[논문 리뷰] Real-time chaotic video encryption based on multithreaded parallel confusion and diffusion

Dong Jiang, Zhen Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 15.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 46인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 스레드 병렬 혼동 및 확산을 사용하여 실시간 혼돈 영상 암호화 기법을 제안한다. 이는 고속이고 안전한 영상 암호화를 달성하기 위해 설계되었다. 영상 프레임을 서브프레임으로 나누고 여러 스레드에서 동시에 처리함으로써 표준 CPU에서 24 FPS에서 5라운드 혼동-확산 연산을 수행할 수 있으며, 다중 라운드 혼돈 영상 암호화 분야에서 보고된 바 중 가장 빠른 암호화 속도를 달성하면서도 강력한 보안성과 노이즈 및 데이터 손실에 대한 내성을 유지한다.

ABSTRACT

Due to the strong correlation between adjacent pixels, most image encryption schemes perform multiple rounds of confusion and diffusion to protect the image against attacks. Such operations, however, are time-consuming, cannot meet the real-time requirements of video encryption. Existing works, therefore, realize video encryption by simplifying the encryption process or encrypting specific parts of video frames, which results in lower security compared to image encryption. To solve the problem, this paper proposes a real-time chaotic video encryption strategy based on multithreaded parallel confusion and diffusion. It takes a video as the input, splits the frame into subframes, creates a set of threads to simultaneously perform five rounds of confusion and diffusion operations on corresponding subframes, and efficiently outputs the encrypted frames. The encryption speed evaluation shows that our method significantly improves the confusion and diffusion speed, realizes real-time 480x480, 576x576, and 768x768 24FPS video encryption using Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700, and Intel Xeon Gold 6226R, respectively. The statistical and security analysis prove that the deployed cryptosystems have outstanding statistical properties, can resist attacks, channel noise, and data loss. Compared with existing works, to the best of our knowledge, the proposed strategy achieves the fastest encryption speed, and realizes the first real-time chaotic video encryption that reaches the security level of image encryption. In addition, it is suitable for many confusion, diffusion algorithms and can be easily deployed with both hardware and software.

연구 동기 및 목표

• 다중 혼동-확산 라운드를 통해 높은 보안성을 유지하면서도 실시간으로 작동하는 안전한 영상 암호화의 부족을 해결한다.
• 영상에 적용될 때 기존의 다중 라운드 이미지 암호화 방법이 실시간 사용에 부적합할 정도로 느린 성능 장벽을 극복한다.
• 병렬 컴퓨팅을 활용하여 바이트 생성, 혼동, 확산 연산을 가속화하는 가용성과 효율성을 갖춘 영상 암호화 프레임워크를 개발한다.
• 제안된 시스템이 강력한 통계적 성질과 일반적인 공격, 노이즈 및 데이터 손실에 대한 저항성을 유지하며, 이미지 암호화 기준을 충족하거나 초월함을 보장한다.
• 다양한 하드웨어 플랫폼에서의 구현 및 평가를 통해 다중 라운드 혼돈 암호화가 영상에 대해 실현 가능하고 우월함을 입증한다.

제안 방법

• 영상은 병렬 처리를 가능하게 하기 위해 서브프레임으로 분할된다.
• 각 스레드는 혼돈 시스템을 사용하여 암호화 키를 생성하고 픽셀 값을 수정하기 위해 독립적으로 5라운드의 혼동 및 확산을 수행한다.
• 혼동은 의사난수 비트 생성기(PRBG)에서 유도된 혼돈 시퀀스를 사용하여 픽셀 위치를 치환함으로써 적용된다.
• 확산은 혼돈 바이트 시퀀스와의 XOR 연산을 통해 픽셀 값을 수정함으로써 수행되며, 5라운드에 걸쳐 반복적으로 적용된다.
• 이 방법은 다양한 혼돈 맵과 혼동/확산 기법과 호환되어 소프트웨어 및 하드웨어(예: FPGA, ARM)에 쉽게 통합될 수 있다.
• 성능 평가는 인텔 코어 i5-1135G7, i7-8700, Xeon 골드 6226R 프로세서를 사용하여 480×480, 576×576, 768×768 영상 해상도에서 24 FPS로 평가되었다.

Figure 1: Workflow diagram of the proposed chaotic real-time video encryption strategy ( $p_{m}$ : parameters generated by $\mathrm{PRBG}_{m}$ ; $s_{c}$ : confusion seed; $f$ : subframe).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 병렬 컴퓨팅을 활용하면 다중 라운드 혼동-확산 아키텍처를 실시간 영상 암호화에 실용적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 제안된 병렬 다중 스레드 방식은 순차적 또는 단일 라운드 방법에 비해 암호화 속도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 시스템은 얼마나 강력한 통계적 성질을 유지하며, 알려진 공격, 노이즈 및 데이터 손실에 저항하는가?
• RQ4 제안된 방법은 다양한 혼돈 맵과 구현 플랫폼(소프트웨어/하드웨어)과의 확장성과 호환성이 있는가?
• RQ5 표준 CPU에서 실시간 성능(즉, <1000/24 ≈ 41.67 ms)을 달성하기 위해 필요한 프레임당 평균 암호화 시간은 최소 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 인텔 코어 i5-1135G7, i7-8700, Xeon 골드 6226R 프로세서에서 각각 480×480, 576×576, 768×768 해상도에서 실시간 24 FPS 영상 암호화를 달성하였다.
• i5-1135G7에서 480×480 해상도의 경우 평균 프레임당 암호화 시간은 PLCM 기준 36.26 ms, 2DLASM 기준 35.49 ms로, 실시간 기준인 <1000/24 ≈ 41.67 ms를 충족한다.
• 통계 분석을 통해 암호화 출력의 우수한 균일성과 무작위성, 강력한 확산 특성과 일치하는 높은 NPCR 및 UACI 값을 확인하였다.
• 시스템은 차별 공격, 채널 노이즈 및 데이터 손실에 대해 뛰어난 내성을 보이며, 악조건에서도 높은 보안성을 유지한다.
• 이 방법은 다섯 라운드 혼동-확산 아키텍처를 사용한 실시간 혼돈 영상 암호화를 처음으로 실현하였으며, 속도와 보안성 면에서 이전 연구를 뛰어넘었다.
• 이 방법은 다양한 혼돈 맵과 혼동/확산 기법을 지원하는 데 매우 확장 가능하며, ARM 및 FPGA와 같은 소프트웨어 및 하드웨어 플랫폼 모두에서 구현이 가능하다.

Figure 2: Speed evaluation of byte generation, confusion, and diffusion steps, (a-c) throughput of all $\mathrm{PRBG_{a}}$ s versus the number of assistant threads, (d-f) average time of confusion operations versus the number of assistant threads, (g-i) average time of diffusion operations versus th