CN102184243B - 一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法 - Google Patents

Abstract

一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，本发明属于数据库安全技术领域，涉及一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入及提取方法。本方法包括在文本型属性嵌入水印的数据库水印机制的设计，以及实现数据库水印机制的步骤。本发明针对文本型属性的特点，将水印码元的二值状态分别映射为回车符和换行符，将它们作为水印标记嵌入文本属性值。水印标记对数据原貌、语义及可用性无影响，水印提取不需要原始数据库。该方法适用于含有文本型属性的数据库，对文本型属性的单词数没有限制。本方法对元组添加、属性添加及属性重排序攻击具有免疫性，能有效抵抗元组修改、元组删除及属性删除攻击，可用于关系数据库的保护。

Description

一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法

技术领域

本发明涉及数据库安全技术领域，特别是一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法。

背景技术

随着数字技术的飞速发展，从网络上很容易获得文本、图片、声音及视频等多媒体数据。因此，人们对数字产品的版权保护、所有权证明及篡改检测的需求越来越迫切。数字水印技术被认为是一种有效方法，可用于保护数字媒体的知识产权。数字水印是在原始数据中嵌入特殊信息（例如表示版权的多媒体数据，一般形象地称之为水印），然后产生一个携带水印的数据，该水印的存在性不能被人类观察者感知，但很容易通过计算机程序探测到。近些年来，研究人员已意识到数据库水印的重要性，特别是关系数据库水印逐渐成为关注的焦点。

在过去的十几年里，大多数数据库水印技术方案集中在数值型属性上嵌入水印，其研究前提是由水印嵌入对原始数据引起的微小变化是可以接受的。主要思想是确保一些元组中某些属性的指定数据位上含有特定值（即水印信息）。然而，在现实的生产生活中，许多数据库中也可能含有非数值型数据。例如，城市名称、药物名称、头发颜色、姓名及家庭住址等等。对于非数值型数据，不可能通过增加、降低属性值或修改某些数据位的方式实现水印的平滑嵌入，因为对这类数据的数据位所做的任何改变都可能使它们失去意义。

为了解决这个问题，A. Solanas 和 J. Domingo-Ferrer 提出，对非数值型数据，允许数据拥有者定义一个相似函数，以减少数据失真和被修改的元素数量。但是，数据失真仍然存在。一般来说，对一个特定的数据库而言，为它定义相似函数并不容易。针对具有非数值型多单词属性的数据库版权保护，A. Al-Haj 和 A. Odeh提出了一种基于双空格隐藏水印信息的数据库水印算法，而H. Damien 等人则通过在所选属性内改变一个单词的水平位置来实现水印嵌入。这两种方法共同点是关系数据几乎没有失真，但不能应用到具有任意个单词的非数值型属性。另外，H. El-Bakry 和 M. Hamada 以及 S. Bhattacharya 和 A. Cortesi 也各自声称实现了无失真的数据库版权保护水印技术，其主体思想是基于添加一个隐藏的元组或元组的分组建立水印。虽然他们的方法对原始关系数据的可用性没有影响，但不能实现水印的盲检测。

目前，虽然关于非数值型属性的数据库水印研究取得了一些成果，但由于上述原因其应用有限。例如，对于具有任意个单词的文本型非数值属性，如何实现水印的添加和盲检，并且保证嵌入水印后文本数据的表现不失真的数据库水印方法，目前尚未见公开报道。由于关系数据库中除了含有数值型数据以外，还可能含有文本型属性等非数值型数据。因此，研究基于文本型属性的关系数据库水印嵌入及提取方法具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，该方法能在具有任意个单词的文本型属性实现水印嵌入及盲检，且携带水印的数据在数据库中表现无失真。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入及提取方法，它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；

基于文本型属性的数据库水印机制的设计：

数据库模式为R(P, A₁, A₂,…,A_ν)，在R中，包含η个元组，P为主属性，A₁, A₂,…,A_ν是ν个文本型属性且为可嵌入水印的侯选属性，用r_i.P表示第i个元组的主属性，用r_iA_j表示第i个元组的第j个属性，1≤i≤η，1≤j≤ν；

对上述数据库模式添加水印的机制是：基于对R中所有元组进行分组的方法，水印嵌入以分组为单位进行，在每个分组中只嵌入1位水印码元，并采用换行符和回车符分别代表二进制水印信息的0、1码元，即将二进制水印信息码元的两个状态值分别映射为两个特殊字符：换行符和回车符，并将它们作为水印信息标志，在一个文本属性值中只嵌入1位水印信息，首先计算每个元组的哈希值：

