CN100369039C - 一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法及其应用。本方法包括对数据库模式为R(p，A0，A1…，At)加水印的数据库水印机制的设计，以及在数据库系统PostgreSQL平台上实现地理数据库水印机制的步骤。本发明针对数据库数据的特点，能够将水印信息均匀地分布到数据中，同时在不需要原始数据的情况下，利用水印嵌入和水印提取方法解决了如何将水印信息有效地提取出来的难题。对于含有水印的关系数据库数据，可用一个只对所有者公开的水印密钥提取出一个特殊的信息即水印，例如采用相应的水印技术将水印信息加入到电子地图数据中，从而达到申明保护数据库数据版权的目的，并且能够有效地抵抗各类攻击。

Description

一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法及其应用

技术领域

本发明涉及数据库安全技术领域，特别是一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法及其应用。

背景技术

随着因特网的日益普及，信息的交流已达到了前所未有的深度和广度，其发布形式也愈加丰富了，但是随之出现的问题也十分严重，如电子产品的侵权更加容易，篡改也更加方便。数据库数据作为一种电子产品，其版权保护问题越来越受到关注。

数据库的创建过程十分复杂而复制却极为简单，如果不对其版权加以保护，其他人直接利用了数据库，创建者将毫无办法。这样数据库创建者的投资积极性将严重受挫，同时还会造成一种投机取巧、相互搬用、放弃投资的局面，最终导致数据库产业的萎缩和夭折，严重损害国民经济的发展。

将数字水印引入到数据库领域，可以有效解决数据库的版权问题。数字水印技术是近十几年来兴起的一门技术，它通过在数字产品中嵌入可感知或不可感知的信息来确定数字产品的所有权或检验数字内容的原始性。当出现版权纠纷时，通过提取事先在数字产品中嵌入的水印信息就可以确定产品的版权。目前，多媒体水印技术已经比较成熟，它主要利用了人的视觉和听觉系统对图像或声音的微小改动不敏感的特性，因此有大量的冗余空间可用来隐藏水印信息。但是，数据库水印技术和多媒体水印技术有着本质的区别。以关系数据库数值型数据为例，水印信息隐藏在数值型数据里，因而能用于隐藏水印信息的冗余空间十分有限，所以，多媒体水印技术不适用于保护数据库数据版权。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法及其应用，该方法能够有效保护数据库数据，可为数据所有者证明数据版权或证明数据的原始性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明是一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法，包括数据库水印机制的设计和实现数据库水印机制的步骤。

(1)数据库水印机制的设计：

数据库模式为R(p，A0，A1…，At)，数据库模式中：R包括Ω个元组，有1/γ的元组加有水印；p是主码，A0，A1…，At均为数值型属性且为可加水印的候选属性。

对上述数据库模式加水印，其包括水印嵌入和水印提取步骤，

1)水印嵌入：

先将要嵌入的水印信息映射成二进制串，再将数据库中的所有元组按密序排列，并分成大小相等的众多子集。具体步骤如下：

a.先将水印信息映射成二进制串，再对每个元组用单向哈希函数标识，并根据标识排序。单向哈希函数为H(k，r.p，k)，其中：r.p是元组的主码值；k是水印机制设计的密钥，对任意长度的输入信息m都能够返回一个长度固定的哈希值h。

b.将排序后的元组划分为大小为subset_size的子集S1...Sn；每个子集嵌入1位水印信息，每位信息被重复多次嵌入到不同的子集中，反复将一比特位的水印信息嵌入一个子集中；保存每个子集的第一个元素作为子集界限供水印检测时使用。子集个数n＝m×p，其中：m＝长度|w|，w为要嵌入水印的字符串，p为嵌入水印w的次数。

c.在每个子集subset_i中，调用子函数mark(subset_i)：根据单向哈希(Hash)函数确定的标识index计算当前元组是否要加水印标记，若需要，计算出噪声域的第j位用于标记；最后检验做出的改动是否满足数据使用范围约束Con_L和语义约束Con_S，若不满足，则回滚，若满足，则提交改动。

2)水印提取：

水印提取时，再次对元组密序排列，识别出每个子集，提取出其中隐藏的信息位，最后经选举过程，确定完整的水印。

水印检测的具体步骤是：先用单向哈希法标识每个元组，恢复它们在嵌入水印时的密序，识别出划分的每个子集，每读入一个元组，使之与该子集及下一个子集的边界进行比较，若大于等于数组元素subset_boundaries[idx]且小于数组元素subset_boundaries[idx+1]，则该元组属于第idx个子集。然后，用计数器counter记录每个子集中元素的个数，并与子集大小subset_size进行比较，产生loss_warning标识，当counter/subset_size≤60％，loss_warning为1，将该子集的mark置为invalid，使子集嵌入的水印信息无效，该位的信息不参加最后的选举；如果没有丢失太多数据，则当前子集有效，用extract()函数提取子集隐含的水印信息位。

