（计算机软件与理论专业论文）数据库水印技术的研究.pdf

摘耍 摘要 随着计算机技术和网络技术的发展，在网络环境下的数据库应用也越来越 多，迫切需要为数据库提供版权保护，因此，人们想到了利用数字水印技术来解 决数据库的版权保护问题。 由于数据库数据量大但冗余小，需要对数据进行一定的正常操作等特点，不 能将传统多媒体数字水印技术直接应用到数据库中。必须研究数据库和数字水印 技术的特点，开发一种满足数据库版权保护的水印技术，来解决数据库的版权保 护问题，因此人们提出了数据库水印技术。数据库水印技术从原理上与传统的多 媒体水印技术相类似，都是在载体中隐蔽嵌入一些难以去除的信息，在需要的时 候又能准确地还原所嵌入的水印信息的一种技术。 本文旨在研究现有的数据库水印技术的基础上，提出了一种可以实时嵌入数 据库水印的方案，并初步实现了原型系统r 、m s 水印系统。该方案分为水印的 生成、水印嵌入、水印提取三个过程。首先是将不同形式的版权信息转换为二进 制信息流；第二步根据嵌入密钥、数据主键和属性三者生成1 6 0 位的h a s t l 值， 对数据进行标记并分组，然后嵌入算法确定该数据是否需要嵌入水印，在嵌入的 时候采用单位嵌入和不重要位嵌入相结合的方法进行水印嵌入，仿真实验表明， 这种嵌入方法有效利用了数据本身的特性来携带水印信息，隐蔽性强且对数据有 用性影响小。第三步是检测与提取，在提取的时候，同样根据嵌入密钥、数据主 键和属性的h a s h 值进行判断数据所在的分组，是否嵌入有水印信息，然后由提 取算法进行水印信息的提取，在提取过程中对在分组中提取的水印信息采用多数 选举法进行纠错，有效保证了水印信息提取的准确性，从而得到原始的版权信息。 实验表明，本文提出的r w r d s 水印方案具有嵌入灵活方便，安全性高，能 抵抗常见的各种攻击，同时还可以实时在线嵌入，满足数据库的正常操作等特点。 关键字：数据库水印版权保护数字水印鲁棒性 广东工业大学工学硕士论文 a b s t r a c t w “ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k ，t h e r ea r em o r ea n d r n o r ed a t a b a s ea p p l i c a t b n si nn e t w o r ka n di ti su r g e n tf o rt h ec o p y r i g h tp r o t e c t i o no f d a t a b a s e s op e o p l er e s e a r c ht h et e c h i l o l o g yo fd i g i t a lw a t e m 墒r kt op m t e dt h e c o p y r i g h to f d a t a b a s e t h ed a t a b a s e1 1 a sl a r g en u m b e ro fd a t ab u tl i t t l er c d u n d a n c ya t l d “n e e d ss o m e o p e r a t i o n sn o 珊a l l y ，s o “c a n ta p p l yt h et r a d h i o n a ld i g i t a lw a t e r m a r kt e c l n o l o g yt o d a t a b a s ed i r e c t l y i ti sr e q u i r es t u d y i n gt h ec h a r a c t e r so fd a t a b a s ea 1 1 dw a t e r m a r k t e c l l i l o l o g y ，d e v e l o p 访gaw a t e n l l a r km e c h a n i s mt os a t i s 母c o p y r i g h tp m t e c t i o no f d a t a b a s e i ti sc a l l e dd a t a b a s ew a t e r m a r kt e c l n o l o g yi ti ss i m i l a rw “ht h em u n i m e d i a w a t e n n a r kt e c h o l o g y ；i tc a ne m b e ds o m ei i l f o r m a t i o nt h a th a r dt ob ew i p e do f ri n t o c a 玎i c ra n di tc a nb ee ) ( t r a c i e dc o r r e c t l ymn e e d b a s e do nc u r r e md a t a b a s ew a t e m l a r kt e c h n o l o g y ，m i sp a p e rp u t sf o r 、v a r da d a t a b a s ew a t e r m a r ks c 1 c m ew “hr e