無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為：軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文基于數(shù)字水印的原理來實現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的傳輸，通過信息隱藏來實現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的傳輸。與加密傳輸相比，該算法具備簡單高效、不易察覺等優(yōu)點，適合于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)。

　　數(shù)字水?。―igital Watermarking）技術(shù)是將一些標識信息（即數(shù)字水?。┲苯忧度霐?shù)字載體當(dāng)中（包括多媒體、文檔、軟件等）或是間接表示（修改特定區(qū)域的結(jié)構(gòu)），且不影響原載體的使用價值，也不容易被探知和再次修改。但可以被生產(chǎn)方識別和辨認。通過這些隱藏在載體中的信息，可以達到確認內(nèi)容創(chuàng)建者、購買者、傳送隱秘信息或者判斷載體是否被篡改等目的。數(shù)字水印是信息隱藏技術(shù)的一個重要研究方向。 數(shù)字水印是實現(xiàn)版權(quán)保護的有效辦法，是信息隱藏技術(shù)研究領(lǐng)域的重要分支?；谝陨显?，本文提出一種基于數(shù)字水印技術(shù)和信息隱藏的敏感信息通信協(xié)議。

　　目前絕大多數(shù)傳感器節(jié)點都支持16位的寄存器，傳感數(shù)據(jù)在通信時也是基于16位無符號數(shù)整數(shù)傳輸?shù)?。?6位無符號整數(shù)的取值范圍是0~65 535.當(dāng)實際采集的傳感數(shù)據(jù)值比較大時，改變位對傳感器數(shù)據(jù)值的影響很小，可以忽略不計。

　　因此，本文通過16位無符號整數(shù)的位來傳輸敏感數(shù)據(jù)，并利用數(shù)字水印嵌入算法將敏感數(shù)據(jù)嵌入其中，達到敏感數(shù)據(jù)隱蔽傳輸?shù)哪康?。為避免位的改變對傳感?shù)據(jù)的造成太大影響，本文設(shè)置了一個閥值，只有大于該值的數(shù)據(jù)才會被嵌入敏感信息。

　　1 敏感數(shù)據(jù)嵌入及提取過程

　　嵌入敏感信息的方法與數(shù)字水印的嵌入方法基本相同。如圖1所示，首先將敏感信息轉(zhuǎn)化為一個二進制流，命名為輸入二進制流；將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一個16位無符號整數(shù)流，命名為輸入整數(shù)流；將輸出的含有敏感數(shù)據(jù)的無符號整數(shù)流命名為輸出整數(shù)流。則敏感數(shù)據(jù)嵌入過程描述如下：如果輸入整數(shù)流當(dāng)前位置的傳感數(shù)據(jù)值大于或等于閥值，且輸入二進制流中當(dāng)前位置的二進制值為"1",則將整數(shù)流當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)位置"1",并添加到輸出整數(shù)流中，否則置"0";如果輸入整數(shù)流當(dāng)前位置的傳感數(shù)據(jù)值小于閥值，則不添加水印，直接將該數(shù)添加到輸出整數(shù)流中。

　　敏感數(shù)據(jù)的嵌入算法描述如下：

　　#define N  0x0100;                        //閥值

　　typedef BitStream TInputBitStream;    //定義輸入二進制流

　　typedef Uint16Stream TInputUintStream; //定義輸入無符號整數(shù)流

　　typedef Uint16Stream TOutputUintStream;//定義輸出無符號整數(shù)流

　　//---------------------------------------

　　/** 用敏感數(shù)據(jù)初始化輸入二進制流 **/

　　TInputBitStream * TheIBS=

　　new TInputBitStream（SensitiveData aData）；

　　/** 用傳感數(shù)據(jù)初始化輸入無符號整數(shù)流**/

　　TInputUintStream * TheIUS=

　　new TInputUintStream（SensorData aData）；

　　/** 用空數(shù)據(jù)初始化輸出無符號整數(shù)流 **/

　　TOutputUintStream * TheOUS=new TOutputUintStream（）；

　　//------------------------------------

　　/**  數(shù)字水印嵌入方法

　　** 注意：本方法假定輸入整數(shù)流的長度

　　*足以嵌入所有的敏感數(shù)據(jù)

　　* 參數(shù)TheIBS: 輸入二進制流

　　* 參數(shù)TheIUS:輸入無符號整數(shù)流

　　* 參數(shù)N:預(yù)先定義的閥值

　　* 返回值：輸出無符號整數(shù)流TheOUS  **/

　　TOutputUintStream* InsertWaterMarking（TheIBS,TheIUS,N）

　　{

　　uint16_t  TheUintIndex=0; //用于保存輸入整數(shù)流的位號

　　uint16_t  TheBitIndex=0; //用于保存輸入二進制流的位號

　　uint16_t  CurrentUintData; //用于保存當(dāng)前的無符號整數(shù)值

　　bit_t  CurrentBitData;     //用于保存當(dāng)前的二進制值

　　while（TheBitIndex<TheIBS.Size）

　　{

　　CurrentUintData=TheIUS.Read（TheUintIndex,1）；

　　CurrentBitData=TheIBS.Read（TheBitIndex,1）；

　　/**若當(dāng)前無符號整數(shù)值小于閥值，則讀取下一個值，

　　*直到大于閥值時，停止循環(huán)   **/

　　while（CurrentUintData<N）

　　{

　　TheOUS.Write（CurrentUintData）；//將當(dāng)前值加入輸出流

　　TheUintIndex++;

