CN113297592A - 一种面向关系数据库的水印溯源方法、装置及存储介质 - Google Patents

一种面向关系数据库的水印溯源方法、装置及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向关系数据库的水印溯源方法、装置及存储介质，水印嵌入过程包括水印信息的加密和差错控制处理、动态确定水印的在关系数据库中的嵌入位置、建立水印二进制序列和数据库元组的1对多关系和确定水印信息在关系数据库元组的嵌入规则，水印提取过程主要包括：0,1序列提取，差错校验和差错恢复三个部分。与现有技术相比，本发明实现嵌入水印后的数据与原数据的几乎一致，并且算法抗干扰能力较强。

Description

一种面向关系数据库的水印溯源方法、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及，尤其是涉及一种面向关系数据库的水印溯源方法、装置及存储介质。
背景技术
关系数据库在计算机领域有着广泛应用，尤其是如今大数据发展迅速的情况下，数据库更是扮演着存储和管理大量数据的重要功能。但伴随着网络的流通发达，数据被泄露进行二次贩卖也成为一个严重的问题。为了保证数据的安全，使得可以通过数据库内隐含的数据信息可以追溯出该数据的身份，并且具有一定的抗水印破坏能力，故亟需发明一种基于关系数据库较低有效位的加密技术来向数据库中的数据进行水印加密。
数据库的主要内容是数值型数据，要实现对这些数据的加密即嵌入水印，可以对数据进行一些修改，运用某种策略将需要嵌入的信息与数据库内的数据融合。在提取的时候在通过这种策略从被修改的数据中获得嵌入的信息。
然而，现有的基于数据的水印嵌入和提取策略，存在以下的问题。首先，采用相应方法来修改数据库中的数据，必须保证数据库中的数据不能影响使用。并且，现有的水印的鲁棒性不高，抗干扰能力差。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种面向关系数据库的水印溯源方法、装置及存储介质，通过将水印数据嵌入至低有效位，以及通过实现一对多的嵌入映射，从而实现嵌入的数量和数据量有关，提高抗干扰能力的同时，减小对于原始数据的影响。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种面向关系数据库的水印溯源方法，包括水印嵌入过程和水印提取过程，
所述水印嵌入过程包括：
步骤A1：基于水印信息得到水印二进制编码；
步骤A2：根据预配置的映射关系，确定水印二进制编码中每一位所需插入的所有数据库元组；
步骤A3：将水印二进制编码按照预配置的嵌入规则嵌入至对应数据库元组的指定有效位中，其中，所述指定有效位为低有效位；
所述水印提取过程包括：
步骤B1：根据预配置的映射关系、嵌入规则和指定有效位信息从数据库各元组中提取得到水印二进制编码值及其在水印二级制编码中的所在位；
步骤B2：根据大数表决法确定水印二进制编码每一位的取值；
步骤B3：根据确定好的水印二进制编码得到水印信息。
在一些实施例中，所述步骤A1包括：
步骤A11：对水印信息进行加密处理得到二进制序列；
步骤A12：对二进制序列添加校验码和重复码。
所述步骤A11中的加密算法为DES加密算法。
在一些实施例中，所述指定有效位通过映射函数动态确定，进一步提高隐私性和安全性。
在一些实施例中，所述步骤A2具体包括：
步骤A21：根据各数据库元组信息得到其index值；
步骤A22：以每L位为一个基本单元，求得其对应index的十进制值value。依次累加每L位的十进制value值，得到最终sum值，其中，L为加密结果的基元位数；
步骤A23：计算sum％N，结果即为对应数据库元组所对应的水印二进制的具体位，其中，N为水印二进制编码的长度。
所述L取8。
所述步骤A21中具体采用DES加密算法得到index值。
所述步骤A3中将水印二进制编码按照预配置的嵌入规则嵌入至数据库元组的过程具体包括：
步骤A31：当水印二进制编码值为1时，对需要嵌入数据库元组属性值的有效位x执行以下操作：
Figure BDA0003057943010000031
步骤A32：当水印二进制编码值为0时，对需要嵌入数据库元组属性值的有效位x执行以下操作
Figure BDA0003057943010000032
一种面向关系数据库的水印溯源装置，包括存储器、处理器，以及程序，其特征在于，所述处理器实现如上述的方法。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时实现如上述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过将水印数据嵌入至低有效位，以及通过实现一对多的嵌入映射，从而实现嵌入的数量和数据量有关，提高抗干扰能力的同时，减小对于原始数据的影响。
附图说明
图1为本发明实施例的具体流程示意图；
图2为数据库元组与二进制序列映射关系图；
图3为哈希散列随机分组示意图；
图4为软件功能模块图；
图5为原始数据库信息示意图；
图6为嵌入水印信息示意图；
图7为嵌入水印的数据库信息示意图；
图8为提取水印信息示意图；
图9为原始数据和嵌入水印数据对比分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
图1展示了本实施例中一种面向关系数据库的水印溯源方法的流程示意图。该方法由两部分组成。
第一部分：水印的嵌入算法，包括以下步骤：
(1)水印信息的加密和差错控制处理
a)采用的是DES加密算法。原水印信息的二进制Ascii序列，编码长度为Length，经过DES加密后得到的水印结果是一个n＝Length*8位长度的二进制序列。其中Length取决于要嵌入的水印的长度，8位则是加密结果的基元，设二进制序列为C＝c1c2c3c4…cn。
b)添加奇偶校验位。对C中的二进制序列，每8位添加一个校验位dk，得到处理后的序列：C′＝c1c2…c8d1c9c10…c19d2…cndlength
dk的值的规定如下：
Figure BDA0003057943010000041
c)添加重复码。这对提高数据库水印鲁棒性至关重要。对处理后的序列C′都添加重复码元，生成最终的序列C″。
Figure BDA0003057943010000042
(2)动态确定水印的在关系数据库中的嵌入位置。
已知关系数据库的数据结构定义为：R(P,A1,A2,A3,A4,…Am)。其中，P是关系数据库的主键，A1-Am为数值型字段值。R包含n个元组r1,r2,…,rn组成，任一元组记为ri，ri的关键字记为ri.P，m个属性值记为ri.A1,ri.A2,ri.A3,ri.A4…ri.Am。