a l t m l ee m b e d d i n ga n di i l l p l e m e m sap m t a t y p eo f r w r d s t h es c h e m ei s c o m p o n e n to ft h r e ep r o c e s s e s ：w a t e r m a r kg e n e r a t i o n ， e m b e d m e n ta 1 1 de x t r a c t i o n f i r s to f a l l ，i tt r a l l s f o n n sd i 在b r e n tc o p ”i g h ti n f o 硼a t i o nt o b i i l a i ys t r e 唧；t h es e c o n d ，a c c o r d i l l gt oac r y p t o g r a p h i ck e y e dh a s ho fp r h m r yk e y a n da t t m l u t e ，“1 a b e l st h cf i e l dw i t ht h eh a s hv a l u ea l l dg r o u p st h ed a t a ，t h c ne m b e d w a t e n 】1 a r kc o r r e s p o n d st od i 任b r e n tg r o u pd a t a t h ee m b e da k o 血si sc o m b i i l e d s i n g l eb i tw i t ht h cl e a s ts 培n m c a n tb “a 1 1 ds 曲u l a t ee x p e r 曲e n ts h o w st h ca k o r i 血m t a k e su s eo ft h co r i g i n a ld 砒at ol l i d ew a t c m m ke m c i e n t l ya n dt a k e sam i l l i m a l i i l n u e n c e st od a t a t h e1 a s ts t 印i st oe ) ( t r a c t 、a t c r r r l a r kb a s eo nh a s hv a l u ea n dt a l ( e r n 勾o r “yv o t et od e c i d et h ew a t e m l a r kb i t ，a n dt h e nr e c o v e rt h ec o p ”i g h ti n f o r 衄t i o n t h ee x p e r i m e ms h o w st h er w r d ss c l l e m ec a ne m b e dw a t e 瑚a r kc o n v e n i e m l y 锄dr e s i s t i l i a ra t t a c k sw i t hh 逸hs e c u r i t y ，a n di ta l s oc a ne 1 b e dr e a l - t i m eo n l i n e a n ds a t i s 母t h eo p e r a t i o n so f d a t d b a s e k e y ：d a t a b a s ew a t e r r n a r k ；c o p y r ig l tp r o t e c t i o n ；d i g i t a lw a t e r m a r k ；r o b u s 协e s s 第一章绪论 第一章绪论 随着计算机网络技术的发展，数据库在网络环境下得到了广泛应用，但也出 现了不少数据库版权侵犯问题。为了解决数据库版权保护，人们在不断研究新的 技术，近年来，越来越多人关注数据库水印技术的开发。 本章主要简单介绍数据库水印技术情况和本文所做的一些工作。 1 1 本课题的研究目的与意义 随着计算机网络技术的发展，数字信息交流非常容易，由于数字资源具有复 制简单、编辑容易的特点，使得数字资源的保护成为一个重要的问题。为了解决 数字资源的版权保护问题，国内外学者根据信息安全理论提出了一系列的解决方 案，包括密码学、数字签名、数字水印等，但密码技术容易暴露信息的重要性， 而且不能对解密后的数据提供迸一步的保护；数字签名不能在原始数据中一次性 嵌入大量信息和它的单向性问题等【”，因此，国内外学者提出了数字水印技术， 包括数字图像水印技术、音频水印技术、视频水印技术、文本水印技术、软件水 印技术、自然语言水印技术、网格水印技术掣”。 计算机技术发展和网络应用的发展应用也加快了网络环境下数据库的应用， 保护外发数据源的安全和版权归属问题的需求逐步增强，对于一些信息敏感的部 门的资料数据库，可能要以各种形式发布相关数据以供共享，但又要拒绝非法访 问、保护数据库所有者的权利等【2 1 ，主要包括防范数据被窃取、非法拷贝、版权 归属等，从而引发了数据版权保护的问题，因此需要一种机制来表明数据库数据 的所有权。能否利用水印技术对数据库提供保护引起了国内外研究者的兴趣。