CN116506232B - 基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法，本发明在信息预处理部分中，在数据发送端对原始秘密信息进行加密、信道编码的预处理，以及用于对原始载体信息进行信道编码、分块的预处理，在信息隐藏部分中，在数据发送端将预处理的秘密信息写入或者嵌入预处理的载体信息中，在每个载体分块的具体隐写过程中，根据收发双方预共享的掩码矩阵密钥、载体比特流和秘密信息比特流即可达到每一载体分块至多反转1比特载体信息数据就能隐写多位秘密信息的目的；在信息提取部分，数据接收端在接收到码流后，在不超过隐写容量的情况下，可根据密钥既提取出原始秘密信息以及恢复出原始载体信息。本发明编码层隐蔽信道容量、传输隐蔽性高。

Description

基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法
技术领域
本发明属于信息安全技术领域，尤其涉及一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法。
背景技术
在目前的关于信息隐藏的研究中，传统基于图像的信息隐藏仍是主流的研究方向。此类方法通过在空域及频域对载体信息的直接修改从而得到含密载体，完成秘密信息嵌入。伴随着深度学习技术的发展，近年来很多学者也将深度学习的技术应用到传统基于图像的信息隐藏中去。
然而，尽管传统基于图像的信息隐藏算法可以抵抗一定的攻击，但此类信息隐藏算法产生的含密载体在通过含有噪声的信道时，载体质量会受到显著影响从而导致接收方无法恢复出秘密信息。构建隐蔽信道可以很好的解决这一问题。信道编码通过增添冗余的码元从而达到检错、纠错的目的。而基于信道编码的隐蔽信道构建方法由发送方对信道编码后的载体进行信息隐藏，在不超过隐写容量的前提下，接收方可以同时恢复出秘密信息和载体信息。
现有的基于信道编码的隐蔽信道构建方法其核心思想是尽可能使得嵌入秘密信息的位置均匀分布，令攻击者混淆秘密信息嵌入与信道噪声对载体信息造成的影响，从而降低敌手破坏秘密通信的可能性。
在现有研究背景下，编码层隐蔽信道构建方法主要面临两个困境。一是现有方法都没有在隐写容量方面做出提升，在信道质量较好的情况下，嵌入秘密信息造成的误码是主要的误码因素，因而在信道编码监督码元数量一定时，修改一位载体信息用于嵌入一位秘密信息无法在根本上提高隐写容量；二是在信道内信噪比一定的情况下，载体质量没有大幅度改善，对载体比特较多的修改也会提高攻击者成功进行隐写分析从而破坏隐蔽通信的可能。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法。
本发明是这样实现的，一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法，该方法包括如下步骤：
S1、在数据发送端对原始秘密信息依次进行加密、信道编码的预处理，以及对原始载体信息依次进行信道编码、分块的预处理；
S2、在数据发送端利用密钥将预处理后的秘密信息写入预处理后的载体信息中；
S3、在数据接收端利用密钥从接收到的码流中提取并经过逆预处理后得到原始秘密信息，经过信道解码后得到原始载体信息。
优选地，在步骤S1中，所述原始秘密信息的预处理包括以下步骤：
S11、生成长度为的伪随机0、1比特序列/>，/>与秘密信息/>等长，将序列/>与秘密信息/>进行逐比特异或，得到经随机序列加扰的秘密信息/>；
S12、对秘密信息使用/>码进行信道编码，编码后的序列长度为。
优选地，在步骤S1中，所述原始载体信息的预处理包括以下步骤：
S13、对长度为的载体信息使用/>码进行信道编码，编码后的载体信息的序列长度为/>；
S14、对编码后的载体信息进行分块处理；其中，若载体信息的分块长度为，则分块数为/>，分块长度/>与每个分块中可隐藏的秘密信息位数/>的关系为。
优选地，在步骤S2中，所述利用密钥将预处理后的秘密信息嵌入预处理后的载体信息中包括以下步骤：
S21、通过顺序选择密钥确定秘密信息嵌入分块的顺序；
S22、通过掩码矩阵密钥的每一行元素与一载体分块/>位载体信息逐比特相乘，得到矩阵/>；
S23、将矩阵的每一行比特进行异或，得到的向量/>；
S24、计算，其中/>表示该载体分块中嵌入的/>位秘密信息；若所得向量所有元素均为0表示该载体分块无需进行改动；若计算得出的向量出现1表示该载体块中的比特位需要进行修改，该修改由向量元素的值以及掩码矩阵密钥/>共同确定，且每个载体块至多反转一个比特位；
