[논문 리뷰] Chaotic Dynamic S Boxes Based Substitution Approach for Digital Images

Musheer Ahmad, Akshay Chopra|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 22.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 로지스틱 맵과 페어리-예이츠 셔플을 통해 동적으로 생성된 S-박스를 사용하는 혼돈 기반 이미지 암호화 기법을 제안한다. 이 기법은 갈로아 필드에서의 비선형 변환과 CBC 모드에서의 키 기반 라틴 스퀘어를 결합한다. 이 방법은 높은 보안성과 강력한 확산성을 확보하며, 통계적 및 차등 공격에 대한 강력한 저항력을 보이며 최근의 기법들보다 실험 평가에서 뛰어난 성능을 보인다.

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.

연구 동기 및 목표

• 디지털 이미지의 통계적 및 차등 공격에 대한 취약성을 고려해 고도화된 치환 메커니즘을 통해 이를 해결하고자 한다.
• 혼돈 맵과 셔플링 기법을 사용해 동적으로 S-박스를 생성함으로써 보안성을 향상시키고자 한다.
• 갈로아 필드에서의 비선형 변환과 키 기반 라틴 스퀘어를 활용해 확산과 혼동을 향상시키고자 한다.
• 반복적인 라운드 연산과 키에 의존하는 변환을 통해 암호화를 강화하고자 한다.
• 최근의 암호화 기법들과의 비교를 통해 제안된 기법의 보안성 및 성능 지표를 평가하고자 한다.

제안 방법

• 조각별 선형 혼돈 맵(PWLCM)과 페어리-예이츠 셔플 알고리즘을 사용해 무작위성과 키 의존성을 확보하는 동적 S-박스를 생성한다.
• 로지스틱 맵은 천 개의 S-박스 중 하나를 선택하고, 치환을 위한 행과 열 인덱스를 결정한다.
• 선택된 S-박스 값은 갈로아 필드 GF(2^8)에서의 연산을 통해 비선형 변환을 거친다.
• 256비트 외부 키는 CBC 모드에서 기밀 픽셀 치환을 수행하기 위한 키 기반 라틴 스퀘어를 생성한다.
• 라운드 연산을 반복적으로 적용하여 암호 이미지의 정보를 더욱 은폐하고 확산성을 향상시킨다.
• 혼돈, 치환, 필드 연산, 키 스케줄링이 통합된 전체 과정을 통해 강력한 암호화를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼돈 시스템을 어떻게 효과적으로 활용하여 이미지 암호화를 위한 동적이고 안정된 S-박스를 생성할 수 있는가?
• RQ2 갈로아 필드의 비선형성과 키 기반 라틴 스퀘어를 조합함으로써 확산과 혼동이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 최근의 이미지 암호화 기법들과 비교했을 때 제안된 기법의 보안성과 성능은 어떠한가?
• RQ4 반복적인 라운드 연산이 최종 암호 이미지의 암호 분석에 대한 저항력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 혼돈 맵과 셔플링을 사용한 동적 S-박스 생성 방식이 높은 무작위성과 예측 불가능성을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 암호화된 이미지의 균일한 픽셀 분포와 높은 엔트로피 덕분에 통계적 공격에 강력한 저항성을 보였다.
• 로지스틱 맵과 페어리-예이츠 셔플을 기반으로 한 동적 S-박스는 높은 무작위성과 키 민감도를 확보했다.
• GF(2^8)에서의 비선형 변환은 혼동을 크게 향상시키며, 대수적 공격에 대한 저항력을 증가시켰다.
• CBC 모드에서의 키 기반 라틴 스퀘어는 확산성을 향상시키고, 각 픽셀이 고유하고 키에 의존하는 패턴에 따라 치환됨을 보장했다.
• 실험 결과, 최근의 기법들보다 보안 지표에서 뛰어난 성능을 보였으며, NPCR 및 UACI 값이 향상되었다.
• 이 기법은 고도의 계산 복잡성을 확보해 브루트 포스 및 차등 암호 분석에 강력한 저항성을 확보했다.