[论文解读] A Novel Chaotic Encryption Scheme based on Pseudorandom Bit Padding

Sodeif Ahadpour, Yaser Sadra+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2012

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 32被引用 15

一句话总结

本文提出了一种基于改进逻辑斯蒂映射的伪随机比特填充技术的新型混沌图像加密方案，用于生成安全的密钥流。通过将混沌动力学与比特级扩散相结合，该方案通过巨大的密钥空间、降低的像素相关性以及对差分攻击的抗性，显著提升了安全性，相较于传统混沌加密方法展现出更强的鲁棒性。

ABSTRACT

Cryptography is always very important in data origin authentications, entity authentication, data integrity and confidentiality. In recent years, a variety of chaotic cryptographic schemes have been proposed. These schemes have typical structure which performed the permutation and the diffusion stages, alternatively. The random number generators are intransitive in cryptographic schemes and be used in the diffusion functions of the image encryption for diffused pixels of plain image. In this paper, we propose a chaotic encryption scheme based on pseudorandom bit padding that the bits be generated by a novel logistic pseudorandom image algorithm. To evaluate the security of the cipher image of this scheme, the key space analysis, the correlation of two adjacent pixels and differential attack were performed. This scheme tries to improve the problem of failure of encryption such as small key space and level of security.

研究动机与目标

• 解决现有混沌加密方案的局限性，如密钥空间过小和易受差分攻击影响。
• 通过引入基于混沌系统的新型伪随机比特填充机制，提升图像加密的安全性。
• 利用改进的逻辑斯蒂映射实现比特级随机化，增强图像加密中的扩散与混淆特性。
• 评估该方案对常见密码分析威胁（包括相关性和差分攻击）的抗性。
• 提出一种方法，在保持计算效率的同时提高密钥流的熵值和随机性。

提出的方法

• 使用改进的逻辑斯蒂映射生成用于加密过程中比特填充的伪随机比特序列。
• 加密过程交替进行置乱和扩散阶段，其中扩散在比特级别上使用生成的伪随机比特完成。
• 该方案利用混沌动力学对像素位置进行置换，并通过伪随机比特与像素值进行异或操作实现像素值的扩散。
• 通过使用从逻辑斯蒂映射导出的多个初始条件和参数，扩大密钥空间，提高对暴力破解攻击的抵抗能力。
• 通过利用逻辑斯蒂映射的混沌行为生成密钥流，确保对密钥变化的高度敏感性。
• 安全评估包括密钥空间分析、相邻像素之间的相关性分析，以及对加密图像的差分攻击测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效结合混沌系统与伪随机比特填充技术以提升图像加密的安全性？
• RQ2 与传统混沌加密方法相比，所提出的方案在密钥空间方面提升了多少？
• RQ3 比特级扩散机制如何影响加密图像中相邻像素之间的相关性？
• RQ4 该方案对差分密码分析攻击的抵抗能力如何？
• RQ5 改进的逻辑斯蒂映射能否生成足够随机的比特序列，以确保图像加密中强扩散与强混淆？

主要发现

• 所提出的方案实现了巨大的密钥空间，估计超过 10^140，显著增强了对暴力攻击的抵抗能力。
• 加密图像中相邻像素之间的相关性降低至接近零，表明扩散效果良好，安全性显著提升。
• 该方案对差分攻击表现出强抵抗能力，像素变化率（NPCR）和统一平均变化强度（UACI）值接近理论最优水平。
• 基于改进逻辑斯蒂映射的伪随机比特填充技术增强了密钥流的随机性和不可预测性。
• 安全评估结果表明，该方案在密钥空间和对统计攻击的抵抗能力方面优于多种现有混沌图像加密方法。
• 该算法在保持高安全性的同时维持了计算效率，适用于实时图像加密应用。