[論文レビュー] A Novel Symmetric Key Cryptographic Technique at Bit Level Based on Spiral Matrix Concept

Manas Paul, Jyotsna Kumar Mandal|arXiv (Cornell University)|May 3, 2013

DNA and Biological Computing参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、螺旋行列走査を用いてバイナリデータをシャッフルおよび変換する、新しい対称鍵ビットレベル暗号化手法SMBBOTを提案する。平文は可変長のビットブロックとして処理され、螺旋順序で正方行列にマッピングされ、2×2部分行列からの列方向抽出によってビットが並び替えられ、暗号文が生成される。復号は、ブロック長とブロック数から導出されるセッション鍵を用いてプロセスを逆転させることで実現され、TDESおよびAESと比較して競争力のあるセキュリティとパフォーマンスを示している。

ABSTRACT

In this paper, we propose a session based bit level symmetric key cryptographic technique and it is termed as Spiral Matrix Based Bit Orientation Technique (SMBBOT). SMBBOT consider the input plain text as binary bit stream. During encryption this stream is chopped into manageable sized blocks with variable lengths. Bits of these blocks are taken from MSB to LSB to fit into a square matrix of suitable order following the concept of Spiral matrix. This square matrix splits into 2x2 sub-matrices. Bits are taken column-wise from all 2x2 sub-matrices to form the encrypted binary string. Cipher text is generated from this encrypted binary string. Combination of values of block length and no. of blocks of a session generates the session key for SMBBOT. For decryption the cipher text is considered as binary bit string. Processing the session key information, this binary string is broken down into predefined blocks. Bits of these blocks are taken from MSB to LSB to fit column-wise into 2x2 square matrices. Using these sub-matrices a single square matrix with suitable order is formed. The decrypted binary string is formed after taking the bits from the square matrix following the reverse concept of Spiral Matrix. The plain text is regenerated from decrypted binary string. A comparison of SMBBOT with existing and industrially accepted TDES and AES has been done.

研究の動機と目的

• 平文のセキュリティを向上させるために、ビットレベルで動作する新しい対称鍵暗号化手法の設計。
• 螺旋行列の概念を活用して、非線形なビット並び替えを導入し、より強力な拡散性を実現。
• ブロック長とブロック数を用いたセッションベースの鍵生成メカニズムの開発。
• 復号時に元の平文を正確に再構築できるように、可逆性を確保。
• TDESおよびAESといった標準アルゴリズムと比較して、SMBBOTのセキュリティと効率を評価。

提案手法

• 平文がバイナリビットストリームに変換され、可変サイズのブロックに分割される。
• 各ブロックのビットが、外側の層から始まり内側へ向かって螺旋順に正方行列に配置される。
• 正方行列が2×2部分行列に分割され、各部分行列から列方向にビットが抽出され、暗号化ビットストリングが形成される。
• セッション鍵は、そのセッションで使用されたブロック長とブロック数の組み合わせとして生成される。
• 復号では、セッション鍵を用いて暗号文がブロックに再構成され、ビットが列方向に2×2部分行列に再構成される。
• 再構築された正方行列を逆螺旋順に走査することで、元の平文が回復される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 螺旋行列走査を用いたビットレベル並び替えは、対称暗号化における暗号的拡散性をどのように向上させるか？
• RQ2 ブロックサイズとブロック数から導出されるセッション鍵は、計算オーバーヘッドを増加させることなく、鍵の多様性を向上させることができるか？
• RQ3 SMBBOTのセキュリティ強度は、業界標準のアルゴリズム（TDESおよびAES）と比較してどの程度か？
• RQ4 可変ブロック長が、暗号化プロセスの強靭性と効率性に与える影響は何か？
• RQ5 提案手法は、暗号文から元の平文を正確に再構築できる可逆性を有しているか？

主な発見

• SMBBOTは、螺旋行列走査と部分行列からの列方向抽出により、強力なビットレベル拡散を達成している。
• セッション鍵はブロック長とブロック数から動的に生成され、鍵の予測不可能性が向上している。
• 復号時に逆螺旋走査を用いることで、元の平文の正確な回復が保証されている。
• TDESおよびAESと比較して、SMBBOTは競争力のあるパフォーマンスとセキュリティ特性を示している。
• 可変ブロックサイズの使用により、さまざまなデータ型やサイズの効率的処理が可能になる柔軟性が得られている。
• 暗号化および復号プロセスは数学的に可逆であり、データ整合性が保証されている。