H(i)=Hash(Key, ri.P)     1≤i≤η        （1）

Key为密钥，仅为数据库拥有者所有，Hash()为哈希函数，然后计算水印嵌入位置Lt_i,j:

Lt_i,j= H(i) mod length(r_iA_j)     1≤i≤η, 1≤j≤ν             （2）

length(r_iA_j)（1≤i≤η, 1≤j≤ν）表示文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的字符数目，根据公式（1）、（2）获得水印嵌入位置Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）以后，水印嵌入表示为：

EmbedWatermarkBit(r_iA_j, Lt_i,j, SC)     1≤i≤η, 1≤j≤ν       （3）

SC表示一个特殊字符：换行符或回车符，如果当前待嵌入的水印信息位为0，则SC为换行符；如果当前待嵌入的水印码元位为1，则SC为回车符，公式（3）表示代表水印码元的特殊字符SC被嵌在文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上，依次类推，遍历每个分组的所有元组的文本属性，直到所有水印码元嵌入完毕；

从上述数据库模式R中提取水印的机制是：按照水印嵌入机制采用的方法对R中的元组重新分组，水印提取以分组为单位进行，从一个分组中只确定1位水印码元，根据公式（1）计算每个元组的哈希值，然后计算水印所在位置Ln _i,j：

Ln _i,j= H(i) mod (length(r_iA_j)-1)     1≤i≤η, 1≤j≤ν             （4）

由Ln _i,j计算水印信息码元：

SC’=ExtractWatermarkBit(r_iA_j, Ln _i,j)     1≤i≤η, 1≤j≤ν        （5）

如果SC’为换行符，则说明提取的水印码元是0；如果SC’为回车符，则说明提取的水印码元是1，依次类推，遍历当前每个分组的所有元组的文本属性，并基于选举方法确定每个分组的水印码元，直到每个分组的水印码元提取完毕。

所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，水印嵌入的具体步骤是：

（1）依照关系数据库设定以下参数：水印W，用户密钥Key及分组调节因子N；

（2）对水印数据进行二值化处理，即将水印W映射为0、1构成的二进制序列Wm_Bits，同时获得水印码元长度Wm_length；

（3）根据Wm_length及分组调节因子N计算分组大小e：

e=Wm_length×N            （6）

N是自然数，由用户根据应用的实际情况设定，一般而言，Wm_length越大，N取小值；Wm_length越小，N取大值；

（4）遍历R中所有元组，基于公式（1）计算每个元组的余数：

r_i.mod=H(i) mod e    1≤i≤η  （7）

（5）基于r_i.mod（1≤i≤η）对R的所有元组按r_i.mod（1≤i≤η）递增顺序排序，这样使得r_i.mod（1≤i≤η）相同的元组排在一起，完成元组的动态分组；

（6）以分组为单位进行水印的嵌入，在分组内部，选择嵌入水印的元组：

r_i.mod≤Wm_length-1   1≤i≤η   （8）

公式（8）中的r_i.mod（1≤i≤η）在这里也代表着分组的序号，且分组序号从0开始，依次类推，即只在前Wm_length个分组中嵌入水印，且在每个分组的所有文本属性值中只嵌入1位水印码元，水印码元按顺序依次被嵌入到不同的分组，具体操作为：如果当前待嵌入的水印码元为0，则将换行符嵌入到文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上；如果当前待嵌入的水印码元为1，则将回车符嵌入到文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上，嵌入位置Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）根据公式（2）计算获得；

（7）重复步骤（6），直到在前Wm_length个分组嵌入Wm_length个水印码元。

所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，水印检测的具体步骤是：

（1）依照关系数据库设定以下参数：用户密钥Key，水印码元长度Wm_length及分组调节因子N；

（2）根据公式（1）、（6）、（7）计算每个元组分组的哈希余数r_i.mod，1≤i≤η，基于r_i.mod对R的所有元组按r_i.mod（1≤i≤η）递增顺序排序，这样使得r_i.mod（1≤i≤η）相同的元组排在一起，完成元组的动态分组；

