擴頻軟件水印研究

摘要:分析了擴頻技術應用在軟件水印領域的一般框架，提出了一種在程序運行過程中提取矢量的擴頻動態軟件水印方案#65377;該方案通過修改Java程序對操作數棧操作的次數來嵌入水印，用相關性檢測原理來檢測水印，具有很高的魯棒性和安全性#65377;

關鍵詞:軟件保護;軟件水印;擴頻

中圖分類號:TP309.2文獻標志碼:A

文章編號:1001-3695(2007)10-0086-03

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隨著信息技術和因特網技術的不斷發展，軟件產業正迎來巨大的發展機遇，同時也面臨著諸多挑戰#65377;軟件幾乎滲透到工業#65380;商業和人們日常生活的各個方面，成為一種普遍的數字商品#65377;因此軟件安全和軟件保護已成為科學研究的重大課題，引起學術界和工業界的極大關注#65377;軟件水印是近年來出現的軟件產品版權保護技術，可以用來標志作者#65380;發行商#65380;所有者#65380;使用者等，并攜帶版權保護信息和身份認證信息，可以鑒別出非法復制和盜用的軟件產品#65377;

利用擴頻技術原理可以將水印分布在宿主數據頻域系數中，使得加入每個頻域系數的信號能量很小且不可隨意檢測，因而擴頻水印技術具有很高的魯棒性和安全性#65377;

1軟件水印

近幾年來，國外研究人員針對軟件水印的研究，提出了許多算法和解決方案#65377;其中比較有代表性的包括:

a)基本塊重排算法#65377;Davidson和Myhrvold在1996年發表了第一個軟件水印算法#65377;該算法是通過調整程序模塊內程序指令順序的方法將水印嵌入到可執行的程序模塊中，它為可執行程序模塊提供一種可以惟一辨別授權的簽名#65377;該水印算法簡單準確#65380;效率高，但是可靠性不高#65377;

b)Opaque謂詞算法#65377;Akito提出通過在程序中附加一些從不執行的dummy方法來編碼作者身份信息#65377;Arboit[1]利用數論中二次剩余問題構造opaque謂詞序列#65377;在程序中選擇一些分支，將opaque謂詞添加到分支條件后，每個opaque謂詞中嵌入一部分水印信息#65377;Arboit算法可以很好地抵抗一些控制流程分析的水印檢測軟件的攻擊;但如果通過變形攻擊使謂詞過于混亂，水印可能無法被提取#65377;

c)基于圖的算法#65377;Venkatesan#65380;Vazirani和Sinha提出第一個基于圖的軟件水印算法，該算法通過隨機游走(random walk)的方法把水印代碼的控制流圖嵌入到原始程序的控制流圖，從而構成含水印程序的控制流圖#65377;Collberg等人[2]提出一種動態圖水印算法，將水印嵌入到一個在程序執行期間建立的圖數據結構中，水印信息被隱藏在程序的執行狀態，其檢測必須在程序運行的狀態下方可進行#65377;由于指針的副作用，數據結構很難被分析，此水印算法具有良好的隱秘性和健壯性#65377;

d)動態路徑算法#65377;Collberg等人[3]提出將水印嵌入到程序分支結構運行時間中的水印算法#65377;該算法是基于這樣一個觀察結果，分支結構是程序的基本部分，它包含太多的程序語義并且很難被完整分析#65377;

e)線程算法#65377;Nagra等人[4]基于在多線程程序中一個線程運行時任意性的本質提出了線程軟件水印算法，將水印以比特流的形式隱藏在對多個線程的并發控制中#65377;此算法能抵抗大多數語義保持變換攻擊，但隱藏信息量小#65377;

f)擴頻水印算法#65377;Stern等人[5]提出一種擴頻水印算法，他將程序以向量的形式表現，并且以很小的任意數來修改向量的各個部分#65377;Stern水印算法利用擴頻通信原理，使得水印信息分布在程序代碼的整體，具有較好的健壯性，能夠抵抗多種攻擊，但實現起來很困難[6]#65377;

