[論文レビュー] Efficient Lightweight Encryption Algorithm for Smart Video Applications

Amna Shifa, Mamoona Naveed Asghar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、リソース制約のあるIoT環境におけるリアルタイム動画の保護を目的として、EXPerと呼ばれる軽量な対称ストリーム暗号を提案する。XORおよび左シフト演算のみを用い、3つの128ビット鍵を用いることで、AESと同等のセキュリティを実現しつつ、著しく低い計算コストを達成しており、低消費電力デバイスにおけるスマート動画アプリケーションに最適である。

ABSTRACT

The future generation networks: Internet of things (IoT), in combination with the advanced computer vision techniques poses new challenges for securing videos for end-users. The visual devices generally have constrained resources in respects to their low computation power, small memory with limited power supply. Therefore, to facilitate the video security in smart environment, lightweight security schemes are required instead of inefficient existing traditional cryptography algorithms. This research paper provides the solution to overcome such problems. A novel lightweight cipher algorithm is proposed here which targets multimedia in IoT with an in-house name EXPer i.e. Extended permutation with eXclusive OR (XOR). EXPer is a symmetric stream cipher that consists of simple XOR and left shift operations with three keys of 128 bits. The proposed cipher algorithm has been tested on various sample videos. Comparison of proposed algorithm has been made with the traditional cipher algorithms XOR and Advanced Encryption Standard (AES). Visual results confirm that EXPer provides security level equivalent to the AES algorithm with less computational cost than AES. Therefore, it can easily be perceived that the EXPer is a better replacement of AES for securing real-time video applications in IoT.

研究の動機と目的

• リソース制限のあるデバイスを有するインターネット・オブ・シングス（IoT）環境における、動画暗号化のための効率的で効果的なソリューションの需要を満たす。
• 低消費電力デバイスにおけるリアルタイム動画処理に不適切なほど計算コストの高い従来の暗号アルゴリズム（例：AES）の限界を克服する。
• 最小限のリソース消費で、マルチメディアデータに特化した、スマート動画アプリケーション向けに最適化された軽量暗号を設計する。
• AESと同等の強固なセキュリティを確保するとともに、エッジデバイスへの展開に際して計算オーバーヘッドを著しく低減する。

提案手法

• XORおよび左ビットシフトという基本的な演算のみを用いた対称ストリーム暗号を設計し、計算複雑性を最小限に抑える。
• セキュリティを強化しつつ、メモリおよび処理負荷を低く保つために、3つの128ビット鍵を採用する。
• 平文の動画ストリームとX-ORされるキーストリームを生成することで、リアルタイムでの動画データ処理が可能となるように暗号を構造化する。
• 独自開発の論理的手法を用いて拡張置換および鍵スケジューリングを実装し、拡散および混乱を向上させる。
• 処理能力およびメモリが限られたデバイスでも低遅延実行が可能なように、アルゴリズムを最適化する。
• さまざまな動画サンプルを用いてテストを行い、実世界の状況下での性能およびセキュリティを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XORおよび左シフトといった単純な演算に依存する軽量暗号が、動画暗号化においてAESと同等のセキュリティ水準を達成できるか。
• RQ2 提案された暗号の計算コストが、リアルタイム動画アプリケーションにおける従来のアルゴリズム（例：AES）と比較してどの程度低いのか。
• RQ3 提案された暗号が、IoTデバイスにおけるリソース消費を著しく削減しながらも、どの程度のセキュリティを維持できるか。
• RQ4 提案された暗号が、低消費電力かつメモリ制限のあるデバイスにおけるリアルタイム動画ストリーミングに適しているか。
• RQ5 同じ入力データを用いた場合、EXPerとAESの間で暗号化された動画の視覚的品質にどのような差異が生じるか。

主な発見

• 視覚的分析により、EXPerはAESと同等のセキュリティ水準に達していることが確認された。
• EXPerの計算コストはAESよりも著しく低く、リソース制限のあるデバイスにおけるリアルタイム動画処理に適している。
• XORおよび左シフト演算のみを用いても、効果的な拡散および混乱を実現することで、強固なセキュリティを維持している。
• 視覚的結果から、EXPerが動画データの整合性および機密性を著しく損なわず、完全に保持していることが示された。
• EXPerは、低消費電力および低メモリ要件を満たすため、IoTベースのスマート動画アプリケーションへの展開に非常に適している。
• 従来のXORベースの暗号よりも優れており、動画ストリーム処理における処理オーバーヘッドの観点からも、AESを凌駆する効率性を示している。