（计算机应用技术专业论文）基于独立分量分析的数据库水印技术研究.pdf

j 。、，i i 。j ，l 西华大学学位论文独创性声明 1 t 吣y 洲1 7 帆5 叭眦0 m 2 帆6 1 6 帆 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行乎究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：韪 日期：2 0 j o 卵 指导教师签名： 日期 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：怨i f - 门 日期： 2 0 口f 1 指导教师签名： 日期 西华大学硕士学位论文 摘要 藏技术研究领域的重要分支，它是一种将可识别的数据嵌入到 本思想是在图像、音频和视频等数字产品中嵌入秘密信息，以 当前数字水印技术主要集中在多媒体信息领域( 如：图像、音频、 ，数据库安全越来越受到人们关注。在数据库中嵌入代表所有 权保护，已成为数据库安全领域新的研究热点。数据库水印是 据库中嵌入不易察觉且难以去除的标记，在不破坏数据库可用 据库安全的目的。数据库水印技术并不限制正常的数据存取， 权证明与内容完整性验证，从而对数据窃取与攻击行为起到电 如何在关系数据库中嵌入数字水印从而实现版权保护，已成为人们亟待解决的问 题。目前，在关系数据库数据版权保护方面的研究才刚刚起步，国内外的研究也只是进 行了初步的探讨。由于关系数据库的特殊性，面向多媒体信息的水印的思想不能直接应 用于其中。本文围绕如何提高关系数据库水印算法的鲁棒性进行了如下研究： 本文根据数据库容量大，而且包含大多为数值型数据的特点，提出一种基于独立分 量分析( i c a ) 的数据库水印方法。首先，本文采用单向h a s h 函数作为标记算法，根据用 户给定的密钥和元组主键值以及需要标记的元组比例来确定需要标记的元组，然后把一 维的水印向量和等长的标记数据库数据来混合矩阵，在n 重滚迭后产生混合的水印信 号，来嵌入数据库中，而水印的提取是通过密钥和数据库中取出的含水印的信息，利用 比值i c a 算法分离矩阵，来获得最终的水印信息。这种水印信息滚迭方式，与原有数据 库中的信息保持相互统计独立，实现对载体较小而改变嵌入水印信息，利用了i c a 方法 实现水印图像的提取。并且所采用的比值i c a 方法能够较好地解决由于排列顺序不确定 因素的影响所存在的问题。实验结果表明所提出的方法有良好的检测效果。 关键词：数据库水印；独立分量分析；多重滚迭 i n t ov a r i o u sm u l t i m e d i ad a t a , t oo f f e rc o p y r i g h t p r o t e c t i o n c u r r e n t l yd i g i t a lw a t e r m a r k t e c h n o l o g ym a i n l yc o n c e n t r a t e so nt h em u l t i m e d i ad a t a ( e g ，i m a g e ，a u d i o ，a n dv i d e o ) a n d g r e a tp r o g r e s sh a sb e e nm a d e a sm en e t w o r k f l e e t l yd e v e l o p e d ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sf o c u s i n go nt h es a f e t yo f d a t a b a s e e m b e d d i n go w n e r s h i p si n f o r m a t i o na sw a t e r m a r k i n gi n t or e l a t i o n a ld a t a b a s ef o ri t s c o p y r i g h tp r o t e c t i o nh a sb e e nan e wh e a t e dr e s e a r c ho i ld a t a b a s es e c u r i t y d a t a b a s e w a t e r m a r k i n g ，w h i c he m b e d si m p l i c i ta n du n - r e m o v a b l em a r k si nd a t a b a s et h r o u g ht h e m e t h o do fs i g n a lp r o c e s s i n g ，r e a c h e st h ea i mo f p r o t e