[論文レビュー] Differential cryptanalysis of image cipher using block-based scrambling and image filtering

Feng Yu, Xinhui Gong+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2018

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 26被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、IC-BSIF画像暗号化方式に対する微分 cryptanalysis 攻撃を提示しており、微分解析を用いることで、平文画像と暗号文画像の間の線形関係を構築できることを示している。$M\times N + 1$ 個の平文画像と暗号文画像のペアを含むコードブックを構築することで、この方式がコードブック攻撃に対して脆弱であることが示された。これに基づき、ランダム化された画像回転と強化された拡산を用いることでこの攻撃を耐性化する改善されたアルゴリズムが提案され、NIST 統計的テストにより検証された。

ABSTRACT

Recently, an image encryption algorithm using block-based scrambling and image filtering has been proposed by Hua et al. In this paper, we analyze the security problems of the encryption algorithm in detail and break the encryption by a codebook attack. We construct an linear relation between plain-images and cipher-images by differential cryptanalysis. With this linear relation, we build a codebook containing $(M imes N + 1)$ pairs of plain-images and cipher-images, where $M imes N$ is the size of images. The proposed codebook attack indicates that the encryption scheme is insecure. To resist the codebook attack, an improved algorithm is proposed. Experimental results show that the improved algorithm not only inherits the merits of the original scheme, but also has stronger security against the differential cryptanalysis.

研究の動機と目的

• ブロックベースのスキャンブルと画像フィルタリングを用いた IC-BSIF 画像暗号化アルゴリズムのセキュリティ上の脆弱性を分析すること。
• 微分 cryptanalysis を用いて、平文画像と暗号文画像の間の線形関係を構築することで、この方式が非安全であることを示すこと。
• 平文画像と暗号文画像のペアが $M\times N + 1$ 個の既知である場合にのみ、完全にこの方式を破壊できるコードブック攻撃を開発すること。
• 微分 cryptanalysis およびコードブック攻撃に対して耐性を持つ、安全な改善版 IC-BSIF の提案すること。
• NIST SP800-22 統計的ランダムネステストを用いて、改善されたアルゴリズムのセキュリティを検証すること。

提案手法

• 微小な入力変更に対する出力差分を分析することで、平文画像と暗号文画像の間の微分関係を構築すること。
• 得られた微分関係を用いて、暗号解析のためのコードブック（$M\times N + 1$ 個の平文画像と暗号文画像のペアを含む）を構築すること。
• 線形関係を破壊し、コードブック攻撃を防止するために、ブロックベースのスキャンブルの後にランダムインデックス制御の画像回転ステップを導入すること。
• 以前の暗号文画像の画素値の合計と部分鍵を用いて、カオス的ロジスティック写像からランダムインデックスを生成すること。
• 各ラウンドで 3×3 フィルタリングマトリクスとラテンスクェアを用いた並び替えを用いて、複雑性を向上させること。
• 暗号文画像および微分暗号文画像の両方について、NIST SP800-22 統計的テストを用いてセキュリティを検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IC-BSIF 方式において、非線形構造を有するにもかかわらず、平文画像と暗号文画像の間に線形関係を確立できるか？
• RQ2 平文画像と暗号文画像のペアが $M\times N + 1$ 個の既知である場合に、コードブック攻撃が IC-BSIF をどの程度まで破壊できるか？
• RQ3 ランダムインデックス制御の画像回転の導入が、微分 cryptanalysis に対する IC-BSIF 方式のセキュリティにどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 改善されたアルゴリズムは、NIST SP800-22 テストによって検証されたように、強力なランダムネスを維持し、統計的解析に対して耐性を持つことができるか？
• RQ5 改善された方式は、元のアルゴリズムの効率を保持しつつ、微分 cryptanalysis およびコードブック攻撃に対して耐性を高めることができるか？

主な発見

• IC-BSIF 方式は、平文画像と暗号文画像の間に線形微分関係があるため、$M\times N + 1$ 個の既知ペアでコードブック攻撃が可能であり、セキュリティが不十分である。
• コードブック攻撃により、元の IC-BSIF 方式は完全に破壊可能であり、既知平文攻撃に対して脆弱であることが示された。
• 改善されたアルゴリズムでは、ランダムインデックス制御の画像回転を導入することで、線形関係を破壊し、コードブック攻撃を防止している。
• 改善された方式は、NIST SP800-22 統計的テストスイートの15のサブテストすべてに合格している。
• 改善された方式では、微分画像 $ abla C'$ が強いランダムネスを示しているが、元の IC-BSIF では $ abla C' = abla C$ であった。
• 4ラウンド暗号化では、改善されたアルゴリズムで約20%の性能低下が生じたが、3ラウンドでは約20%の性能向上が見られた。