用extract()函数提取子集隐含的水印信息位时的具体步骤是：先根据单向哈希函数确定的标识index计算当前元组是否加有水印标记，若有则计算出噪声域的第j位的标记值，存入temp[]中；当检测完当前子集的所有元组后，对temp[]进行过滤筛选，忽略其中占少数的值，选出temp中占有最大比例的值即是当前子集检测出的水印信息；再提取出所有子集的水印信息，进行选举，得出最终的水印。

(2)实现数据库水印机制：

在数据库系统PostgreSQL平台上实现数据库水印机制，其步骤包括：

根据数据存储形式，采用数据库水印机制的设计，将水印信息加入到数据中。

本发明提供的用数字水印技术保护数据库数据版权的方法，用于对地理数据库版权实现保护。

本发明具有以下主要有益效果：

其一.针对数据库数据的特点，能够将水印信息均匀地分布到数据中。同时，在不需要原始数据的情况下，利用水印嵌入和水印提取方法解决了如何将水印信息有效地提取出来的难题。

其二.数字水印不影响原始数据的有用性，它是隐藏在原始数据中的特殊信息，用于数据版权保护。对于含有水印的关系数据库数据，可用一个只对所有者公开的水印密钥提取出一个特殊的信息即水印，从而达到申明版权的目的。

其三.采用了一种新的水印机制NWM(New Watermark Mechanism)，该机制基于分类和两次选举的方法，分别对每个可修改的数值型属性嵌入水印，能够有效地抵抗各类攻击。

其四.自主开发了一种基于PostgreSQL的具有水印功能的数据库管理系统。通过分析PostgreSQL的源代码，重点了解PostgreSQL中的命令处理机制以及数据存储机制。PostGIS是用于PostgreSQL数据库的地理信息系统模块。通过了解电子地图数据(点、线、多边形和复合对象等)在PostGIS中的存储形式，可以采用相应的水印技术将水印信息加入到电子地图数据中。由于在具体的电子地图数据库领域，一个对象一般用属性数据和地理数据来表示，属性数据是普通的关系型属性，地理数据是描述对象空间位置的几何数据类型。基于这些特征，该地理数据库水印机制具有如下几个功能：a.能在不影响数据使用价值的前提下对关系型属性进行水印处理；b.着重对几何数据类型实施水印保护，能分别处理点、线、多边形和复合类型的几何数据，并且嵌入了水印的电子地图能满足除需要精确定位等应用之外的大部分实际应用，如区域定位、路线导游等；c.用户可以向系统提交对数据的限制要求，从而保证水印数据的实用性。

附图说明

图1为本发明数据库水印机制的设计流程图。

图2为本发明具有水印功能的基于PostgreSQL的数据库管理系统示意图。

具体实施方式

本发明为地理数据库中的电子地图嵌入水印来提供版权保护。电子地图的属性分为非地理属性和地理属性。地理属性值表现为地物在特定坐标系中的坐标位置，水印信息就隐藏在这些坐标值中。非地理属性主要是地物对象的描述信息，在这里不作特别关注。

本发明是一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法及其应用。如图1所示，本方法包括数据库水印机制的设计和实现数据库水印机制的步骤。本发明应用广泛，例如用于对地理数据库版权实现保护。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.数据库水印机制的设计

需加水印的数据库模式为R(p，A0，A1…，At)。

数据库模式中：R包括Ω个元组，有1/γ的元组加有水印；p是主码，A0，A1…，At均为数值型属性且为可加水印的候选属性。

针对数据库数据的特点，研究将水印信息均匀地分布到数据中的水印嵌入算法，保证该嵌入算法对数据的修改恰好在数据的使用范围内。同时，研究在不需要原始数据的情况下，如何将水印信息有效地提取出来。

关系数据库数值型属性水印技术是在数据库中某些数据的噪声域(对该区域的改动对数据值不会造成较大影响，如最无关紧要位LSB)作一些微小改动，每个改动称为一个水印标记，所有标记的集合构成水印。数字水印不能影响原始数据的有用性，它是隐藏在原始数据中的特殊信息，用于数据版权保护。对于含有水印的关系数据库数据，可用一个水印密钥(只对所有者公开)提取出一个特殊的信息即水印，从而达到申明版权的目的。我们提出一种新的水印机制NWM(New Watermark Mechanism)，该机制基于分类和两次选举的方法，分别对每个可修改的数值型属性嵌入水印，能够有效地抵抗各类攻击。NWM前提：关系数据库可供嵌入水印的噪声域带宽很窄，元组与属性是无序的，没有相对稳定的空间结构，且数据库是可更新的。这些特点决定了数据库水印算法的特殊性：①关系表中的某些属性是不允许改变的，称为最重要属性MSA(Most SignificantAttributes)，如：主码；②关系表中的某些属性可以容忍微小改动，这些属性称为水印候选属性Candi_attr，并且必须保证对这些数值型属性的微小改动，不影响数据的有用性。

