一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議*

代亞楠，張　馳，俞能海

(1.中國科學院電磁空間信息重點實驗室，中國科學技術大學 電子工程與信息科學系，安徽 合肥 230027;2.裝甲兵學院，安徽 蚌埠 233050)

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一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議*

代亞楠1,2，張馳1，俞能海1

(1.中國科學院電磁空間信息重點實驗室，中國科學技術大學 電子工程與信息科學系，安徽 合肥 230027;2.裝甲兵學院，安徽 蚌埠 233050)

摘要：常用的多頻率MAC協議大多需要至少一條固定不變的公共頻率，為了改進這一缺陷，并進一步提升協議的網絡吞吐量，提出一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議。該協議不需要公共的同步頻率，也不需要公共的控制頻率，它以公共密鑰產生的跳頻序列做為虛擬公共安全信道，采用跳頻的模式既保證了全局的同步，又保證了各節點安全有效地進行頻率分配與接入協商。通過理論分析和仿真實驗表明，在節點負載處于較大程度時，所提出的MAC協議依然能夠保持很高的網絡吞吐量。

關鍵詞：跳頻;虛擬公共安全信道;全局同步;頻率協商;吞吐量

0引言

在多節點多頻率組成的無線網絡中，多頻率媒體接入(MAC)協議是提高其網絡吞吐量的關鍵技術之一。多頻率MAC協議控制著所有在無線頻率上發送和接收的數據包，它的性能直接決定了無線資源的利用率[1]。多頻率MAC協議主要解決兩方面內容：頻率協商和接入控制。頻率協商負責為眾多的通信節點協商分配各自相應的頻率，從而消除數據包之間的沖突，使盡量多的節點對可以同時進行通信。接入控制則負責確定節點接入相應頻率的時機，避免數據傳輸之間的沖突以及解決多頻率帶來的隱藏/暴露終端等相關問題[2]。利用完善的多頻率MAC協議，多對節點可以無沖突地在不同頻率上進行數據傳輸，有效地縮短傳輸延時，提高帶寬利用率及網絡吞吐量。

經過研究者不斷地探索，已經存在很多成熟的多頻率MAC協議。DCA[3]、MMAC[4]、CAM-MAC[5]等協議，均在眾多頻率中選取一個頻率作為公共控制頻率，各節點在此公共頻率上進行頻率協商，然后在各自協商好的普通頻率上進行數據傳輸。HRMA[6]、CHMA[7]等協議，則不需要固定的公共控制頻率，各節點以相同的跳頻序列進行跳頻，有數據傳輸需求的節點在當前跳變到的頻率上進行頻率預約協商，然后在預約成功的當前頻率上，進行數據傳輸。這種MAC協議雖不需要公共的控制頻率，卻需要一個公共的同步頻率。除了以上兩種需要一條公共頻率的MAC協議外，還存在RDT[8]、xRDT[9]等協議，在這種協議中每個節點為自己選擇了一個固定的接收頻率，只要自己處于空閑狀態，便在接收頻率上等待信息接收。

綜上所述，無論是公共控制頻率，還是公共同步頻率，以及固定接收頻率，以上幾種MAC協議中都有至少一個頻率是固定不變的，如此一來固定頻率的使用次數必然大大多于其他普通頻率。這種情況也就導致頻繁使用的固定頻率極易被攻擊者發現，如果攻擊者針對公共固定頻率進行干擾，那么其MAC協議的性能必將大打折扣，網絡吞吐量也將急劇下降。

針對這個問題，本文提出一種基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議。本協議不需要公共的固定同步頻率，也不需要公共的固定控制頻率，它以公共密鑰產生的跳頻頻率序列為虛擬公共安全信道，在此虛擬信道內采用跳頻的模式既保證了全局的同步，又保證了各節點能夠安全地進行頻率的分配與接入協商。通過理論分析和仿真實驗表明，本文提出的MAC協議能夠在節點負載處于較高水平時，依然保持很高的網絡吞吐量。

1基于TOD的多節點跳頻同步機制

本文提出的基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議需要全局的跳頻同步，為保證節點從入網開始便保持同步，本協議采用基于時間信息TOD的跳頻同步機制。該機制利用跳頻的方式發送與接收TOD同步信息，從而避免使用固定的公用同步頻率，提升了各節點同步的安全性。