2擴頻軟件水印原理

在水印中利用擴頻技術原理，可以將水印分布在宿主數據頻域系數中，加入每個頻域系數的信號能量很小且不可隨意檢測#65377;水印檢測過程能將許多微弱的信號集中起來形成具有較高信噪比的輸出值#65377;擴頻水印技術的安全性來源于這樣一個假設:在表示數據的矢量空間里，數據可用性的大幅下降意味著矢量空間中相應的矢量之間有很大的距離，反之亦然#65377;

Cox等人提出一個擴頻水印技術的典型應用[7]，他將要加入水印的數據表現為一個矢量，并且通過一個已知的非常小的隨機量來修改這個矢量的每個分量#65377;這個隨機量就是要嵌入的水印，水印可以通過相關性檢測來判斷#65377;

擴頻軟件水印技術一般可分為矢量提取#65380;水印嵌入和水印檢測三步#65377;在擴頻軟件水印方案中，一個程序也需要表現為一個矢量#65377;程序能在不同空間中用不同的矢量表示#65377;將程序用矢量表示的過程稱為矢量提取#65377;在程序中提取不同的矢量能抵抗不同的攻擊#65377;水印的不可感知性和魯棒性依賴于從程序中提取的矢量#65377;水印的其他性質如水印恢復是否需要原始數據等則依賴于選擇何種擴頻技術#65377;

水印的嵌入是用水印矢量來修改從程序中提取的矢量，再由修改后的矢量生成嵌入水印的程序的過程#65377;水印嵌入過程可用圖1描述#65377;水印的生成可根據應用的不同采取不同的生成策略#65377;一般可以由一個偽隨機序列發生器產生一個偽隨機序列作為水印w，通過矢量合成來對從程序中提取的矢量信號r進行修改，矢量合成可采用矢量疊加的方法#65377;最后根據修改后的矢量對程序進行修改，生成含有水印信息的程序#65377;

含有水印的程序在傳播過程中必然會受到各種有意或無意的攻擊發生變形，水印檢測要從中檢測出水印#65377;水印檢測分為水印提取和驗證兩部分，過程如圖2所示#65377;水印提取過程是水印嵌入過程的逆過程，使用在水印嵌入過程中用到的矢量提取器從變形程序中重新提取矢量r′，再利用矢量合成的逆運算求出可能的水印w′#65377;這一過程可能會利用從原始程序中提取的矢量r#65377;水印驗證是將可能的水印與原始水印作相似性比較#65377;如果結果滿足預先設定的條件，如sim(w，w′)≈1，可認為被檢測的程序中含有水印#65377;驗證結果可以作為版權的證據，從而確定出程序的所有者#65377;

3動態擴頻軟件水印

Stern等人提出的擴頻水印沒有將程序看做是順序執行的指令，也沒有利用程序的執行流程，而是把它當做統計模型來處理#65377;它是一種靜態的水印算法#65377;這里提出的方案是在Java程序執行過程中提取矢量，它是一種動態擴頻軟件水印方案#65377;

3.1矢量提取

擴頻水印需要提取一個矢量#65377;在Java程序中有許多可能的信號可以用來嵌入水印#65377;本方案是從一個運行的程序中提取這樣的一個矢量#65377;給定一個特定的輸入，在Java程序的執行期間，統計程序中不同方法運行時對操作數棧進行操作的次數，將它作為一個信號矢量#65377;

通過對Java指令的修改可以改變這個矢量以嵌入水印#65377;為了保持程序的語義不變，可以采用兩種方法來進行修改:

a)插入一段額外指令，使程序在執行這段指令后程序的狀態不發生改變，如在iload x指令后插入一段指令:

iconst_0

iadd

istore x

執行完這段指令，前后程序當前幀的棧頂元素都為x，并且x的值也沒有變化#65377;

b)用一組語義等價的指令來替換程序中的指令#65377;等價替換的方法可以最大限度地減少額外指令的增加，并且健壯性高，敵人無法通過對代碼作靜態分析消除無關指令來進行攻擊#65377;例如下面的兩組指令是等價的:

(a)iinc x y(b)iload x

bipush y

iadd

istore x

當程序中出現(a)中的指令就可以用(b)中的指令進行替換#65377;通過上面保持語義的變換后，程序所調用方法中對操作數棧操作的次數發生了改變#65377;下面描述本方案中嵌入水印和檢測水印的方法#65377;

3.2水印的嵌入

3.4攻擊分析

一個好的水印方案能經受不同的攻擊#65377;本文提出的擴頻軟件水印方案有很好的魯棒性，它能經受下面幾種攻擊:

a)對于軟件水印來說，代碼的反編譯攻擊是一種很嚴重的攻擊，特別是Java字節碼很容易被反編譯#65377;反編譯后再用不同的編譯器重新編譯是對許多軟件水印都有效的攻擊手段#65377;由于該方案插入和修改的代碼位于原有方法之中，并且是正常執行的，即使重新編譯它們后仍然會存在，不影響檢測效果#65377;

b)代碼添加攻擊可以對提取的矢量有影響，但要添加到提取矢量的方法中才能對水印產生混淆#65377;實際上添加的代碼必須非常大#65377;攻擊者不知道程序中哪些方法添加水印，隨機的修改對水印的提取基本沒有影響#65377;

c)代碼混淆是指通過某種程序變換，在基本不改變原有程序功能的情況下，使程序很難被人理解#65377;它本身是一種軟件保護的手段，但也常常成為對軟件水印的一種有效攻擊手段#65377;但這種攻擊顯然對本文方案沒什么效果#65377;

d)像其他的軟件水印方案一樣，還可以通過其他技術如混淆和防竄改技術來保護嵌入水印的程序，使其更難被攻擊#65377;

4結束語

軟件水印提供了一種對軟件保護的重要技術#65377;本文對軟件水印進行了概述，提出了動態擴頻軟件水印框架，建立了一個水印嵌入和檢測的模型#65377;這個模型可以對軟件水印系統的質量進行評價#65377;今后將從程序中提取新的矢量并應用新的水印檢測機制作進一步的研究#65377;

參考文獻:

[1]ARBOIT G.A method for watermarking Java programs via opaque predicates[C]//Proc of the 5th International Conference on Electronic Commerce Research.Los Alamitos: IEEECS，2002:124131.

[2]COLLBERG C，THOMBORSON C.Software watermarking:models and dynamic embeddings[C]//Proc of the 26th Annual SIGPLANSIGACT Sym on Principles of Programming Languages.New York: ACM Press， 1999:311-324. 

[3]COLLBERG C，CARTER E，DEBRAY S，et al.Dynamic pathbased software watermarking[C]//Proc of the ACM SIGPLAN Conference on Programming Language Design and Implementation.New York:ACM Press，2004:107118.

[4]NAGRA J，THOMBORSON C.Threading software watermarks[C]//Proc of the 6th International Workshop on Information Hiding.Berlin:SpringerVerlag，2004:208-233.

[5]STERN J，HACHEZ G，KOEUNE F，et al.Robust object watermarking:application to code[C]//Proc of the 3rd International Information Hiding Workshop.Berlin: SpringerVerlag， 1999:368-378.

[6]HACHEZ G.A comparative study of software protection tools suited for ecommerce with contributions to software watermarking and smart cards [D].[S.l.]:Universite Catholique de Louvain， 2003:75103.

[7]COX I J，KILIAN J，LEIGHTON T，et al.A secure， robust watermark for multimedia[C]//Proc of the 1st International Information Hiding Workshop.Berlin: SpringerVerlag， 1996:185-206.

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