Cifrado de vídeo caótico en tiempo real basado en confusión y difusión paralela multiproceso

Tabla de enlaces

Resumen e introducción

Descripción de la estrategia

Evaluación de la velocidad de cifrado

Evaluación estadística

Análisis de seguridad

Configuración de parámetros

Comparación con trabajos anteriores

Conclusiones

Agradecimientos y referencias

Abstracto

Debido a la fuerte correlación entre píxeles adyacentes, la mayoría de los esquemas de cifrado de imágenes realizan múltiples rondas de confusión y difusión para proteger la imagen contra ataques. Sin embargo, estas operaciones requieren mucho tiempo y no pueden cumplir con los requisitos en tiempo real del cifrado de vídeo. Por lo tanto, los trabajos existentes realizan el cifrado de vídeo simplificando el proceso de cifrado o cifrando partes específicas de fotogramas de vídeo, lo que resulta en una menor seguridad en comparación con el cifrado de imágenes. Para resolver el problema, este artículo propone una estrategia de cifrado de video caótico en tiempo real basada en confusión y difusión paralela de subprocesos múltiples. Toma un video como entrada, divide el cuadro en subcuadros, crea un conjunto de subprocesos para realizar simultáneamente cinco rondas de operaciones de confusión y difusión en los subcuadros correspondientes y genera de manera eficiente los cuadros cifrados. La evaluación de la velocidad de cifrado muestra que nuestro método mejora significativamente la velocidad de confusión y difusión, realiza cifrado de video en tiempo real de 480 × 480, 576 × 576 y 768 × 768 24 FPS utilizando Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700 e Intel. Xeon Gold 6226R, respectivamente. El análisis estadístico y de seguridad demuestra que los criptosistemas implementados tienen propiedades estadísticas sobresalientes, pueden resistir ataques, ruido de canal y pérdida de datos. En comparación con trabajos anteriores, hasta donde sabemos, la estrategia propuesta logra la velocidad de cifrado más rápida y realiza el primer cifrado de video caótico en tiempo real basado en una arquitectura de difusión de confusión de múltiples rondas, proporcionando así una solución más segura y factible. para aplicaciones prácticas e investigaciones relacionadas.

Palabras clave : Cifrado de vídeo en tiempo real, Computación paralela, Sistemas caóticos, Confusión y difusión.

1. Introducción

Con el rápido desarrollo de las tecnologías de la información y las comunicaciones, las imágenes y los vídeos han demostrado un enorme potencial en el almacenamiento de datos y la transmisión en red, lo que ha dado lugar a amplios requisitos de aplicación para el cifrado de imágenes y vídeos [1]. Sin embargo, la mayoría de los esquemas criptográficos convencionales, como DES, AES, RSA, etc., están diseñados para proteger información textual, no son adecuados para imágenes y vídeos [2]. Como resultado, en los últimos años se han propuesto muchos protocolos de cifrado de imágenes basados en diferentes técnicas [3, 4, 5, 6], en los que los métodos basados en el caos atraen significativamente la atención, debido a las características intrínsecas de los sistemas caóticos, incluida la ergodicidad, la no -periodicidad, no convergencia, sensibilidad a las condiciones iniciales y parámetros de control, et al. [7]. La mayoría de los algoritmos de cifrado de imágenes basados en el caos comprenden fases de confusión y difusión [8]. En la primera fase, las posiciones de los píxeles se codifican en toda la imagen sin cambiar los valores [9]. En la última fase, los valores de los píxeles se modifican secuencialmente con las secuencias de bytes generadas por los sistemas caóticos [10].

Estos protocolos de cifrado de imágenes basados en arquitectura de confusión-difusión deben realizar las dos fases durante múltiples rondas hasta que se logre un nivel de seguridad satisfactorio [11]. Obviamente, esto requiere mucho tiempo y no puede cumplir con los requisitos en tiempo real del cifrado de vídeo. Por lo tanto, los trabajos existentes realizan el cifrado de vídeo simplificando el proceso de cifrado o cifrando píxeles específicos en el vídeo [12, 13]. Para la primera categoría (también conocida como cifrado completo), por ejemplo, Ref. [14] selecciona tres mapas caóticos para generar secuencias de bytes y realiza directamente operaciones XOR entre los píxeles y los bytes generados para cifrar el video; Árbitros. [15] utilizan los bytes generados para cifrar la trama y toman los píxeles cifrados como retroalimentación para mejorar la sensibilidad del texto sin formato del criptosistema implementado; Árbitro. [16] realiza una ronda de operación de confusión en el cuadro de video, seguida de operaciones XOR entre los píxeles y los bytes generados para realizar el cifrado del cuadro; Dado que las aplicaciones prácticas plantean mayores requisitos de seguridad, los trabajos publicados más recientemente se basan en una arquitectura de difusión de confusión de una sola ronda [17, 18, 19, 20, 21, 22]. La segunda categoría también se conoce como cifrado selectivo; los algoritmos que pertenecen a esta categoría cifran píxeles específicos en el cuadro de video para reducir la complejidad computacional [23]. Estas categorías de estrategias, claramente, logran una alta eficiencia a expensas de la seguridad.

Por lo tanto, cómo realizar el cifrado de vídeo en tiempo real sin comprometer la seguridad se ha convertido en un problema urgente que hay que resolver. Sin embargo, en el campo del cifrado completo de vídeo existen pocas investigaciones relacionadas. Y hasta donde sabemos, los trabajos existentes no pueden realizar el cifrado de vídeo en tiempo real, es decir, el número de fotogramas cifrados en un segundo es mayor que los FPS (cuadros por segundo) del vídeo o el tiempo medio de cifrado (ms). menos de 1000/FPS. Por lo tanto, este artículo aprovecha la computación paralela y diseña una estrategia de cifrado de video caótico en tiempo real basada en una arquitectura de difusión-confusión de cinco rondas. Para evaluar el rendimiento, se implementan dos criptosistemas utilizando dos mapas caóticos diferentes. Se utilizan tres plataformas de hardware para evaluar la velocidad de cifrado de los criptosistemas implementados. Los resultados de la evaluación muestran que nuestra estrategia mejora significativamente la velocidad de generación, confusión y difusión de bytes, sentando las bases para la realización del cifrado de video en tiempo real. El análisis estadístico y de seguridad demuestra que los criptosistemas implementados tienen excelentes propiedades estadísticas y resistencia a ataques, ruido de canal y pérdida de datos. La estrategia propuesta también es adecuada para muchos métodos de confusión y difusión, y puede realizarse fácilmente tanto con software como con hardware.

El resto del artículo se organiza de la siguiente manera: la sección 2 ofrece una descripción detallada de la estrategia propuesta. En la sección 3, se seleccionan dos mapas caóticos típicos para implementar la estrategia y se evalúa la velocidad de cifrado de los criptosistemas implementados utilizando tres plataformas de hardware diferentes. Las secciones 4 y 5 realizan análisis estadísticos y de seguridad, respectivamente. La Sección 6 analiza las razones de la configuración de parámetros utilizados en este artículo. En la sección 7 se ofrece una comparación con trabajos publicados recientemente, seguida de una breve conclusión en la sección 8.