運用密鑰分存技術的數據庫水印算法

摘 要： 分析密鑰分存技術下的數據庫水印算法，對水印嵌入以及水印提取算法進行探討，提出一種基于密鑰分存技術的數據庫水印算法，通過仿真實驗驗證其可靠性。在數據庫2/5比例元組被刪除條件下，應用該算法可恢復得到完整數字水??；為提高數據庫對元組刪除攻擊的抵抗性，可提高n值并減少t值，以實現對刪除元組最大值門限的優化。實驗證明，該算法能夠提高水印提取與存放安全性，提高數據庫水印的抗攻擊能力。

關鍵詞： 數據庫； 水??； 密鑰分存技術； 算法

中圖分類號：TP392 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）10-39-02

Abstract： By analyzing the secret sharing technology database watermarking algorithm， the watermark embedding and watermark extraction algorithm are discussed. A new algorithm based on the secret sharing technology is proposed， and the reliability is verified by simulation experiments. Under the condition of 2/5 proportion of tuples of database deleted， application of the algorithm can fully recover the digital watermark； To improve the database's tuple deletion attack resistance， can increase the n value and reduce the t value， in order to achieve the optimization of deleted tuple maximum threshold. Experiments show that the proposed algorithm can improve the security of watermark extraction and storage， and enhance the ability of the database watermarking attack resistance.

Key words： database； watermark； secret sharing technology； algorithm

0 引言

在計算機網絡技術迅速發展的背景下，計算機網絡安全問題備受各方重視。有關文獻中嘗試利用計算機網絡的混沌特性，配合小波變化技術來對數字圖像進行完善，可支持對網絡系統關鍵數據信息的安全保障工作[1]。目前，國防系統中頻繁使用大規模、大型信息系統數據庫，數據庫合作化程度高，為確保數據安全性，必須在數據庫中嵌入密鑰算法[2]。如何解決數據庫聯合版權與信息安全保障之間的問題，必須引起各方關注。本文提出一種基于密鑰分存技術的數據庫水印算法，對該算法的應用及其效果展開探討。

1 問題描述

為實現建立在密鑰分存技術基礎之上的數據庫聯合版權保護方案，可設置基于Shamir密鑰分存的新型數據庫水印算法。該算法假定條件為：數據庫擁有者均分配不同的私有密鑰，若需要開啟數據庫，就必須整合所有擁有者（或按照算法規定要求所有者）的私有密鑰，以驗證其對數據庫的管理權限，從而通過對比密鑰正確性的方式來保障數據庫安全[3]。

從數據庫水印方案的角度上看，最容易發生的問題是受到元組刪除數據影響而造成水印丟失。解決該問題的最佳方案是多次嵌入數據庫水印。但也有研究認為多次嵌入數據庫水印會造成整個數據庫的信息容量持續增加，因而存在一定局限。同時，也有研究認為可以嘗試通過對密鑰分存技術的應用方式，引入Lagrange插入公式，實現對水印的恢復。

2 設計方案

本文所提出的建立在密鑰分存技術基礎之上的數據庫是因為算法是根據Langrange插值公式演變而來的。其基本思路是：整個數據庫水印所對應的密鑰被劃分為n份，分別將n份自水印存放至數據庫不同位置上。在提取水印時，僅需要對任意t份水印進行檢測，即可實現對原始水印a的恢復。若t分水印可靠性高且數據量大，則原始水印a的恢復相對完整。在取出水印后，可以基于糾錯編碼技術對信息位進行糾錯編碼，處理后的水印信息可嵌入元組集合當中。

借助于Langrange插值公式中的n次插值處理方式，可以在二維空間中定義k個已知點，分別為（x1，y1），（x2，y2）…（xn，yn）。同時，對于所有的k點而言，僅存在一個（k-1）次多項式（將其定義為p（x）），能夠滿足如下關系：

