Image Encryption Based on Diffusion and Multiple Chaotic Maps

In the recent world, security is a prime important issue, and encryption is one of the best alternative way to ensure security. More over, there are many image encryption schemes have been proposed, each one of them has its own strength and weakness. This paper presents a new algorithm for the image encryption/decryption scheme. This paper is devoted to provide a secured image encryption technique using multiple chaotic based circular mapping. In this paper, first, a pair of sub keys is given by using chaotic logistic maps. Second, the image is encrypted using logistic map sub key and in its transformation leads to diffusion process. Third, sub keys are generated by four different chaotic maps. Based on the initial conditions, each map may produce various random numbers from various orbits of the maps. Among those random numbers, a particular number and from a particular orbit are selected as a key for the encryption algorithm. Based on the key, a binary sequence is generated to control the encryption algorithm. The input image of 2-D is transformed into a 1- D array by using two different scanning pattern (raster and Zigzag) and then divided into various sub blocks. Then the position permutation and value permutation is applied to each binary matrix based on multiple chaos maps. Finally the receiver uses the same sub keys to decrypt the encrypted images. The salient features of the proposed image encryption method are loss-less, good peak signal-to-noise ratio (PSNR), Symmetric key encryption, less cross correlation, very large number of secret keys, and key-dependent pixel value replacement.Comment: 14 pages,9 figures and 5 tables; http://airccse.org/journal/jnsa11_current.html, 201

Chosen-plaintext attack of an image encryption scheme based on modified permutation-diffusion structure

Since the first appearance in Fridrich's design, the usage of permutation-diffusion structure for designing digital image cryptosystem has been receiving increasing research attention in the field of chaos-based cryptography. Recently, a novel chaotic Image Cipher using one round Modified Permutation-Diffusion pattern (ICMPD) was proposed. Unlike traditional permutation-diffusion structure, the permutation is operated on bit level instead of pixel level and the diffusion is operated on masked pixels, which are obtained by carrying out the classical affine cipher, instead of plain pixels in ICMPD. Following a \textit{divide-and-conquer strategy}, this paper reports that ICMPD can be compromised by a chosen-plaintext attack efficiently and the involved data complexity is linear to the size of the plain-image. Moreover, the relationship between the cryptographic kernel at the diffusion stage of ICMPD and modulo addition then XORing is explored thoroughly

A 1 Gbps Chaos-Based Stream Cipher Implemented in 0.18 m CMOS Technology

In this work, a novel chaos-based stream cipher based on a skew tent map is proposed and implemented in a 0.18 µm CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology. The proposed ciphering algorithm uses a linear feedback shift register that perturbs the orbits generated by the skew tent map after each iteration. This way, the randomness of the generated sequences is considerably improved. The implemented stream cipher was capable of achieving encryption speeds of 1 Gbps by using an approximate area of ~20,000 2-NAND equivalent gates, with a power consumption of 24.1 mW. To test the security of the proposed cipher, the generated keystreams were subjected to National Institute of Standards and Technology (NIST) randomness tests, proving that they were undistinguishable from truly random sequences. Finally, other security aspects such as the key sensitivity, key space size, and security against reconstruction attacks were studied, proving that the stream cipher is secure

Algorithms and Architectures for Secure Embedded Multimedia Systems

Embedded multimedia systems provide real-time video support for applications in entertainment (mobile phones, internet video websites), defense (video-surveillance and tracking) and public-domain (tele-medicine, remote and distant learning, traffic monitoring and management). With the widespread deployment of such real-time embedded systems, there has been an increasing concern over the security and authentication of concerned multimedia data. While several (software) algorithms and hardware architectures have been proposed in the research literature to support multimedia security, these fail to address embedded applications whose performance specifications have tighter constraints on computational power and available hardware resources. The goals of this dissertation research are two fold: 1. To develop novel algorithms for joint video compression and encryption. The proposed algorithms reduce the computational requirements of multimedia encryption algorithms. We propose an approach that uses the compression parameters instead of compressed bitstream for video encryption. 2. Hardware acceleration of proposed algorithms over reconfigurable computing platforms such as FPGA and over VLSI circuits. We use signal processing knowledge to make the algorithms suitable for hardware optimizations and try to reduce the critical path of circuits using hardware-specific optimizations. The proposed algorithms ensures a considerable level of security for low-power embedded systems such as portable video players and surveillance cameras. These schemes have zero or little compression losses and preserve the desired properties of compressed bitstream in encrypted bitstream to ensure secure and scalable transmission of videos over heterogeneous networks. They also support indexing, search and retrieval in secure multimedia digital libraries. This property is crucial not only for police and armed forces to retrieve information about a suspect from a large video database of surveillance feeds, but extremely helpful for data centers (such as those used by youtube, aol and metacafe) in reducing the computation cost in search and retrieval of desired videos

Chaos Image Encryption Methods: A Survey Study

With increasing dependence on communications over internet and networks, secure data transmission is coming under threat. One of the best solutions to ensure secure data transmissions is encryption. Multiple forms of data, such as text, audio, image, and video can be digitally transmitted, nowadays images being the most popular and old encryption techniques such as: AES,DES,RSA etc., show low security level when used for image encryption. This problem was resolved by using of chaos encryption which is an acceptable form of encryption for image data. The sensitivity to initial conditions and control parameters make chaos encryption suitable for image applications. This study discusses various chaos encryption techniques

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /

Pseudo Random Binary Sequences Obtained Using Novel Chaos Based Key Stream Generator and their Auto-correlation Properties

In this paper, psuedo random binary sequences are generated from the “Chaos Based Key Stream Generator- using novel Permutation technique with two dimensional patterns and substitution technique with Z4 mapping” and investigation of auto correlation property for the generated seuwnces is presented. Initially a chaotic function, considering Logistic map is used to generate a Pseudo Random Numbers (PRNs). Then these numbers are converted into binary sequences using binary mapping. These sequences are further modified by novel permutation techniques defined using 2-Dimensional patterns, and substitution technique defined over Z4 transformation in order to improve their statistical properties. The resulting sequences are investigated for auto correlation properties using Normalized Hamming Auto Correlation function. The purpose of this work is to assessing the quality of sequences of uniformly distributed pseudorandom numbers from the proposed generator. It is found that, generated sequences exhibit good auto-correlation property which is suitable for key sequence or secret key for cryptographic applications