陳 青，李嘉駿

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，其由眾多靜止或運(yùn)動的傳感器構(gòu)成，用于收集傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的有價值信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和傳輸。如今無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事，公共安全以及智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。由于節(jié)點(diǎn)經(jīng)常放置在缺乏保護(hù)的外部環(huán)境中，其數(shù)據(jù)面臨被篡改和攻擊的威脅，因此需采用一定的手段來保證數(shù)據(jù)的完整性和真實性［1］。傳感器網(wǎng)絡(luò)安全中傳感器數(shù)據(jù)的完整性認(rèn)證是其核心要求之一，但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)自身功耗，存儲空間以及計算能力的限制，傳統(tǒng)的基于加密的數(shù)據(jù)安全方案代價過高，無法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。

數(shù)字水印技術(shù)是將一些識別信號隱藏于宿主媒體中，但不影響其使用。通過這些信息，可以達(dá)到保護(hù)版權(quán)、防偽以及鑒定載體完整性等目的。數(shù)字水印可分為魯棒水印以及脆弱水印，魯棒水印難以去除，在經(jīng)歷普通數(shù)據(jù)處理與一定程度的非法篡改后仍能被提取和檢測;脆弱水印對數(shù)據(jù)的改變較為敏感，利用這個特性可以鑒定數(shù)據(jù)的完整性。

近幾年，數(shù)字水印技術(shù)作為無線傳感器中一種新的數(shù)據(jù)保護(hù)手段，得到了業(yè)界關(guān)注［2－4］。文獻(xiàn)［1，5］通過在數(shù)據(jù)采集和融合時引入一些外加的條件，提出了一種實時的水印方案，保護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)版權(quán)。文獻(xiàn)［2，6］利用數(shù)據(jù)本身的某些特性生成水印信號，之后對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行嵌入。文獻(xiàn)［3，7］提出了一種利用鏈?zhǔn)剿〉姆桨副Ｗo(hù)數(shù)據(jù)流的安全?；谕近c(diǎn)將數(shù)據(jù)流分成不同的數(shù)據(jù)組，然后對于每個分組分別生成和嵌入水印。文獻(xiàn)［4，8］提出一種數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方案，利用數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與空白字符的特性進(jìn)行水印信息的生成與嵌入，接收方提取水印信息后，再次計算數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過比較驗證數(shù)據(jù)是否完整。文獻(xiàn)［5，9］基于差值擴(kuò)展水印原理，通過對相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行差值擴(kuò)展，提出了一種無損認(rèn)證水印算法。

本文提出一種基于奇偶性數(shù)字水印的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全方案。規(guī)定在數(shù)據(jù)包中挑選一定的數(shù)據(jù)項嵌入水印，當(dāng)數(shù)據(jù)值是奇數(shù)時，水印位為二進(jìn)制1，否則為0。通過適當(dāng)調(diào)整和比較數(shù)據(jù)包中需要嵌入水印數(shù)據(jù)值的奇偶性，便可得到一組二進(jìn)制序列。接收數(shù)據(jù)后只需判斷含有水印數(shù)據(jù)的奇偶性，就能快速、準(zhǔn)確地提取出水印序列。本算法利用數(shù)據(jù)自身特點(diǎn)嵌入和提取水印，仿真實驗證明，其擁有較好的安全性與透明度，且不會額外增加節(jié)點(diǎn)的存儲開銷，大幅減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗。

1 數(shù)字水印算法

1.1 水印信號的生成

混沌現(xiàn)象是指在確定性系統(tǒng)中的類隨機(jī)運(yùn)動，既不重復(fù)又不確定，且對初始值極其敏感。本文利用一種廣泛應(yīng)用的Logistic映射，公式如下

式中，0≤μ≤4，稱為分支參數(shù)。當(dāng)3.569 945 6＜μ≤4時，Logistic映射處于混沌狀態(tài)，根據(jù)不同的初始值經(jīng)過該映射生成的序列是非周期、不收斂、不相關(guān)、不可預(yù)測的，且對初始值極其敏感。本論文采用的是μ=4時的Logistic映射，該映射所產(chǎn)生的序列是非周期且無限長的，本文中只需選取適當(dāng)?shù)拈L度，采用閾值門限法從而生成二進(jìn)制序列成為水印信號。公式如下

在本文中閾值R取0.5，即當(dāng)Xk≥0.5時，L(Xk)的值為1;當(dāng)Xk＜0.5時，L(Xk)的值為0。

由于各個數(shù)據(jù)都有不同的采集時間，本文考慮利用數(shù)據(jù)的采集時間與采集節(jié)點(diǎn)的編號生成水印序列。一個數(shù)據(jù)包由數(shù)據(jù)包頭和k個數(shù)據(jù)(S1，S2，…，Sk)所組成。于是水印生成的具體步驟如下所示:根據(jù)數(shù)據(jù)包中某個數(shù)據(jù)項Si的采集時間與采集節(jié)點(diǎn)編號生成一個Logistic序列初始值Xk，利用式(1)與式(2)生成一段混沌二值序列，選取合適的長度作為該數(shù)據(jù)包的水印信號WM。

