Chaotische Videoverschlüsselung in Echtzeit basierend auf paralleler Multithread-Verwirrung und -Diffusion

Linktabelle

Zusammenfassung und Einführung

Strategiebeschreibung

Bewertung der Verschlüsselungsgeschwindigkeit

Statistische Auswertung

Sicherheitsanalyse

Parameter-Setup

Vergleich mit früheren Werken

Schlussfolgerungen

Danksagungen und Referenzen

Abstrakt

Aufgrund der starken Korrelation zwischen benachbarten Pixeln führen die meisten Bildverschlüsselungsschemata mehrere Verwirrungs- und Diffusionsrunden durch, um das Bild vor Angriffen zu schützen. Solche Vorgänge sind jedoch zeitaufwändig und können die Echtzeitanforderungen der Videoverschlüsselung nicht erfüllen. Bestehende Werke realisieren die Videoverschlüsselung daher, indem sie den Verschlüsselungsprozess vereinfachen oder bestimmte Teile von Videobildern verschlüsseln, was im Vergleich zur Bildverschlüsselung zu einer geringeren Sicherheit führt. Um das Problem zu lösen, schlägt dieses Papier eine chaotische Echtzeit-Videoverschlüsselungsstrategie vor, die auf paralleler Multithread-Verwirrung und -Diffusion basiert. Es nimmt ein Video als Eingabe, teilt den Frame in Subframes auf, erstellt eine Reihe von Threads, um gleichzeitig fünf Runden von Verwirrungs- und Diffusionsoperationen an entsprechenden Subframes durchzuführen, und gibt die verschlüsselten Frames effizient aus. Die Bewertung der Verschlüsselungsgeschwindigkeit zeigt, dass unsere Methode die Verwirrungs- und Diffusionsgeschwindigkeit erheblich verbessert und eine Echtzeit-Videoverschlüsselung mit 480 × 480, 576 × 576 und 768 × 768 24 FPS unter Verwendung von Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700 und Intel realisiert Xeon Gold 6226R bzw. Die statistischen und Sicherheitsanalysen belegen, dass die eingesetzten Kryptosysteme über hervorragende statistische Eigenschaften verfügen und Angriffen, Kanalrauschen und Datenverlust widerstehen können. Im Vergleich zu früheren Arbeiten erreicht die vorgeschlagene Strategie nach unserem besten Wissen die schnellste Verschlüsselungsgeschwindigkeit und realisiert die erste chaotische Echtzeit-Videoverschlüsselung auf der Grundlage einer mehrrundigen Verwirrungs-Diffusions-Architektur und bietet somit eine sicherere und praktikablere Lösung für praktische Anwendungen und damit verbundene Forschung.

Schlüsselwörter : Echtzeit-Videoverschlüsselung, Paralleles Rechnen, Chaotische Systeme, Verwirrung und Verbreitung

1. Einleitung

Mit der rasanten Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien haben Bilder und Videos ein enormes Potenzial bei der Datenspeicherung und Netzwerkübertragung gezeigt, was zu umfangreichen Anwendungsanforderungen für die Bild- und Videoverschlüsselung führte [1]. Die meisten herkömmlichen kryptografischen Verfahren wie DES, AES, RSA usw. sind jedoch auf den Schutz von Textinformationen ausgelegt und eignen sich nicht für Bilder und Videos [2]. Infolgedessen wurden in den letzten Jahren viele Bildverschlüsselungsprotokolle vorgeschlagen, die auf unterschiedlichen Techniken basieren [3, 4, 5, 6], bei denen chaotische Methoden aufgrund der intrinsischen Eigenschaften chaotischer Systeme, einschließlich Ergodizität, nicht, große Aufmerksamkeit erregen -Periodizität, Nichtkonvergenz, Empfindlichkeit gegenüber Anfangsbedingungen und Kontrollparametern usw. [7]. Die meisten auf Chaos basierenden Bildverschlüsselungsalgorithmen umfassen Verwirrungs- und Diffusionsphasen [8]. In der ersten Phase werden die Pixelpositionen über das gesamte Bild verteilt, ohne dass sich die Werte ändern [9]. In der letzten Phase werden die Pixelwerte sequentiell mit den von chaotischen Systemen erzeugten Bytesequenzen geändert [10].

