[论文解读] Efficient Lightweight Encryption Algorithm for Smart Video Applications

Amna Shifa, Mamoona Naveed Asghar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 13被引用 6

一句话总结

本文提出 EXPer，一种轻量级对称流密码，用于在资源受限的物联网（IoT）环境中保护实时视频。EXPer 仅使用异或（XOR）和左移操作，并配合三个 128 位密钥，即可实现与 AES 相当的安全级别，同时计算成本显著降低，因此非常适合在低功耗设备上运行智能视频应用。

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.

研究动机与目标

• 应对物联网（IoT）环境中资源受限设备日益增长的高效视频加密需求。
• 克服传统密码算法（如 AES）的局限性，后者在低功耗设备上进行实时视频处理时计算开销过大。
• 设计一种专为智能视频应用中多媒体数据优化的轻量级密码，实现最低资源消耗。
• 在显著降低计算开销的同时，确保安全性与 AES 相当，适用于边缘设备部署。

提出的方法

• 设计一种仅使用基本操作（异或和左移位）的对称流密码，以最小化计算复杂度。
• 采用三个 128 位密钥，在保持低内存和处理需求的同时增强安全性。
• 通过生成密钥流并与明文视频流进行异或操作，实现对视频数据的实时处理。
• 使用自研逻辑实现扩展置换和密钥调度，以提升扩散性和混淆性。
• 针对处理能力有限、内存受限的设备，优化算法以实现低延迟执行。
• 在多种视频样本上测试该密码，以评估其在真实环境下的性能与安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于简单操作的轻量级密码能否在视频加密中实现与 AES 相当的安全级别？
• RQ2 在实时视频应用中，所提出的密码与传统算法（如 AES）相比，其计算成本如何？
• RQ3 所提出的密码在显著降低资源消耗的同时，能在多大程度上保持安全性？
• RQ4 该密码是否适合在低功耗、内存受限设备上用于实时视频流传输？
• RQ5 在使用相同输入数据的情况下，EXPer 与 AES 加密视频的视觉质量有何差异？

主要发现

• 通过加密视频输出的视觉分析，确认 EXPer 达到了与 AES 相当的安全级别。
• EXPer 的计算成本显著低于 AES，因此更适用于资源受限设备上的实时视频处理。
• 该密码通过仅使用异或和左移操作，实现了有效的扩散与混淆，从而保持了强大的安全性。
• 视觉结果表明，EXPer 在不引起明显质量下降的情况下，有效保持了视频数据的完整性和机密性。
• 由于功耗和内存需求极低，EXPer 非常适合部署于基于物联网的智能视频应用。
• 该算法在处理视频流时的处理开销低于传统异或加密方式，且效率高于 AES。