由 于数据库的特点，前述的多媒体水印技术又不能有效解决数据库的版权保护问 题，同时，数据库水印技术也面l 临许多其他水印技术所不同的问题，因此数据库 水印技术的开发成为当前水印技术研究的热点和难点之一。 本文旨在研究一种有效的数据库版权保护机制，解决当前的网络环境下的数 据库的版权保护问题。 广东工业大学工学硕士论文 1 2 数据库水印的研究情况 当前，随着数据库技术和网络技术的发展，网络环境下的数据库应用也越来 越多，数据库数据安全问题也非常突出，国内外学者近几年也对数据库系统安全 进行了大量研究，包括访问控制技术、数据安全等，目的是利用水印技术对数据 库的完整性控制、真实性验证来提供保护，数据库水印与多媒体数字水印的原理 基本相同，是采用非加密方法保护数据的安全和证明归属性，且在数据中添加的 水印不会影响原有数据对象的正常使用 2 】。 国内外学者也提出了一些数据版权保护的初步技术方案，主要包括如下： ( 1 ) i b ma 1 m a d e n 研究中心的r a k e s ha g r a w a l 和j e h yk i e m a n 针对特定的 数据库中的数值型数据，假定每个字段能够添加水印，根据水印密钥和关键字确 定需要标记的字段和位置，研究了一种数据库水印方案，并进行了水印的嵌入和 攻击实验【3 】。但该方案水印嵌入对数据修改较大，对小数据的嵌入容易越出数据 的有用性要求，从而限制了该方案的使用范围。 ( 2 ) 美围p l l r d u e 大学的r a d us i o n 和m i k h a i la t a l l a l l 等人提出的关系数据库 水印技术，实现了水印的嵌入、提取等，它是基于“均方差”特性对数值型数据 的关系数据进行误差校验i 。这种处理方法对于具有相同分布、数值相差不大的 数据较适合，但关系数据库中不同字段的取值范围各不相同，因而限制了水印的 嵌入位置。 ( 3 ) 解放军通信工程学院的张勇在导师李德毅院士指导下进行的基于云模 型的水印关系数据库研究，主要结合云模型理论，提出云水印关系数据库，研究 了基于主键值和基于内容为特征的数据库水印方案。但云模型的缺点是难以嵌 入有意义的信息。一个n 维正态云，每一维用三个数字特征完整地表示，如果用 这些数字特征作为水印的话，能嵌入的有意义信息相当有限 5 1 。 ( 4 ) 美国g e o 曙em a s o n 大学的g u oh u i p i n g 等人提出的关系数据库的脆弱 水印系统【“。在文中作者从脆弱性水印技术的角度出发，研究了数据库水印的技 术方案。但该方案需要对所有数据进行h a s h ，这将导致水印抵抗攻击的能力下 降。 ( 5 ) 国内的其他一些学者提出的关系数据库水印技术【5 】【7 。1 “。这些技术方案 第一章绪论 从不同的应用角度出发，根据数据特点提出了数据库水印方案，但没有形成一个 普遍使用的数据库水印方案，而且在这些方案中的水印嵌入过程中涉及到数据子 集排序，对于已经水印后的数据库增加数据时，需要对这些子集重新水印，这样 不利于数据库在线的水印实时嵌入。 在这些技术中，已经具备多项专利【1 【3 。5 1 。该领域吸引了越来越多的研究者 进行研究，国内外也还不断提出新的思想来解决关系数据库水印问题。目前，数 据库水印的研究主要集中在数值型数据进行添加水印的方法，在其他数据类型中 添加水印的方法还是非常少，这是由于数据库与传统的多媒体数据有一些不同的 特点决定的。 根据数字水印技术的要求，水印要嵌入到载体中，载体必须提供水印嵌入的 位置，但在数据库库中，虽然数据量大，但数据的冗余非常小，在数据库中很难 提供类似多媒体数据那样的冗余空间来嵌入水印信息，因此在数据库中要嵌入水 印信息与传统的多媒体数据有很大的不同，必须考虑在很小冗余空间的情况下嵌 入水印信息，所以目前研究考虑在保证数据有用性的前提下，在数据误差允许范 围内对数据进行修改以达到嵌入水印的目的。同时，数据库中的数据相对来说是 无序的，要满足数据重排操作等正常的数据库操作，这对数字水印技术提出了一 定的难度，目前是采用h a s h 值的方法将这种数据的相对无序状态转变为相对稳 定的有序状态【1 】【3 。5 1 。 1 3 本文的目的和相关工作 本文的研究目的旨在研究一种有效的数据库版权保护机制，在分析现有的数 据库水印理论和实验的基础上，提出了一种改进的数据库水印方案并实现一个原 型系统r 、m s 。利用该水印系统，可以在基于关系数据库中的数值型数据中添 加位流形式的水印信息，实现了对数据库版权的保护，并可以在网络环境中的实 现数据的访问控制。 本文所做的工作包括： ( 1 ) 查阅了国内外的大量有关数字水印和数据库水印方面的文献，研 究了目前正在发展中的数据库水印方案，并学习了各种方案的优 点，同时指出一些方案存在的不足。 广东工业大学工学硕士论文 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 研究了数字水印技术对数据库的要求和数据库对水印技术的要 求，从而总结了数据库水印具有的特点，对数据库水印的功能和 实现有明确的目标。 提出了一种新的数据库水印方案r w r d s ，该嵌入算法具有嵌入 安全，对数据修改小，可以实现对在线的数据库进行实时嵌入水 印等优点。 