c t i n gt h ed a t a b a s es e c u r i t yw i t h o u t d a m a g i n gt h ec o n t e n ta n dt h ea v a i l a b i l i t yo fd a t a b a s e w h a tt h et e c h n o l o g yo fd a t a b a s e w a t e r m a r k i n gc a np r o v i d ea r et h ea b i l i t i e so fp r o v i n gt h eo w n e r s h i po ft h ed a t a b a s e ，v e r i f y i n g t h ei n t e g r i t yo ft h ed a t ac o n t e n t sa n d p r e s e n t i n gt h ee l e c t r o n i ce v i d e n c e sf o ra c c u s i n gt h e p i r a c ya n da t t a c kt ot h ed a t a b a s e ，r a t h e rt h a nc o n s t r a i n i n gr e g u l a rd a t aa c c e s s i n g m e a n , r t h i l e ， d a t a b a s ew a t e r m a r k i n gc a nw o r kc o n j o i n t l yw i t hc r y p t o g r a p h yt or e i n f o r c ed a t a b a s e s e c u r i t y h o wt oi n s e r td i g i t a lw a t e r m a r ki n t ot h er e l a t i o n a ld a t a b a s eh a sb e c o m ea nu r g e n t p r o b l e mt h a ts h o u l db er e s o l v e d a tp r e s e n t ，l i t t l eh a sb e e nd o n et os e c u r ep r o o fo f c o p y r i g h t s o v e rr e l a t i o n a ld a t a b a s e ，t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e sh a v eo n l y c a r r i e do u tat e n t a t i 、，e s t u d y h o w e v e r , m u l t i m e d i ao r i e n t e dw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u ec a n tb eu s e do nd a t a b a s e d i r e c t l yf o rs p e c i a ls t r u c t u r eo fd a t a b a s e t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nh o wt oi m p r o v et h e r o b u s t n e s so fw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mo r i e n t e dt or e l a t i o n a ld a t a b a s e t h ec o n t r i b u t i o n so ft h i s p a p e r a lea sf o l l o w s ： d a t a b a s ei sc h a r a c t e r i z e db yi t sl a r g ec a p a c i t ya n dt h ef a c tt h a tt h ed a t ai n v o l v e da r e l a r g e l yn u m b e r s a c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，ad a t a b a s ew a t e r m a r k i n gm e t h o di s p r o p o s e dw h i c hi sb a s e do ni n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i