一种流式电路隐蔽通信系统的分层模型

一种流式电路隐蔽通信系统的分层模型

随着互联网的快速发展，信息传输的安全性日益突出。信息存储是信息安全领域的一项新兴技术，引起了越来越多研究人员的注意，其应用也处于初现端。几年前，信息存储研究主要集中在基于传统通信理论和信息论的理论模型上。此外，还研究了基于图像、频率、文本和其他静态文件的灾难算法。然而，近年来，基于音、视、频流媒体和网络协议的信息隐藏越来越受到重视。基于格式信息的存储的主要特点是可以实时动态存储。与静态文件载体隐藏方法相比，格式信息的动态隐藏具有以下优点：1）军事应用的普遍性为信息隐藏提供了广泛的隐藏载体，并为隐藏敏感信息提供了“自然保护屏障”。2）军事信息的真实性是实现实时通信的基础，构建了一个完整的实时互动隐藏通信系统。3）军事信息的动态性，可以确保秘密数据的即时嵌入、即时传输和即时提取，这大大提高了攻击者检测的难度，提高了通信的安全性。目前,人们针对不同的流媒体载体提出了不同的信息隐藏算法.这些隐藏算法不仅与具体载体类型相关,而且也与载体格式密切相关,导致各自的通信机制互不相同.但是,一个实际的流媒体系统中,往往存在着多种载体类型或者多种载体格式.例如,可视电话流媒体系统,存在着视频和音频载体,对于每种载体还存在不同编码格式的差异.因此,如何在这样一个多种载体的流媒体系统中实现统一的隐藏过程,同时保证隐密数据传输的完整性,用户接口一致性等,是流媒体信息隐藏亟待解决的标准化问题.针对这些实际需求,笔者提出了一种分层的流媒体隐蔽通信系统模型,它能解决不同载体下的隐藏过程一致性、不同隐藏算法的适应性、隐密数据传输的可靠性等问题,给用户提供统一的信息隐藏功能接口.1流媒体的特点隐蔽通信系统和流媒体系统的关系是:前者部署在后者的应用层,而后者为前者提供网络信道.以隐蔽通信为目的,流媒体具有以下局限性:a)流媒体通常采用实时传输协议(RTP)和用户数据报协议(UDP)封装,不保证分组传输的可靠性,分组丢失意味着其中嵌入的机密信息的丢失.b)流媒体应用的实时性限制了分组长度,从而每个分组中的隐藏容量是有限的.在表1中列出了系统设计的目标.2隐藏格式通信系统的分层模型2.1独立逻辑层的实现流媒体隐蔽通信系统模型如图1所示.将隐蔽通信模型划分为3个独立的逻辑层次,即隐蔽通信适配和执行层(SAE),隐蔽传输管理层(STM)和隐蔽信息应用层(SIA).下面对各个逻辑层实现的功能和提供的服务,以及层与层之间接口原语作详细定义.2.2流媒体载体SAE对STM提供的服务是STMDU(DU即数据单元,下同)的透明发送和接收,通过下面2个接口原语实现:1)Embed,该原语将STMDU分段嵌入到相应流媒体载体中.2)Extract,该原语将接收到的SAEDU重组,向STM提交STMDU.SAE内部定义的功能包括以下操作:1)隐藏算法嵌入和提取的同步.2)SAEDU和某些必要的标志位的嵌入和提取.3)SAEDU的丢包检测.一个SAEDU的丢失意味着整个STMDU不能正确接收,已经接收的不完整部分也被丢弃,等待重传.4)根据隐藏算法支持的最大传输单元(MTU)将STMDU分段为SAEDU,以及将收到的SAEDU重组,形成完整的STMDU,完成“适配”操作.2.3disondctSTM提供可靠的机密信息隐蔽传输服务.定义如下原语:1)SEND,该原语完成不定长度的机密数据的可靠发送.2)RECEIVE,该原语完成机密数据的可靠接收.3)CONNECT,该原语负责初始化STM对等端,同步序列号.4)DISCONNECT,该原语负责中断STM传输.5)LISTEN,该原语的功能是监听来自对等端的请求.STM内部具有以下机制:1)同步控制和差错检测采用序号确认机制.建议序号面向分组而非面向字节,分组长度通过长度域表达.2)管理连接的有限状态机.状态设置需考虑流媒体发送接收是异步的,不能在一次状态迁移中既接收又发送.状态的维护需要若干标志符.3)STM保留应用类型域,使得多个隐蔽应用可以同时通过一条隐蔽信道传输,通过定义优先级保证紧急任务先被执行.4)流量控制采用滑动窗口机制.考虑到流媒体的周期性和网络延时,从发送分组到确认到达之间的时间不可忽略.滑动窗口协议可以提高信道的利用率,具体的窗口长度和协议需要根据流媒体应用、隐藏容量、网络环境等因素综合考虑.2.4隐蔽通信系统模型SIA的功能是实现隐蔽通信的实际应用.其内部定义的功能包括:1)SIA向STM屏蔽应用类型的差异,提供统一的机密信息数据净荷.在接收方SIA根据接收到的数据和应用类型,将信息重组为有实际意义的机密信息.2)实现友好的人机界面,提供方便的用户操作接口.3)允许用户设置和配置隐蔽通信系统的某些参数和功能,将系统运行状态呈现给用户.2.5系统的模拟计算结果对照上面的分析,这里提出的系统模型能够满足设计目标.