进行了相关的仿真实验。初步实验结果显示r w i s 水印方案能 够实现数值型数据的水印嵌入，完成了数据库水印的功能，而且 可以抵抗常见的恶意攻击，具有较强的鲁棒性。 开发了数据库水印系统r 、s ，主要包括水印的嵌入、水印提 取和其他一些系统功能模块。 1 4 本文的组织 本文共分为五章。 第一章对论文的相关背景作了简单的介绍，概括了当前数据库水印研究的情 况，综述了数据库水印的研究目的和意义，简要介绍了本文的目的和所作的相关 工作。 第二章介绍了传统的多媒体水印的技术、分类、算法、特征和常见的攻击， 并介绍了本文要研究的关系数据库的相关知识。 第三章分析了水印技术对数据库的要求和数据库对水印的要求，提出了数据 库水印的特点和应解决的关键问题。根据数据库水印的功能，逐步分析了实现方 法。 第四章提出了本文的数据库水印系统r w r d s ，对该系统的每一步实现从技 术原理角度作了详细的论述，提出了水印的嵌入算法和提取算法，并作了相关的 仿真实验。 第五章实现了初步实现了数据库水印系统原型砌r d s ，介绍了该原型系统 包括的功能模块等。 最后给出了本文的结论。 量三篓鍪三查竺量耋重兰堑窒 第二章数字水印与关系数据库 数据库水印技术是基于数字水印技术和数据库技术的，它们之间有着密切的 关系，先要了解这两部分的基本内容。本文以关系数据库为研究对象，本章将介 绍数字水印技术和关系数据库这两方面的知识。 2 1 数字水印技术 数字水印技术是信息安全的一个重要研究方向，是信息保护的一种方法。这 部分介绍数字水印技术的原理及其发展。 2 1 1 数字水印技术的概述 保护信息的基本方法有两种：一种是加密技术，利用密码学方法对明文实施 各种变化，使它不为外人所理解。但加密技术在防止他人从中获得明文信息的同 时，也暴露了信息的重要性，往往成为攻击的目标。另一方法就是信息隐藏技术， 利用载体信息中具有随机冗余信息部分，将重要信息嵌入载体信息中，使其不被 他人发现。在实际应用中，由于存在冗余信息的载体非常丰富，这种把重要信息 隐藏起来的技术使攻击者很难获取秘密信息的位置，从而增强了安全性【l “。 信息隐藏技术的一个非常重要的分支就是数字水印技术。所谓的数字水印技 术【l 】，就是将代表数字媒体著作权人的身份的特定信息、用户指定的标志或者序 列码等，按照某种方式嵌入被保护的信息中，在产生版权纠纷时，通过相应的算 法提取出该数字水印，从而验证版权的归属，确保著作权人的合法利益，避免非 法盗版的威胁。被保护的信息可以是任何一种数字媒体，如软件、图像、音频、 视频或一般性的电子文档等。数字水印是嵌入在数字产品中的数字信号，水印的 存在要以不破坏原数据的欣赏价值、使用价值为原则。 从技术上讲，数字水印技术使用的思想主要来源于信息隐藏技术，但信息隐 藏技术只是强调信息的隐藏，而数字水印技术不仅强调信息的隐藏，而且强调隐 藏的信息不被人篡改或者去除，或者在一定程度的篡改或者去除后，仍能提取出 原来隐藏的信息内容，这也是数字水印与信息隐藏区别之处。 广东工业大学工学硕士论文 目前，已经有多种数字水印技术，主要包括图像水印技术、音频水印技术、 视频水印技术、文本水印技术、软件水印技术、自然语言水印技术、网格水印技 术等。在实用化方面，日本电气公司、日立制作所、先锋、索尼及美国商用机器 公司等正在联合开发统一标准的基于数字水印技术的d v d 影碟防盗版技术，使 得消费者可以在自用的范围内复制和欣赏高质量的动画图像节目，而以盈利为目 的的大批量复制则无法进行。德国最近在利用数字水印技术来保护和防治伪造电 子照片的技术方面取得了很大进展，该技术可以用于个人身份证的防伪。1 9 9 8 年，美国版权保护技术组织成立了专门的数据隐藏小组，考虑制订版权保护水印 的技术标准，并提出了一些基本要求。此外，由欧洲委员会资助的几个国际研究 项目也正在致力于实用的水印技术的研究 1 2 】。 2 1 2 数字水印的分类 目前，对于不同的使用环境，已经有多种数字水印技术。可以从不同的角度 进行划分。 ( 1 ) 按特性划分 按水印的特性可以将数字水印分为鲁棒数字水印和脆弱数字水印两类。鲁棒 数字水印主要用于在数字作品中标识著作权信息，如作者、作品序号等，它要求 嵌入的水印能够经受各种常用的编辑处理；脆弱数字水印主要用于完整性保护， 与鲁棒水印的要求相反，脆弱水印必须对信号的改动很敏感，人们根据脆弱水印 的状态就可以判断数据是否被篡改过。 ( 2 ) 按水印所附载的媒体划分 按水印所附载的媒体，我们可以将数字水印划分为图像水印、音频水印、视 频水印、文本水印、软件水印、自然语言水印、数据库水印以及用于三维网格模 型的网格水印等。 ( 3 ) 按检测过程划分 按水印的检测过程可以将数字水印划分为明文水印和盲水印。明文水印在检 测过程中需要原始数据，而盲水印的检测只需要密钥，不需要原始数据。一般来 说，明文水印的鲁棒性比较强，但其应用受到存储成本的限制。目前学术界研究 的数字水印大多数是盲水印。 6 第二章数字水印与关系数据厍 ( 4 ) 按内容划分 按数字水印的内容可以将水印划分为有意义水印和无意义水印。有意义水印 是指水印本身也是某个数字图像( 如商标图像) 或数字音频片段的编码；无意义 水印则只对应于一个序列号。