s ( i c a ) f i r s t ，a d o p t i n go n ew a y h a s hf u n c t i o na st h ew a yo f m a r k e dc a l c u l a t i o n ，t h ep a p e rd e f i n et h e t u p l et ob em a r k e d a c c o r d i n gt ot h es e c u r ek e y ，t u p l ek e yv a l u ea n dt h er a t i oo ft u p l e st ob em a r k e dp r o v i d e db y c u s t o m e r s t h e n ，s i n g l ed i m e n s i o n a lw a t e r m a r k i n gv e c t o ra n dd a t ai ne q u a l l yl o n gm a r k e d i i 西华大学硕士学位论文 d a t a b a s ea r eu s e dt om i xm a t r i x t h em i x e dw a t e r m a r k i n gs i g n a lp r o d u c e da r e rn t i m e so f r o l l i n gi se m b e d d e di n t ot h ed a t a b a s e t h ee x t r a c t i o no fw a t e r m a r k i n gi sf u l f i l l e dt h r o u g h s e c r e tk e ya n dt h ew a t e r m a r k i n g c a r r y i n gi n f o r m a t i o n0 b t a i i l c d 台d md a t a b a s e a n di c ai s u s e dt os e p a r a t em a t r i xa n da t t a i nt h ef i n a lw a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o n t h ew a t e r m a r k i n g i n f o r m a t i o nr o l l i n gi sk e p ti n d e p e n d e n tf i o mt h eo r i g i n a ld a t a b a s ei n f o r m a t i o n , r e a l i z i n g e m b e d d i n go f w a t e r m a r k i n gi n f o r m a t i o nw i t hl i t t l ec h a n g eo f t h ec a r r i e r a l s o ，t h ei c a m e t h o di se m p l o y e dt oe x t r a c tw a t e r m a r k i n gi m a g e t h ei c ar a t i om e t h o d a d o p t e dc a nb e t t e r s o l v et h ei n f l u e n c e sf i o mu n c e r t a i n t i e so ft h ea r r a n g e m e n to r d e r t h er e s u l t so ft h e e x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a sag o o dt e s t i n ge f f e c t k e yw o r d s ：d a t a b a s ew a t e r m a r k i n g ；i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s ；m u l t i p l e i t e r a t i v e 基于独立分量分析的数据库水印技术研究 目录 ：o o oooloooooooooooooi i i ：1 课题的研究背景和意义l 数字水印的研究历史与现状l 1 2 1 数字水印的研究历史。2 1 2 2 数字水印的研究现状4 数据库水印的研究现状5 1 3 1 数据库安全研究历史与发展5 1 3 2 关系数据与多媒体数据的区别5 1 3 3 数据库水印研究进展6 数据库水印特征7 数据库水印的分类及其应用领域8 数字水印的攻击方法1 0 1 7 本论文主要研究内容及组织结构1 3 2 数据库水印技术1 4 2 1数据库水印系统简介1 4 2 2 数据库水印的基本模型1 5 2 3 数据库水印信号1 7 2 3 1 数据库水印信号的类型和生成过程。