1.2 水印信號的嵌入

鑒于WSN是能量受限的網(wǎng)絡(luò)，如何設(shè)計出精簡的算法以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是考慮的因素。避免對數(shù)據(jù)包中的所有數(shù)據(jù)項作水印嵌入，依據(jù)某種原則從數(shù)據(jù)包中選取部分?jǐn)?shù)據(jù)項嵌入水印，從而降低算法的繁瑣的數(shù)據(jù)量。本文引入?yún)?shù)λ，用于控制在數(shù)據(jù)包中嵌入水印的比例。當(dāng)數(shù)據(jù)編號可被λ整除時，對該數(shù)據(jù)項嵌入水印。λ在宏觀上表示一個數(shù)據(jù)包中水印嵌入的密集程度，λ越小，數(shù)據(jù)項被嵌入水印的幾率越大，反之則越小，當(dāng)λ的值取1時，則代表數(shù)據(jù)包中所有的數(shù)據(jù)項均被嵌入了水印信號。

為保證水印的透明度，本文只改變數(shù)據(jù)的最低有效位。對于數(shù)據(jù)包中第N個嵌入水印的數(shù)據(jù)，若水印序列的第N位WMN為0，則通過修改數(shù)據(jù)值的最后一位使其為偶數(shù);若WMN為1，則通過修改數(shù)據(jù)值最后一位使其為奇數(shù)。這樣就將N位水印序列嵌入到了數(shù)據(jù)包的N個數(shù)據(jù)中。

1.3 水印信號的檢測

接收節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，根據(jù)Si的采集時間與收集節(jié)點(diǎn)編號用相同的方法生成一段Logistic混沌序列。依次讀取數(shù)據(jù)包中的每一個數(shù)據(jù)項，如果數(shù)據(jù)編號不能被λ整除，則表示該數(shù)據(jù)項中沒有嵌入水印信號，不進(jìn)行水印的提取與檢測;若能被λ整除，說明此數(shù)據(jù)項含有水印，進(jìn)行水印的提取。對于第N個含水印的數(shù)據(jù)項，若數(shù)據(jù)值為偶數(shù)，則提取的水印序列第N位WMN為0，否則為1。最后將提取的水印序列與混沌序列逐位進(jìn)行比較，若一致，則說明在傳輸過程中該數(shù)據(jù)包沒有受到非法篡改，是安全的。

為了對數(shù)據(jù)包的安全性作出科學(xué)的判斷，本文引入閾值M，M表示在數(shù)據(jù)包的所有嵌入水印信息的數(shù)據(jù)項中檢測正確的比例。在概率上，M反映了數(shù)據(jù)包中所有數(shù)據(jù)項的真實性程度，根據(jù)實際應(yīng)用場合對數(shù)據(jù)精確度的要求，M的范圍在0% ～100%之間。進(jìn)行檢測時，若水印信息的正確檢測率高于M，則認(rèn)為這個數(shù)據(jù)包是安全的，符合實際應(yīng)用場合的要求，可投入使用，否則以丟包處理。

2 實驗仿真與性能分析

為檢驗本方案的可行性，利用OMNeT++4.3進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真實驗。利用Routing網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，隨機(jī)分布57個傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的初始能量設(shè)定為2 J，節(jié)點(diǎn)生成數(shù)據(jù)包的間隔為5 s，每個數(shù)據(jù)包含40個數(shù)據(jù)項，大小為1 Byte。

圖1表示了在參數(shù)λ為2，閾值M為95%時，對于不同篡改程度運(yùn)行400 s，本算法水印的檢測率。

圖1 不同篡改比例下水印的檢測率

由圖1可知，隨著篡改比例的提高，本方案能較好地檢測出數(shù)據(jù)包是否經(jīng)過篡改。

出于節(jié)能考慮，算法要求越簡單越好，盡量減少在水印生成、嵌入和提取等環(huán)節(jié)上的能量損耗。由于采用最低有效位嵌入的方法，因此水印信號不會占用額外的存儲空間，節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的存儲開銷，網(wǎng)絡(luò)絕大部分的能量損耗都消耗在了數(shù)據(jù)通信上。圖2是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均能耗統(tǒng)計，可看出隨著仿真進(jìn)行，本算法的能量損耗穩(wěn)定增長，經(jīng)過對比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在嵌入水印前后節(jié)點(diǎn)的平均能量損耗相差較小，說明本文提出的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水印算法并未額外增加其能量開銷。

圖2 含水印與不含水印的能耗對比

為了驗證本方案的水印透明性，在水印嵌入比例為50%的前提下，隨機(jī)選取部分節(jié)點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)包進(jìn)行測試與比較實驗。表1體現(xiàn)了本方案對數(shù)據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的影響?？砂l(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化很小，說明本方案對于數(shù)據(jù)的使用基本沒有影響，具有較好的透明性。

表1 水印透明性測試

3 結(jié)束語

本文基于奇偶性數(shù)字水印，提出了一種有效應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)完整性保護(hù)方案。仿真實驗表明該水印方案是有效可行的，不但具有較強(qiáng)的篡改識別能力，且不會對數(shù)據(jù)通信造成影響?？奢^好地保護(hù)醫(yī)療、軍事、通信安全等領(lǐng)域中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的完整性與真實性，同時也不會對網(wǎng)絡(luò)通信造成負(fù)擔(dān)。

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