有意义水印的优势在于，如果由于受到攻击或其他 原因致使解码后的水印破损，人们仍然可以通过视觉观察确认是否有水印。但对 于无意义水印来说，如果解码后的水印序列有若干码元错误，则只能通过统计决 策来确定信号中是否含有水印。 ( 5 ) 按用途划分 不同的应用需求造就了不同的水印技术。按水印的用途，我们可以将数字水 印划分为票据防伪水印、版权保护水印、篡改提示水印和隐蔽标识水印。 票据防伪水印是一类比较特殊的水印，主要用于打印票据和电子票据的防 伪。一般来说，伪币的制造者不可能对票据图像进行过多的修改，所以，诸如尺 度变换等信号编辑操作是不用考虑的。但另一方面，人们必须考虑票据破损、图 案模糊等情形，而且考虑到快速检测的要求，用于票据防伪的数字水印算法不能 太复杂。 版权标识水印是目前研究最多的一类数字水印。数字作品既是商品又是知识 作品，这种双重性决定了版权标识水印主要强调隐蔽性和鲁棒性，而对数据量的 要求相对较小。 篡改提示水印是一种脆弱水印，其目的是标识宿主信号的完整性和真实性。 隐蔽标识水印的目的是将保密数据的重要标注隐藏起来，限制非法用户对保密数 据的使用。 ( 6 ) 按水印隐藏的位置划分 按数字水印的隐藏位置，我们可以将其划分为时( 空) 域数字水印、频域数 字水印、时频域数字水印和时间，尺度域数字水印。 时( 空) 域数字水印是直接在信号空间上叠加水印信息，而频域数字水印、 时频域数字水印和时间尺度域数字水印则分别是在d c t 变换域、时频变换域 和小波变换域上隐藏水印。 广东工业大学工学硕士论文 2 1 3 数字水印的典型算法 通用的数字水印算法包含水印嵌入和水印提取或检测这两个基本方面1 。从 算法的种类看，水印算法基本上可分为两大类：一类方法是将数字水印按某种算 法直接叠加到图像的空间域( s p a t i a l d o m 血) ，另一类方法是先将图像做某种变 换( 特别是正交变换) ，然后把水印嵌入到图像的变换域( t r a l l s 南md o m a i n ) 。 目前国内外实现水印技术的典型算法有旧： ( 1 ) 最低有效位算法( l s b ) 它是国际上最早提出的数字水印算法，是一种典型的空间域信息隐藏算法。 它可以隐藏较多的信息，但当受到各种攻击后水印很容易被移去。 ( 2 ) p a t c h w o r k 算法 麻省理工学院媒体实验室提出的一种数字水印算法，主要用于打印票据的防 伪。其缺陷是所隐含的数据量较少，对仿射变换敏感。 ( 3 ) 基于d c t 的频域水印算法 这是目前研究较多的算法。它具有鲁棒性强、隐蔽性好等特点，尤其可以与 j p e g 、m p e g 等压缩标准的核心算法相结合，能较好地抵抗有损压缩。 ( 4 ) 扩展频谱方法 扩频通信技术在数字水印中的应用，其特点是应用一般的滤波手段无法消除 水印。 ( 5 ) 小波变换( w r ) 算法 已有一些学者研究了在小波域中隐藏数字水印信息的算法，并取得了较好的 效果。 虽然有一些研究算法和技术可以抵抗常见的噪声干扰、j p e g 有损压缩等， 但对于抵抗剪切、缩放、旋转、最新的j p e g2 0 0 0 压缩标准及d 、d a 变换等 处理和攻击却很少，尤其是不能抵抗信号处理和几何变换的联合攻击。 从目前的情况看，变换域方法正变得日益普遍。因为变换域方法通常都具有 很好的鲁棒性，对图像压缩、常用的图像滤波以及噪声污染均有一定的抵抗力。 但是空间域方法的优点是其算法简单，计算速度比较快，但鲁棒性相对较差。 第二章数字水印与关系数据库 2 1 4 数字水印的基本特征 数字水印是嵌入在数字产品中的数字信息，它的存在是不破坏原有数据的使 用价值为前提的。数字水印从技术上修改了原来的数据，是尽量最小程度改变数 据而保持其原有价值，为了保持原有数据的应用，数字水印必须能够满足对原有 数据的些操作。 数字水印在不同的应用情况不同，具有不同的特征，但总的说来，不同的数 字水印技术一般都具有如下的特征1 8 】1 1 3 】： ( 1 ) 隐蔽性：不能因为加了水印而降低了数据的使用价值，数据的使用 者应该感觉不到水印的存在，即数字水印对数据的正常使用没有影 响，也就是对用户来说不可感知的。 ( 2 )鲁棒性：数字水印可以满足用户对数据的正常操作而不会导致水印 信息的丢失，即数字水印是难以清除的，如果水印信息破坏，则原 来的数据质量也会严重破坏。因此，数字水印是可以抵抗常见的恶 意攻击的。 ( 3 ) 安全性：水印信息与原来数据融为一体，嵌入水印后的数据与原来 数据具有相同的分布而不可能被攻击者发现水印的位置。对攻击者 来说，即使是对大量嵌入水印后的数据进行分析也不能提取水印或 确定水印的存在，更不能更改水印的信息。 ( 4 )检测性：能够在嵌入水印信息的数据中提取原来的水印信息，而且 在原来数据一定程度的丢失或被修改后仍能提取水印信息。即数字 水印能为数据提供版权保护，能对数据产品的归属提供完全和可靠 的证据。 通常情况下，数字水印还要求具有盲检性，即水印信息检测不需要原始 数据也不需要知道原来嵌入的水印信息都可以提取出所嵌入的水印信息等。 