：1 7 2 3 2 数据库水印中常用的变换处理方法l8 2 3 3 数据库水印载体信道1 9 2 3 4 元组标记_ ：一2 0 2 3 5 数据库水印嵌入2 l 2 3 6 数据库水印检测与提取2 3 2 4 数据库水印的攻击及对策2 5 2 5 主要的数据库水印算法2 7 2 6 主要的数据库水印系统2 8 2 7 数据库水印的性能评估。2 8 3 基于独立分量的数据库水印研究方案3 0 i v 西华大学硕士学位论文 3 1 独立分量i c a 介绍3 0 3 1 1 独立分量分析3 0 3 1 2i c a 的起源与发展3 1 3 2 信号统计独立。3 2 3 3i c a 模型3 2 3 1 1 数据混合模型。3 3 3 3 2 信号分离模型3 3 3 4i c a 算法3 4 3 4 1i c a 算法框图3 4 3 4 2 常见i c a 算法：3 5 3 5 比值i c a 数据库水印方案3 6 3 5 1 比值i c a 算法3 6 3 5 2 水印独立分量的生成3 8 3 5 3 水印位置的标记“3 8 3 5 4 水印滚迭表示3 9 3 6 水印信息的嵌入：3 9 3 7 基于i c a 的水印提取4 1 3 8 仿真实验4 2 3 8 1 实验一4 4 3 8 2 实验二4 4 3 9 月、结4 5 结 论4 6 参考文献4 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 4 致 射5 5 v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 随着互联网的飞速发展和计算机网络的广泛普及，大量媒体资源从纸质化向数字化 转移，很多数字产品如图像、音频、视频、电子图书，文件等充斥着互联网络，由于这 些信息和数据非常容易获取，复制简单且传播飞速，一方面，极大的丰富了人们获取信 息的途径。但是，另一方面，正如我们看到的，利用网络的开放性和共享性所进行的一 些恶意行为日益凸显其破坏性，例如侵犯版权、信息篡改等等，严重损害了数字作品的 创作者和使用者的利益，因此在技术方面，迫切需要从新的领域研究出方法来保护数字 作品的版权，真实性和完整性，以及用户的隐私、知识产权和财产的安全。数字水印作 为信息隐藏技术研究领域的重要分支，它是一种将可识别的数据嵌入到数字作品中的技 术。水印通常表现为不可见或不可察觉，它与原始数据( 如图像、音频、视频数据) 紧 密结合并隐藏其中，既不破坏其原始品质而且用人类感觉器官( 如眼、耳) 无法识别。 数字水印技术并不限制正常的数据存取，而是鉴别数据窃取和攻击行为，通过使用专门 的检测软件进行识别，从而可以对数据文件的所有权进行证明与完整性验证，进而起到 版权跟踪及版权保护的作用。除此之外，数字水印还在真伪鉴别、隐蔽通信、标志隐含、 电子身份认证等方面具有重要的应用价值，数字水印技术的研究领域涉及信息学、密码 学、计算机科学、模式识别等多种学科领域，使得隐藏的信息更具隐蔽性、安全性，同 时还具有对称性和纠错性。对数字水印技术的研究表明，数字水印具有巨大而广阔的应 用前景，并引起各界专业人士的广泛关注。 数字水印技术的发展虽然只有短短十几年的时间，但是研究和应用的领域已经扩展 到图像、音频、视频等各个方面。现在，又扩展到关系数据库领域。关系型数据库【1 】是 以二维平面表作为数据模型的数据库系统。关系数据库技术出现在2 0 世纪7 0 年代，经过 8 0 年代的发展n 9 0 年代已经比较成熟。随着关系型数据库的广泛使用，数据库版权保护 的问题也越来越得到人们的重视。在因特网上允许指定用户远程查询和访问数据库已成 为普遍要求，但数据容易被窃取和非法拷贝，版权得不到有效保护。因此，迫切需要有 效的数据库数据版权保护的方法。 1 2 数字水印的研究历史与现状 大约在7 0 0 年前出现了传统的水印，纸张上的水印出现在手工业造纸技术的发展过 程中，这些水印是通过在纸模中加细线模板制造出来的。纸张上细线的区域中会略薄一 基于独立分量分析的数据库水印技术研究 些，这样纸也会更透明些。水印出现在意大利的f a b r i a n o 的一个城镇【2 】，在造纸工业发 展中这个城镇扮演了重要的角色：1 3 世纪末，大约有4 0 家造纸厂共享了f a b r i a n o 的纸 业市场，并生产具有不同式样、质量和价格的纸。那时造纸厂生产的生纸表面粗糙，不 适合直接使用。其他工匠利用一种叫砑光机的硬石块对这种生纸材料进行一定的加工处 理，将纸面弄光滑，接着清点、折叠经过处理的纸张，最后把他们卖给商人。这些商人 将它们存放在大仓库中以备转卖，以获取高额利润。