S25、根据步骤S21的嵌入分块的顺序重复步骤S22、S23、S24，直到所有秘密信息全部嵌入载体信息中。
优选地，所述步骤S3包括以下具体步骤：
S31、对接收到的码流进行分块；
S32、通过掩码矩阵密钥的每一行元素与/>位载体信息逐比特相乘，得到矩阵/>；
S33、将矩阵的每一行比特进行异或求和，得到向量b；
S34、将r维向量b的元素连接，得到该载体块中嵌入的秘密信息；
S35、根据顺序选择密钥的元素将各载体分块中提取的秘密信息拼接；
S36、将拼接后的信息进行信道解码、解密后即可获得秘密信息；
S37、对载体信息进行信道解码，得到原始载体信息。
本发明克服现有技术的不足，提供一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法，本发明主要包含信息预处理、信息隐藏和信息提取部分，其中，在信息预处理部分中，在数据发送端对原始秘密信息进行加密、信道编码的预处理，以及用于对原始载体信息进行信道编码、分块的预处理；在信息隐藏部分中，在数据发送端将预处理的秘密信息写入或者嵌入预处理的载体信息（载体比特序列）中，在每个载体分块的具体隐写过程中，根据收发双方预共享的掩码矩阵密钥、载体比特流和秘密信息比特流即可达到每一载体分块至多反转1比特载体信息数据就能隐写多位秘密信息的目的；在信息提取部分，数据接收端在接收到码流后，在不超过隐写容量的情况下，可根据密钥既提取出原始秘密信息以及恢复出原始载体信息。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明有效提高了编码层隐蔽信道容量，并且在嵌入相同位数的秘密信息时，相较于其余隐蔽信道的构建方法，本发明可以通过修改更少的载体位数达到同样的隐写容量，进一步提高了传输的隐蔽性。
附图说明
图1是本发明方法的步骤流程图；
图2是本发明方法的原理流程图；
图3是本发明实施例中载体分块及按序嵌入秘密信息示意图；
图4是本发明实施例中载体分块内信息隐藏算法流程图；
图5是本发明实施例中步骤S22~S24的载体信息修改示例图；
图6是本发明实施例中步骤S32~S34的提取秘密信息示例图。
实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例公开了一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法，如图1、图2所示，该方法包括如下步骤：
S1、在数据发送端对原始秘密信息依次进行加密、信道编码的预处理，以及对原始载体信息依次进行信道编码、分块的预处理
该步骤S1具体包括以下步骤：
S11、生成长度为（与秘密信息/>等长）的伪随机0、1比特序列/>，将其与秘密信息/>进行逐比特异或，得到经随机序列加扰的秘密信息/>；
S12、对进行信道编码，约定使用的信道编码为/>码，编码后的序列长度为/>；
S13、对长度为的载体信息数据使用/>码进行信道编码，编码后的载体信息的序列长度为/>；
S14、对经过预处理的载体信息数据进行分块处理，其中，若载体分块长度为，则分块数为/>，分块长度/>与每个分块中可以隐藏的秘密信息位数/>的关系为。
S2、在数据发送端利用密钥将预处理后的秘密信息写入预处理后的载体信息中
步骤S2中，密钥包括嵌入顺序选择密钥以及掩码矩阵密钥/>，该密钥在数据发送端、数据接收端之间共享。
步骤S2更具体包括以下步骤：
S21、生成秘密信息嵌入顺序选择密钥，其值是对/>区间内的任意/>个数的一个排列，其中/>，该密钥用于确定秘密信息嵌入分块的顺序，每个载体分块可以嵌入/>比特秘密信息。具体载体分块以及按序嵌入过程如图3所示。
记一个载体分块为，对于分块/>内秘密信息的隐写步骤如图4所示，具体过程如下：
S22、根据通信双方共享的掩码矩阵密钥，将/>的每一行元素与/>位载体信息逐比特相乘，所得矩阵记为/>；
在步骤S22中，和/>是大小为/>的二进制矩阵，若将/>矩阵中的一列看作一个/>位的二进制数，则/>中应包含/>区间中的所有二进制数，每个数字出现且仅出现一次。
S23、将矩阵的每一行比特进行异或，得到的向量记为/>；
在步骤S23中，是/>维向量，表示载体分块未被修改前所表示的二进制数。