2 1 5 数字水印常见攻击 由于数字水印的主要目的是版权保护，证明宿主信息的所有权，因此针对数 字水印的攻击方式很多，在文献【1 3 】中指出，广义上的水印攻击包括针对鲁棒性 广东工业大学工学硕士论文 的常规信号处理操作，针对安全性的恶意攻击以及针对水印应用系统和法律问题 的攻击。攻击技术可以分为三大类：鲁棒性攻击。这种攻击是指含水印作品在 检测前必须经历或者可能经历的常规信号处理操作。安全性攻击。这种攻击是 指攻击者为了政治、经济或军事利益或者纯粹为了恶作剧而对水印算法、水印密 钥或者含水印作品所进行的各种恶意攻击。系统攻击。这种攻击不是针对水印 算法的鲁棒性和安全性，而是针对水印应用系统中所涉及的其他问题( 如硬件设 备问题、标准化问题和法律问题) 。狭义上的攻击则是指针对安全性的恶意攻击 和系统攻击。也有人把鲁棒性攻击归入安全性攻击中的一种。也可以把攻击分为 无意攻击( 鲁棒性攻击) 和恶意攻击( 安全性攻击和系统攻击) 两大类。也有人 把攻击分为主动攻击和被动攻击两大类【1 3 】。 例如根据隐藏载体以及载体传输过程中可能遭到的破坏和攻击的类型不同， 可以分为：对载体的破坏包括非恶意的和恶意的，非恶意的破坏例如载体 在传输过程中叠加了噪声、受到有损压缩等，而恶意的破坏旨在消除隐藏的秘密 信息；对数字图像的常见破坏主要有：图像加噪、低通滤波、有损压缩、图像剪 切、图像拼接、图像大小变化、图像旋转、打印扫描等；对数字视频的常见破坏 主要有：加噪、视频压缩编码、丢帧、插帧、帧重组、视频流剪切和拼接等；对 数字音频的常见破坏主要有：加噪、滤波、语音压缩编码、数模模数转换、重采 样、采样率变化等；对于数据集合的常见破坏主要有数据跨平台的格式转换、数 据删除、数据添加等。 有关数字水印的技术文章介绍有很多【”瑚】，国内外对数字水印技术的研究非 常深入，而且取得了很广泛的应用。 2 2 关系数据库 为了解决数据库版权问题，必须要有一种方法对数据库数据嵌入唯一标志的 技术，从而可以利用数字水印技术对关系数据库数据进行版权管理。本文以关系 数据库为研究对象，在关系数据库中添加水印，即关系数据库水印技术。这部分 先介绍关系数据库。 1 0 第二章数字水印与关系数据库 2 2 1 关系数据库概述 关系数据库”9 。4 川是采用关系模型作为数据的组织方式的数据库。关系模型建 立在严格的数学概念的基础上，1 9 7 0 年i b m 公司s a nj o s e 研究室的研究员 e f c o d d 发表了题为大型共享数据库的关系模型的论文，提出了数据库的关 系模型，奠定了关系数据库理论基础。7 0 年代末，关系方法的理论研究和软件 系统的研制均取得了很大成果，i b m 公司的s a nj o s e 实验室在i b m 3 7 0 系列机上 研制出关系数据库实验系统s y s t e mr 。1 9 8 1 年，i b m 公司又宣布研制出具有 s y s t e mr 全部特征的数据库软件新产品s q l d s 。与s y s t e mr 同期，美国加州 大学柏克利分校也研制了i n g r e s 数据库实验系统，并由i n g r e s 公司发展成 为i n g r e s 数据库产品，使关系方法从实验走向了市场。关系数据库产品一问世， 就以其简单清晰的概念，易懂易学的数据库语言，使用户不需了解复杂的存取路 径细节，不需说明“怎么干”，只需指出“于什么”就能操作数据库，而深受广 大用户喜爱，涌现出许多性能优良的商品化关系数据库管理系统，即r d b m s 。 著名的d b 2 、o r a c l e 、1 1 w e s 、s y b a s e 、i n f 0 珊i x 、s q ls e v e r 等都是关系数据库 管理系统。关系数据库产品也从单一的集中式系统发展到可在网络环境下运行的 分布式系统，从联机事务处理到支持信息管理、辅助决策，系统的功能不断完善， 使数据库的应用领域迅速扩大。 关系数据库系统是支持关系模型的数据库系统。关系模型由关系数据结构、 关系操作集合和关系完整性约束三部分组成。在关系模型中，现实世界的实体以 及实体之间的各种联系均用关系来表示。在用户看来，关系模型中数据的逻辑结 构是一张二维表。关系模型中常用的关系操作包括：选择、投影、连接、除、并、 交、差等查询操作和增加、删除、修改操作两大部分。 本文研究是以开源数据库进行数据库水印的相关研究和实验的。本文以s q l s e r v e r 为基础，进行研究。 2 2 2s q l 简介 s q l ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g i l a g e 结构查询语言) 是一个功能强大的数据库 语言【3 9 】1 4 0 】，是关系数据库的标准语言。s q l 不仅具有丰富的查询功能，而且具有 广东工业大学工学硕士论文 数据定义和数据控制功能，是集查询、d d l 、d m l 和d c l 于一体的关系数据语 言。 s q l 通常使用于数据库的通讯，a n s i ( 美国国家标准学会) 声称，s q l 是关系 数据库管理系统的标准语言。s o l 语句通常用于完成一些数据库的操作任务， 比如在数据库中更新数据，或者从数据库中检索数据。