当时，不仅仅这4 0 家的造纸厂之 间竞争很激烈，工匠之间以及商人之间的竞争也很激烈。对任何一方来说，跟踪纸的来 源，从而对纸张的式样和质量进行鉴定是非常不容易的事。这时，水印的使用是一种完 美的解决方法，它能消除任何可能的冲突。因此，那时水印主要用于识别生产纸张的工 厂，作为保证纸张质量的一种手段。 大约1 8 世纪末期，“水印 这个术语慢慢开始形成。大概在形成“水印 这个术 语的同时，伪币制造者开始开发使用一种新技术，用来伪造用于纸币防伪的水印。在这 个过程中，不断的伪造从某种程度上促进了水印技术的发展。 在1 9 5 4 年出现了第一个与“数字水印 方法类似的技术实例。当时，美国m u z a k 公司的e m i lh e m b r o o k e 申请了一项名为“i d e n t i f i c a t i o no f s o u n da n dl i k es i g n a l s ”的专 利。该专利描述了一种方法，是将识别码不可感知地嵌入到音乐中而证明所有权。此后 的几年时间里，相继提出了另外一些水印技术，并随着应用不断地发展。但是，直到2 0 世纪9 0 年代初期术语“数字水印”才真正流行起来。 随后，数字水印进入了其飞速发展时期，其进展体现在基础研究领域和应用研究领 域。 1 2 1 数字水印的研究历史 早期，关于数字水印的研究只是探索性的，出现的成果主要是各种水印算法。但是 随着大量水印算法的出现，水印的研究状况开始改变。从2 0 世纪9 0 年代后期开始，对 水印的研究更加深入，更重要的进展更多地体现在日益准确的水印模型上。 ( 1 ) 数字水印算法的发展 早期的数字水印算法主要在空域实现，而且大都针对图像进行研究。1 9 9 0 年，t a n a k a 等提出了在图像中加入秘密信息以确认图像所有权的想法。t i r k e l 等【3 】在1 9 9 3 年发表了 一篇文章，首次提出了“w a t e rm a r k ”的说法，并描述了利用数字水印的方法来实现版 权保护。而他们在1 9 9 4 年发表的另外一篇文章【4 】贝0 正式提出了“数字水印 这个概念。 数字水印，简单地说，就是包含于原始数字数据( 包括文档、图像、声音、视频等) 中 的不可消除的标识信息。在当时，这些学者已经意识到了数字水印的重要性，指出了一 些可能的应用方向。 2 西华大学硕士学位论文 最初的水印技术直接修改数字媒体的空( 时) 域采样值，如声音采样或图像像素的最 不重要比特rl s b ) 。这种技术的缺点是稳健性较差。为提高空( 时) 域水印的稳健性， 人们提出了一些更复杂的技术。w o l f g a n g 等人p 1 把二维m 序列嵌入图像的l s b 平面， 并利用互相关函数改善了检测过程。利用数字水印和数字调制的类似特性，h e m a n d e z 等人【6 】提出了一种深度2 d 多脉冲幅度调制的方法。 1 9 9 6 年c o x 掣7 】提出了一种基于扩频通信思想的水印方案。相对于空域算法，该方 案具有较好的鲁棒性，成为数字水印技术中一个比较经典的方案。但它同时也存在一些 缺陷，其中最重要的一点就是提取水印信息时必须有原始图像的参与。 1 9 9 8 年c h e n 等( 8 】提出了一类盲水印方案。该方案中使用量化器进行水印的嵌入， 在水印的容量和鲁棒性方面都具有良好的性能，成为数字水印技术中一个典型的方案。 后来c h e r t 又进一步提出了一种基于量化索引调制而不是扩频调制的水印嵌入方 法，并宣称其性能优于基于扩频调制的水印方法。 在数字图像水印发展的过程中，音频、视频和文本水印也得到了发展。音频水印的 研究始于1 9 9 6 年，b e n d e r 在文献【9 】中提出了l s b 编码、回声编码、扩频编码和相位编 码等四种算法；b o n e y 等【lo 】将c o x 等的扩频水印方案应用到音频信号中。视频水印的研 究始于1 9 9 4 年，m a t s u i 等【l l 】提出了一种类似于图像水印的视频水印算法，它将视频信 号的每一帧简单地视作图像进行处理。文本水印的研究也始于1 9 9 4 年，贝尔实验室的 m a x e m c h u k 首先提出在数字文档中嵌入标记的方法，用于保护电子出版物的版权【1 2 1 。 ( 2 ) 数字水印模型的发展 2 0 世纪9 0 年代初期的基本水印模型是把水印系统看成某种通信信道，载体作品和 传输过程中经历的各种失真和变换都被当作噪声。其不可感知性约束是通过在嵌入端施 加全局能量限制来得到满足的。在这类早期系统中，嵌入的水印信号与载体作品无关， 我们称之为盲嵌入【1 3 】。 1 9 9 9 年，文献【1 4 - 1 6 共同指出将水印系统看作带边信息的通信模式更为准确。这样的 水印算法要用含辅助信息的嵌入器和检测器。因为加入的水印模板是载体作品的一个函 数。