

式中:k=1，2，…，m，f=1表示第k組中屬于窗口T1的4a個數(shù)據(jù)包;f=2表示第k組中屬于窗口T2的8a個數(shù)據(jù)包.

這里詳細介紹T1窗口(f=1)中4a個數(shù)據(jù)包調(diào)制方式.設(shè)第i個數(shù)據(jù)包組合表示為

其中s代表跨度.pk，i和pk，i+s之間的間隔為

設(shè)ik，1，u和ik，2，u(u=1，2，…，a)分別表示Ak組和Bk組中第u個IPD.計算第k個窗口中Ak組和Bk組 IPD 均值ik，1，avg，ik，2，avg的公式為

設(shè) Δk為第k個大組中ik，1，avg和ik，2，avg之間差的絕對值，即

圖3 當(dāng)a=1時IBCSW技術(shù)分組方式

1.3 嵌入水印規(guī)則

使用Ak組和Bk組之間的均值大小關(guān)系實現(xiàn)水印的嵌入，在受到干擾或其他攻擊后，盡管存在部分?jǐn)?shù)據(jù)包時間承載的信息被破壞，但根據(jù)碼分復(fù)用的規(guī)則調(diào)制后，仍能準(zhǔn)確判斷水印的存在性.

首先利用碼分復(fù)用擴頻機制將待發(fā)送的水印二進制序列根據(jù)原始碼片進行擴頻，然后再將其嵌入數(shù)據(jù)包間隔中發(fā)送.若使用的偽隨機碼序列s長度為m(m≥2)，則b位二進制序列l(wèi)最終擴展為mb位編碼序列，這里規(guī)定，若bi為1，則發(fā)送隨機序列m的原碼，否則發(fā)送該序列的反碼.該機制作為對序列l(wèi)進行了擴展冗余，可有效提高水印檢測率.

將擴展后的比特序列嵌入數(shù)據(jù)包間隔中的規(guī)則為:當(dāng)ik，1，avg＜ik，2，avg，嵌入水印比特為“1”;反之ik，1，avg≥ik，2，avg，嵌入水印比特為“0”.這里需要對初始發(fā)送時間分布分情況進行處理:

第 1 種:若ik，1，avg＜ik，2，avg，并且要嵌入水印比特wk為1，不需要任何處理，按數(shù)據(jù)包原始到達時間間隔進行繼續(xù)發(fā)送，而wk為 0 時，就將ik，1，avg增加 Δk，同時將ik，2，avg減少 Δk.

第 2 種:若ik，1，avg＞ik，2，avg，并且要嵌入水印比特wk為0，不需要任何處理，wk若為1時，就將ik，1，avg減小，同時將ik，2，avg增大 Δk

第 3 種:若ik，1，avg=ik，2，avg，這里取 Δk=0.5，wk若為 1 時，將ik，1，avg增大 Δk，同時將ik，2，avg減小 Δk;wk若為 0 時，將ik，1，avg減小 Δk，同時將ik，2，avg增大 Δk

數(shù)據(jù)包發(fā)送延遲調(diào)制則根據(jù)上述3種情況進行控制:若需要ik，j，avg增大時，就對該組中每個ik，1，u增大Δk，即通過將每個數(shù)據(jù)包的到達時間tk，i+s延遲Δk來實現(xiàn)，同理，如果減少 Δk時，是將tk，i增加 Δk.每個時間窗口內(nèi)，包偏移時間窗口的值不需要進行統(tǒng)計，因此計算量比ICBW技術(shù)要小.

1.4 提取水印規(guī)則

接收方監(jiān)聽得到數(shù)據(jù)包流p'1，p'2，…，p'n，根據(jù)協(xié)定原始碼片序列s及選擇分組方式，記錄所有數(shù)據(jù)包時間戳，依據(jù)以下算法進行統(tǒng)計分析，判斷操作流程如下:

1)選擇偏移量ο'，發(fā)送端設(shè)定的時間窗口T1，T2.根據(jù)嵌入水印的分組方式，對時間窗口中的數(shù)據(jù)包進行分組并計算各分組的 IPD均值，分別用i'k，1，avg和i'k，2，avg表示.

