[论文解读] Differential cryptanalysis of image cipher using block-based scrambling and image filtering

Feng Yu, Xinhui Gong+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2018

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 26被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对IC-BSIF图像加密方案的差分密码分析攻击，表明可通过差分分析构建明文图像与密文图像之间的线性关系。通过构建包含$M\times N + 1$对明文图像与密文图像的编码本，证明该方案易受编码本攻击，进而提出一种改进算法，通过引入随机化图像旋转和增强扩散机制来抵御此类攻击，并通过NIST统计测试验证其安全性。

ABSTRACT

Recently, an image encryption algorithm using block-based scrambling and image filtering has been proposed by Hua et al. In this paper, we analyze the security problems of the encryption algorithm in detail and break the encryption by a codebook attack. We construct an linear relation between plain-images and cipher-images by differential cryptanalysis. With this linear relation, we build a codebook containing $(M imes N + 1)$ pairs of plain-images and cipher-images, where $M imes N$ is the size of images. The proposed codebook attack indicates that the encryption scheme is insecure. To resist the codebook attack, an improved algorithm is proposed. Experimental results show that the improved algorithm not only inherits the merits of the original scheme, but also has stronger security against the differential cryptanalysis.

研究动机与目标

• 通过基于块的混淆和图像滤波分析IC-BSIF图像加密算法的安全漏洞。
• 通过差分密码分析构建明文图像与密文图像之间的线性关系，证明该方案不安全。
• 提出一种仅需$M\times N + 1$对已知明文图像与密文图像对即可完全破解该方案的编码本攻击。
• 提出一种能抵御差分密码分析和编码本攻击的改进IC-BSIF算法。
• 通过NIST SP800-22统计随机性测试验证改进算法的安全性。

提出的方法

• 通过分析输入微小变化下输出差异，构建明文图像与密文图像之间的差分关系。
• 利用差分关系构建包含$M\times N + 1$对明文图像与密文图像的编码本，用于密码分析。
• 在基于块的混淆之后引入由随机索引控制的图像旋转步骤，以破坏线性关系并防止编码本攻击。
• 通过前一密文图像的像素值之和与子密钥，利用混沌逻辑斯蒂映射生成随机索引。
• 在每轮中使用3×3滤波矩阵和拉丁方排列混淆，以增加复杂度。
• 通过NIST SP800-22统计测试对密文图像和差分密文图像进行安全性验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管IC-BSIF方案具有非线性结构，是否仍可在明文图像与密文图像之间建立线性关系？
• RQ2 仅使用$M\times N + 1$对已知明文图像与密文图像对，编码本攻击在多大程度上可破解IC-BSIF？
• RQ3 引入随机索引控制的图像旋转对IC-BSIF方案抵御差分密码分析的安全性有何影响？
• RQ4 改进算法是否能保持强随机性并抵御统计分析，经由NIST SP800-22测试验证？
• RQ5 改进方案是否在提升对差分攻击和编码本攻击的抵抗能力的同时，保持原始算法的效率？

主要发现

• IC-BSIF方案因明文图像与密文图像之间存在线性差分关系而不安全，可利用$M\times N + 1$对已知图像对实施编码本攻击。
• 编码本攻击可完全破解原始IC-BSIF方案，表明其易受已知明文攻击。
• 改进算法引入随机索引控制的图像旋转，破坏线性关系，从而防止编码本攻击。
• 改进方案在密文图像和差分密文图像上均通过了NIST SP800-22统计测试套件的全部15项子测试。
• 改进方案中的差分图像$ abla C'$表现出强随机性，而原始IC-BSIF中$ abla C' = abla C$。
• 对于四轮加密，改进算法性能下降约20%；而对于三轮加密，性能提升约20%。