在文献 1 7 - 2 0 】中对这类水印模型有更精确的介绍。 使用水印技术不仅要传输信息，而且还必须要在保持载体的保真度的同时抵抗载体 作品可能遇到的失真，因此通常系统的保真度和鲁棒性要求是矛盾的。如前所述，早期 的水印系统利用全局能量限制来满足保真度约束。1 9 9 5 年，研究指出为了满足保真度要 求需要建立一个感知模型，该模型允许嵌入的水印信号根据载体局部特性做相应的局部 变化。大多数水印系统采用了各种感知模型后的性能都比未采用感知模型的水印算法有 所提高。这种基于感知模型的水印嵌入器是含辅助信息嵌入的早期模式。 基于独立分量分析的数据库水印技术研究 ( 3 ) 数字水印技术应用的发展 随着水印基础理论研究的不断进步，许多公司和大学也在为推进水印实现的工程技 术做出努力，并使其在很多实际场合得到了应用。这些应用设计主要关注如何满足保真 度、鲁棒性和经济性约束条件。 水印的早期应用主要是版权保护，包括所有者鉴别、所有权验证、操作跟踪和拷贝 控制。 所有者鉴别最早是由m u z a k 公司提出的【”】。他们的系统使用莫尔斯电码对认证信 息进行编码，该系统使用持续时间可变的陷波滤波器来滤除l k h z 的音频信号。该系统 一直沿用到2 0 世纪8 0 年代早期m u z a k 公司改变其经营方向为止。广播监视公司也常常 使用这种嵌入信号的方式。纽约尼尔森媒体研究中心和泰勒纳尔逊旗下的竞争媒体报告 机构都采用水印技术进行广告监视服务，这些系统已经使用了近1 0 年。 1 2 2 数字水印的研究现状 尽管在水印发展过程中出现了很多研究成果【2 m 7 j ，但数字水印技术仍然是一个不成 熟的研究领域，还有许多有意义的工作要完成。一方面，我们有信心相信即将出现令水 印研究界为之振奋的重要研究成果，另外一方面，虽然尚未看到这一领域的突破性进展， 但是这些重要的研究结果会推进水印在更大范围内的应用，值得我们深入研究下去。数 字水印技术的现状和未来的发展趋势如下： 首先，含辅助信息的水印技术的出现是数字水印领域的一大进步。然而，含辅助信 息的嵌入所采用的编码虽能满足计算效率，但对大尺度变化不够鲁棒，还需要深入研究， 以寻找既有计算效率又有鲁棒性的编码。 其次，尽管很多论文都阐述了各种各样的算法，但还没有找到既能满足保真度又能 满足鲁棒性要求的最佳的水印嵌入方法。 再者，盲检测器的几何和时间失真问题依然是没有解决的难点。不过研究者们已经 提出了许多不同的处理方法，并已取得了一定的进展。虽仍有不足，但对这一领域的深 入研究显然会提高系统的鲁棒性。 最后，虽然并非所有的水印都有安全性要求，尤其是对于那些没有敌手攻击的应用， 而且大部分商业应用也只有很低的安全性要求。但设计既能允许公开检测器检测水印又 能防止敌手去除水印的水印系统依然是一个开放的研究课题。众多研究者都在努力，希 望设计出一个安全、通用的水印系统，但现在有的水印系统还很容易受到攻击。 此外，数字水印技术在各个领域的进一步应用也是很多研究者关注的焦点之一，尤 其是产业界的学者，我们期待数字水印技术能够在更多的领域得到应用。 4 西华大学硕士学位论文 1 3 数据库水印的研究现状 1 3 1数据库安全研究历史与发展 数据库技术从2 0 世纪6 0 年代中期开始发展，到现在已经成为一个活跃的学科领域。 以数据库为基础的信息系统正在成为经济、政务、国防等领域的信息基础设施，数据库 中存储的信息的价值也越来越高，因此，数据库系统的安全问题也显得越来越重要。在 新的网络环境中，数据库系统需要面对更多的安全威胁，针对数据库系统的攻击方式也 层出不穷。 数据库系统安全技术是指为数据库系统建立的安全保护措施，以保护数据库系统软 件和其中的数据不因偶然和恶意的原因而遭到非法复制、破坏、更改和泄漏【2 9 1 。目前， 数据库系统安全与网络安全、操作系统安全等一起构成了信息系统安全最主要的研究领 域。 一般来说，数据库系统的安全需求可以归纳为完整性、保密性和可用性三个方面。 ( 1 ) 数据库的完整性 数据库系统的完整性主要包括物理完整性和逻辑完整性。物理完整性是指保证数据 库的数据不受物理故障( 如硬件故障、掉电等) 的影响，并有可能在发生灾难性毁坏时 对数据库进行重建和恢复。逻辑完整性是指对数据库逻辑结构的保护，包括数据的语义 完整性与操作完整性。语义完整性主要指数据存取在逻辑上满足完整性约束，操作完整 性主要指在并发事务中保证数据的逻辑一致性。 ( 2 ) 数据库的保密性 数据库的保密性是指不允许未经授权的用户存取数据。一般要求对数据库用户的身 份进行标识与鉴别，并采取一定的访问控制策略以保证用户仅能访问授权数据，可以对 同一组数据的不同用户赋予不同的存取权限。同时，还应能够跟踪和审计用户的访问操 作。此外，还应该控制用户能通过推理的方式从经过授权的已知数据获取未经授权的数 据，造成信息泄漏。 ( 3 ) 数据库的可用性 数据库的可用性是指不应拒绝授权用户对数据库的正常操作，同时保证系统的运行 效率并给用户提供友好的人机交互界面。一般而言，数据库的保密性和可用性是一对矛 盾。对这一矛盾的分析与解决构成了数据库系统的安全模型和一系列安全机制的主要目 标。 1 3 2 关系数据与多媒体数据的区别 从2 0 世纪9 0 年代开始的多媒体水印技术的研究已取得长足进展，在多媒体数据版 权保护领域得到有效应用。与多媒体数据相比，关系数据具有特殊性，在其中难以直接 5 基于独立分量分析的数据库水印技术研究 获得能插入水印标记的可辨认冗余空间，因而数据库水印算法的研究具有一定难度。概 括起来，关系数据与多媒体数据在水印技术上的主要区别包括 2 9 3 s 。 ( 1 ) 多媒体数据对象是由大量的位组成的，并且许多位是冗余的。关系数据则是由许 多独立的元组组成，难以找到可辨认的冗余空间。 ( 2 ) 多媒体数据对象各个点之间主要存在空间上的有序关系，而组成关系数据库的元 组之间以及元组的属性值集合之间是无序的。 ( 3 ) 多媒体数据对象某个部分的删除或替换，很容易引起知觉上的变化，而关系数据 库却可以简单地去掉一些元组或者用其他类似的关系数据中的元组来代替而不易被发 觉。这使得数据库水印易于被攻击而难以发现。 ( 4 ) 多媒体数据可以基于人类视觉模型( h u m a nv i s i o ns y s t e m ，简称h v s ) 或听觉模 型( h u m a na u d i t i o ns y s t e m ，简称h a s ) 来实现数字水印的隐蔽嵌入。数据库数据主要 被机器程序读取和处理，难以适用感官模型。 ( 5 ) 静态的多媒体数据很少进行更新，而数据库一般更新频繁，这就要求数据库水印 有较高的鲁棒性，能容忍正常的数据增加、删除、修改、排序等操作，保持水印信号的 同步。同时，要求水印信号的检测与提取不需要正版数据库与原始水印的参与，实现水 印的盲检测( b l i n dd e t e c t i o n ) 。 由于上述差异，多媒体水印技术不能直接应用于数据库水印，必须开发适用于数据 库的数字水印技术。另一方面，多媒体水印的技术原理则对数据库水印技术的研究具有 一定的借鉴意义。 1 3 3 数据库水印研究进展 近年来，国内外研究者在数据库水印方面取得了一些新的进展，主要包括- 对提高数据库水印的鲁棒性和安全性的研究，对水印宿主数据类型的扩展，数据库 水印向x m l 数据水印的扩展，对数据库数字指纹的研究，对流数据水印算法的研究等。 ( 1 ) 对提高数据库水印的鲁棒性和安全性的研究。数据库水印研究的主要目标之一是 提高数据库水印的鲁棒性和安全性。人们在积极探索如何使隐藏的信息可以避免有意或 无意的攻击，寻找对尽可能多的攻击算法有免疫性的数据库水印嵌入算法。牛夏牧等综 合r a g r a w a l 和r s i o n 的数据库水印算法，在嵌入水印之前引入数值可更改范围的约 束限制，对满足该约束限制的属性值的最低有效位嵌入信息 3 0 】，张勇等结合李德毅院士 的云模型理论研究了关系数据库中水印信号的嵌入和提取【3 。 ( 2 ) 对水印宿主数据类型的扩展。现有的数据库水印技术大多是对数值型字段进行标 记，而在非数值型数据中因为很难找到可辨认的冗余空间，给水印的安全嵌入带来一定 的困扰。只有解决了非数值型数据的水印嵌入问题，数据库水印技术才具有真正的实用 6 西华大学硕士学位论文 性。文献【3 2 】采用同义词替换的方法实现了一种字符型数据的水印算法：r s i o n 将其利 用序列数据的分布特性来实现水印嵌入的思想扩展到非数值字段，利用属性数据和主键 值之间的关系构造冗余空间，实现了一种非数值型数据的水印嵌入算法【3 3 1 。 ( 3 ) 数据库水印向x m l 数据水印的扩展。x m l 正在成为网络时代的数据标准，未来 数据库的发展趋势也会向x m l 数据库过渡。目前，x m l 数据与关系数据的相互映射 算法己得到深入研究，但无论是n a t i v e - x m l 数据库，还是x m l e n a b l e d 数据库，树型 数据结构中的信息隐藏与关系数据有许多不同。w n g 等提出了两种x m l 数据的水印 算法：选择性方法和压缩方法【3 2 1 ，g r o s s a m b l a r d 应用形式化语言对水印数据库与x m l 数据的查询问题进行了研究，提出一种在可接受的数据失真的情况下实现参数查询的数 据库与x m l 水印算法【3 4 1 。 ( 4 ) 对数据库数字指纹( d i 百t a lf i n g e r p r i n t i n g ) 的研究。与一般用于数字版权保护的 数字水印不同，数字指纹把版权信息嵌入到被分发的每一份数字拷贝中，使得该拷贝是 唯一的，通过检测数字指纹可以追踪到非法散布数据的用户，达到保护知识产权、惩戒 盗版者的目的。