　　CurrentUintData=TheIUS.Read（TheUintIndex,1）；

　　}

　　/** 如果當(dāng)前二進制值為1,則將當(dāng)前無符號整數(shù)值的一位置為"1",并將該值加入到輸出流中；否則，將一位置為"0",并將該值加入到輸出流中。 **/

　　if（CurrentBitData==1）

　　TheOUS.Write（CurrentUintData|0x0001）；

　　else TheOUS.Write（CurrentUintData&0xfff0）；

　　TheBitIndex++;

　　TheUintIndex++;

　　}

　　}

　　敏感數(shù)據(jù)的提取過程與嵌入過程相反，將接收到的含有敏感數(shù)據(jù)的16位無符號整數(shù)流命名為輸入整數(shù)流，將提取出的二進制敏感數(shù)據(jù)流命名為輸出二進制流，將輸出的16位傳感數(shù)據(jù)流命名為輸出整數(shù)流。則敏感數(shù)據(jù)提取過程描述如下：首先將該值添加到輸出無符號整數(shù)流中，然后檢測輸入整數(shù)流中當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)值，如果該值大于或等于閥值且位為"1",則將"1"添加到二進制輸出流中；否則，將"0"添加到二進制輸出流中；如果該值小于閥值，則不往二進制輸出流添加數(shù)據(jù)。，將輸出二進制流轉(zhuǎn)化為敏感數(shù)據(jù)，將輸出無符號整數(shù)流轉(zhuǎn)化為傳感數(shù)據(jù)。

　　為進一步提升敏感數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩墑e，還可以在預(yù)處理時對敏感數(shù)據(jù)加校驗、加簽名、加密等。

　　2 實際驗證

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在某軍事化應(yīng)用中，多個節(jié)點被布設(shè)于一個生疏地域內(nèi)，實時采集該地域的溫度、濕度、光照等環(huán)境信息。為檢測各個節(jié)點未被敵方捕獲而傳回虛假信息，各節(jié)點將不定時地傳回自己的"識別碼",以證明自己的身份。"識別碼"由節(jié)點ID、當(dāng)前時間、基站回復(fù)碼等信息實時運算生成，為一串?dāng)?shù)字。

　　在該應(yīng)用中，采用了本文所述方法傳輸"識別碼".具體做法是：在"光照"傳感數(shù)據(jù)中，當(dāng)數(shù)據(jù)值大于256（0x0100）時，嵌入"識別碼".如圖2所示，"光照"數(shù)據(jù)的值通常白天在600以上，均大于閥值，方便嵌入水印，同時，嵌入水印后，對原值影響較小。

　　嵌入"識別碼"前后數(shù)據(jù)對照如表1所示。表中左列為未嵌入"識別碼"時的"光照"數(shù)據(jù)，中間列為嵌入"識別碼"后的"光照"數(shù)據(jù)，右列是"識別碼"的二進制形式。中間列標有*的數(shù)字為嵌入"識別碼"后發(fā)生變化的數(shù)據(jù)。

　　3 結(jié)果分析

　　3.1 水印嵌入對傳感數(shù)據(jù)的影響

　　采用以上嵌入算法后，對傳感數(shù)據(jù)的影響可分為以下三類：

　?。?）傳感數(shù)據(jù)的值大于等于閥值，且其位在嵌入水印時發(fā)生了變化，即原始數(shù)據(jù)的位由"0"變?yōu)?1"或由"1"變?yōu)?0".這時，傳感數(shù)據(jù)的值在嵌入水印后發(fā)生了變化，變化前后傳感數(shù)據(jù)相差為"1".其相對變化率如下：

　　可見，其相對變化率小于1/N,當(dāng)N=0x0100,即十進制數(shù)256時，其相對變化率小于0.39%

　?。?）傳感數(shù)據(jù)的值大于等于閥值，但其位在嵌入水印時未發(fā)生變化，其值不受影響。

　?。?）傳感數(shù)據(jù)的值小于閥值。傳感數(shù)據(jù)的值小于閥值時，不嵌入水印，因此，其值不受影響。

　　3.2 N值大小對協(xié)議的影響

　　當(dāng)N值較大時，水印嵌入對原始傳感數(shù)據(jù)的影響較?。ㄏ鄬ψ兓瘦^小），但滿足條件的傳感數(shù)據(jù)則會變少，傳輸敏感數(shù)據(jù)的周期會變長；當(dāng)N值較小時，水印嵌入對原始數(shù)據(jù)的影響較大（相對變化率較大），但滿足條件的傳感數(shù)據(jù)多，敏感數(shù)據(jù)傳輸周期較短。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)的實際取值范圍合理地選取N值。

　　本文所提出的基于數(shù)字水印原則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)敏感數(shù)據(jù)通信協(xié)議，具備以下特點：

　?。?）可實現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的隱蔽傳輸。由于水印嵌入算法僅改變了傳感數(shù)據(jù)的位，數(shù)據(jù)變化微小。在不知道原始數(shù)據(jù)的情況下，很難發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中嵌入了水印。達到了敏感數(shù)據(jù)隱蔽傳輸?shù)哪康模?/P>

　　（2）對原始數(shù)據(jù)影響小。采用本協(xié)議后，僅大于閥值且位與水印當(dāng)前位不一致的值會發(fā)生變化，變化結(jié)果為值加"1"或減"1",相對變化率為1/N.當(dāng)選取合適N值后，相對變化率可以控制在1%以下，基本上不會影響傳感數(shù)據(jù)的后續(xù)應(yīng)用；

　　（3）算法簡單，易于實現(xiàn)。因此，該協(xié)議能很好地應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要傳輸敏感信息的場合中。