分析如下:1)SAE嵌入时的数据对象是一般化的码流,针对不同的流媒体系统,只需要替换SAE中的隐藏算法即可,其他层不需要重新设计,所以系统具有普适性.2)传输控制和重传机制保证了传输的可靠性.3)由于采用了分层结构,每个层次内部的调整不影响其他层次,只要保持接口不变,各层次可以独立更新和修改,这满足了灵活性.4)隐蔽通信系统位于流媒体通信系统层次之上,借助于流媒体,对流媒体本身运行没有影响,保证了兼容性.5)系统各层次内部如何实现并没有严格规定,只要符合一定的接口,层次内部可以进一步设计完善.例如可以在隐蔽应用层定义更高层次的协议以满足不同应用,这符合扩展性要求.3网络环境仿真分析为了获得传输可靠性,在STM中引入了分组头信息和重传机制,这增加了信道的额外开销.如何恰当选取参数使得信道有效利用率最优化是一个有意义的问题.假设流媒体以周期T发送数据包,每个周期的隐藏容量为k,隐蔽信道带宽为V.每n个SAEDU组成一个长度为L的STMDU,其中Ld为数据净荷长度,Lh为头信息长度.每个STMDU的最短传输时间为tf,超时门限时间为tout,丢包浪费的时间为tw,如图2所示,则有⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪V=k/T,L=Ld+Lh=nk,tf=nT‚n∈N,tout=mT‚m∈N,tw=tf+tout.(1)考虑一个STMDU的平均传输时间tT.假设流媒体数据包的送达或丢失是一个随机变量f,每个数据包是独立的,满足伯努力分布,丢包率为pf.设网络往返延时为一个随机变量tp,且服从条件分布列{P(tp=iTf=1)=ξi}∞i=1.当tout=mT时,对等端回送的确认在超时之前到达的概率为pd,每个STMDU的丢失率为p.设数据传输速率为v,则有⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪pd=(1−pf)∑i=1mξi,p=1−(1−pf)npd,tT=∑i=0∞(1−p)pi(itw+tf)=tf1−p(1+(α−1)p)‚α=twtf=1+mn,v=LdtT.(2)设信道的有效利用率为U,令l=Lh/k,pc=1-pf,则由上面式(1)和式(2)有U=vV=LdTtTk=(1−pf)npd(nk−Lh)[1+mn(1−(1−pf)npd)]nk=pncpd(n−l)n+m(1−pncpd).(3)下面考虑k,Lh,pf,m,pd给定的情况下,n的最优解,它的物理意义是选取恰当的值,使分组头信息分担到尽量多的流媒体数据包中,同时减小丢包造成的重传负担.令∂U/∂n=0,可得(lnpc)n2+(m−l)(lnpc)n+(m+l−mllnpc)=mpncpd.(4)设方程的解为λn,则nopt=[λn],可以证明λn存在且惟一,nopt≥1.仿真分析如下.设m=8,pd=1(假设确认帧很短),考虑n变化时U的情况.如图3所示,Lh较大时应该用更多的分段分担额外开销.对同样的l当pf较小时峰值对应的n偏大,说明网络环境越好时应该设置越长的STMDU.整体上分析U和n的最优值相对于pf的变化规律,如图4所示.m的最优解的计算需要首先考虑网络延时的分布情况,难以直接给出结论,可以参考TCP协议中重传定时器的设定方法.然而隐蔽信道不存在争用和阻塞问题,直接利用已有的方法并不合适.4修改隐蔽算法根据文中提出的系统模型,开发了VoIP平台上的实验系统,设计了各个层次的协议和算法.该平台可方便地集成多种编码格式,以及每种编码格式下的多个隐藏算法.新的编码格式或隐藏算法的集成不需要对系统其他模块做重大修改.同时,系统支持的隐蔽应用也可以方便地更新或增添,不需要修改隐藏算法.应用测试表明,该系统在各种丢包率环境下均可保证隐蔽数据的可靠传输,并可以和普通VoIP终端良好互通,语音质量未受明显影响.综上,该系统实现了文中提出的设计目标.进一步的仿真测试验证了优化方法的有效性.通过人为模拟丢包率并设定STMDU分段数,测定了系统在给定丢包率和分段数条件下的实际传输效率.举例如下:语音采用G.711a编码,信息隐藏采用最不重要比特(LSB)替换算法.VoIP数据包的丢包率设置为5%,得到信道有效利用率相对于STMDU分段数的变化规律及相应理论结果,如图5所示.可以看出曲线随分段数增大偏离理论值,原因之一是目前的软件实现在发送端以完整的STMDU为单位,发生超时仍需等待当前STMDU发送完成,而不是立即重发丢失的STMDU.随着分段数增大这一偏差也增大,但是最佳值点的估计是较准确的.在其他丢包率和语音编码、信息隐藏算法下的实验结果也是类似的.5优化模型的致性问题实验测试结果表明,笔者提出的分层的流媒体隐蔽通信系统模型具有较好