数字指纹除了可能受到鲁棒性攻击之外，还必须考虑多个用户联合起来 去除指纹以躲避跟踪的合谋攻击。c c o n s t a n t i n 等研究了保持数据完整性约束条件下适 用于数据库与x m l 文档的通用数字指纹算法【3 5 】，y l i 等扩展了r a g r a w a l 的数据库 水印算法，提出了一种数据库数字指纹嵌入模式，并对其鲁棒性进行了定量分析【3 6 1 ，实 验显示能够抵抗常见的合谋攻击。 ( 5 ) 对流数据水印算法的研究。流数据的特点是数据持续到达、速度快、规模大，具 有实时性、连续性、顺序性等特点。流数据处理算法的特点是在远小于数据规模的内存 空间里实时处理，单遍扫描【3 丌。股票交易数据、传感器网络采集数据、w e b 网站点击流 等等都是典型的流数据。流数据水印算法的难点在于只能占用有限的时间与空间资源对 数据进行单遍处理。流数据水印技术的研究文献始见于2 0 0 6 年，文献【3 8 】应用数字水印 进行流数据的版权保护；文献【3 9 】研究了用于流数据完整性验证的水印算法。随着流数据 应用越来越广泛，其安全保护需求越来越迫切，作为版权保护和完整性验证的有效手段 的流数据水印技术将得到越来越深入的研究和应用。 从现有的成果来看，数据库水印技术的研究历史不长，成熟的算法并不多见。目前 对数据库水印的研究主要集中于对数值型数据的水印嵌入，水印的安全性与鲁棒性大多 未达到实用水平，水印的应用也主要集中于数据库版权保护。 1 4 数据库水印特征 一般地，数据库水印应具有以下主要特征： 基于独立分量分析的数据库水印技术研究 ( 1 ) 隐蔽性。隐蔽性也称为不可感知性。对合法的数据库使用者而言，水印信号应是 不可感知的，不影响载体数据的可用性。 ( 2 ) 鲁棒性。鲁棒性也称稳健性、顽健性，是指含水印的数据库经过常规的数据库操 作及常见攻击后仍能保持水印信号的能力。用于版权保护的数据库水印应具有鲁棒性， 水印信号应难以擦除或伪造；数据的正常更新应该不破坏已存在的水印；水印检测应具 有较低的虚警率与漏检率。 ( 3 ) 安全性。安全性主要是指从密码学的角度反映的水印抵抗恶意攻击的能力。安全 性以鲁棒性为基础，一般来说，水印算法是公开的，系统的安全性主要依赖于密钥。攻 击者在知道或部分知道数字水印算法的情况下，恶意进行各种水印攻击。这就要求水印 算法应该是安全的；密钥的搜索空间应尽量大；密钥管理机制安全可靠。 ( 4 ) 可证明性。水印应能为受到保护的载体数据库提供完全和可靠的证据。水印算法 应能够识别被嵌入到数据库中的信息，并能在需要的时候将其提取出来。水印信息应能 够实现判别数据库的版权归属、验证数据真实性与完整性、监视数据库的非法传播及盗 版跟踪等功能。 ( 5 ) 动态更新能力。这是数据库水印区别于多媒体水印的显著特点，从概念上也可以 归入鲁棒性。由于数据库数据一般更新频繁，因此要求正常的对数据库元组的增加、删 除、修改、排序等操作，不应破坏己存在的水印；新的水印应随着数据的更新动态嵌入， 只需对新增或被修改的部分元组运行水印算法。 ( 6 ) 盲检性。由于数据库一般更新频繁，水印的检测与提取应无需原始数据库的参与， 一般只需凭借密钥即可完成对水印的检测与提取。否则，必须为数据库的每次更新保留 版本，这样的开销是巨大的，也使水印检测过程变得异常繁琐。 上述特征中，隐蔽性与鲁棒性通常是一对矛盾，需要合理设计水印算法，找到较佳 的平衡点。 1 5 数据库水印的分类及其应用领域 对于数据库水印，可以分别从水印特性、水印用途、水印载体数据类型、水印密钥 类型等不同角度对其进行分类。 西华大学硕士学位论文 权的准确无误的标识。因为数据库水印经常面临着用户或侵权者无意或恶意的破坏，因 此，鲁棒数据库水印技术必须保证在宿主信号可能发生的各种失真变换下，以及各种恶 意攻击下都具备很高的抵抗能力。与此同时，由于要求保证原始信号的感知效果尽可能 不被破坏，因此对鲁棒数据库水印的不可见性也有很高的要求。 脆弱水印最重要的特性就是脆弱性，也称易碎性、易损性。主要用于数据的真伪鉴 别和完整性鉴定，又称为认证。该水印技术在原始真实信号中嵌入某种标记信息，当嵌 入水印的数据遭到篡改时，通过对水印的检测，鉴别这些标记信息的改动，可以对载体 数据是否进行了修改及何处进行了修改等进行判定。脆弱水印一般用于对数据库的内容 完整性验证。脆弱水印与鲁棒数字水印最大的区别是，脆弱数字水印应随着主信号的变 动而做出相应的改变，即体现出脆弱性。 ( 2 ) 按用途划分 按水印的用途划分，数据库水印可以分为版权认证水印、内容验证水印与拷贝控制 水印。 函， 版权认证水印是目前研究最多的一类数字水印，这是数据库水印最基本的应用，用 来标识数据库的所有权归属，它主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的要求相对较小。 一般通过鲁棒水印来实现