P（xk）=yk；

3 水印嵌入算法

將經過預處理得到的水印信息定義為W，同時將恢復原始水印的最小份數閾值定義為t。為了能夠實現對W水印信息的嵌入處理，必須對多項式F（x）進行計算。

考慮到對于整體多項式F（x）而言，其可以通過t個不同的數進行惟一確定，因此可以選擇多個不同取值，對與之相對應的多項式F（x）進行計算，并將其標注為W1，W2，…，Wn。

在此基礎上，通過對t以及（x1，F（x））的計算，得到與之相對應的F（x）具體取值關系，最后引入公有密鑰P1，P2，…，Pn，分別與多項式F（x）相對應，編碼得到對應的C1，C2，…，Cn。最后，可以將一個關系數據庫進行分解，分解為多個關系式，分別定義為R1，R2，…，Rn，同時將W嵌入至R子數據庫中，得到與之相對應的數據庫R，均為含水印數據庫。

對于W原始水印信息而言，其是通過R自數據庫合并和恢復得到的。大量的已知數據發送至數據庫聯合擁有者P處，并可以自含有自水印的數據庫中挑選t份自水印，以實現對W原始水印的有效恢復[4]。在這一過程當中，即便數據庫中的部分數據被篩除，同樣能夠對原始水印進行高精確度的恢復，對提高整個方案的抗刪除攻擊能力而言有著非常重要的價值。

4 水印提取算法

提取算法的關鍵是將數據庫擁有者各自所對應的子密鑰合并統一起來，以實現對原始水印信息的恢復。為了能夠使原始水印信息的恢復盡量的完整與真實，就必須至少滿足門限值要求的子水印份數[5]。若滿足該要求，則算法可自動進入下一步驟，若未滿足該要求，則算法會立即停止，同時對水印數據庫是否承受惡意攻擊進行評估，驗證數據庫擁有者所提供子密鑰的真實性。在子密鑰完全匹配的條件下，每一位數據庫擁有者需要用一位水印提取算法對子水印W進行恢復，然后集中私有子密鑰，恢復F（x），最后引入插值公式，提取水印信息W，將x取值設置為0，對F（0）進行計算，實現對W的提取。

5 仿真實驗

按照表1數據，對多項式參數結果進行設置，數據庫按照五個子數據庫標準進行劃分，將原始數字水印恢復的門限值設置為3。在仿真試驗中，對元組刪除攻擊后水印的檢測結果進行分析，如圖1所示。

根據圖1分析得到兩個方面的結論：結論一，在數據庫2/5比例元組被刪除的條件下，仍然能夠應用該技術恢復得到完整的數字水??；結論二，為了提高整個數據庫對元組刪除攻擊的抵抗性，可適當提高n值并減少t值，以實現對刪除元組最大值門限的合理優化。

6 結束語

仿真實驗數據顯示：在數據庫2/5比例元組被刪除的條件下，仍然能夠應用該技術恢復得到完整的數字水印。同時為了提高整個數據庫對元組刪除攻擊的抵抗性，可適當提高n值并減少t值，以實現對刪除元組最大值門限的合理優化。以上結論整合認為：本文所提出的建立在密鑰分存技術基礎之上的數據庫水印算法能夠明顯提高水印提取與存放的安全性，對優化數據庫水印抗攻擊能力而言效果確切。

參考文獻：

[1] 崔新春，賀潔，秦小麟等.基于盲源分離的多重音頻數據庫水印算法[J].電子學報，2012.40（1）：78-83

[2] 向玥，李軍義，潘季芳等.一種基于虛擬主鍵的數據庫水印算法[J].計算機研究與發展，2009.46（z1）：66-70

[3] 戴華，秦小麟，金倩倩等.基于屬性標記的關系數據庫水印方法[J].南京航空航天大學學報，2012.44（4）：580-586

[4] 白香芳，趙冬玲，謝昭莉等.運用密鑰分存技術的數據庫水印算法[J].電光與控制，2013.20（6）：93-95，104

[5] 陳明剛，孫星明，肖湘蓉等.基于小波變換的關系數據庫水印算法[J].東南大學學報（自然科學版），2007.37（z1）：130-136