تصميم وتعزيز أداء أمن نظام تشفير الصور المستند إلى تشفير الخرائط الفوضوية ذات النقطة الثابتة في منظومة البوابات القابلة للبرمجة حقلياً
محتوى المقالة الرئيسي
الملخص
تقترح هذه الورقة البحثية نظامًا جديدًا لتصميم تشفير الصور باستخدام الخرائط الفوضوية ذات النقطة الثابتة ومولدات التشفير المتسلسل (PN). يتكون النظام من خرائط فوضوية ثابتة مدمجة برقم إفتراضي (PN) مكون من 32 بت، يتم تنفيذها جميعًا باستخدام مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGA) من خلال بيئة مولد النظام (XSG) . خرائط التشفير المعتادة المستخدمة في هذا العمل هي خرائط (Logistic) و (Lozi) وTent . تحدد متغيرات كل نوع من الخرائط حجم المفتاح المطلوبة لفك تشفير البكسل الأصلي للصورة الأصلية، حيث تحتوي خريطة (Logistic) على متغير واحد (r)، وتحتوي خريطة (Lozi) على متغيرين α و β، وتحتوي خريطة (Tent) على متغير واحد µ كانت الفكرة الرئيسية هي دمج متغير أخر وهو الرقم الإفتراضي (PN) لزيادة مساحة المفتاح، والتي تعد المقياس الرئيسي لتحسين الأمن ضد هجمات القوة القاهرة. تم اقتراح مولد بت عشوائي زائف (PRBG) مبتكر يعتمد على عملية XOR بين الخرائط الفوضوية هذه وأطلق عليه اسم FPCCM-PRBG (مولد بت عشوائي زائف بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). كما تم اقتراح طريقة أخرى تعتمد على أقل 8 بتات ذات دلالة من مولد الرقم الإفتراضي 32 بت وأطلق عليها اسم FPCCM-PRNBG (مولد بت عشوائي غير ثابتة بخرائط فوضوية متتالية ذات نقطة ثابتة). تم إختبار عشوائية المفاتيح المتولدة باستخدام اختبارات المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، بما في ذلك اختبارات التردد والتردد أحادي البت والاختبار التنفيذي. كما تم تقييم أداء الأمن من خلال تحليل الهستوغرام، وتحليل معامل الارتباط، وإنتروبيا المعلومات، ومعدل تغيير البكسل، والتشابه البنيوي. يعتبر مولد النظام (XSG) أداة فعالة مضمنة في بيئة MATLAB/SIMULINK وتم استخدامها لتنفيذ العمل. تم تنفيذ النظام باستخدام طريقة المحاكاة المشتركة على لوحة ZYNQ 7000 SoC ZC702، مع مساحة مفتاح تبلغ (2^288) وسرعة تبلغ 269.32 ميجابايت/ثانية..
Received 26/12/2023
Revised 20/04/2024
Accepted 22/04/2024
Published 25/05/2024
تفاصيل المقالة
هذا العمل مرخص بموجب Creative Commons Attribution 4.0 International License.
كيفية الاقتباس
المراجع
Malik MGA, Bashir Z, Iqbal N, Imtiaz MdA. Color Image Encryption Algorithm Based on Hyper-Chaos and DNA Computing. IEEE Access. 2020; 8: 88093–107. https://doi.org/ 10.1109/ACCESS.2020.2990170.
Shengtao G, Tao W, Shida W, Xuncai Z, Ying N. A Novel Image Encryption Algorithm Based on Chaotic Sequences and Cross-Diffusion of Bits. IEEE Photonics J. 2021 Feb; 13(1): 1–15. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2020.3044222.
Tanveer M, Shah T, Rehman A, Ali A, Siddiqui GF, Saba T, et al. Multi-Images Encryption Scheme Based on 3D Chaotic Map and Substitution Box. IEEE Access. 2021; 9: 73924–37. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3081362.
Anwar S, Meghana S. A pixel permutation based image encryption technique using chaotic map. Multimed. Tools Appl. 2019 Jun 24; 78(19): 27569–90. https://doi.org/10.1007/s11042-019-07852-2.
Rehman MU, Shafique A, Khalid S, Hussain I. Dynamic Substitution and Confusion-Diffusion-Based Noise-Resistive Image Encryption Using Multiple Chaotic Maps. IEEE Access. 2021; 9: 52277–91. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3069591.
Al-Hassani MD. A Novel Technique for Secure Data Cryptosystem Based on Chaotic Key Image Generation. Baghdad Sci J. 2022 Jan 20; 19(4): 0905-. https://doi.org/10.21123/bsj.2022.19.4.0905
Al-Bahrani EA, Kadhum RN. A New Cipher Based on Feistel Structure and Chaotic Maps. Baghdad Sci J. 2019 Mar 17; 16(1(Suppl.)): 270–80. https://doi.org/10.21123/bsj.2019.16.1(Suppl.).0270.
Wen H, Zhang C, Chen P, Chen R, Xu J, Liao Y, et al. A Quantum Chaotic Image Cryptosystem and Its Application in IoT Secure Communication. IEEE Access. 2021 ; 9: 20481–92. https://doi.org/ 10.1109/ACCESS.2021.3054952
Ayubi P, Setayeshi S, Rahmani AM. Deterministic chaos game: A new fractal based pseudo-random number generator and its cryptographic application. . J Inf Secur Appl. 2020 Jun; 52: 102472. https://doi.org/10.1016/j.jisa.2020.102472.
Ma Y, Li C, Ou B. Cryptanalysis of an image block encryption algorithm based on chaotic maps. J Inf Secur Appl. 2020 Oct;54:102566. https://doi.org/10.1016/j.jisa.2020.102566.
Zhou M, Wang C. A novel image encryption scheme based on conservative hyperchaotic system and closed-loop diffusion between blocks. Signal Process. 2020 Jun; 171: 107484. https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2020.107484.
Fan S, Li K, Zhang Y, Tan H, Fang Q, Han K, et al. A Hybrid Chaotic Encryption Scheme for Wireless Body Area Networks. IEEE Access. 2020 Jan 1; 8: 183411–29. https://doi.org/ 10.1109/ACCESS.2020.3029263.
Li M, Xu M, Luo J, Fan H. Cryptanalysis of an Image Encryption Using 2D Henon-Sine Map and DNA Approach. IEEE Access. 2019 Jan 1; 7: 63336–45. https://doi.org/ 10.1109/ACCESS.2019.2916402.
Rahimov H, Babaei M, Farhadi M. Cryptographic PRNG Based on Combination of LFSR and Chaotic Logistic Map. Appl Math. 2011; 02(12): 1531–4. https://doi.org/ 10.4236/am.2011.212217.
Abd El-Maksoud AJ, Abd El-Kader AA, Hassan BG, Rihan NG, Tolba MF, Said LA, et al. FPGA implementation of sound encryption system based on fractional-order chaotic systems. Microelectron. J. 2019 Aug; 90: 323–35. https://doi.org/10.1016/j.mejo.2019.05.005.
Hasan FS, Saffo MA. FPGA Hardware Co-Simulation of Image Encryption Using Stream Cipher Based on Chaotic Maps. Sens Imaging. 2020 Jul 9; 21(1). https://doi.org/10.1007/s11220-020-00301-7.
Bonny T, Al Debsi R, Majzoub S, Elwakil AS. Hardware Optimized FPGA Implementations of High-Speed True Random Bit Generators Based on Switching-Type Chaotic Oscillators. Circuits Syst Signal Process. 2018 Jul 27; 38(3): 1342–59. https://doi.org/10.1007/s00034-018-0905-6.
Merah L, Ali-Pacha A, Hadj-Said N, Mecheri B, Dellassi M. FPGA Hardware Co-simulation of New Chaos-Based Stream Cipher Based on Lozi Map. IJET. 2018 Oct; 9(5): 420–5. https://doi.org/10.7763/IJET.2017.V9.1010.
Ahmad M, Doja MN, Beg MMS. Security analysis and enhancements of an image cryptosystem based on hyperchaotic system. J. King Saud Univ Comput. Inf Sci. 2021 Jan 1 [cited 2022 Nov 21]; 33(1): 77–85. https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2018.02.002.
Rodríguez-Orozco E, García-Guerrero EE, Everardo Inzunza-González, Oscar Roberto López-Bonilla, Flores-Vergara A, José Ricardo Cárdenas-Valdez, et al. FPGA-based Chaotic Cryptosystem by Using Voice Recognition as Access Key. Electronics. 2018 Dec 9; 7(12): 414–4. https://doi.org/10.3390/electronics7120414.
Zhu S, Zhu C, Wang W. A New Image Encryption Algorithm Based on Chaos and Secure Hash SHA-256. Entropy. 2018 Sep 19; 20(9): 716. https://doi.org/10.3390/e20090716.
Pourjabbar Kari A, Habibizad Navin A, Bidgoli AM, Mirnia M. A new image encryption scheme based on hybrid chaotic maps. Multimed. Tools Appl. 2020 Sep 16; 80(2): 2753–72. https://doi.org/10.1007/s11042-020-09648-1.
Xiling, ZC702 Evaluation Board for the Zynq-7000 XC7Z020 All Programmable SoC, UG850 (v1.5), Xiling, Inc., 2015.