The algorithm for encryption of graphic information based on chaotic map and galois field transform

Abstract

The current stage of development of information technologies is characterized by a significant increase in the use of graphic data, i.e., digital video and digital images combined with the widespread use of resource-constrained platforms, such as IoT and IoBT devices, mobile devices, as well as embedded devices. These circumstances condition the importance of the development of algorithms for encrypting graphic information, which would ensure high security for the least number of computational operations. Today, dynamic chaos theory is most often used for the development of such cryptographic algorithms. However, the optimal structure of the cryptographic algorithm for image encryption has not yet been found. In this paper, we propose a combination of the advantages of traditional SP networks and a gamma generator based on a Hyper-Chaotic Modified Robust Logistic Map to build an effective image encryption algorithm, capable of providing a high level of security. The proposed cryptographic algorithm uses high-quality S-boxes based on the Galois field transform, as well as P-boxes based on permutations generated using the Nyberg construction, while segmentation and further processing of three-dimensional image blocks are used, which allows for an increase in the diffusion effect. Numerous tests of the stochastic quality of cryptograms obtained using the developed cryptographic algorithm, as well as their comparison with the results obtained for the AES cryptographic algorithm, made it possible to establish that the developed cryptographic algorithm provides a sufficient level of information protection while requiring only two rounds. Therefore, the developed cryptographic algorithm for encrypting graphic information can be recommended for practical use, in particular, on resource-constrained platforms.

Сучасний етап розвитку інформаційних технологій характеризується суттєвим збільшенням обсягів мультимедійної інформації, зокрема, цифрових зображень при повсюдному впровадженні ресурсообмежених платформ, таких, як пристрої IoT, IoBT, мобільні пристрої та вбудовані системи. Зазначене обумовлює актуальність завдання розробки алгоритмів шифрування графічної інформації, які були б здатні забезпечити високу ефективність шифрування інформації за найменшу кількість обчислювальних операцій. На сьогодні для розробки таких криптографічних алгоритмів найчастіше застосовується теорія динамічного хаосу. Тим не менш остаточно оптимальної структури криптографічного алгоритму для шифрування зображень на сьогодні ще не створено. У даній роботі запропоновано комбінацію переваг традиційних SP мереж та генератора гами на основі гіперхаотичної модифікованої стійкої логістичної карти для побудови ефективного алгоритму шифрування зображень, що здатний забезпечити високий рівень стійкості. У запропонованому криптографічному алгоритмі застосовуються високоякісні S-блоки на основі GF-перетворення, а також P-блоки на основі перестановок, що згенеровані із застосуванням конструкції Ніберг, при цьому застосовується сегментація і подальша обробка тривимірних блоків зображень, що дозволяє збільшити ефект дифузії. Проведені в рамках роботи численні тести стохастичної якості криптограм, отриманих із застосуванням розробленого криптографічного алгоритму, а також їх порівняння із результатами, отриманими для криптографічного алгоритму AES дозволили встановити, що розроблений криптографічний алгоритм дозволяє забезпечити достатній рівень захисту інформації, при цьому вимагає всього два раунди основного кроку криптоперетворення. Отже, розроблений криптографічний алгоритм для шифрування графічної інформації може бути рекомендований для практичного застосування, зокрема, на ресурсообмежених платформах.