为了不影响数据库使用，对数据库中的数据进行筛选。对元组的属性值的第r位进行改变时，影响比例是10-r级别，所以可以忽略不计。其中，例如以体重数据为例，有效位共7位数，对其第6位和第7位进行改变时，其影响比例为10-6、10-7，故其第6位第7位都可作为较低有效位。本申请设置一个阈值，当有效位大于或等于6时，则其第6位及其更低位均为较低有效位，都能被用于随机嵌入水印信息。动态地选择较低有效位，而不是直接在属性值的最后一位嵌入可以防止恶意破坏水印信息的行为。水印信息被随机的嵌入在元组字段值的较低有效位上的某一位，无法通过人为或分析工具剔除，保证水印的可抗击性。首先判断元组字段值是否可以嵌入水印以及可嵌入的位数。若满足嵌入，则建立合适的映射函数以确定水印嵌入的具体有效位。
(3)建立水印二进制序列和数据库元组的1对多关系-余数填充散列法。
水印嵌入过程的核心问题是需要保证提取到二进制位的值和其对应的在水印二进制序列中的准确位置，因此选择适当的映射方法至关重要。因此建议唯一的数据库元组到二进制序列的多对一关系，能够保证水印在提取时能还原出正确的二进制序列。
在本算法中，受哈希散列表的启发采用“余数填充散列法”，图2展示了数据库元组与二进制序列映射关系，具体算法过程如下：
a)已知元组r(r.P,r.A1,r.A2,r.A3,r.A4…r.Am),要确定水印的嵌入位置，对每一个元组取编号：
index[]＝DES(K,r.P,r.A1,r.A2,...,r.At,...,r.Am)
K为DES加密函数的秘钥，r.P是主键，r.A1，r.A2，…,r.At，…,r.Am则是元组中不被嵌入水印的字段值。这样对于每一个元组就可以得到唯一个与之对应的index值。此时得到的index也是个n＝Length*8位的0,1序列。
b)以8位为一个基本单元，求得其对应的十进制值value，依次累加每8位的十进制value值，得到最终sum值。具体算法策略如下：
Figure BDA0003057943010000051
c)计算sum％N，结果即为该数据库元组所对应的水印二进制的具体位。其中N是经过添加奇偶校验和重复位的水印二进制序列的长度，这样由于DES的加密特性和数据库数据量庞大的特性，在sum的计算方式选取合适的情况下总能将sum对N的余数较为均匀分散到每个元组中，这样也就建立了从元组到二进制序列的多对一映射关系。图3展示了哈希散列随机分组结果。
另外，由于嵌入过程中，水印生成的二进制序列并不是只嵌入一个元组，嵌入的元组数量与数据量有关，所以在数万条数据规模时，每个二进制序列位对应上百条元组，这样就具有了抗攻击性，只要数据库存在一个载体就能保证最终被还原出来。
(4)水印信息在关系数据库元组的嵌入规则。
设水印二进制序列中第i位的值为1或0，该信息嵌入的位置是数据库元组属性值的有效位x。满足以下嵌入原则：
a)当二进制序列中第i位的值为1：
Figure BDA0003057943010000061
b)当二进制序列中第i位的值为0：
Figure BDA0003057943010000062
第二部分：水印的提取算法，包括以下步骤：
水印恢复过程主要包括：0,1序列提取，差错校验和差错恢复三个部分。具体过程如下所示：
(1)从数据库中按之前所述的规则筛选出需要满足嵌入水印的元组，对这些元组计算index值。
(2)根据“动态嵌入”的算法，根据元组的index和可嵌入字段的有效位的映射关系，确定每个元组的哪一位被嵌入了序列C的二进制位信息。
(3)根据水印嵌入算法中Connect(水印二进制序列C″，数据库元组)的映射关系，确定每个元组被嵌入二进制位在序列C″中的位置。
(4)按照水印信息在关系数据库元组的嵌入规则，从数据中把嵌入的0,1二进制位恢复到水印加密生成的二进制序列C对应的位置中。
Figure BDA0003057943010000063
(5)根据奇偶校验和重复码校验提取的序列的合理性，若不合理，则对不合理的二进制位利用大数表决法：对生成的序列每m位分为一组(m即为重复度)，若m个数中1多于0，则将0改为1；若0多余1，则将1改为0。
(6)去掉重复位和校验码。根据重复规则和奇偶校验规则去掉多余的二进制位，得到经过加密生成的原始二进制序列，再通过密钥恢复出水印信息。
上述方法可以通过计算机程序的形式由计算机系统执行，其中如图4展示软件功能模块。包含3个部分：数据集获取、原始数据处理模块和水印数据处理模块。
(1)数据集获取
本发明实施例采用的数据库是某地区高中男生身高和体重，共1万条元组，包含三个属性列：id、身高和体重信息。使用JDBC进行数据库连接与访问，以便从数据库中获取高中学生的信息。
在mysql中建立一个名为stu的数据库，该数据库中有2张数据表，分别是demo表，result表，demo表存放的是高中学生信息的原始数据，result表存放的是高中学生信息的嵌入水印后的数据。图5和图7展示了原始数据库信息和嵌入水印的数据库信息。
(2)原始数据处理模块
原始数据模块包含数据分析和水印嵌入模块。
a)数据分析：采用web系统架构设计，实现对原始数据的分析，包含有：身高区间人数、身体健康状况比例、各状态人数、学生状态统计。
b)水印嵌入模块：根据前述的水印嵌入算法，实现在数据库中嵌入水印信息。图6展示了一项嵌入水印信息实例。对已有的一万条数据库的信息，随机添加自定义的水印信息“cumt1234”，秘钥设置为“12345678”。点击summit按钮后，水印被成功嵌入到数据库中。并显示加密的信息：加密位数为“432”，秘钥“12345678”。
(3)水印数据处理模块
水印数据模块包含数据分析和水印提取模块。
a)数据分析：采用web系统架构设计，实现对水印数据的分析，包含有：身高区间人数、身体健康状况比例、各状态人数、学生状态统计。
b)水印嵌入模块：根据前述的水印提取算法，实现在嵌入水印的数据库中提取水印信息。图8展示了一项提取水印信息实例。对已有的一万条已嵌入水印的数据库的信息，输入水印位数和秘钥，分别是“432”和“12345678”。点击summit按钮后，水印信息被成功地提取出，显示加密的信息为：数据拥有者为“cumt1234”，实现数据的可追溯性。
图9展示了原始数据和嵌入水印数据对比分析图。将嵌入水印的数据和原数据进行对比，分析嵌入水印后与原数据的差异程度。原始数据和水印数据在平均值、方差和均方差等方面都相差甚少。说明嵌入水印后没有较大程度改变了原数据。

