基于異或編碼隱寫的安全數(shù)據(jù)卸載方法

摘 要：【目的】通過數(shù)據(jù)卸載，智能用戶設(shè)備將自身不能及時處理的數(shù)據(jù)借助云端服務(wù)器進行處理，減輕用戶設(shè)備自身的處理壓力，提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。但當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)涉及用戶隱私數(shù)據(jù)時，對其提供保護就顯得尤為重要。【方法】將異或編碼和隱寫技術(shù)相結(jié)合，提出基于異或編碼隱寫的安全數(shù)據(jù)卸載方法。當(dāng)用戶設(shè)備產(chǎn)生敏感隱私數(shù)據(jù)后，先對該部分?jǐn)?shù)據(jù)進行異或編碼加密，再通過隱寫技術(shù)隱寫在數(shù)字圖像載體中，將含有隱寫信息的載體通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫耍M而對其中的敏感隱私數(shù)據(jù)進行處理。【結(jié)果】通過實驗，成功模擬了基于異或編碼進行隱寫的過程，并對隱寫后的圖像載體進行視覺攻擊分析。【結(jié)論】該方法可以從數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)隱藏兩方面對敏感隱私數(shù)據(jù)進行保護，對數(shù)據(jù)安全卸載具有重要意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)卸載；異或編碼；隱寫

中圖分類號：TP309.7" " "文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）04-0018-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.004

Secure Data Offloading Method Based on XOR Coding Steganography

ZHANG Jiaqi ZHANG Dongpo ZHANG Daohai

（School of Information Network Security， Xinjiang University of Political Science and Law，Tumxuk

843900，China）

Abstract： [Purposes] Through data offloading， intelligent user devices can process data that cannot be processed in time by themselves with the help of cloud servers， thereby reducing the processing pressure of user devices and improving the quality of data processing. However， when the data transmitted involves the user's private data， how to protect it is particularly important.[Methods] In this paper， a secure data offloading method based on XOR coding steganography is proposed by combining XOR coding with steganography. When the sensitive privacy data is generated by the user device， the part of the data is first XOR encoded and encrypted， and then the digital image containing steganographic information is steganized in the digital image through the network to the cloud for processing.[Findings] The process of steganography based on XOR coding is simulated by experiments， and the visual attack of steganographic image carrier is analyzed. [Conclusions] This method can protect sensitive privacy data from two aspects： data encryption and data hiding， which is of great significance for the safe offloading of data.

Keywords：data offloading; XOR coding; steganography

0 引言

隨著科技進步，現(xiàn)代通信設(shè)備不再是單純用于通信，而是具有通信、計算、存儲、交互、娛樂、辦公等功能于一體的智能化用戶設(shè)備。當(dāng)用戶設(shè)備產(chǎn)生一些待處理數(shù)據(jù)時［1］，用戶設(shè)備會將待處理數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端進行處理［2］，這個過程被稱為數(shù)據(jù)卸載過程［3］。數(shù)據(jù)卸載能減輕用戶設(shè)備的處理壓力，提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，為用戶提供一個高質(zhì)量、快響應(yīng)的用戶體驗。然而，在數(shù)據(jù)卸載過程中，如何保障用戶設(shè)備產(chǎn)生的一些敏感隱私數(shù)據(jù)安全地傳輸?shù)皆贫诉M行處理，是一個非常值得研究的問題［4］。

用戶設(shè)備產(chǎn)生的敏感隱私數(shù)據(jù)可通過異或（XOR）編碼進行加密，起到一定的安全防護作用。異或編碼是一種邏輯運算，先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)，再將二進制數(shù)據(jù)進行異或編碼，相同的為0，不同的為1。例如，1 XOR 0 = 1，1 XOR 1 = 0。根據(jù)異或編碼機制，可對用戶設(shè)備產(chǎn)生的敏感隱私數(shù)據(jù)進行初步加密，以提高其安全性。在當(dāng)前的安全領(lǐng)域研究中，除了數(shù)據(jù)加密外，還可通過隱寫來達到隱蔽傳輸?shù)哪康摹?/p>

