[论文解读] Chaotic Dynamic S Boxes Based Substitution Approach for Digital Images

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

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文提出一种基于混沌的图像加密方案，通过Logistic映射动态生成S盒，并结合Fisher-Yates洗牌算法，辅以伽罗瓦域中的非线性变换以及CBC模式下的密钥化拉丁方。该方法在实验评估中表现出高安全性与强扩散性，优于近期方案，对统计攻击和差分攻击具有强抵抗力。

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.

研究动机与目标

• 通过先进的替代机制解决数字图像易受统计攻击和差分攻击的漏洞。
• 通过混沌映射和洗牌技术动态生成S盒以增强安全性。
• 利用伽罗瓦域中的非线性变换和密钥化拉丁方提升扩散性和混淆性。
• 通过迭代轮操作和密钥依赖变换强化加密强度。
• 在安全性和性能指标方面，将所提方案与近期加密方法进行对比评估。

提出的方法

• 使用分段线性混沌映射（PWLCM）和Fisher-Yates洗牌算法生成动态S盒，以确保随机性与密钥依赖性。
• Logistic映射从千个S盒中选择一个，并确定替换操作的行和列索引。
• 选定的S盒值通过伽罗瓦域GF(2^8)中的运算进行非线性变换。
• 256位外部密钥生成密钥化拉丁方，用于在密文块链（CBC）模式下执行秘密像素替换。
• 通过迭代轮操作进一步混淆密文图像，增强扩散性。
• 整个过程整合了混沌、替代、域运算和密钥调度，实现鲁棒加密。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效利用混沌系统生成用于图像加密的动态且安全的S盒？
• RQ2 结合伽罗瓦域非线性和密钥化拉丁方在多大程度上提升了扩散性和混淆性？
• RQ3 与近期图像加密方法相比，所提方案在安全性和性能方面表现如何？
• RQ4 迭代轮操作对最终密文图像抵抗密码分析的影响是什么？
• RQ5 使用混沌映射和洗牌技术生成的动态S盒能否确保高随机性和不可预测性？

主要发现

• 由于加密图像中像素分布均匀且熵值高，所提方案对统计攻击表现出强抵抗力。
• 基于Logistic映射和Fisher-Yates洗牌算法的动态S盒确保了高随机性与密钥敏感性。
• 在GF(2^8)中进行的非线性变换显著增强了混淆性，并提高了对代数攻击的抵抗能力。
• 在CBC模式下使用的密钥化拉丁方提升了扩散性，确保每个像素均基于唯一且依赖密钥的模式被替换。
• 实验结果证实，该算法在安全指标方面优于近期方案，包括更高的NPCR和UACI值。
• 该方案具备强大性能，计算复杂度高，使其对蛮力攻击和差分密码分析具有强韧性。