Chaotic Image Encryption Algorithm Based on Bit Permutation and Dynamic DNA Encoding
ABSTRAK :
Dengan bantuan fakta bahwa chaos sensitif terhadap kondisi awal dan pseudorandomness, dikombinasikan dengan konfigurasi spasial dalam kemampuan pemrosesan informasi yang melekat dan unik dari molekul DNA, algoritme enkripsi gambar baru berdasarkan permutasi bit dan pengkodean DNA dinamis diusulkan di sini. Algoritme pertama menggunakan Keccak untuk menghitung nilai hash untuk sekuens DNA tertentu sebagai nilai awal dari peta yang kacau; kedua, ia menggunakan urutan kacau untuk mengacak lokasi piksel gambar, dan jaringan kupu-kupu digunakan untuk mengimplementasikan permutasi bit. Kemudian, gambar dikodekan menjadi matriks dinamis DNA, dan operasi aljabar dilakukan dengan urutan DNA untuk mewujudkan substitusi piksel, yang selanjutnya meningkatkan keamanan enkripsi. Akhirnya, sifat kebingungan dan difusi dari algoritme lebih ditingkatkan dengan pengoperasian urutan DNA dan umpan balik ciphertext. Hasil eksperimen dan analisis keamanan menunjukkan bahwa algoritme tidak hanya memiliki ruang kunci yang besar dan kepekaan yang kuat terhadap kunci tetapi juga dapat secara efektif menahan operasi serangan seperti analisis statistik dan analisis lengkap.
1. Introduction
Dengan perkembangan pesat teknologi multimedia dan teknologi jaringan, pengolahan citra digital telah banyak diterapkan pada semua aspek kehidupan manusia, seperti penginderaan jauh, inspeksi industri, bidang medis, meteorologi, komunikasi, pengintaian, dan robot cerdas. Akibatnya, perhatian yang meningkat telah diberikan pada informasi gambar. Selain itu, lebih penting untuk melindungi keamanan data gambar, terutama di bidang militer, komersial, dan medis. Teknologi enkripsi gambar telah menjadi cara yang efektif untuk melindungi transmisi gambar digital [1]. Data citra memiliki karakteristik data dalam jumlah besar, korelasi yang kuat, dan redundansi yang tinggi. Metode enkripsi klasik yang ada tidak dapat memenuhi kebutuhan enkripsi gambar karena efisiensi dan keamanannya yang rendah.
2. Fundamental Theory
2.1. Hyperchaos System
Sebagai jenis fenomena nonlinier khusus, chaos memiliki pseudorandomness yang baik dan orbit yang tidak dapat diprediksi serta memiliki sensitivitas yang ekstrim terhadap kondisi awal dan parameter struktur; Selain itu, ini berulang dan tidak berulang dan memiliki serangkaian fitur unggulan, yang banyak digunakan untuk menjaga kerahasiaan komunikasi. Dibandingkan dengan sistem khaotik berdimensi rendah, sistem khaotik berdimensi tinggi memiliki eksponen Lyapunov yang lebih positif dan lebih kompleks, serta lebih sulit untuk memprediksi karakteristik dinamis, yang dapat secara efektif menyelesaikan masalah degradasi sistem khaotik berdimensi rendah dengan karakteristik dinamika. Ini juga memiliki kerahasiaan yang kuat, algoritma sederhana, dan karakteristik ruang kunci yang besar. Pada tahun 2005, Lee dan yang lainnya membangun sistem hyperchaos Chen melalui kontrol umpan balik negara, dan persamaannya adalah
di mana x, y, z, dan w adalah variabel status sistem dan u1, u2, u3, u4, dan r merupakan parameter kontrol sistem. Ketika u1= 35, u2= 3, u3= 12, u4= 7, dan 0.085 <= r <= 0.798, kinerja sistem adalah hyperchaos.
2.2. Keccak Algorithm
Keccak adalah algoritma fungsi hash satu arah standar. Fungsi hash dirancang untuk mengambil string dengan panjang berapa pun sebagai input dan menghasilkan nilai hash dengan panjang tetap. Ketika nilai hash dilampirkan ke pesan atau disimpan bersama pesan, pesan tersebut dapat dicegah untuk dimodifikasi dalam proses penyimpanan untuk transmisi. Pesan berbeda; nilai hash yang dihasilkan juga berbeda, dan bahkan jika hanya ada satu perubahan kecil dalam pesan, nilai hash akan sama sekali tidak berguna. Dengan menggunakan fitur ini, kita dapat mengubah nilai piksel gambar dengan memilih pesan yang sesuai dan menggunakan nilai hash yang dihasilkan oleh fungsi hash Keccak dan pengoperasian gambar.
