基于數(shù)字水印的外包數(shù)據(jù)庫內容保護技術研究.pdf

1、外包數(shù)據(jù)庫技術是信息系統(tǒng)外包服務的技術基礎之一。在外包數(shù)據(jù)庫運行模式中，組織或個體將自己的數(shù)據(jù)庫業(yè)務外包給數(shù)據(jù)庫服務提供者運行，外包服務提供者為數(shù)據(jù)擁有者及數(shù)據(jù)庫用戶提供遠程的數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建、存儲、更新、查詢及數(shù)據(jù)庫服務器軟硬件維護與升級等服務。外包數(shù)據(jù)庫運行模式可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理的專業(yè)技術對整個社會的共享服務，節(jié)約人力物力投資，優(yōu)化資源配置，并且具有更高的運行維護水平和更好的可擴展性。 外包數(shù)據(jù)庫帶來的最大挑戰(zhàn)就是安全問題。在外包

2、數(shù)據(jù)庫運行模式下，由第三方提供的數(shù)據(jù)庫服務器不處于信任域，存在數(shù)據(jù)文件盜版、數(shù)據(jù)內容篡改等安全風險。因此，外包數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全機制不但要防止來自外部的攻擊，而且要充分考慮來自服務器端的惡意操作，提供對數(shù)據(jù)庫內容的安全保護。 現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫內容保護技術通常采用密碼學方法來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)的加密解密及密鑰管理機制均涉及比較復雜的運算過程，在一定程度上限制了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的可用性；密文的隨機性同時也暴露了消息的重要性，造成了新的不安全性；密文數(shù)據(jù)

3、一旦被解密，則加密機制對數(shù)據(jù)庫內容的安全保護失去任何作用；基于密碼學方法的數(shù)字簽名等技術通過添加冗余驗證信息來保持數(shù)據(jù)內容的完整性，由于驗證信息與被保護數(shù)據(jù)分離，容易被刪除而失去安全保護能力。 為克服現(xiàn)有解決方案的不足，本文提出基于數(shù)據(jù)庫水印技術的外包數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內容保護解決方案。數(shù)據(jù)庫水印是指用信號處理的方法在數(shù)據(jù)庫中嵌入不易察覺且難以去除的標記，在不破壞數(shù)據(jù)庫可用性的前提下，達到保護數(shù)據(jù)庫安全的目的。數(shù)據(jù)庫水印技術并不限制正常

4、的數(shù)據(jù)存取，而是提供對數(shù)據(jù)庫的所有權證明與內容完整性驗證，從而對數(shù)據(jù)竊取與攻擊行為起到電子舉證的作用。同時，數(shù)據(jù)庫水印可以和密碼學方法結合使用以增強數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全性。 本文主要研究數(shù)據(jù)庫水印技術及其在外包數(shù)據(jù)庫內容保護方面的應用。建立數(shù)據(jù)庫水印的理論框架，設計數(shù)據(jù)庫魯棒水印、數(shù)字指紋與脆弱水印算法及相應的數(shù)據(jù)庫水印協(xié)議，開發(fā)原型系統(tǒng)，實現(xiàn)對外包數(shù)據(jù)庫的版權認證、法及相應的數(shù)據(jù)庫水印協(xié)議，開發(fā)原型系統(tǒng)，實現(xiàn)對外包數(shù)據(jù)庫的版權認證

5、、盜版追蹤及查詢驗證。理論分析與實驗結果表明，基于數(shù)字水印的外包數(shù)據(jù)庫內容保護技術較好地滿足了系統(tǒng)的安全性與可用性需求。 本文的研究工作主要包括以下五個方面，其中第2、3、4三個方面為本文的主要創(chuàng)新點： 1)數(shù)據(jù)庫水印模型與基本理論的研究。由于數(shù)據(jù)庫水印研究的歷史不長，目前尚未形成成熟的理論框架。本文給出了數(shù)據(jù)庫水印的定義，建立數(shù)據(jù)庫水印的形式化模型，分析數(shù)據(jù)庫水印的主要特征與分類方法，歸納其應用領域；描述數(shù)據(jù)庫水印系統(tǒng)

6、的框架結構，分析數(shù)據(jù)庫水印的基本技術，包括水印信號、水印載體信道、元組標記、水印嵌入、水印檢測與提取，總結這些技術的主要特點與實現(xiàn)方法，并進行對比與評價；列舉常見的數(shù)據(jù)庫水印攻擊形式，給出相應的防范對策；提出數(shù)據(jù)庫水印性能評估的指標體系，闡述了主要性能指標間的制衡關系，給出了部分指標的定量計算方法。 2)基于魯棒水印的數(shù)據(jù)庫版權認證技術的研究。魯棒水印是進行版權認證常用的技術。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫魯棒水印算法存在抗攻擊能力弱、誤差控制粗