2)在每個選中時間窗口內(nèi)，比較i'k，1，avg和i'k，2，avg的大小，按照雙方約定的規(guī)則恢復(fù)二進制比特:

3)將得到的s'根據(jù)原始碼片序列進行解擴，每m位解碼為1位比特.考慮到網(wǎng)絡(luò)干擾等情況，若根據(jù)時間序列解析得到的m位序列碼與原始擴頻碼不同，則采用匹配相似度原則進行解擴譯碼.

計算m位原始擴頻碼片序列w和解析獲取的擴頻碼片序列w'之間的擬合相似率［11］:

2 理論分析

2.1 IBCSW變量確定

該技術(shù)主要對T1和T2以及接收方偏移量ο'的值進行確定.時間窗口大小選取與網(wǎng)絡(luò)抖動值的方差有關(guān)［12］，假設(shè)抖動方差D(ξ)=σ2，同時符合正態(tài)分布，且抖動值落在(-3σ，3σ)的概率最大，可達到99.7%，因此為確保整個傳輸信息的可靠性，時間間隔窗口Ti大小至少為6σ.由于T2傳送的數(shù)據(jù)包數(shù)目比T1的數(shù)據(jù)包數(shù)目多一倍，所以T2的大小定為12σ.

設(shè)發(fā)送方開始劃分窗口的起始偏移量為ο，則接收方設(shè)置的偏移量為ο'=ο-|δ|，其中δ指雙方時鐘的最大差異值.由于(ο -2|δ|)≤ο'≤ο，可通過取該范圍內(nèi)不同的隨機值進行試驗嘗試，選擇最佳偏移值實現(xiàn)較高的檢測率.

2.2 魯棒性和隱蔽性分析

網(wǎng)絡(luò)攻擊者或者其他影響數(shù)據(jù)包到達延時發(fā)生變化的抖動都滿足獨立同分布［12］，假設(shè):

將算法對抖動值影響的魯棒性概率設(shè)為prob，運用中心極限定理計算抖動值的隨機樣本:

結(jié)果表明:水印嵌入成功率對Yi，k的分布，及其標(biāo)準(zhǔn)差不具有強敏感性，若要使得公式(11)取值最大值，只要嵌入的時序干擾滿足獨立同分布，則可通過增大a的值實現(xiàn)增大prob的值，從而證明使用較多數(shù)量的數(shù)據(jù)包就可以使該水印算法具有強魯棒性.

另一方面根據(jù)公式(11)可知該方法與原始載體數(shù)據(jù)包時間間隔大小無關(guān)，因此對數(shù)據(jù)包時隙進行調(diào)制后不會改變正常數(shù)據(jù)流發(fā)送的時隙分布，從而其隱蔽性較強.同時第3方攻擊者若采用盲檢測技術(shù)判斷數(shù)據(jù)流是否存在水印信息時，其計算復(fù)雜度如下.

而傳統(tǒng)的包分組水印技術(shù)由于其每組中數(shù)據(jù)包數(shù)目是固定的，其分組方式的增長率為

文中提出方法的分類種數(shù)增長速度與傳統(tǒng)方法分組種類增長速率的比值為

在最簡單的增長情況(k=1，b=1)時，文中提出的水印技術(shù)分組方式種類數(shù)約為傳統(tǒng)分組方式種類數(shù)的24倍，因此對于不知道分組情況的攻擊者來說，破譯水印信息需要進行的計算復(fù)雜度會呈指數(shù)級增長，可見該技術(shù)具有良好的隱蔽特性.

2.3 精準(zhǔn)度分析

由于實際網(wǎng)絡(luò)中存在的時延抖動干擾，因此水印被識別的情況選用2種值進行量化:檢測率和誤報率.

