[논문 리뷰] Efficient Lightweight Encryption Algorithm for Smart Video Applications

Amna Shifa, Mamoona Naveed Asghar외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 24.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 자원이 제한된 IoT 환경에서 실시간 영상 보안을 위해 설계된 경량 대칭 스트림 암호 EXPer을 제안한다. 세 개의 128비트 키를 사용하며, 단지 XOR 및 왼쪽 시프트 연산만을 활용하여 AES 수준의 보안을 달성하면서도 계산 비용을 크게 낮추어 저전력 장치에서 스마트 영상 응용 프로그램에 매우 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자원이 제한된 장치를 갖춘 인터넷 오브 things(IoT) 환경에서 효율적인 영상 암호화의 증가하는 수요를 해결한다.
• 저전력 장치에서 실시간 영상 처리에 너무 계산 비용이 큰 전통적인 암호 알고리즘(예: AES)의 한계를 극복한다.
• 최소한의 자원 소비로 다운로드된 멀티미디어 데이터에 특화된 경량 암호를 설계한다.
• AES 수준의 강력한 보안을 확보하면서도 엣지 장치에 구현하기 위해 계산 오버헤드를 극도로 줄인다.

제안 방법

• 계산 복잡도를 최소화하기 위해 단지 기본 연산인 XOR 및 왼쪽 비트 시프트만을 사용하는 대칭 스트림 암호를 설계한다.
• 보안을 강화하면서도 낮은 메모리 및 처리 요구량을 유지하기 위해 세 개의 128비트 키를 사용한다.
• 평문 영상 스트림과 X-OR되는 키스트림을 생성하여 실시간 영상 데이터 처리가 가능하도록 암호를 구조화한다.
• 확산과 혼동을 향상시키기 위해 자체 설계한 논리적 확장 순열 및 키 스케줄링을 구현한다.
• 제한된 처리 능력과 메모리 자원을 갖춘 장치에서 저지연 실행을 최적화한다.
• 실제 환경 조건에서 성능과 보안을 평가하기 위해 다양한 영상 샘플에서 암호를 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간단한 연산에 기반한 경량 암호가 영상 암호화에서 AES 수준의 보안을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실시간 영상 응용 프로그램에서 제안된 암호의 계산 비용이 기존 알고리즘(예: AES)과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 제안된 암호가 IoT 장치에서 자원 소비를 줄이면서도 얼마나 강력한 보안을 유지하는가?
• RQ4 제안된 암호는 저전력 및 메모리 제약이 있는 장치에서 실시간 영상 스트리밍에 적합한가?
• RQ5 동일한 입력 데이터를 사용할 때, EXPer과 AES 간에 암호화된 영상의 시각적 품질은 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 시각적 분석을 통해 EXPer는 암호화된 영상 출력물에서 AES 수준의 보안 수준을 확보함을 확인했다.
• EXPer의 계산 비용은 AES보다 현저히 낮아 제한된 자원을 갖춘 장치에서 실시간 영상 처리에 더 적합하다.
• 단지 XOR 및 왼쪽 시프트 연산만을 사용하여도 효과적인 확산과 혼동을 통해 강력한 보안을 유지를 한다.
• 시각적 결과는 EXPer가 영상 데이터의 무결성과 기밀성을 뚜렷한 품질 저하 없이 유지함을 보여준다.
• EXPer는 저전력 및 저메모리 요구량으로 인해 IoT 기반 스마트 영상 응용 프로그램에 배치하기에 매우 적합하다.
• 기존의 XOR 기반 암호화보다 성능이 뛰어나며, 영상 스트림 처리 오버헤드 측면에서 AES보다도 더 효율적이다.