7、糙、易產(chǎn)生病態(tài)結果等缺點。本文將混沌序列用于數(shù)據(jù)庫水印，通過修改數(shù)值屬性低位數(shù)值的奇偶性嵌入水印，克服了現(xiàn)有的LSB替換算法易產(chǎn)生病態(tài)現(xiàn)象的缺點，獲得了更好的魯棒性與隱蔽性。該算法利用混沌系統(tǒng)的初值敏感性和迭代不重復性，采用隨機混沌序列結合數(shù)據(jù)庫元組主鍵及密鑰產(chǎn)生多位水印信號；水印的嵌入與檢測只與密鑰及當前元組有關，滿足數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新的同步要求；水印的檢測無需原始載體數(shù)據(jù)參與，實現(xiàn)了水印的盲檢測。 3)基于數(shù)字指紋的外包數(shù)據(jù)庫盜

8、版追蹤技術的研究。為約束多個外包服務提供者間合謀進行的盜版行為，需要有相應的安全機制能追蹤盜版數(shù)據(jù)庫的來源。應用魯棒水印僅能解決盜版數(shù)據(jù)版權識別的問題，而應用抗合謀數(shù)字指紋技術可以實現(xiàn)對合謀用戶的叛逆追蹤。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫指紋算法存在版權認證與盜版追蹤脫節(jié)，指紋檢測運算量大等不足。本文基于C—安全碼的編碼框架，提出了一種結合版權水印的抗合謀數(shù)據(jù)庫指紋編碼方案，設計了相應的指紋生成與嵌入、指紋檢測及叛逆追蹤算法。由于將版權水印引入指紋編碼，降

9、低了指紋檢測與叛逆追蹤的運算復雜度。 4)基于脆弱水印的外包數(shù)據(jù)庫查詢驗證技術的研究。由于外包數(shù)據(jù)庫服務器運行在不完全可信的第三方，來自服務器端的攻擊者可能會對數(shù)據(jù)庫添加虛假記錄，或篡改已有記錄，這就需要對數(shù)據(jù)庫內容是否真實有效進行驗證。針對傳統(tǒng)的基于添加冗余驗證信息的解決方案的不足，本文提出一種基于脆弱水印的外包數(shù)據(jù)庫查詢驗證方案。以連接多項式數(shù)組為密鑰生成m序列，分別作為水印信號和水印嵌入策略控制信號，通過修改數(shù)值屬性低位數(shù)

10、值的奇偶性嵌入脆弱水印。數(shù)據(jù)庫用戶向服務器提交查詢請求后，利用數(shù)據(jù)擁有者提供的密鑰，對返回的查詢結果運行水印檢測算法，進行數(shù)據(jù)真實性驗證。該方案解決了“統(tǒng)一客戶端模式”下外包數(shù)據(jù)庫投影一選擇類查詢的真實性驗證問題。由于通過脆弱水印將驗證信息包含于被保護內容中，冗余存儲量與網(wǎng)絡附加負載小，驗證信息難以刪除，能實現(xiàn)元組屬性粒度的篡改定位。 5)基于數(shù)字水印的外包數(shù)據(jù)庫內容保護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)。本文基于數(shù)據(jù)庫魯棒水印、數(shù)字指紋及脆弱水印

11、算法，綜合應用數(shù)字水印、PKI體系結構、數(shù)字簽名及USB Key技術，設計相應的水印協(xié)議，構建了一個網(wǎng)絡環(huán)境下的外包數(shù)據(jù)庫內容保護系統(tǒng)，實現(xiàn)了外包數(shù)據(jù)庫版權認證、盜版追蹤及查詢驗證等功能。系統(tǒng)借助PKI機制實現(xiàn)了身份認證、數(shù)字證書簽發(fā)、可信時戳等安全服務；將數(shù)據(jù)庫水印技術與加密、數(shù)字簽名等技術結合，彌補了水印在主動安全保護方面的不足；數(shù)據(jù)庫水印協(xié)議的設計滿足了數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)容量大、更新頻繁的特點，具有抵抗多種水印攻擊的能力；可信硬件模塊US

12、B Key的引入，增強了系統(tǒng)保護數(shù)據(jù)及安全交互的能力。 本文的研究工作存在的不足之處主要包括：所提出的數(shù)據(jù)庫魯棒水印算法主要適用于能夠容忍一定精度范圍數(shù)據(jù)失真的數(shù)值型屬性數(shù)據(jù)；所提出的外包數(shù)據(jù)庫指紋解決方案是一種對稱指紋機制，未能實現(xiàn)對無辜用戶的防陷害性；所構建的基于數(shù)字水印的外包數(shù)據(jù)庫內容保護系統(tǒng)以第三方可信計算平臺的安全性為基礎，存在一定的安全失效風險。 與傳統(tǒng)的直接通過數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名等技術進行數(shù)據(jù)庫內容保護的方