（3）以分组为单位进行水印的提取，在分组内部，根据公式（8）选择提取水印的元组，即只在前Wm_length个分组中提取水印，从每个分组确定1位水印码元，最终的水印码元按r_i.mod（1≤i≤η, 1≤j≤ν）递增顺序排列，根据公式（1）、（4）确定水印码元所在位置Ln _i,j，1≤i≤η, 1≤j≤ν，具体操作为：如果文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符位置上存在换行符，则表明从该位置上提取的水印码元为0；如果文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符位置上存在回车符，则表明从该位置上提取的水印码元为1，遍历当前每个分组的所有元组的文本属性，并采用选举方法确定每个分组的最终水印码元，直到所有分组的水印码元提取并确定完毕。

所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，对含有文本型属性的数据库版权实现保护，水印信息可被嵌入到具有任意个单词或任意长度的文本属性值中，被嵌入的表示水印信息的特殊标记没有改变文本数据在数据库中的原貌及语义，没有影响到其可用性，且水印提取不需要原始数据库。

所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，采用水印机制，该机制基于密序排列完成数据分组，除了在文本型属性嵌入水印，该水印机制还可同样应用于表现为短文本的字符型属性，并基于多数选举的方法确定水印，该机制对于元组添加、属性添加及属性重排序攻击具有免疫性，能够有效抵抗元组修改、元组删除及属性删除攻击。

所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，由于被嵌入的水印标记的特殊性，当需要重新嵌入水印时，通过判断文本数据的特定位置是否存在指定的水印标记，以确定只对未加水印的数据嵌入水印。

综合上述技术方案，基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，将二进制水印码元的两个状态分别映射为两个特殊字符：回车符和换行符，然后将它们应用到水印的嵌入和提取过程，是一种新颖的方法。

本发明具有以下主要有益效果：

（1）水印信息可被嵌入到具有任意个单词或任意长度的文本属性值中，被嵌入的表示水印的特殊标记没有改变文本数据原貌及语义，没有影响文本数据的可用性，且水印提取不需要原始数据库。

（2）采用了一种新的水印机制，该机制基于密序排列完成数据分组。除了在文本型属性嵌入水印，该水印机制还可同样应用于表现为短文本的字符型属性，并基于多数选举的方法确定水印。该机制对于元组添加、属性添加及属性重排序攻击具有免疫性，能够有效抵抗元组修改、元组删除及属性删除攻击。

（3）由于被嵌入的水印的特殊性，当需要重新嵌入水印时，通过判断文本数据的特定位置是否存在指定的水印标，以确定只对未加水印的数据嵌入水印。

附图说明

图1为本发明文本型数据水印嵌入前后的在数据库中的表现图；

图2为对数据篡改攻击的水印提取匹配率模拟图；

图3为对元组删除攻击的水印提取匹配率模拟图；

图4为对属性删除攻击的水印提取匹配率模拟图。

具体实施方式

本发明为含有文本型属性的关系数据库嵌入水印来提供保护。

实施例1

一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，该水印嵌入是指数据库所有者通过水印嵌入算法将二值水印图像与数据库中的文本型数据进行混合，保护数据库的版权，具体计算步骤如下：

（1）设定数据库所有者确定若干秘密信息：二值水印图像W，用户密钥Key及分组调节因子N。

（2）将二值水印图像数字化为0、1表示的二值序列Wm_Bits，计算水印码元长度Wm_length，由公式（6）计算分组大小e。

（3）基于分组大小e，根据公式（1）、（7）分别计算元组标记及哈希余数r_i.mod（1≤i≤η），并按哈希余数r_i.mod（1≤i≤η）递增顺序对元组排序，实现元组的分组。

（4）在前Wm_length个分组中分别嵌入每个水印码元，以每个分组为单位进行水印嵌入，且每个分组只嵌入1位水印码元。对分组内每个文本型属性，如果当前待嵌入的水印码元为0，则将换行符嵌入到文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上；如果当前待嵌入的水印码元为1，则将回车符嵌入到文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上，其中Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）根据公式（1）、（2）计算获得。

（5）重复步骤（4），直到在前Wm_length个分组分别嵌入Wm_length个水印码元。

（6）用带水印的文本数据更新相应的原始数据。

实施例2

一种基于文本型属性的关系数据库水印提取方法，如果数据库R的拥有者A怀疑用户B使用的数据库R’是R的非法复制品，那么甲可通过水印提取算法获取隐藏在R’中的二值图像水印，以此来证明数据库R’是非法盗用的。水印提取与水印嵌入过程相反。该提取方法具体计算步骤如下：

