[发明专利]一种应用于无线多媒体传感器网络的安全通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于无线多媒体传感器网络（Wireless Multimedia Sensor Networks, WMSNs）的安全通信技术方案，具体的是一种基于分布式图像隐写术的安全通信方法，属于计算机无线通信安全技术领域。

背景技术

随着多媒体传感设备（如CMOS摄像头和麦克风）和无线通信系统（例如IEEE 802.11、802.15标准所提出的通信系统）的普及，无线多媒体传感器网络得到了快速的发展。所谓无线多媒体传感器网络，是由一组具有计算、存储和通信能力的多媒体传感节点组成的分布式感知网络，其借助节点上的多媒体传感器感知所在周边环境的多种媒体信息（音频流、视频流、图像、数值等），通过多跳中继方式将数据传到信息汇聚中心，再由汇聚中心对监测数据进行分析。随着监测环境的日益复杂多变，与传统的传感器网络相比，作为一种全新的信息获取和处理技术，WMSNs更多的关注于音频、视频、图像等大数据量、大信息量媒体的采集与处理。WMSNs不仅增强了现有的传感器网络应用，如跟踪、环境监测等，也催生了越来越多的新型应用。例如，室内/室外监控系统，交通监测和控制系统，远程医疗服务系统，工业制造监督和控制系统等，其在军事、民用及商业领域中都具有广泛的应用。

尽管具有很好的发展前景，但由于需在无线信道中传输多媒体数据，WMSNs更容易受到各种安全攻击（包括窃听、恶意注入和数据包篡改等）。另外，在WMSNs中会产生大量多媒体数据，而各多媒体传感节点的传输带宽、能源供应和计算能力有限，这样的内在矛盾使得WMSNs与传统传感器网络相比，在解决通信安全问题时，面临更多的挑战。

保证数据完整性和可信性的传统方式是采用加密算法。但是，介于有限的能量资源和计算能力，在无线多媒体传感器网络中很难实现复杂的加密算法，例如Diffie-Hellman公钥加密算法。除此之外，在现代加密系统中，密钥的分布和管理至关重要，这一问题需要进一步解决。近年来，数字隐写术（Stegonagraphy）为保障数字通信安全提供了一种新的思路。与加密算法相比，隐写术并非将隐秘信息处理为不可读的密文，而是将隐秘信息隐藏于其他形式的数字媒体（文本、音频或图像）中，从而不引起攻击者的注意，避免隐秘信息被发现。另外，它无需加密算法中复杂严谨的密钥管理，具有更好的灵活性。隐写术中常用的信息嵌入与提取算法分为空域替换法与变换域法。空域替换法是用待隐藏的信息替换载体信息中的冗余部分，如LSB算法，用隐藏信息位替换载体中的一些不重要位。而目前多数信息隐藏方法都采用了变换域技术，即把待隐藏的信息嵌入到载体的一个变换空间(如小波变换域)中，变换域法具有可与数据压缩标准兼容的优点，对诸如压缩、剪裁和某些图像处理等攻击的鲁棒性更强。尽管隐写术具有诸多优点，但该技术在WMSNs的安全通信中未被广泛应用。美国学者Claude Turner提出了一种应用于传感器网络的信息隐藏计算范式，但是，该范式并没有考虑到信息隐藏方法在多媒体数据传输中的应用，并且相关的信息隐藏和提取算法需要进一步优化。

另外，考虑到WMSNs应用环境中各种技术资源的限制，通信的安全和保密策略必须与多媒体内容的分布式处理机制相结合。分布式信源编码（Distributed Source Coding，DSC）技术就是其中一种典型的分布式处理机制。迄今为止，在WMSNs中，DSC技术主要用于多媒体数据压缩，由于降低了编码端的计算负担，该方法在传感节点上有更好的节能表现。如何将该技术应用于WMSNs的通信安全中，在保障通信质量的同时，获得更高的能量效率，值得进一步研究。

发明内容

技术问题：本发明针对背景技术中提出的问题，考虑到WMSNs应用中潜在的通信安全威胁，以及传感器节点技术资源（无线传输带宽、能源供应和计算能力）限制，提出了一种应用于无线多媒体传感器网络的安全通信方法。本方法在保证WMSNs通信安全的同时，降低了传感节点的能量消耗，延长了网络寿命。

技术方案：本发明是一种应用于无线多媒体传感器网络的安全通信方法，该方法引入分布式计算的概念，提出了一种负载均衡的分布式网络通信拓扑结构；采用基于离散小波变换的图像隐写术，保证隐秘信息的不可见性和安全性；在信息嵌入/提取算法中引入完美哈希函数，无需密钥管理；

所采用的分布式网络拓扑结构中，隐秘信息的传输过程如下，