Claims (10)

1.一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，包括水印嵌入过程和水印提取过程，
所述水印嵌入过程包括：
步骤A1：基于水印信息得到水印二进制编码；
步骤A2：根据预配置的映射关系，确定水印二进制编码中每一位所需插入的所有数据库元组；
步骤A3：将水印二进制编码按照预配置的嵌入规则嵌入至对应数据库元组的指定有效位中，其中，所述指定有效位为低有效位；
所述水印提取过程包括：
步骤B1：根据预配置的映射关系、嵌入规则和指定有效位信息从数据库各元组中提取得到水印二进制编码值及其在水印二级制编码中的所在位；
步骤B2：根据大数表决法确定水印二进制编码每一位的取值；
步骤B3：根据确定好的水印二进制编码得到水印信息。
2.根据权利要求1所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述步骤A1包括：
步骤A11：对水印信息进行加密处理得到二进制序列；
步骤A12：对二进制序列添加校验码和重复码。
3.根据权利要求2所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述步骤A11中的加密算法为DES加密算法。
4.根据权利要求1所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述指定有效位通过映射函数动态确定。
5.根据权利要求1所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述步骤A2具体包括：
步骤A21：根据各数据库元组信息得到其index值；
步骤A22：以每L位为一个基本单元，求得其对应index的十进制值value。依次累加每L位的十进制value值，得到最终sum值，其中，L为加密结果的基元位数；
步骤A23：计算sum％N，结果即为对应数据库元组所对应的水印二进制的具体位，其中，N为水印二进制编码的长度。
6.根据权利要求5所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述L取8。
7.根据权利要求5所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述步骤A21中具体采用DES加密算法得到index值。
8.根据权利要求1所述的一种面向关系数据库的水印溯源方法，其特征在于，所述步骤A3中将水印二进制编码按照预配置的嵌入规则嵌入至数据库元组的过程具体包括：
步骤A31：当水印二进制编码值为1时，对需要嵌入数据库元组属性值的有效位x执行以下操作：
Figure FDA0003057943000000021
步骤A32：当水印二进制编码值为0时，对需要嵌入数据库元组属性值的有效位x执行以下操作
Figure FDA0003057943000000022
9.一种面向关系数据库的水印溯源装置，包括存储器、处理器，以及程序，其特征在于，所述处理器实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的方法。
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