基于時間信息TOD的跳頻同步機制綜合了精確時鐘法、同步字頭法、自同步法三種同步方法[10]。在該方法中發送端將攜帶有TOD時間信息的同步頭置于跳頻信號的最前面，接收端根據同步字頭的特點，從接收到的跳頻信號中把它們識別出來，從而捕獲到發送端的TOD同步信息，以修正本端的TOD及其他同步信息，從而實現收發雙方的快速同步。

1.1時間信息TOD的含義及幀格式

時間信息TOD(Time of Day)就是跳頻圖案實時狀態信息或實時時鐘信息，其格式為一串二進制數字碼。實時時鐘信息包括年、月、日、時、分、秒、毫秒、微秒等；狀態信息指偽碼發生器實時的碼序列狀態[11]。根據這些信息，接收端就可以知道發送端當前跳頻駐留時間的頻率和下一跳駐留時間應當處在什么頻率上，從而使收發端跳頻器同步工作。

除了關鍵的低段TODI信息外，發送端要傳遞的同步信息幀還包含前導序列、幀同步、網號及緩沖等內容[11]，具體格式見圖1。

圖1同步信息幀具體結構

1.2基于時間信息TOD的跳頻同步過程

各節點用來發送和接收上述同步信息幀的頻率稱為同步頻率，它是由高段TODH信息和原始公共密鑰根據一定算法，從所有頻率中計算出一個子集而得到的。它隨著TODH值的變化而變化，每經過一段時間便更換一個頻率，經過一定周期后，同步頻率就變成一個全新頻率子集。

在發送與接收同步信息的過程中，發送方要根據自己的TOD值確定發送TOD信息的同步頻率，并在同步頻率上將同步信息幀進行跳頻發送。而同時接收方也要根據自己的TOD值確定同步掃描頻率，并在同步掃描頻率上進行掃描。一般系統都會設定收發雙方有若干條同步頻率是一樣的，在這些相同的同步頻率上，接收方若是掃描到K個特征碼，則完成了對同步信號的初步捕獲。接下來，接收端要對同步信號進行跟蹤與解碼。

在整個同步過程中，為提高同步信息的安全性，發送端經常會將整體TOD信息進行分割分組，并對每組TOD信息進行編碼，然后在每跳中相繼發出。因此，在對同步信號的跟蹤過程中，接收端可以一個個對分割分組后的TOD信息進行解碼。經過掃描捕獲、跟蹤解碼后，接收端便可以用發送方的TOD信息修正自己的TOD，從而完成了跳頻同步。

2基于虛擬公共安全信道的MAC協議

2.1基本思想

本文提出的基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議，是在跳頻預約MAC協議(HRMA[6]協議)的基礎上進行的改進。

圖2是原始HRMA協議幀的框架圖，其主要存在兩方面的問題：一是使用了固定的公共同步頻率，并且該協議中的同步機制主要是針對節點入網后的同步修正與保持，并沒有解決入網同步和后入網節點同步的問題。二是在協商時隙內，依然保留有同步階段，并且同步階段的時間遠遠大于其他協商階段，這樣就造成了在節點負載較大的情況下，吞吐量急劇下降的情況。

圖2　HRMA協議幀框架

基于上述兩方面的問題，本文所提基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議都進行了針對性改進。一是采用了基于時間信息TOD的多節點跳頻同步機制，該機制中同步信息的發送與接收采用的是跳頻模式，避免了使用固定的公共同步頻率。而跳頻所用的同步頻率更是周期性不斷變化的，同時在發送過程中，發送方又對時間信息TOD進行了分組與編碼，這些措施共同保證了同步過程的安全性。

二是將同步時隙與協商時隙完全分開，基于TOD的跳頻同步機制具有良好的同步效果，不需要每個時隙都進行一次同步，因此本協議將協商階段與同步階段完全分開，從而使得在節點負載較大的情況下，本協議的吞吐量依然保持在較高水平。