2.3. DNA Encoding Algebraic Operations
Molekul DNA terdiri dari empat nukleotida DNA, yaitu adenin (A), sitosin (C), guanin (G), dan timin (T). Untuk dua molekul DNA beruntai tunggal, molekul DNA yang stabil dapat dibentuk oleh ikatan hidrogen antar nukleotida. Struktur kimia basa menentukan prinsip pasangan basa komplementer, dan ini juga dikenal sebagai prinsip pasangan basa Watson-Crick. Dengan kata lain, A dan T dipasangkan oleh dua ikatan hidrogen, dan G dan C dipasangkan oleh tiga ikatan hidrogen. Kombinasi alaminya adalah kuaterner, mirip dengan semikonduktor biner yang dibentuk oleh on dan off [20]. Oleh karena itu, informasi dapat disimpan dan dihitung dengan menggunakan permutasi dan kombinasi basa.
3. Encryption Algorithms
Enkripsi gambar digital direalisasikan dengan menggunakan sistem hyperchaos Chen, algoritma Keccak, permutasi bit, teknik pengkodean DNA dinamis, dan transformasi nilai abu-abu pikselnya dan operasi untuk mencapai tujuan kebingungan dan difusi, untuk mewujudkan enkripsi gambar digital.
3.1.Key Sequence Generation
Database asam nukleat adalah database dari semua kumpulan informasi asam nukleat yang diketahui. Ini berisi urutan nukleotida, polimorfisme nukleotida tunggal, struktur, sifat, dan deskripsi terkait. Nomor ID dari suatu urutan dalam database disebut kode urutan, yang unik dan permanen. Dengan perkembangan pesat teknologi sekuensing, ukuran database asam nukleat tumbuh secara eksponensial; sejauh ini, akses publik ke sekuens DNA mencakup lebih dari 163 juta sekuens. Database yang sangat besar ini setara dengan kata sandi alami. Ini memberikan ide dan solusi baru untuk enkripsi gambar.
3.2. Bit Permutation
Pengacakan adalah cara penting untuk menyembunyikan informasi teks biasa dengan algoritme enkripsi. Difusi teks dapat dicapai melalui perpindahan posisi. Bit permutasi menyediakan fungsionalitas kebingungan dan difusi yang tidak dapat dicapai oleh operasi byte.
3.4. Pixel Substitution and Ciphertext Diffusion
Pengacakan piksel dengan cepat mengganggu posisi gambar melalui perubahan awal dalam matriks, menghancurkan korelasi antara piksel yang berdekatan, tetapi tidak dapat secara efektif menahan serangan kriptografi parsial, dan selanjutnya, melalui substitusi piksel dan difusi cipherteks, dapat membingungkan hubungan antara citra plaintext dan citra ciphertext.
3.5. Encryption Algorithm
Algoritma enkripsi citra digital yang diusulkan dalam makalah ini meliputi: pertama, permutasi bit, penggunaan jaringan kupu-kupu untuk mencapai permutasi posisi bit setiap piksel; kedua, transformasi pengacakan lokasi piksel. Lokasi piksel gambar akan diubah melalui indeks perpindahan yang dibuat oleh sistem Chen hyperchaotic untuk membentuk indeks permutasi yang diperlukan. Ketiga, substitusi piksel dan difusi ciphertext. Nilai setiap piksel dari gambar asli diubah menjadi urutan DNA, dan urutan perpustakaan urutan pengkodean DNA dihitung; kemudian, iterasi melalui umpan balik ciphertext. Diagram alir terenkripsi ditunjukkan pada Gambar 2. Langkah-langkah spesifiknya adalah sebagai berikut.
4. Experimental Results and Safety Analysis
4.1. Gray Histogram Analysis
Informasi statistik dari gambar dapat mengungkapkan distribusi nilai abu-abu dari gambar asli sampai batas tertentu, dan apakah dapat mengubah distribusi statistik dari gambar asli juga merupakan indikator penting dari enkripsi gambar. Tujuan dari algoritma ini adalah untuk menyerang sisi penyerang terhadap serangan statistik grayscale. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, dapat disimpulkan dari hasil percobaan bahwa pemrosesan XOR dan operasi permutasi membuat distribusi grayscale dari citra terenkripsi sangat seragam, yang menunjukkan bahwa algoritma tersebut memiliki kemampuan yang baik untuk menolak analisis statistik sedemikian rupa. bahwa penyerang tidak dapat menganalisis rentang distribusi nilai abu-abu asli.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar