Çok İş parçacıklı Paralel Karışıklık ve Dağıtıma Dayalı Gerçek Zamanlı Kaotik Video Şifreleme

Bağlantı Tablosu

Özet ve Giriş

Strateji Açıklaması

Şifreleme Hızı Değerlendirmesi

İstatistiksel Değerlendirme

Güvenlik analizi

Parametre Kurulumu

Önceki Çalışmalarla Karşılaştırma

Sonuçlar

Teşekkür ve Referanslar

Soyut

Bitişik pikseller arasındaki güçlü korelasyon nedeniyle çoğu görüntü şifreleme şeması, görüntüyü saldırılara karşı korumak için birden fazla karışıklık ve yayılma turu gerçekleştirir. Ancak bu tür işlemler zaman alıcıdır ve video şifrelemenin gerçek zamanlı gereksinimlerini karşılayamaz. Bu nedenle mevcut çalışmalar, şifreleme sürecini basitleştirerek veya video çerçevelerinin belirli bölümlerini şifreleyerek video şifrelemeyi gerçekleştirir; bu da görüntü şifrelemeye kıyasla daha düşük güvenlik sağlar. Sorunu çözmek için bu makale, çok iş parçacıklı paralel karışıklık ve yayılmaya dayanan gerçek zamanlı bir kaotik video şifreleme stratejisi önermektedir. Giriş olarak bir video alır, çerçeveyi alt çerçevelere böler, karşılık gelen alt çerçeveler üzerinde eşzamanlı olarak beş tur karışıklık ve yayılma işlemini gerçekleştirmek için bir dizi iş parçacığı oluşturur ve şifrelenmiş çerçeveleri verimli bir şekilde çıkarır. Şifreleme hızı değerlendirmesi, yöntemimizin karışıklık ve yayılma hızını önemli ölçüde iyileştirdiğini, Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700 ve Intel kullanarak gerçek zamanlı 480 × 480, 576 × 576 ve 768 × 768 24FPS video şifrelemeyi gerçekleştirdiğini gösteriyor. Sırasıyla Xeon Gold 6226R. İstatistik ve güvenlik analizleri, konuşlandırılan kriptosistemlerin olağanüstü istatistiksel özelliklere sahip olduğunu, saldırılara, kanal gürültüsüne ve veri kaybına karşı direnç gösterebileceğini kanıtlıyor. Önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, bilgimiz dahilinde, önerilen strateji en yüksek şifreleme hızına ulaşıyor ve çok yönlü karışıklık-difüzyon mimarisine dayalı ilk gerçek zamanlı kaotik video şifrelemeyi gerçekleştiriyor, böylece daha güvenli ve uygulanabilir bir çözüm sağlıyor. pratik uygulamalar ve ilgili araştırmalar için.

Anahtar Kelimeler : Gerçek zamanlı video şifreleme, Paralel hesaplama, Kaotik sistemler, Karışıklık ve yayılma

1. Giriş

Bilgi ve iletişim teknolojilerinin hızla gelişmesiyle birlikte görüntüler ve videolar, veri depolama ve ağ aktarımında muazzam bir potansiyel göstermiş, bu da görüntü ve video şifreleme için kapsamlı uygulama gereksinimlerine yol açmıştır [1]. Ancak DES, AES, RSA vb. gibi geleneksel şifreleme şemalarının çoğu metinsel bilgileri korumak için tasarlanmıştır ve görüntüler ve videolar için uygun değildir [2]. Sonuç olarak, son yıllarda farklı tekniklere dayalı olarak birçok görüntü şifreleme protokolü önerilmiştir [3, 4, 5, 6]; burada kaotik sistemlerin ergodisite, düzensizlik gibi içsel özellikleri nedeniyle kaos tabanlı yöntemler önemli ölçüde ilgi çekmektedir. -periyodiklik, yakınsamama, başlangıç koşullarına ve kontrol parametrelerine duyarlılık, vd. [7]. Çoğu kaos tabanlı görüntü şifreleme algoritması, karışıklık ve yayılma aşamalarını içerir [8]. İlk aşamada, piksel konumları, değerler değiştirilmeden tüm görüntü üzerinde karıştırılmaktadır [9]. İkinci aşamada, piksel değerleri kaotik sistemler tarafından üretilen bayt dizileri ile sıralı olarak değiştirilir [10].