如图1所示：对上述数据库模式加水印，其包括水印嵌入和水印提取步骤，即：先将要嵌入的水印信息映射成二进制串，再将数据库中的所有元组按密序排列，并分成大小相等的众多子集，每个子集嵌入1位水印信息，每位信息被重复多次嵌入到不同的子集中。水印提取时，再次对元组密序排列，识别出每个子集，提取出其中隐藏的信息位，最后经选举过程，确定完整的水印。

1.水印嵌入的具体步骤：

(1)先将水印信息映射成二进制串，再对R(p，A0，A1…，At)的每个元组用单向哈希函数标识，并根据标识排序。单向哈希标识法不仅使得标记值定长，而且克服了主码公开性的弱点，从而解决了数据库元组无序性的问题，使关系数据库从某种意义在横向上实现了相对稳定的空间结构。

单向哈希函数为H(k，r.p，k)，其中：r.p是元组的主码值；k是水印机制设计的密钥，其数据只有所有者知道，并对任意长度的输入信息m都能够返回一个长度固定的哈希值h。单向哈希函数具有以下特性：对任意输入m，能容易地计算出h；若给出输出h，很难计算出输入m；对于给定的输入m，很难找到其它的输入m’，使得H(m)＝H(m’)。

(2)将排序后的元组划分为大小为subset_size的子集S₁...S_n；根据水印机制的设计，反复将一比特位的水印信息嵌入一个子集中；保存每个子集的第一个元素作为子集界限供水印检测时使用。

子集个数n＝m×p，其中：m＝长度|w|，m是水印信息的二进制流长度。w为要嵌入水印的是字符串。p为水印w重复嵌入的次数，且p＝Ω/(m×subset_size)，Ω是关系表R中元组的数目。

(3)在每个子集sub set_i中，调用子函数mark(subset₁)；根据Hash函数确定的标识index计算当前元组是否要加水印标记，若需要，计算出噪声域的第j位用于标记；最后检验作出的改动是否满足最大改动界限约束Con_L和语义约束Con_S，若不满足，则回滚，若满足，则提交改动。

一个特殊情况是，选择嵌入水印的点是一个环状对象的起始点，那么结束点也是该点。所以为了保证环的闭合性，就要在起始点和结束点嵌入同样的水印信息。

2.水印检测的具体步骤：

同样先用单向哈希法标识每个元组，恢复它们在嵌入水印时的密序，识别出划分的每个子集，每读入一个元组，使之与该子集及下一个子集的边界进行比较，若大于等于数组元素subset_boundaries[idx]且小于数组元素subset_boundaries[idx+1]，则该元组属于第idx个子集。

然后，用计数器counter记录每个子集中元素的个数，并与子集大小subset_size进行比较，产生loss_warning标识，当counter/subset_size≤60％，loss_warning为1，将该子集的mark置为invalid，使子集嵌入的水印信息无效，该位的信息不参加最后的选举；如果没有丢失太多数据，则当前子集有效，用extract()函数提取子集隐含的水印信息位。

用extract()函数提取子集隐含的水印信息位时，先根据Hash函数确定的标识index计算当前元组是否加有水印标记，若有则计算出噪声域的第j位的标记值，存入temp[]中；当检测完当前子集的所有元组后，对temp[]进行过滤筛选，忽略其中占少数的值，选出temp中占有最大比例的值即是当前子集检测出的水印位对；再提取出所有子集的水印信息，进行选举，得出最终的水印。

3.水印提取过程与水印嵌入过程相似。

二.实现数据库水印机制：

在数据库系统PostgreSQL平台上实现数据库水印机制，其步骤包括：

根据数据存储形式，采用上述水印技术即数据库水印机制的设计，将水印信息加入到数据中。

三.用于对地理数据库版权实现保护

如图2所示，在数据库系统PostgreSQL平台上，根据电子地图数据在PostGIS中的存储形式，用数字水印技术将水印信息加入到电子地图数据中。

1.建立数据库水印系统框架

我们分析了PostgreSQL的源代码，重点了解PostgreSQL中的命令处理机制以及数据存储机制。PostGIS是用于PostgreSQL数据库的地理信息系统模块。

2.根据电子地图数据在PostGIS中的存储形式，可以采用上述水印技术即数据库水印机制的设计，将水印信息加入到电子地图数据中。电子地图数据包括点、线、多边形和复合对象等，它们是描述对象空间位置的几何数据。