基于以上兩點改進，在本文所提出的多頻率MAC協議中，各節點擁有一個共同的跳頻密鑰，即擁有一個相同的跳頻序列，從而入網同步之后的各節點可以按照此跳頻序列進行同步跳頻，這個大家都知道的跳頻序列便形成一個虛擬的公共安全跳頻信道。之所以將此信道稱為“虛擬”的，是因為該信道的頻率用法在同步階段和協商階段并不相同，即信道頻率的組成是變化的。在協商階段，當各個節點跳到虛擬公共安全跳頻信道中的某一頻率上時，有數據傳輸的節點若偵測到該頻率空閑，它便和目的節點利用RTS/CTS握手機制進行競爭。競爭成功后，它與目的節點便對此空閑頻率形成預約，緊接著在該頻率上進行數據傳輸。由于頻率已經被預約，所以其他節點無法在其上進行數據傳輸，因此預約當前頻率的兩節點能夠不受外界影響的進行通信，從而避免了傳輸沖突。

2.2頻率和時間的分配

在本協議不同的階段中，頻率的分配與用法并不相同。在同步階段，所有的頻率構成一個大的跳頻頻率組，各節點按照一定算法從頻率組中取出一個子集作為自己的同步頻率。在同步階段之后的頻率預約協商階段，此時所有頻率被劃分為M=L/2個頻率對，即(fi,fi*)，i=1,2,…,M。每個頻率對中fi用于傳輸數據，包括預約包(HR)、請求發送包(RTS)、準備接收包(CTS)以及普通數據包[6]。而fi*則是用于發送和接收確認信息，這個確認信息就是關于fi上數據傳送的情況。

相應的，本協議中時間也被劃分為許多大小相同的兩類時隙：同步時隙和協商時隙。同步時隙所對應的頻率即為各節點的同步頻率，我們把每個協議幀的第一個同步時隙稱為初始同步時隙，節點在該時隙內主要完成入網同步。同時為了保證后入網的節點能夠迅速同步，以及維持已入網各節點的始終同步，可以視具體情況每隔一段時間便插入一個同步時隙，我們將這些周期性插入的同步時隙稱為勤務同步時隙。這兩種同步時隙既保證了節點的初入網同步，又保證了后入網同步以及同步維持。

協商時隙包含HR階段、RTS階段和CTS階段，相應的，每個階段分別用來發送和接收HR包、RTS包和CTS包。每個協商時隙所對應的頻率即為相應分配的fi，我們稱之為當前時隙的當前頻率。該頻率fi在協商時隙內用來發送HR、RTS、CTS三類數據包，而當fi一旦在該協商時隙內被相應節點對預約成功，則從下一個時隙開始，fi便稱為該對節點的專屬的數據傳輸頻率，直至數據成功收發結束。

綜上所述，若干同步時隙和M個協商時隙相間構成了一個抗干擾MAC協議幀框架，這里以M=5為例，如圖3所示。

圖3　基于虛擬公共安全信道的MAC協議幀框架

2.3接入與預約

在各節點開始通信之前，首先要完成各節點間的同步。在每個MAC協議幀的開始即初始同步時隙上，按照基于時間信息TOD的多節點跳頻同步機制，IDmax節點在同步頻率上發送自己的時間信息TOD，其余節點則在掃描頻率上進行捕獲跟蹤解碼，最終實現所有節點間TOD信息的一致性，達到節點初始入網的同步。在其后周期插入的勤務同步時隙上，若IDmax節點之前沒有預約任何頻率，即沒有與其他節點進行過任何數據傳輸，那么它仍然作為發送者在同步頻率上發送TOD信息，其他節點仍然繼續進行TOD的接收。反之，若在當前勤務同步時隙之前，IDmax節點預約過任何一個頻率，即與其他節點進行過至少一次數據傳輸，那么在此勤務同步時隙上，則由IDmax-1節點作為發送者，在其同步頻率上發送自己的時間信息TOD，以此類推，從而完成各個勤務時隙的同步。

各節點在完成初始同步之后，便進入到頻率預約協商階段。所有節點按照相同的跳頻序列在虛擬的公共安全信道內進行偽隨機跳頻，若在當前時隙的當前頻率上，一個空閑節點有數據包要發送，它便視情況而進行分類操作。下面將結合圖4所示的數據傳輸圖和圖5所示的預約流程圖，對本協議的具體預約協商過程進行詳細描述。