若將二級制中0看作-1，1看做+1，則碼分復(fù)用中任何一個碼片向量和該碼片向量本身(或其反碼向量)的規(guī)格化內(nèi)積都是1(或-1)，即有

根據(jù)該特性可以將解擴得到的序列s'與原始擴頻碼片序列s作規(guī)格化內(nèi)積，得到值域為［-1，1］的結(jié)果集，這里可以規(guī)定若結(jié)果取值范圍屬于［-1，0］，則認為是原始擴頻序列向量，否則屬于其反碼向量.通過該種校驗方式與式(8)求檢測率的2種驗證方式，使檢測率更為準(zhǔn)確，而傳統(tǒng)方法通常只采用式(8)求相似度的方法對比這2種序列，沒有雙重保障機制，因此新方法可實現(xiàn)較高精準(zhǔn)度.

若嵌入水印序列與提取得到的水印序列可正確匹配的概率用pt表示，而未能正確進行匹配的水印序列的誤報率用pf表示(該誤報率也包括未嵌入水印卻使用判斷規(guī)則進行提取水印分析而產(chǎn)生的錯誤)，當(dāng)在不同的時間窗口嵌入同樣的水印比特信息，可譯碼得到多條水印序列，總存在其中一個是正確的可能性，分別與原始水印序列進行對比分析，取最大結(jié)果值做為檢測率:

而該檢測率對應(yīng)的序列則可認為是提取到的水印序列，傳統(tǒng)方法對所得結(jié)果僅進行了取均值的分析，并不能準(zhǔn)確反映水印的存在性，從而影響檢測結(jié)果.

3 試驗評估與結(jié)果分析

為評估IBCSW技術(shù)性能，文中構(gòu)建了該技術(shù)的試驗平臺.水印嵌入與提取均用Java編寫實現(xiàn)C/S模型架構(gòu)，水印嵌入方截獲到要監(jiān)聽的數(shù)據(jù)流后，設(shè)置初始偏移值ο，利用timer.schedule()函數(shù)控制數(shù)據(jù)包在大小交替變化的時間窗口中發(fā)送;水印提取方通過對捕獲的數(shù)據(jù)包進行統(tǒng)計分析，將得到的恢復(fù)水印序列與原始水印序列進行相似度對比，分析該算法的檢測能力.

在試驗中采用m=4即長度為4的隨機碼分復(fù)用序列，擴頻規(guī)則為:若水印比特為1，則擴頻為該序列本身后對數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔進行調(diào)制，否則擴頻為該序列的反碼后，再依據(jù)該反碼序列的比特信息對數(shù)據(jù)包時間間隔進行調(diào)制.若隨機產(chǎn)生的復(fù)用碼序列為1011，水印二進制序列為001，則其轉(zhuǎn)換為擴頻序列后為0100 0100 1011，將該序列嵌入至?xí)r間窗口中［2，9-10］.

試驗中隨機產(chǎn)生20位水印序列，根據(jù)碼分復(fù)用序列將其擴展為80位二進制序列，再嵌入至161個窗口間隔(其中第81個窗口不進行調(diào)制，則如圖3所示，重復(fù)傳輸此80位比特序列時，將從T2開始嵌入，實現(xiàn)了相同編碼在不同窗口中嵌入的規(guī)則)，令相鄰兩個數(shù)據(jù)包原始發(fā)送間隔滿足值域為［20，30］、單位為ms的隨機分布，偏移值ο取10 ms，相似度閾值r=0.7.

將新型水印技術(shù)IBCSW與原始包分組技術(shù)(package group)在水印檢測率和誤報率2方面進行比較，分析IBCSW技術(shù)的性能.試驗中a取值為2，T1和T2值分別取值120，240 ms，將T2做為傳統(tǒng)分組的每個窗口劃分值，其中數(shù)據(jù)包的數(shù)量則是8×2=16 個，網(wǎng)絡(luò)抖動延遲設(shè)定為 0，2，4，6，8，10，12，14 ms，每組值進行10次重復(fù)試驗后，根據(jù)公式(16)求得檢測率及誤碼率，繪制其分布如圖4-5所示.

