[論文レビュー] Chaotic Dynamic S Boxes Based Substitution Approach for Digital Images

Musheer Ahmad, Akshay Chopra|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2017

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ロジスティック写像とフィッシャー＝イェイツシャッフルを用いて動的に生成されたSボックスと、ガロア体における非線形変換、CBCモードにおける鍵付きラテン平方を組み合わせた、混沌みに基づく画像暗号化方式を提案する。この手法は高いセキュリティと強力な拡散性を達成しており、統計的および微分的攻撃に対して強固な耐性を示し、最近の手法と比較して実験的評価でも優れた性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper, we propose an image encryption algorithm based on the chaos, substitution boxes, nonlinear transformation in Galois field and Latin square. Initially, the dynamic S boxes are generated using Fisher Yates shuffle method and piece wise linear chaotic map. The algorithm utilizes advantages of keyed Latin square and transformation to substitute highly correlated digital images and yield encrypted image with valued performance. The chaotic behavior is achieved using Logistic map which is used to select one of thousand S boxes and also decides the row and column of selected S box. The selected S box value is transformed using nonlinear transformation. Along with the keyed Latin square generated using a 256 bit external key, used to substitute secretly plain image pixels in cipher block chaining mode. To further strengthen the security of algorithm, round operation are applied to obtain final ciphered image. The experimental results are performed to evaluate algorithm and the anticipated algorithm is compared with a recent encryption scheme. The analyses demonstrate algorithms effectiveness in providing high security to digital media.

研究の動機と目的

• 統計的および微分的攻撃に対する脆弱性を、高度な置換メカニズムによって是正すること。
• 混沌み写像とシャッフル技術を用いてSボックスを動的に生成することで、セキュリティを強化すること。
• ガロア体における非線形変換と鍵付きラテン平方を用いて、拡散性と混乱性を向上させること。
• 反復ラウンド処理と鍵依存変換を用いて暗号化を強化すること。
• 最近の暗号化手法と比較して、セキュリティおよびパフォーマンス指標の観点から、提案手法の評価を行うこと。

提案手法

• 動的Sボックスは、区分線形混沌写像（PWLCM）とフィッシャー＝イェイツシャッフルアルゴリズムを用いて生成され、ランダム性と鍵依存性を確保する。
• ロジスティック写像は1000個のSボックスの中から1つを選択し、置換の行および列インデックスを決定する。
• 選択されたSボックス値は、ガロア体GF(2^8)における演算を用いて非線形変換を受ける。
• 256ビットの外部鍵が鍵付きラテン平方を生成し、暗号ブロックチェーンキング（CBC）モードで秘密のピクセル置換を実行する。
• 反復的なラウンド処理を適用することで、暗号画像の曖昧化をさらに強化し、拡散性を向上させる。
• 全体のプロセスは、混沌み、置換、体演算、鍵スケジューリングを統合し、堅牢な暗号化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 混沌みシステムを効果的に活用して、画像暗号化のための動的かつ安全なSボックスを生成する方法は何か？
• RQ2 ガロア体における非線形性と鍵付きラテン平方を組み合わせることで、拡散性と混乱性はどの程度向上するか？
• RQ3 最近の画像暗号化手法と比較して、提案手法のセキュリティおよびパフォーマンスはどのように評価されるか？
• RQ4 反復ラウンド処理は、最終的な暗号画像が cryptanalysis に対してどの程度耐性を示すかにどのような影響を与えるか？
• RQ5 混沌み写像とシャッフルを用いた動的Sボックス生成は、高いランダム性と予測不能性を保証できるか？

主な発見

• 提案手法は、暗号化画像における均一なピクセル分布と高いエントロピーのおかげで、統計的攻撃に対して強い耐性を示す。
• ロジスティック写像とフィッシャー＝イェイツシャッフルを用いた動的Sボックスは、高いランダム性と鍵感度を保証する。
• GF(2^8)における非線形変換は混乱性を顕著に向上させ、代数的攻撃に対する耐性を高める。
• CBCモードにおける鍵付きラテン平方は拡散性を向上させ、各ピクセルが一意で鍵依存のパターンに基づいて置換されることを保証する。
• 実験結果から、最近の手法と比較して、本アルゴリズムのセキュリティ指標における優位性が確認され、NPCRおよびUACI値の向上が得られた。
• 高い計算複雑性を達成しており、ブルートフォースおよび微分的 cryptanalysis に対して耐性を示す、堅牢なパフォーマンスを発揮する。