使用s o l 的常见关系数 据库管理系统有：o r a c i e 、s y b a s e 、s q ls e r v e r 、p o s t g r e s q l 【4 ”、m y s q l 、a c c e s s 、 i n g r e s 等。虽然绝大多数的数据库系统使用s ql ，但是它们同样有它们自立另外 的专有扩展功能用于它们的系统。标准的s o l 命令，比如”s e l e c t ”、 ”i n s e 、 ”u p d a t e ”、 ”d e l e 、 ”c r e a t e ”和”d r o p ”常常被用于完成绝大多数数据库的操作。 s q l 具有强大的功能，主要由三部分的语言来实现的： ( 1 ) d m l ( d a t a m a l l i p u l a t i o n l a i 哪a g e ，数据操作语言) ：用于检索或者修改数据： ( 2 ) d d l ( d a t ad e f h l i t i o nl a n g u a g e ，数据定义语言) ： 用于定义数据的结构， 比如创建、修改或者删除数据库对象； ( 3 ) d c l ( d a t a c o n 廿o l l a n g u a g e ，数据控制语言) ：用于定义数据库用户的权限。 兰三耋丝堡矍奎呈 第三章数据库水印 在网络环境下的数据库应用，数据的所有者担心数据被窃取、复制和非法传 播。数据库水印技术就是为了解决数据库版权问题的一种有效的机制，一方面可 以在发生版权问题的时候证明数据库的所有者：另一方面有可以运用这种机制来 进行数据库的安全访问控制。数据库水印技术与多媒体数字水印的原理基本相 同，但也有其特殊之处。 3 1 数据库特点 关系数据库中包含许多条独立的记录，且记录中的各字段都有一定的取值， 因而信息冗余空间极小。例如在数据库的结构定义中，某数值型字段可由整数部 分和小数部分组成，决定某字段的值主要在整数部分。在使用时可以给各字段定 义的精度高于实际应用需要，这样就可以对数字进行“截尾”、“四舍五入”等 取近似值的操作。因此基于这些自然特性，对关系数据库中字段的值进行微小修 改产生允许的变形，这样就能够对增加了冗余空间的数据库进行水印嵌入【2 1 。总 的来说，关系数据库中的数据与多媒体数据相比，具有以下的特征【1 l 【3 - 5 】【8 】【9 】： ( 1 ) 数据库数据量大，但数据冗余小。在多媒体中，一般是数据冗余大，这使 得水印可以很好地隐藏；但在数据库中，数据冗余小，水印的隐藏是一个 很重要也是具有挑战性的问题。 ( 2 ) 数据库中数据的无序性。多媒体媒体中的数据一般是有序的，而且相邻数 据往往具有较强的关联性，但数据库中的数据一般是无序的，是可以按照 一定的规则，重新排列次序的。 ( 3 ) 数据库中的数据进行运算的特性。多媒体的数据在不改变其原来意义的基 础上，一般是不能进行逻辑或算术运算的：但数据库中的数据往往要进行 逻辑或算术等运算。 ( 4 ) 数据库数据要满足更新的特性。多媒体的数据般不需要进行更新操作， 但数据库数据是经常要进行查询、更新等操作的。 广东工业大学工学硕士论文 基于数据库数据的特点，多媒体数字水印技术是不能直接应用于关系数据库 中的。但可以利用多媒体数字水印技术的原理，研究适合关系数据库的数据库水 印。 3 2 数据库水印分析 数据库水印方案主要可以分为两类鲁棒性水印和脆弱性水印保护方案【5 1 。文 献 5 提到鲁棒性水印方案主要应用于数据库的版权保护，攻击者试图清除水印 信息或者使水印信息不可检测而保持嵌入水印的数据可用，因此这种方案的水印 方案具有非常强的鲁棒性，能抵御各种恶意攻击；而脆弱性水印系统方案则主要 应用于数据的篡改检测，攻击者试图修改嵌入水印后的数据而保持嵌入的水印信 息不被改动，在脆弱性水印对数据的修改非常敏感，即使数据库中的数据被修改 而嵌入的水印信息也不受影响。 前面分析了关系数据库数据与多媒体数据和之间的不同，对于数据库水印必 须充分考虑到这些特点，并研究一套的机制才能有效解决，这正是数据库水印研 究的难点。为此，我们先分析数据库对水印技术的一些要求和数据库水印技术对 这些特点所作的技术解决方案。 3 2 1 数据库对水印技术的要求 任何载体的水印技术，水印后都不应该影响该载体的正常使用，关系数据库 水印技术也不例外，而且关系数据库是一种特殊的记录数据的载体，它对水印技 术有一些特殊的要求叫3 5 】【8 1 f 9 j ： ( 1 ) 可嵌入要求：由于数据库中数据冗余非常小，因此在关系数据库中水印的 嵌入位置比较难，只能不影响原来数据的可用性的基础上嵌入水印信息， 而且由于关系数据库中的数据一般具有很强的语法结构和语法意义，在水 印嵌入的时候不得与原有的语法结构和语法意义相矛盾，即有可能在某些 数据是不能修改的，这样的数据也就不能嵌入水印信息。 ( 2 ) 可操作要求：关系数据库数据需要进行一系列的运算，那么在进行一系列 的运算后，水印仍然要附着于关系数据库数据之上，这是水印关系数据库 1 4 第三章数据库水印 研究的难点之一。要求水印数据完全融入数据库中的原来数据中，均匀分 布于整个数据库。 动态性要求：数据拥有者对带有水印的数据库进行更新时，水印信息应该 随着数据的更新而嵌入，且更新数据的水印信息应与原数据库中的水印信 息保持一致。