隱寫是指將用戶設(shè)備產(chǎn)生的敏感隱私數(shù)據(jù)，通過一些載體（如文本、圖像、音頻等），將信息嵌入到其中的過程［5］。以數(shù)字圖像載體為例，用戶設(shè)備產(chǎn)生的敏感隱私數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)據(jù)，再將這些二進制數(shù)據(jù)嵌入到數(shù)字圖像像素點的二進制位最末端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隱寫，這種方法被稱為最低有效位（Least Significant Bit，LSB）隱寫。LSB只通過改變像素點二進制值的最后一位來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隱藏［4］，很難通過肉眼來分辨一個載體是否含有隱寫數(shù)據(jù)。因此，LSB隱寫被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域中。

針對用戶設(shè)備產(chǎn)生的敏感隱私數(shù)據(jù)如何進行安全的卸載，已有眾多學(xué)者進行研究，形成一大批研究成果。郎為民等［6］對如何保障移動云計算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)安全性進行研究，將加密、數(shù)字簽名及擴展半陰影圖相結(jié)合，通過實驗對提出的方法進行安全存儲和性能分析。周慧凱等［7］對如何將同態(tài)加密應(yīng)用于計算機隱私數(shù)據(jù)保護中進行研究，將同態(tài)加密應(yīng)用到異步數(shù)據(jù)卸載框架，通過實驗對該框架進行多方面分析。同時，指出當(dāng)今社會數(shù)據(jù)已經(jīng)成為驅(qū)動工業(yè)發(fā)展、社會進步的重要因素，加大對數(shù)據(jù)的保護已經(jīng)成為當(dāng)今社會迫切需要解決的問題。

在如何保障數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)难芯恐校糠謱W(xué)者通過對數(shù)據(jù)進行加密或?qū)τ布M行異構(gòu)等方式實施對數(shù)據(jù)的保護。任志敏等［8］通過圖像載體對數(shù)據(jù)隱寫保護進行研究，將LSB隱寫方法進行改進，實現(xiàn)在圖像邊緣部分進行信息隱寫，并通過實驗分析了方法的可行性。張靜涵等［9］通過研究JPEG格式壓縮圖像隱寫的自適應(yīng)問題，針對傳統(tǒng)的隱寫方法壓縮處理的魯棒性不強問題進行改進，提出基于分塊紋理的自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，并通過實驗對方法的可行性及魯棒性進行分析。

本研究將異或編碼和LSB隱寫相結(jié)合，提出基于異或編碼隱寫的數(shù)據(jù)安全卸載方法。 當(dāng)用戶設(shè)備產(chǎn)生待處理隱私數(shù)據(jù)時，先通過異或編碼進行加密，再采用LSB隱寫方法將含有隱私信息的數(shù)據(jù)隱寫到數(shù)字圖像載體中。在數(shù)據(jù)卸載過程中，從數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)隱藏兩方面進行保護。

1 系統(tǒng)模型

1.1 場景模型

本研究的場景模型分為用戶設(shè)備、通信設(shè)施、云服務(wù)器三部分，如圖1所示。用戶設(shè)備可以是任意的具有通信能力的設(shè)備；通信設(shè)施可以是任意的具有接收及發(fā)射無線信號的設(shè)備。當(dāng)用戶設(shè)備產(chǎn)生待處理數(shù)據(jù)時，通過網(wǎng)絡(luò)將待處理數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器進行處理。然而，一些隱私數(shù)據(jù)往往面臨著被竊聽的風(fēng)險，如何保障隱私數(shù)據(jù)在傳輸階段的安全性是研究的重點。