若此時，當前時隙內的RTS階段并未開始，那么它便要偵測當前時隙內有無HR包，即當前頻率有無被預約。如果被預約了，那么它就要隨機推延幾個時隙重新嘗試。如果沒有被預約，那么它就向目標節點發送一個RTS包，然后等待CTS包。目的節點成功收到RTS后，便在CTS階段向源節點發送一個CTS包。接著，如果源節點沒有收到這個CTS包，那么它便推遲幾個時隙，再次嘗試預約。而如果源節點收到了CTS，那么這對節點便對當前頻率進行預約，并在CTS階段之后，開始傳輸普通數據包，一直到數據傳輸完畢[6]，見圖4(b)。

圖4　基于虛擬公共安全信道MAC協議數據傳輸原理

若在空閑節點有數據包要傳送的時刻，當前時隙內的RTS階段已經開始，那么源節點便直接推延幾個時隙再重新嘗試，因為此時的時隙長度已經不夠節點預約當前頻率了。

在CTS階段結束之前，所有節點包括空閑節點不管有無數據傳輸，都停留在當前頻率[12]。而在CTS階段結束之后，即進入到下一個時隙之時，預約了頻率的節點停留在原頻率上進行下一步數據傳輸。而沒有預約到頻率的空閑節點，再跳到下個時隙所分配的頻率，進行上述預約過程。而成功預約了上一個頻率的兩個節點，則已開始傳輸普通數據包。若此數據包過大，無法在一個MAC幀范圍內傳輸完畢，那么發送端會在數據包的前端告知接收端，然后接收端會在下一個MAC幀相同時隙的HR階段發送一個HR包，通知自己的鄰居節點，將要再次預約當前頻率。而發送端接收到這個HR包之后，也會發出一個RTS包，通知自己的鄰居節點，當前信道繼續被預約[6]。從而使得跳到當前頻率的所有節點，得到當前頻率被預約的消息，避免了通信沖突。接著在CTS階段，兩節點就不要再傳輸CTS包，而是繼續原數據包的傳輸。循環往復，直至數據包傳輸完畢,見圖4(a)。

當源節點傳送完畢數據包之后，它便跳到相應的fi*信道上，等待目的節點在該信道上發回的確認信息ACK。接收到ACK之后，一次完整的預約頻率傳輸數據過程便完成了，見圖5。

圖5　基于虛擬公共安全信道MA

3協議吞吐量近似分析

3.1理論近似分析

在本協議的吞吐量理論分析和仿真實驗過程中，為了簡單起見，我們假設各節點成對稱的超立方體拓撲結構分布[6]。每個節點都具有N個鄰居節點，而每個鄰居節點彼此間都是相互隱蔽的。這樣一來，我們就可以從任何一個節點的角度，去研究整個網絡的吞吐量。整個網絡具有M條可用頻率(M>N)，每個節點配置一個半雙工天線，使得其每次只能調到一個頻率上。在本文的分析中，我們將每個節點成功發送或接受數據包的概率定義為協議吞吐量，可見在設定的系統模型中，協議吞吐量S最大為0.5。

對于每一個節點，數據包成泊松分布到達，其平均到達速率為λ。協議中每個時隙大小為η，則節點的標準化負載量為：

G=λη

(1)

假設每個數據包為d個時隙的長度，而且開始傳輸于某一個時隙的起始時刻，結束傳輸于某一個時隙的結束時刻。從而，一個數據包在某一時隙結束傳輸的概率為:

q=1/d

(2)

一個數據包在某一時隙未結束傳輸的概率為：

p=1-q

(3)

為了集中主要精力在MAC協議性能的分析上，我們忽略傳輸時延、處理時間等的影響，與數據包長度d相比，它們對于協議性能的影響微不足道[6]。另外在本協議中，由于同步時隙與協商時隙是完全分開的，而且在文獻[10]中已經對基于TOD的同步性能進行了詳細分析，因此在本節，我們主要針對于MAC協議的協商階段進行仿真分析。

通過上節MAC協議的原理闡述，我們可以知道，任何一個節點要想成功地進行數據發送與接收，都必須先成功地進行RTS-CTS包交換。因此，節點的空閑階段一定處于數據包收發階段之前，并且要占用整個時隙長度。依此我們可以得出結論，只有當一個處于空閑狀態的節點在當前時隙成功地發送或接收一個RTS包，以成功開啟后續的數據傳輸的時候，該節點在當前時隙才會結束空閑狀態，轉而進入數據包收發階段[6]。我們用PSTRTS和PSRRTS分別表示當前時隙空閑節點成功發送與接收RTS包的概率，則當前時隙空閑節點結束其空閑狀態的概率為：

qI=PSTRTS+PSRRTS

(4)

為了計算式(4)中的參數，我們用PCF|T和PCF|R分別表示在當前頻率上，該節點正在發送和接收數據包的概率[12]。并從當前時隙的前一個時隙開始，依次向前進行編號，分別記為時隙1、時隙2……我們用P(i)表示一個數據包在時隙i開始啟動傳輸的概率，用P(T|i)=pi-1表示一個數據包從時隙i開始啟動傳輸，到了當前時隙仍然在繼續進行傳輸的概率。通過上節我們知道，兩個時隙除了節點所在頻率不一樣外，其他的完全一樣，所以P(i)=P(j)，從而得到：

(5)

我們再用PHR表示一個節點發送HR包的概率，用PX表示一個節點在下一個時隙還要在當前頻率上繼續進行現在的數據傳輸的概率，它們分別為：

PHR=pPRPCF|R

(6)

PX=pPTPCF|T

(7)

在協商時隙中，HR階段、RTS階段和CTS階段時長大小都一樣，均為η/3，所以在一個時隙內一個節點有數據包到達的概率為：

PA=1-e-λη/3=1-e-G/3

(8)

假設空閑節點和所有鄰居節點之間的數據傳輸是獨立的，則一個節點為了開啟數據傳輸而發送RTS包的概率為：

PRTS=PIPA(1-PHR)N-1

(9)

依據上面的推導，現在我們來推出PSTRTS的計算公式。在當前時隙一個空閑節點能夠向它的任意一個鄰居節點，成功地發送RTS請求包，必須滿足以下幾個條件：(i)在當前時隙的HR階段，該節點有數據包到達；(ii)除了目的節點外，該空閑節點的所有鄰居節點都不會發送HR包，即在下一個時隙它們都不會在當前的頻率上繼續接收數據包；(iii)目的節點的其他鄰居節點都不發送RTS包，或者都不會在下一個時隙的當前頻率繼續傳輸數據；(iv)目的節點是空閑的并且不會發送RTS包，這里所說目的節點不發送RTS包表示兩種可能情況[6]，一種是當前時隙內目的節點沒有數據包到達，另一種是雖然有數據包到達，但至少它的一個鄰居節點發出HR包。

根據這4個條件，我們可以得出：

PSTRTS=PA(1-PHR)N-1(1-PRTS-PX)N-1PI×

(10)

對上式進行簡化，可以得到：

PSTRTS=PRTS[(1-PRTS-PX)N-1-

PA(1-PRTS-PX-PHR)N-1]

(11)

從而可以估算出：

(12)

將式(5)、(6)、(7)、(8)、(9)代入式(11)中，便可得出PSTRTS的表達式，繼而在代入式(4)中得出qI的表達式，最終代入式(12)中，便可得出：

PI=f(PI)

(13)

這是一個關于PI的非線性方程，可以利用迭代的方法解出PI。在下面不同參數值的仿真過程中，我們平均進行8次迭代即可得出近似解。

最終我們便得出協議的吞吐量：

(14)

3.2仿真結果及分析

圖6、圖7分別是本協議的吞吐量仿真圖以及與HRMA吞吐量的比較仿真圖。

圖6　不同數據包長度下的網絡吞吐量

圖7　兩種MAC協議吞吐量比較

圖6是在不同的數據包長度參數下，本協議的吞吐量仿真圖。仿真環境中，鄰居節點數N=20，可用頻率數M=40，圖中三條曲線分別是數據包長度d=200,100,50的時候，本協議的吞吐量情況。從圖中可以看出，當所傳輸數據包的長度d增加時，網絡吞吐量也隨之增加。這是因為本文提出的協議有效地避免了數據傳輸之間的沖突，當數據包長度較大時，傳輸節點可以在預約的頻率上安全高效地一直進行數據傳輸，而不受其他節點的影響，從而提高了頻率利用率，降低了通信開銷。

由于本文假設的系統模型中M>N，即無論網絡模型中節點個數N為多大，可用頻率M總是大于N，所以M與N參數對于網絡吞吐量的影響小于數據包長度d，d也成為了影響本文協議最重要的參數指標。M與N相比而言，頻率數M的變化對吞吐量S的影響更是微小，這是因為只要M>N，對于每個節點來說都還存在著大量的可用頻率，它們向當前頻率預約競爭的成功率就不受影響。

圖7是基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議與HRMA協議的吞吐量對比仿真圖。仿真環境中，鄰居節點數N=20，可用頻率數M=40，數據包長度d=100。從圖中可以看出，在節點負載接近0.5的時候，HRMA協議的吞吐量趨近于零，這是因為該協議時隙中，同步階段占據了絕大多數時長，當負載變大的時候，其協商階段的沖突急劇增大，從而影響了吞吐量。而基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議因為協商時隙中HR、RTS和CTS三個階段平分了時隙長度，增大了各自的時長，使得節點負載較大的時候，依然能夠有效地進行頻率協商，提高了頻率利用率，繼而使得其網絡吞吐量仍然處于較高水平。

4結語

基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議以公共密鑰產生的跳頻序列為虛擬共安全信道，各節點在此虛擬公共安全信道上以跳頻的方式，結合基于時間信息TOD的同步機制進行全局同步，結合RTS/CTS競爭預約機制進行頻率分配與協商。在整個協議的各個過程中，既不需要公共的固定同步頻率，也不需要公共的固定控制頻率，從而很好地保證了多節點多頻率通信的安全性和高效性。通過仿真分析，基于虛擬公共安全信道的多頻率MAC協議其吞吐量隨著數據包長度的增大而不斷提高，并且能夠在節點負載較大時，依然保持很高的網絡吞吐量。

目前，對于MAC協議的改進方案主要集中于提升網絡吞吐量和降低節點能耗[13]等方面，本文所提出的MAC協議主要重點在于提升網絡吞吐量，下一步我們將就縮短同步時隙長度，提升協商時隙利用率以降低節點能耗做進一步的研究。

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A Multi-Frequency MAC Protocol based on Virtual Public Security Channel

DAI Ya-nan1,2，ZHANG Chi1，YU Neng-hai1

(1.Key Laboratory of Electromagnetic Space Information,Chinese Academy of Sciences, Department of Electronic Engineering and Information Science, University of Science and Technology of China,Hefei Anhui 230027,China；2.Armored Force Academy,Bengbu Anhui 233050,China)

Abstract：Most commonly-used multi-channel MAC protocols usually require at least one fixed public frequency,and for purpose to improve this defect and further enhance the throughput of the protocol,a multi-channel MAC protocol based on virtual public security channel is proposed.This protocol,requiring neither common synchronous frequency nor public control frequency,takes the frequency sequence of the public key as the virtual public security channel,adopts frequency-hopping mode to only ensures global synchronization and that all the nodes could negotiate frequency allocation and access safely and effectively.Theoretical analysis and simulation indicate that the proposed MAC protocol remains valid in maintaining high network throughput when the load is in a fairly large degree.

Key words：frequency-hopping; virtual public security channel; global synchronization; frequency negotiation; throughput

doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2016.02.011

* 收稿日期：2015-09-09；修回日期：2015-12-22Received date:2015-09-09；Revised date：2015-12-22

基金項目：國家自然科學基金資助項目(No.61371192)

Foundation Item:National Natural Science Foundation of China(No.61371192)

中圖分類號：TN915

文獻標志碼：A

文章編號：1002-0802(2016)02-0174-08

作者簡介：

代亞楠(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向為通信安全，網絡安全；

張馳(1977—)，男，博士，副教授，主要研究方向為網絡安全；

俞能海(1964—)，男，博士，教授，主要研究方向為信息隱藏與數據安全。