（1）A所知道的若干秘密信息：用户密钥Key，图像水印码元长度Wm_length（Wm_length=水印图像长度Width×水印图像宽度Height）及分组调节因子N。

（2）根据公式（1）、（6）、（7）计算每个元组的余数r_i.mod，1≤i≤η。基于r_i.mod（1≤i≤η）对R’的所有元组按r_i.mod（1≤i≤η）递增的顺序排序，实现元组的动态分组。

（3）以分组为单位进行水印的提取。在分组内部，根据公式（8）选择提取水印的元组。即只在前Wm_length个分组中提取水印。从每个分组确定1位水印码元，最终的水印码元按r_i.mod（1≤i≤η）递增的顺序排列。根据公式（1）、（4）确定水印码元所在位置Ln _i,j，1≤i≤η, 1≤j≤ν。具体操作为：如果文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符位置上存在回车符，则表明从该位置上提取的水印码元为1；如果文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符位置上存在换行符，则表明从该位置上提取的水印码元为0。遍历当前每个分组的所有元组的文本属性，并采用选举方法确定每个分组的最终水印码元，直到所有分组的水印码元W’提取并确定完毕。

（4）将W’还原为水印图像。根据水印图像大小（Width×Height），将W’按行优先顺序构造仅由0或1构成二维数组BinArray _{Width×Height}，然后将BinArray _{Width×Height}中的元素0和元素1分别用黑色和白色的实际像素值表示，得到二值水印图像矩阵BinMatrix_{Width×Height}，由BinMatrix_{Width×Height}得到可表示数据库版权的二值水印图像。

根据水印嵌入机制、具体实施方式及模拟攻击实验结果附图2、3、4可知，本方法对元组添加、属性添加与重排序具有100%提取完整水印的能力。对于数据篡改、元组删除及部分属性删除的攻击比例达到50%时，仍有95%左右的水印匹配率。

综上所述，本发明的基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法是一种可行的、有效的数据库保护方案，并具有携带水印的数据在数据库中表现无失真、水印鲁棒性强、盲检测及易于实现等优点。

但是，有必要让相关技术领域人员认识到，以上的实施例仅是用来辅助说明本发明，而并非用作对本发明的限定。例如，该水印机制同样可以应用于短文本的字符型属性，水印信息的形式可以任意。所以，只要在本发明的实质精神范围内，对上述实施例的变化、变型等非本质改变都属于本发明的范畴。

Claims (3)

1.一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，其特征在于，其包括对数据库模式添加水印和从数据库模式中提取水印；

基于文本型属性的数据库水印机制的设计：

数据库模式为R(P, A₁, A₂,…,A_ν)，在R中，包含η个元组，P为主属性，A₁, A₂,…,A_ν是ν个文本型属性且为可嵌入水印的侯选属性，用r_i.P表示第i个元组的主属性，用r_iA_j表示第i个元组的第j个属性，1≤i≤η，1≤j≤ν；

对上述数据库模式添加水印的机制是：

基于对R中所有元组进行分组的方法，水印嵌入以分组为单位进行，在每个分组中只嵌入1位水印码元，并采用换行符和回车符分别代表二进制水印信息的0、1码元，即将二进制水印信息码元的两个状态值分别映射为两个特殊字符：换行符和回车符，并将它们作为水印信息标志，在一个文本属性值中只嵌入1位水印信息，首先计算每个元组的哈希值：

H(i)=Hash(Key, ri.P)     1≤i≤η        （1）

Key为密钥，仅为数据库拥有者所有，Hash()为哈希函数，然后计算水印嵌入位置Lt_i,j:

Lt_i,j= H(i) mod length(r_iA_j)     1≤i≤η, 1≤j≤ν             （2）

length(r_iA_j)（1≤i≤η, 1≤j≤ν）表示文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的字符数目，根据公式（1）、（2）获得水印嵌入位置Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）以后，水印嵌入表示为：

EmbedWatermarkBit(r_iA_j, Lt_i,j, SC)     1≤i≤η, 1≤j≤ν       （3）

SC表示一个特殊字符：换行符或回车符，如果当前待嵌入的水印信息位为0，则SC为换行符；如果当前待嵌入的水印码元位为1，则SC为回车符，公式（3）表示代表水印码元的特殊字符SC被嵌在文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上，依次类推，遍历每个分组的所有元组的文本属性，直到所有水印码元嵌入完毕；