1.2 異或編碼隱寫

異或（XOR）加密是一種高效的加密方法，對保障信息安全發(fā)揮著重要作用。當(dāng)兩個輸入值相同時，輸出為0，反之則為1。例如，0 XOR 1=1、1 XOR 1=0。本研究采用最低有效位LSB進行隱寫。在數(shù)字圖像載體中，利用數(shù)字圖像載體像素二進制數(shù)值中的最低位來隱藏信息。例如，一個像素點的二進制表示為10 000 001（十進制129），其最低有效位是最右邊的“1”。通過改變最低有效位，數(shù)字圖像載體的顏色變化是十分微小的，人眼很難捕捉到顏色的微觀變化。數(shù)字圖像原值的二進制分別為11 011 000、10 010 100、10 010 111，經(jīng)過LSB處理，將嵌入信息010分別嵌入后，原始值變?yōu)?1 011 000、10 010 101、10 010 110，具體見表1。經(jīng)過對比會發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過LSB處理后，其像素值變化非常小［10］，肉眼難以發(fā)現(xiàn)［11］。

基于異或編碼隱寫數(shù)據(jù)卸載流程如圖2所示。在基于異或編碼隱寫的數(shù)據(jù)卸載中，先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制信息，之后利用異或編碼進行加密，將加密后的密文通過LSB隱寫在數(shù)字圖像載體中，隨后將含有隱寫信息的載體圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)端。當(dāng)含有隱寫信息的載體圖像傳輸?shù)椒?wù)器端后，服務(wù)器對隱寫信息進行提取，并利用異或編碼進行解析，將解析后的數(shù)據(jù)進行處理，通過網(wǎng)絡(luò)返回到用戶端。通過異或加密和LSB隱寫兩重方式，對用戶的隱私數(shù)據(jù)起到了保護作用。

2 實驗分析

本研究選用Matlab R2016b作為實驗分析軟件平臺，從BOSSbase_1.01數(shù)據(jù)集中隨機選擇第69張圖片作為數(shù)字隱寫載體，該載體大小為257 kB。

針對本研究提出的基于異或編碼隱寫的安全數(shù)據(jù)卸載方法，應(yīng)從兩方面進行分析。第一，驗證基于異或編碼隱寫后，含有隱寫信息的數(shù)字圖像是否很容易通過肉眼進行識別。如果將數(shù)字圖像進行隱寫，其像素值發(fā)生很大變化，那么該方法將不能很好地對數(shù)據(jù)進行隱藏保護。基于此，實驗將字符串

“This is the Message！”作為隱寫信息的基本單位，通過循環(huán)嵌入基本單位信息對嵌入了54%數(shù)據(jù)的載體圖像進行分析。第二，針對54%數(shù)據(jù)嵌入率的數(shù)據(jù)圖像，通過視覺攻擊檢測方法對隱藏數(shù)據(jù)進行檢測。隱寫檢測是針對含有隱寫的載體圖像進行的，用來判斷其是否含有隱寫信息，但針對檢測到的數(shù)據(jù)如何進行解析目前還沒有通用性方法。

載體圖像隱寫前后視覺對比如圖3所示。圖3（a）是數(shù)字載體的原始圖像；圖3（b）是將隱寫信息嵌入54%之后的圖像效果。通過LSB隱寫只改動圖像像素點的最后一位，從視覺效果上很難發(fā)現(xiàn)隱寫前后圖像的變化。

含有隱寫信息的載體圖像在傳輸?shù)倪^程中即使被捕捉到，也很難發(fā)現(xiàn)其中含有用戶的隱私數(shù)據(jù)。即使通過一些手段對其進行檢測，發(fā)現(xiàn)含有隱寫信息，但是由于隱寫的方法和數(shù)據(jù)加密的方式種類很多種，很難對隱寫編碼進行還原并解析。所以，通過異或編碼隱寫對用戶的敏感信息進行隱蔽通信，在一定程度上能更好保護用戶隱私數(shù)據(jù)不被發(fā)現(xiàn)或獲取。