S24、计算，其中/>表示该载体分块中嵌入的/>位秘密信息；若所得向量所有元素均为0表示该载体分块无需进行改动；若计算得出的向量出现1表示该载体分块中的比特位需要进行修改；具体修改时需结合向量元素取值以及掩码矩阵密钥/>共同确定，即反转与/>计算结果相同的/>中列向量对应的载体比特位，且每个载体块至多反转一个比特位；
图5给出上述步骤S22~S24的一个具体实施案例及结果。假设某载体分块中的比特序列为（1, 0, 0, 1, 1, 1, 0），待嵌入的秘密信息/>为（0,1,0）。根据步骤S22、S23、S 24，可将/>中的第四位比特由1反转为0，从而生成B’，完成一个载体分块的秘密信息嵌入工作。
S25、根据步骤S21的嵌入分块的顺序重复步骤S22、S23、S24，直到所有秘密信息全部嵌入载体信息中。
S3、在数据接收端利用密钥从接收到的码流中提取得到原始秘密信息，经过信道解码后得到原始载体信息。
步骤S3具体包括以下步骤：
S31、对接收到的码流进行分块；
S32、通过掩码矩阵密钥的每一行元素与/>位载体信息逐比特相乘，得到矩阵；
S33、将矩阵的每一行比特进行异或求和，得到向量b；
S34、将r维向量b的元素连接，得到该载体块中嵌入的秘密信息；
图6给出步骤S32~S34的一个具体实施案例及结果。假设接收方接收到的某载体分块B’中的比特序列为（1, 0, 0, 0, 1, 1, 0）。根据步骤S32、S33、S34，即可提取出隐藏的秘密信息为（0,1,0）。
S35、根据顺序选择密钥的元素将各载体分块中提取的秘密信息拼接；
S36、将拼接后的信息进行信道解码、解密后即可获得秘密信息；
S37、对载体信息进行信道解码，得到原始载体信息。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于信道编码的大容量物联网隐蔽信道构建方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、在数据发送端对原始秘密信息依次进行加密、信道编码的预处理，以及对原始载体信息依次进行信道编码、分块的预处理；
S2、在数据发送端利用密钥将预处理后的秘密信息写入预处理后的载体信息中；
S3、在数据接收端利用密钥从接收到的码流中提取并经过逆预处理后得到原始秘密信息，经过信道解码后得到原始载体信息；
在步骤S1中，所述原始秘密信息的预处理包括以下步骤：
S11、生成长度为M0的伪随机0、1比特序列S1，S1与秘密信息m等长，将序列S1与秘密信息m进行逐比特异或，得到经随机序列加扰的秘密信息m′；
S12、对秘密信息m′使用(n1，k1)码进行信道编码，编码后的序列长度为
在步骤S1中，所述原始载体信息的预处理包括以下步骤：
S13、对长度为C0的载体信息使用(n2，k2)码进行信道编码，编码后的载体信息的序列长度为
S14、对编码后的载体信息进行分块处理；其中，若载体信息的分块长度为l，则分块数为分块长度l与每个分块中可隐藏的秘密信息位数r的关系为l＝2r-1；
在步骤S2中，所述利用密钥将预处理后的秘密信息嵌入预处理后的载体信息中包括以下步骤：
S21、通过顺序选择密钥S2确定秘密信息嵌入分块的顺序；
S22、通过掩码矩阵密钥S3的每一行元素与一载体分块l位载体信息逐比特相乘，得到矩阵G；
S23、将矩阵G的每一行比特进行异或，得到的向量x；
S24、计算其中b表示该载体分块中嵌入的r位秘密信息；若所得向量所有元素均为0表示该载体分块无需进行改动；若计算得出的向量出现1表示该载体块中的比特位需要进行修改，该修改由向量元素的值以及掩码矩阵密钥S3共同确定，且每个载体块至多反转一个比特位；
S25、根据步骤S21的嵌入分块的顺序重复步骤S22、S23、S24，直到所有秘密信息全部嵌入载体信息中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下具体步骤：
S31、对接收到的码流进行分块；
S32、通过掩码矩阵密钥S3的每一行元素与l位载体信息逐比特相乘，得到矩阵G；
S33、将矩阵G的每一行比特进行异或求和，得到向量b；
S34、将r维向量b的元素连接，得到该载体块中嵌入的秘密信息(b1 b2…br)；
S35、根据顺序选择密钥S2的元素将各载体分块中提取的秘密信息拼接；
S36、将拼接后的信息进行信道解码、解密后即可获得秘密信息；
S37、对载体信息进行信道解码，得到原始载体信息。
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