当有新的数据加入时，水印信息应能实时嵌入；有数据修改 时，水印信息不丢失；数据正常删除时，要保证数据库中的水印信息的完 整性。 盲检性：水印检测时，既不需要原始的水印信息，也不需要原始数据就可 以从关系数据库的水印数据中检测提取出水印信息，实现水印的盲提取。 这样确保非法复制的数据库副本中的水印总能被检测出来，而不需要依靠 可能已经更新的原始数据库，这些副本可能被进一步的数据整合，与原始 数据库可能有比较大的不同。 可管理性：带有水印的数据形成的数字产品，转移到带有水印管理功能的 或者兼容的数据库管理系统中仍然能够运行，水印可以随之迁移，不会轻 易丢失。 3 2 2 水印技术对数据库的要求 由前面的信息隐藏技术分析中我们知道，数字水印的一个重要特点是将水印 信息嵌入到载体中，与载体形成一个完整的整体。这也表明载体必须具有容纳水 印信息的位置。虽然关系数据库中的数据具有非常强的语法意义和语法结构，但 在一定的允许范围内，在保证数据可用性的前提下，对于大部分数据而言应该可 以作适当的修改，以提供水印信息嵌入的位置。也就是说关系数据库产品应允许 有或故意安排这样一些数据项【1 】 ”】，其属性值允许微小的改变却不影响用户的正 常使用，或者允许寄生、依附，否则水印无处藏身；带水印的数据版权拥有者可 自行恢复，对使用影响不大。对用户来说，对这类数据的正确性应有一定的容忍 度，通过牺牲数据一定的准确性来换取原始数据信息的版权保护是值得的。对于 不能够修改的数据，则不能嵌入相应的水印信息，以保证数据的可用性。 ) ) ) h 伯 广东工业大学工学硕士论文 3 2 3 数据库水印应解决的关键问题 通过对关系数据库水印技术难点及要求的分析，可以知道数据库水印技术方 案应具备一定的技术特点，并需要很好地解决关系数据库对水印技术的要求同时 要满足水印技术对数据库的要求，总的来说，要解决如下一些问题川【3 5 】： ( 1 ) 水印的嵌入：在不影响数据使用的前提下，应能够嵌入大量的水印信息， 且这些水印信息应散落在关系数据库数据中，与原来的数据融合在一起，具有较 强的附着能力，使攻击者很难更改或者去除水印信息。 ( 2 ) 鲁棒性：鲁棒性是指不因数据的某种改动而导致隐藏信息丢失的能力。鲁 棒性是数字水印技术非常重要的一点，如果一种水印方案的鲁棒性不好，则表明， 即使你加入了水印信息，同样会被攻击者很容易去除，那样也就失去了水印作为 版权保护的意义了。数据库水印同样要求较强的鲁棒性以满足数据库版权保护要 求。添加的数字水印应与数值型属性性质保持一致，水印信息嵌入容易，并与原 始数据达到不可分割的地步。 ( 3 ) 抗攻击性：数据库数据可能受到的攻击性比较特殊，一般情况关系数据库 水印技术应能在一定程度上应具备抵抗元组增加、元组删除( 选择) 、元组修改 和元组置乱等攻击的能力，带有水印的数据能够进行正常的关系运算。即要满足 数据的正常运算要求，同时要抵抗恶意攻击者的攻击。 ( 4 ) 水印的盲检：不需要原始水印信息或原始数据的参与就可以检测或提取出 隐藏在关系数据库数据中的水印信息。这种情况更一般的要求是，在水印检测要 求的最低限度的范围内要实现盲检，这时候很可能是待检测的数据只是占原始数 据很小的比例的情况下实现盲检。 ( 5 ) 水印安全性：将水印添加到哪个或者哪些数值型属性列以及选取哪些元组 作为嵌入对象是通过密钥来控制的，水印应具有较高的隐匿性。这也是水印安全 性的一个要求，如果攻击者获得大量数据后进行统计分析，可以得出水印嵌入的 位置，无疑这是一种不安全的水印方案。因此需要通过密钥来控制嵌入水印的位 置。 ( 6 ) 动态水印：在数据更新时，水印信息仍然能够随之更新，而且新添加的水 印信息与原来的水印应保持一致，同样都能够在提取时作为统计信息的一个部 第三章数据库水印 分。 ( 7 ) 二次水印问题：版权人对原始数据嵌入水印信息以后，数据产品可发布与 其他人共享。这时，如果非版权人拿到数据后再对数据进行水印添加，那么，原 始数据中既有版权人的水印信息，也新添上了非版权人的信息，如果两次的水印 信息都有效地保留于原始数据上，一旦发生版权纠纷，就很难辩明谁才是真正的 版权人了。还有更为更糟糕情况，就是如果非版权人使用了与版权人相同的水印 嵌入算法加上自己的水印后就可能将版权人的水印信息替换掉了。另外一种可 能，非版权人使用了版权人数据的一部分，之后他在此基础上增添了自己的数据， 水印技术需要对这两部分数据分别进行保护，水印信息之间的互不干扰成为一大 难题，这对水印的嵌入、检测算法提出了更高的要求。 通过对关系数据库水印技术关键问题的分析，关系数据库水印算法必须兼顾 以上的一系列特性，而这些特性之间又相互制约。对于以上存在的问题和要求的 特性，都要求特定的方法进行处理。 3 3 数据库水印解决方案 根据前面的分析与讨论，本节将对数据库水印的系统作逐一分析，从数据库 数据的特点出发，考虑到数据库数据对数字水印技术的要求，然后再结合数字水 印技术在数据库应用的技术迁移，综合这两方面的要求，提出数据库水印系统的 解决方案。 目前数据库水印系统根据其性质主要有两种【5 】：鲁棒性水印和脆弱性水印。 在鲁棒性水印方案中，嵌入的水印要经受清除水印、使水印无法提取等一些恶意 攻击；而在脆弱性水印方案中则要求嵌入的水印信息对于数据库数据的改动是敏 感的，能够检测和确定别修改的部分。 3