本研究對含有隱寫信息的載體圖像進行視覺攻擊，通過視覺攻擊能很清楚地看到載體圖像的信息嵌入情況，如圖4所示。圖4（a）是對原始圖像進行視覺攻擊后的效果圖；圖4（b）是對含有隱寫信息的載體圖像進行視覺攻擊之后的效果圖；圖4（c）是將視覺攻擊后的原始圖像和隱寫后的載體圖像進行數(shù)值做差。如果隱寫前后數(shù)值一樣，說明數(shù)值沒有變化，進而說明該部分不含隱寫信息，效果則為黑色，見圖4（c）上半部分；如果隱寫前后數(shù)值不一樣，則說明數(shù)值有變化，說明該部分進行隱寫處理，效果為雪花點效果，見圖4（c）下半部分。

通過實驗數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)利用異或編碼隱寫將用戶的隱私數(shù)據(jù)隱寫到載體圖像中后，肉眼很難發(fā)現(xiàn)。當(dāng)通過一些特殊的隱寫分析處理后，可發(fā)現(xiàn)含有隱寫信息的數(shù)據(jù)，但隱寫方法和對數(shù)據(jù)加密處理的方案有很多，在未告知的情況下很難判斷出其中所使用的方法。因此，通過異或編碼隱寫來傳輸用戶隱私數(shù)據(jù)，可對數(shù)據(jù)起到保護作用，在未來數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域?qū)懈蟮膽?yīng)用空間。

3 結(jié)語

本研究將異或編碼和LSB隱寫相結(jié)合，提出基于異或編碼隱寫的安全數(shù)據(jù)卸載方法。當(dāng)用戶設(shè)備產(chǎn)生隱私數(shù)據(jù)，且需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫诉M行處理時，先將隱私數(shù)據(jù)通過異或編碼進行加密，再將加密后的數(shù)據(jù)通過LSB隱寫機制隱寫到數(shù)字圖像載體中，通過網(wǎng)絡(luò)將含有隱寫信息的數(shù)字圖像載體傳輸?shù)皆贫诉M行處理。通過異或編碼隱寫將用戶設(shè)備產(chǎn)生的隱私數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)隱蔽兩方面進行安全防護，對用戶敏感數(shù)據(jù)的安全傳輸起到一定的保護作用。未來，如何將數(shù)據(jù)更好地加密和隱藏將成為新的研究熱點。

參考文獻：

［1］李煒.可信賴云計算的通信防火墻攻擊捕獲系統(tǒng)設(shè)計［J］.信息技術(shù)，2024，48（3）：134-139.

［2］冉黎瓊，翁越男，徐小玲，等.云，邊緣和霧計算安全性研究綜述［J］.無線電工程，2023，53（2）：247-261.

［3］沈華，王麗瓊.基于移動邊緣計算的任務(wù)卸載及隱私保護問題綜述［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2023，69（2）：258-269.

［4］王朔中，張新鵬，張衛(wèi)明.以數(shù)字圖像為載體的隱寫分析研究進展［J］.計算機學(xué)報，2009（7）：1247-1263.

［5］鐘理權(quán)，魯國鵬，何美霖，等.一種新的基于STC編碼的JPEG圖像隱寫方法［J］.儀器與設(shè)備，2024，12（1）：11-17.

［6］郎為民，姚晉芳.移動云計算數(shù)據(jù)安全問題研究［J］.電信快報：網(wǎng)絡(luò)與通信，2017（8）：1-6.

［7］周慧凱，華蓓.同態(tài)加密的硬件卸載及其在隱私保護計算中的應(yīng)用［J］.小型微型計算機系統(tǒng)，2021，42（3）：595-600.

［8］任志敏，曾文軍，張良.一種基于圖片邊緣輪廓的信息隱藏方法［J］.山西電子技術(shù)，2022（4）：5-8.

［9］張靜涵，陳文.抗JPEG壓縮的自適應(yīng)圖像隱寫算法［J］.計算機科學(xué)，2024，51（5）：321-330.

［10］徐志偉，高勇.基于LSB的低復(fù)雜度時域音頻隱寫算法［J］.通信技術(shù)，2023，56（7）：835-840.

［11］楊勇，鄧偉，李晶，等.針對LSB隱寫的語音隱寫分析方法［J］.電子器件，2023，46（3）：790-794.