Хаотическое шифрование видео в реальном времени на основе многопоточной параллельной путаницы и диффузии

Таблица ссылок

Аннотация и введение

Описание стратегии

Оценка скорости шифрования

Статистическая оценка

Анализ безопасности

Настройка параметров

Сравнение с предыдущими работами

Выводы

Благодарности и ссылки

Абстрактный

Из-за сильной корреляции между соседними пикселями большинство схем шифрования изображений выполняют несколько раундов путаницы и диффузии, чтобы защитить изображение от атак. Однако такие операции отнимают много времени и не могут удовлетворить требования шифрования видео в реальном времени. Таким образом, существующие работы реализуют шифрование видео за счет упрощения процесса шифрования или шифрования определенных частей видеокадров, что приводит к более низкой безопасности по сравнению с шифрованием изображений. Для решения этой проблемы в данной статье предлагается стратегия хаотического шифрования видео в реальном времени, основанная на многопоточной параллельной путанице и диффузии. Он принимает видео в качестве входных данных, разбивает кадр на подкадры, создает набор потоков для одновременного выполнения пяти раундов операций смешения и распространения над соответствующими подкадрами и эффективно выводит зашифрованные кадры. Оценка скорости шифрования показывает, что наш метод значительно улучшает скорость путаницы и распространения, реализует шифрование видео 480 × 480, 576 × 576 и 768 × 768 с частотой 24 кадра в секунду в реальном времени с использованием Intel Core i5-1135G7, Intel Core i7-8700 и Intel. Xeon Gold 6226R соответственно. Статистический анализ и анализ безопасности доказывают, что развернутые криптосистемы обладают выдающимися статистическими свойствами, могут противостоять атакам, канальному шуму и потере данных. Насколько нам известно, по сравнению с предыдущими работами предлагаемая стратегия обеспечивает самую высокую скорость шифрования и реализует первое хаотическое шифрование видео в реальном времени на основе многораундовой архитектуры путаницы-диффузии, что обеспечивает более безопасное и осуществимое решение. для практического применения и сопутствующих исследований.

Ключевые слова : шифрование видео в реальном времени, параллельные вычисления, хаотические системы, путаница и распространение.

1. Введение

В условиях быстрого развития информационных и коммуникационных технологий изображения и видео продемонстрировали огромный потенциал для хранения и передачи данных по сети, что привело к расширению требований к шифрованию изображений и видео [1]. Однако большинство традиционных криптографических схем, таких как DES, AES, RSA и др., предназначены для защиты текстовой информации, они не подходят для изображений и видео [2]. В результате в последние годы было предложено множество протоколов шифрования изображений, основанных на различных методах [3, 4, 5, 6], в которых методы, основанные на хаосе, привлекают значительное внимание из-за внутренних характеристик хаотических систем, включая эргодичность, не -периодичность, несходимость, чувствительность к начальным условиям и параметрам управления и др. [7]. Большинство алгоритмов шифрования изображений, основанных на хаосе, включают фазы путаницы и диффузии [8]. На первом этапе позиции пикселей шифруются по всему изображению без изменения значений [9]. На последнем этапе значения пикселей последовательно изменяются с помощью последовательностей байтов, генерируемых хаотическими системами [10].

Такие протоколы шифрования изображений, основанные на архитектуре смешения-диффузии, должны выполнять две фазы в течение нескольких раундов, пока не будет достигнут удовлетворительный уровень безопасности [11]. Это, очевидно, требует очень много времени и не может удовлетворить требования шифрования видео в реальном времени. Таким образом, существующие работы реализуют шифрование видео за счет упрощения процесса шифрования или шифрования определенных пикселей в видео [12, 13]. Для первой категории (также известной как полное шифрование), например, Ref. [14] выбирает три хаотические карты для генерации последовательностей байтов и напрямую выполняет операции XOR между пикселями и сгенерированными байтами для шифрования видео; Ссылки. [15] используют сгенерированные байты для шифрования кадра и принимают зашифрованные пиксели в качестве обратной связи для улучшения чувствительности открытого текста развернутой криптосистемы; Ссылка. [16] выполняет один раунд операции смешения видеокадра, за которым следуют операции XOR между пикселями и сгенерированными байтами для реализации шифрования кадра; Поскольку практические приложения выдвигают более высокие требования к безопасности, самые последние опубликованные работы основаны на однораундной архитектуре смешения-диффузии [17, 18, 19, 20, 21, 22]. Вторая категория также известна как выборочное шифрование. Алгоритмы, относящиеся к этой категории, шифруют определенные пиксели в видеокадре для снижения вычислительной сложности [23]. Эти категории стратегий, очевидно, достигают высокой эффективности за счет безопасности.

Поэтому вопрос о том, как реализовать шифрование видео в реальном времени без ущерба для безопасности, стал актуальной проблемой, которую необходимо решить. Однако в области полного шифрования видео исследований мало. И, насколько нам известно, существующие работы не могут реализовать шифрование видео в реальном времени, т.е. количество кадров, зашифрованных в секунду, больше, чем FPS (кадров в секунду) видео, или среднее время шифрования (мс) равно менее 1000/фпс. Таким образом, в данной статье используются преимущества параллельных вычислений и разрабатывается пятираундовая архитектура хаотического шифрования видео в реальном времени на основе архитектуры запутанности-диффузии. Для оценки производительности реализованы две криптосистемы с использованием двух разных хаотических карт. Для оценки скорости шифрования развернутых криптосистем используются три аппаратные платформы. Результаты оценки показывают, что наша стратегия значительно повышает скорость генерации, путаницы и распространения байтов, закладывая основу для реализации шифрования видео в реальном времени. Статистический анализ и анализ безопасности доказывают, что развернутые криптосистемы обладают выдающимися статистическими свойствами и устойчивостью к атакам, канальному шуму и потере данных. Предлагаемая стратегия также подходит для многих методов путаницы и распространения и может быть легко реализована как с помощью программного, так и аппаратного обеспечения.

Остальная часть документа организована следующим образом: в разделе 2 дается подробное описание предлагаемой стратегии. В разделе 3 для реализации стратегии выбираются две типичные хаотические карты и оценивается скорость шифрования развернутых криптосистем с использованием трех различных аппаратных платформ. Разделы 4 и 5 выполняют статистический анализ и анализ безопасности соответственно. В разделе 6 анализируются причины настроек параметров, используемых в этой статье. В разделе 7 дается сравнение с недавно опубликованными работами, а в разделе 8 следует краткий вывод.