Solche auf einer Verwirrungs-Diffusions-Architektur basierenden Bildverschlüsselungsprotokolle müssen die beiden Phasen über mehrere Runden durchführen, bis ein zufriedenstellendes Sicherheitsniveau erreicht ist [11]. Dies ist natürlich sehr zeitaufwändig und kann den Echtzeitanforderungen der Videoverschlüsselung nicht gerecht werden. Bestehende Werke realisieren daher die Videoverschlüsselung, indem sie den Verschlüsselungsprozess vereinfachen oder bestimmte Pixel im Video verschlüsseln[12, 13]. Für die erste Kategorie (auch Vollverschlüsselung genannt) gilt beispielsweise Ref. [14] wählt drei chaotische Karten aus, um Bytesequenzen zu generieren, und führt direkt XOR-Operationen zwischen den Pixeln und den generierten Bytes durch, um das Video zu verschlüsseln; Refs. [15] Verwenden Sie die generierten Bytes, um den Frame zu verschlüsseln, und nutzen Sie die verschlüsselten Pixel als Feedback, um die Klartextempfindlichkeit des eingesetzten Kryptosystems zu verbessern. Ref. [16] führt eine Runde von Verwirrungsoperationen am Videobild durch, gefolgt von XOR-Operationen zwischen den Pixeln und den generierten Bytes, um die Bildverschlüsselung zu realisieren; Da praktische Anwendungen höhere Anforderungen an die Sicherheit stellen, basieren die neuesten veröffentlichten Arbeiten auf einer einrundigen Verwirrungs-Diffusions-Architektur[17, 18, 19, 20, 21, 22]. Die zweite Kategorie wird auch als selektive Verschlüsselung bezeichnet. Die zu dieser Kategorie gehörenden Algorithmen verschlüsseln bestimmte Pixel im Videobild, um die Rechenkomplexität zu reduzieren [23]. Diese Kategorien von Strategien erzielen eindeutig eine hohe Effizienz auf Kosten der Sicherheit.

Daher ist es zu einem dringend zu lösenden Problem geworden, wie eine Echtzeit-Videoverschlüsselung ohne Beeinträchtigung der Sicherheit realisiert werden kann. Im Bereich der vollständigen Videoverschlüsselung gibt es jedoch nur wenige entsprechende Forschungsergebnisse. Und nach unserem besten Wissen können bestehende Werke keine Echtzeit-Videoverschlüsselung realisieren, d. h. die Anzahl der pro Sekunde verschlüsselten Bilder ist größer als die FPS (Frames Per Second) des Videos oder die durchschnittliche Verschlüsselungszeit (ms). weniger als 1000 / FPS. Dieser Artikel nutzt daher die Vorteile des parallelen Rechnens und entwirft eine Fünf-Runden-Konfusions-Diffusions-Architektur, die auf einer chaotischen Echtzeit-Videoverschlüsselungsstrategie basiert. Um die Leistung zu bewerten, werden zwei Kryptosysteme mithilfe zweier unterschiedlicher chaotischer Karten implementiert. Zur Beurteilung der Verschlüsselungsgeschwindigkeit der eingesetzten Kryptosysteme werden drei Hardwareplattformen verwendet. Die Bewertungsergebnisse zeigen, dass unsere Strategie die Geschwindigkeit der Bytegenerierung, -verwirrung und -verbreitung erheblich verbessert und damit den Grundstein für die Realisierung einer Echtzeit-Videoverschlüsselung legt. Die statistischen und Sicherheitsanalysen belegen, dass die eingesetzten Kryptosysteme über hervorragende statistische Eigenschaften und Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe, Kanalrauschen und Datenverlust verfügen. Die vorgeschlagene Strategie eignet sich auch für viele Verwirrungs- und Diffusionsmethoden und kann sowohl mit Software als auch mit Hardware leicht realisiert werden.

Der Rest des Papiers ist wie folgt gegliedert: Abschnitt 2 enthält eine detaillierte Beschreibung der vorgeschlagenen Strategie. In Abschnitt 3 werden zwei typische chaotische Karten zur Umsetzung der Strategie ausgewählt und die Verschlüsselungsgeschwindigkeit der eingesetzten Kryptosysteme mithilfe von drei verschiedenen Hardwareplattformen bewertet. Abschnitt 4 und 5 führen jeweils statistische und Sicherheitsanalysen durch. Abschnitt 6 analysiert die Gründe für die in diesem Dokument verwendeten Parametereinstellungen. In Abschnitt 7 erfolgt ein Vergleich mit kürzlich veröffentlichten Arbeiten, gefolgt von einem kurzen Fazit in Abschnitt 8.