从上述数据库模式R中提取水印的机制是：

按照水印嵌入机制采用的方法对R中的元组重新分组，水印提取以分组为单位进行，从一个分组中只确定1位水印码元，根据公式（1）计算每个元组的哈希值，然后计算水印所在位置Ln _i,j：

Ln _i,j= H(i) mod (length(r_iA_j)-1)     1≤i≤η, 1≤j≤ν             （4）

由Ln _i,j计算水印信息码元：

通过检测每个文本型属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j(1≤i≤η, 1≤j≤ν)个位置存在的水印信息标记SC’（回车符或换行符）来确定水印码元，即：

SC’=ExtractWatermarkBit(r_iA_j, Ln _i,j)     1≤i≤η, 1≤j≤ν        （5）

如果SC’为换行符，则说明提取的水印码元是0；如果SC’为回车符，则说明提取的水印码元是1，依次类推，遍历当前每个分组的所有元组的文本属性，并基于选举方法确定每个分组的水印码元，直到每个分组的水印码元提取完毕。

2.根据权利要求1所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，其特征在于水印嵌入的具体步骤是：

（1）依照关系数据库设定以下参数：水印W，用户密钥Key及分组调节因子N；

（2）对水印数据进行二值化处理，即将水印W映射为0、1构成的二进制序列Wm_Bits，同时获得水印码元长度Wm_length；

（3）根据Wm_length及分组调节因子N计算分组大小e：

e=Wm_length×N            （6）

N是自然数，由用户根据应用的实际情况设定，一般而言，Wm_length越大，N取小值；Wm_length越小，N取大值；

（4）遍历R中所有元组，用元组哈希值H(i)（1≤i≤η）对分组大小e求元组哈希值余数r_i.mod：

r_i.mod=H(i) mod e    1≤i≤η   （7）

（5）基于r_i.mod（1≤i≤η）对R的所有元组按r_i.mod（1≤i≤η）递增顺序排序，这样使得r_i.mod（1≤i≤η）相同的元组排在一起，完成元组的动态分组；

（6）以分组为单位进行水印的嵌入，在分组内部，选择嵌入水印的元组：

r_i.mod≤Wm_length-1   1≤i≤η   （8）

公式（8）中的r_i.mod（1≤i≤η）在这里也代表着分组的序号，且分组序号从0开始，依次类推，即只在前Wm_length个分组中嵌入水印，且在每个分组的所有文本属性值中只嵌入1位水印码元，水印码元按顺序依次被嵌入到不同的分组，具体操作为：如果当前待嵌入的水印码元为0，则将换行符嵌入到文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上；如果当前待嵌入的水印码元为1，则将回车符嵌入到文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符的位置上，嵌入位置Lt_i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）根据公式（2）计算获得；

（7）重复步骤（6），直到在前Wm_length个分组嵌入Wm_length个水印码元。

3.根据权利要求1所述的一种基于文本型属性的关系数据库水印嵌入方法，其特征在于水印提取的具体步骤是：

（1）依照关系数据库设定以下参数：用户密钥Key，水印码元长度Wm_length及分组调节因子N；

（2）根据公式（7）计算每个元组的哈希值余数r_i.mod  1≤i≤η，按r_i.mod  1≤i≤η 递增顺序对R的所有元组进行排序，使r_i.mod  1≤i≤η 相同的元组排在一起，实现对R中所有元组的分组；

（3）以分组为单位进行水印的提取，在分组内部，根据公式（8）选择提取水印的元组，即只在前Wm_length个分组中提取水印，从每个分组确定1位水印码元，最终的水印码元按r_i.mod（1≤i≤η, 1≤j≤ν）递增顺序排列，根据公式（1）、（4）确定水印码元所在位置Ln _i,j，1≤i≤η, 1≤j≤ν，具体操作为：如果文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符位置上存在换行符，则表明从该位置上提取的水印码元为0；如果文本属性值r_iA_j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）的第Ln _i,j（1≤i≤η, 1≤j≤ν）个字符位置上存在回车符，则表明从该位置上提取的水印码元为1，遍历当前每个分组的所有元组的文本属性，并采用选举方法确定每个分组的最终水印码元，直到所有分组的水印码元提取并确定完毕。

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