Bu tür kafa karışıklığı-difüzyon mimarisi tabanlı görüntü şifreleme protokollerinin, tatmin edici bir güvenlik düzeyi elde edilene kadar iki aşamayı birden fazla turda gerçekleştirmesi gerekir [11]. Açıkçası bu çok zaman alıcıdır ve video şifrelemenin gerçek zamanlı gereksinimlerini karşılayamaz. Bu nedenle mevcut çalışmalar, şifreleme sürecini basitleştirerek veya videodaki belirli pikselleri şifreleyerek video şifrelemeyi gerçekleştirir[12, 13]. İlk kategori için (tam şifreleme olarak da bilinir), örneğin Ref. [14] bayt dizileri oluşturmak için üç kaotik harita seçer ve videoyu şifrelemek için pikseller ile oluşturulan baytlar arasında doğrudan XOR işlemlerini gerçekleştirir; Referanslar [15] çerçeveyi şifrelemek için oluşturulan baytları kullanır ve konuşlandırılan şifreleme sisteminin düz metin hassasiyetini geliştirmek için şifrelenmiş pikselleri geri bildirim olarak alır; Ref. [16] video karesi üzerinde bir tur karıştırma işlemi gerçekleştirir, ardından kare şifrelemeyi gerçekleştirmek için pikseller ve oluşturulan baytlar arasında XOR işlemleri uygulanır; Pratik uygulamalar güvenlik için daha yüksek gereksinimler ortaya koyduğundan, en son yayınlanan çalışmalar tek yönlü karışıklık-difüzyon mimarisine dayanmaktadır[17, 18, 19, 20, 21, 22]. İkinci kategori aynı zamanda seçici şifreleme olarak da bilinir; bu kategoriye ait algoritmalar, hesaplama karmaşıklığını azaltmak için video çerçevesindeki belirli pikselleri şifreler [23]. Bu strateji kategorileri açıkça güvenlik pahasına yüksek verimlilik elde etmektedir.

Bu nedenle güvenlikten ödün vermeden gerçek zamanlı video şifrelemenin nasıl gerçekleştirileceği çözülmesi gereken acil bir sorun haline gelmiştir. Ancak tam video şifreleme alanında konuyla ilgili çok az araştırma bulunmaktadır. Ve bildiğimiz kadarıyla mevcut çalışmalar gerçek zamanlı video şifrelemeyi gerçekleştirememektedir, yani bir saniyede şifrelenen kare sayısı videonun FPS'sinden (Saniyedeki Kare Sayısı) daha fazladır veya ortalama şifreleme süresi (ms) 1000 / FPS'den az. Dolayısıyla bu makale, paralel hesaplamanın avantajlarından yararlanarak, beş aşamalı bir karışıklık-difüzyon mimarisine dayalı gerçek zamanlı kaotik video şifreleme stratejisi tasarlamaktadır. Performansı değerlendirmek için iki farklı kaotik harita kullanılarak iki şifreleme sistemi uygulandı. Dağıtılan kriptosistemlerin şifreleme hızını değerlendirmek için üç donanım platformu kullanılır. Değerlendirme sonuçları, stratejimizin bayt oluşturma, karışıklık ve yayılma hızını önemli ölçüde artırdığını ve gerçek zamanlı video şifrelemenin gerçekleştirilmesinin temelini oluşturduğunu gösteriyor. İstatistik ve güvenlik analizleri, konuşlandırılan kriptosistemlerin olağanüstü istatistiksel özelliklere ve saldırılara, kanal gürültüsüne ve veri kaybına karşı dirence sahip olduğunu kanıtlıyor. Önerilen strateji aynı zamanda birçok karışıklık ve yayılma yöntemine de uygun olup, hem yazılım hem de donanım ile kolaylıkla gerçekleştirilebilmektedir.

Makalenin geri kalanı şu şekilde organize edilmiştir: Bölüm 2, önerilen stratejinin ayrıntılı bir tanımını vermektedir. 3. bölümde stratejiyi gerçekleştirmek için iki tipik kaotik harita seçilmiş ve konuşlandırılan kriptosistemlerin şifreleme hızları üç farklı donanım platformu kullanılarak değerlendirilmiştir. Bölüm 4 ve 5'te sırasıyla istatistiksel ve güvenlik analizi gerçekleştirilmektedir. Bölüm 6, bu yazıda kullanılan parametre ayarlarının nedenlerini analiz etmektedir. 7. bölümde yakın zamanda yayınlanmış çalışmalarla bir karşılaştırma yapılır ve ardından 8. bölümde kısa bir sonuç sunulur.