3.由于在具体的电子地图数据库领域，一个对象一般用属性数据和地理数据来表示，属性数据是普通的关系型属性，地理数据是描述对象空间位置的几何数据类型。

因此，在实现地理数据库水印机制过程中，还可以：

a.在不影响数据使用价值的前提下对关系型属性进行水印处理。

b.着重对几何数据类型实施水印保护，即分别处理点、线、多边形和复合类型的几何数据，并且嵌入水印的电子地图中，以满足除需要精确定位用途之外的大部分实际应用，如区域定位和路线导游等。

c.根据用户对数据的限制要求，将其嵌入水印的电子地图中，以保证水印数据的实用性。

Claims (6)

1.一种保护数据库数据版权的方法，其特征是一种用数字水印技术保护数据库数据版权的方法，包括数据库水印机制的设计和实现数据库水印机制的步骤，

(1)数据库水印机制的设计：

数据库模式为R(p，A0，A1…，At)，数据库模式中：R包括Ω个元组，有1/γ的元组加有水印；p是主码，A0，A1…，At均为数值型属性且为可加水印的候选属性，

对上述数据库模式加水印，其包括水印嵌入和水印提取步骤，

1)水印嵌入：

先将要嵌入的水印信息映射成二进制串，再将数据库中的所有元组按密序排列，并分成大小相等的众多子集，

具体步骤是：

a.先将水印信息映射成二进制串，再对每个元组用单向哈希函数标识，并根据标识排序，

单向哈希函数为H(k，r.p，k)，其中：r.p是元组的主码值；k是水印机制设计的密钥，对任意长度的输入信息m都能够返回一个长度固定的哈希值h，

b.将排序后的元组划分为大小为subset_size的子集subset₁...subsetn；每个子集嵌入1位水印信息，每位水印信息被重复多次嵌入到不同的子集中，反复将一比特位的水印信息嵌入一个子集的不同元组中；保存每个子集的第一个元素作为子集界限供水印提取时使用，...

子集个数n＝m×p，其中：m＝长度|w|，w为要嵌入水印的字符串，p为嵌入水印w的次数，

c.在每个子集subset_i中，调用子函数mark(subset_i)：根据单向哈希函数确定的标识index计算当前元组是否要加水印标记，若需要，计算出噪声域的第j位用于标记；最后检验做出的改动是否满足数据使用范围约束Con_L和语义约束Con_S，若不满足，则回滚，若满足，则提交改动，

2)水印提取：

水印提取时，再次对元组密序排列，识别出每个子集，提取出其中隐藏的信息位，最后经选举过程，确定完整的水印，

水印提取的具体步骤是：

先用单向哈希函数标识每个元组，恢复它们在嵌入水印时的密序，识别出划分的每个子集，每读入一个元组，使之与该子集及下一个子集的边界进行比较，若大于等于数组元素subset_boundaries[idx]且小于数组元素subset_boundaries[idx+1]，则该元组属于第idx个子集，

然后，用计数器counter记录每个子集中元素的个数，并与子集大小subset_size进行比较，产生loss_warning标识，当counter/subset_size≤60％，loss_warning为1，将该子集的mark置为invalid，使子集嵌入的水印信息无效，该位的信息不参加最后的选举；如果没有丢失太多数据，则当前子集有效，用extract()函数提取子集隐含的水印信息位，

用extract()函数提取子集隐含的水印信息位时的具体步骤是：

先根据单向哈希函数确定的标识index计算当前元组是否加有水印标记，若有则计算出噪声域的第j位的标记值，存入数组temp[]中；当检测完当前子集的所有元组后，对数组temp[]进行过滤筛选，忽略其中占少数的值，选出数组temp[]中占有最大比例的值即是当前子集检测出的水印信息；再提取出所有子集的水印信息，进行选举，得出最终的水印，

(2)实现数据库水印机制：

在数据库系统PostgreSQL平台上实现数据库水印机制，其步骤包括：

根据数据存储形式，采用数据库水印机制的设计，将水印信息加入到数据中。

2.根据权利要求1所述的保护数据库数据版权的方法，其特征在于对地理数据库版权实现保护。

3.根据权利要求2所述的保护数据库数据版权的方法，其特征是：在数据库系统PostgreSQL平台上，根据电子地图数据在PostGIS中的存储形式，用数字水印技术将水印信息加入到电子地图数据中，

电子地图数据包括点、线、多边形和复合对象的数据，它们是描述对象空间位置的几何数据；PostGIS是用于PostgreSQL数据库的地理信息系统模块。

4.根据权利要求2所述的保护数据库数据版权的方法，其特征是在不影响数据使用价值的前提下对关系型属性进行水印处理。

5.根据权利要求2所述的保护数据库数据版权的方法，其特征是对几何数据类型实施水印保护，并且嵌入水印到电子地图中，以满足不需要精确定位的区域定位和路线导游的应用。

6.根据权利要求2所述的保护数据库数据版权的方法，其特征是根据用户对数据的限制要求，将水印嵌入电子地图中。

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