圖4 2種水印技術(shù)檢測率對比

圖5 2種水印技術(shù)的誤碼率對比

對比分析圖4-5可知，對于不同的網(wǎng)絡(luò)抖動干擾延遲，2種技術(shù)的檢測率都是隨抖動值的增大而降低;在抖動值為0～4 ms時，對于嵌入水印的數(shù)據(jù)包流，利用IBCSW算法的檢測率要比包分組方法高;抖動值大于12 ms時，傳統(tǒng)算法檢測率開始大幅度降低，而IBCSW方法檢測率降低趨勢較緩慢，因此具有更強的魯棒性.

根據(jù)式(11)可知，窗口中要發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目是另一個影響檢測率的因素.試驗通過設(shè)置不同a值，對檢測率做比較，同時也測試了在不同的抖動值下檢測率的變化情況.這里碼分復(fù)用的序列同樣是隨機產(chǎn)生的4位序列，抖動值分別設(shè)置為0，2，4，6，10，14 ms，結(jié)果見表1及圖6.

表1 不同數(shù)據(jù)包冗余度a對應(yīng)檢測率分布

圖6 不同冗余度對應(yīng)a檢測率分布

從圖6及表1可見，嵌入水印后，隨著a的增大，應(yīng)對同樣的抖動干擾，接收方檢測率會逐漸增大，而當(dāng)a值相同時，對于逐漸變大的抖動值，檢測率則緩慢降低.從圖6可知，當(dāng)a值取2時，即12個數(shù)據(jù)包分2次:使用4個數(shù)據(jù)包和8個數(shù)據(jù)包在不同時刻嵌入同一位二進制編碼.經(jīng)過擴展后利用12×4=48個數(shù)據(jù)包表示一個水印比特信息.當(dāng)設(shè)定閾值為r=0.7時，對小于14 ms的網(wǎng)絡(luò)干擾抖動，IBCSW檢測率可以達到90%以上.若采用傳統(tǒng)分組方法同樣利用48個數(shù)據(jù)包表示一位水印比特，根據(jù)已經(jīng)進行的試驗可知:其應(yīng)對大于6 ms的抖動時，檢測率值已降到83%以下.因此本技術(shù)應(yīng)對普通網(wǎng)絡(luò)干擾時，比傳統(tǒng)分組方式檢測率更高.

另外，文中在抖動均值為10 ms，嵌入水印長度為64位時，測試了2種算法的耗時與檢測率的情況，結(jié)果見表2.

表2 2種技術(shù)的耗時與檢測率對比

由于IBCSW采用了糾錯校正機制，從而可以在相對較短的時間內(nèi)得到較高的檢測率，并且檢測率值的變化幅度較小;而原始package group技術(shù)檢測率的值會隨著傳送水印信息的位數(shù)變長而大幅度降低，且其耗時也較長，因此可以認為基于變化分組時隙窗口的新型流水印技術(shù)效率較高.

4 結(jié)論

1)變化分組可避免原始分組技術(shù)單一性，實時完成水印信息的冗余嵌入，效率較高，同時可以有效抵抗第3方的嗅探攻擊.

2)結(jié)合碼分復(fù)用方式，可實現(xiàn)水印信息自糾錯能力，極大提高水印檢測率.

3)試驗結(jié)果表明，IBCSW方法檢測率優(yōu)于原始分組水印技術(shù).

4)由于該方法使用的偏移值根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)變化情況可能無法進行正確地估計選擇，因此會影響檢測的準(zhǔn)確率，下一步工作擬對通信雙方選擇時延調(diào)制最佳幅度算法進行探析及完成時間窗口邊界的劃分研究，例如，可通過引入標(biāo)志數(shù)據(jù)包來確認時間窗口開始的分界點，并且對改進后的方法在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行測試，設(shè)計更為高效且精確的水印嵌入技術(shù).

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