Trivium Algoritması Kaynaklı Rastgele Permutasyon Üretimiyle Görüntü Şifreleme Uygulaması

Yıl 2022, Cilt: 34 Sayı: 2, 687 - 697, 30.09.2022

Taha Etem Turgay Kaya

https://doi.org/10.35234/fumbd.1122197

Öz

Görüntü şifreleme sistemlerinin popülerliği gün geçtikçe katlanarak artmaktadır. Farklı algoritmalar ve sistemler yardımıyla yeni şifreleme sistemleri tasarlansa da literatürdeki ihtiyacın doldurulması mümkün olmamıştır. Görüntü iletiminin gün geçtikçe yaygınlaşması yeni şifreleme sistemlerine olan ihtiyacı arttırmaktadır. Ayrıca görüntü iletimindeki mahremiyet ihtiyacı diğer veri türlerinden daha fazladır. Yapılan bu çalışmada Trivium algoritması yardımıyla üretilen rastgele sayı dizileri öncelikle permutasyon oluşturularak piksel karıştırma işlemlerinde kullanılmıştır. Ayrıca üretilen bitler şifreleme işleminde kullanılmak için anahtar üretiminde kullanılmıştır. Üretilen bitlerin rastgelelik koşullarını sağlayıp sağlamadığı NIST testleri yardımıyla başarılı olarak sonuçlandırıldıktan sonra tasarlanan sistemin güvenlik analizleri farklı teknikler yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Histogram analizi sonuçlarına göre sadece piksel karıştırma işlemiyle kriptolojik işlem yapan sistemlerin güvenlik açıkları gösterilmiştir. Tüm sistemin uygulanması durumunda başarılı bir görüntü şifreleme işleminin gerçekleştirilebileceği tespit edilmiştir

Anahtar Kelimeler

Rastgele Sayı Üreteci, Trivium Algoritması, Görüntü Şifreleme, Piksel Karıştırma, Kriptanaliz

Kaynakça

• 1] S. Coşkun, İ. Pehli̇van, A. Akgül, and B. Gürevin, “A new computer-controlled platform for ADC-based true random number generator and its applications,” Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 27, no. 2, pp. 847–860, 2019, doi: 10.3906/elk-1806-167.
• [2] T. Etem and T. Kaya, “Trivium-Linear Congruential Generator Based Bit Generation For Image Encryption,” Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilim. Derg., vol. 32, no. 1, pp. 287–294, Mar. 2020, doi: 10.35234/fumbd.687403.
• [3] S. R. Moosavi, E. Nigussie, S. Virtanen, and J. Isoaho, “Cryptographic key generation using ECG signal,” 2017 14th IEEE Annu. Consum. Commun. Netw. Conf. CCNC 2017, pp. 1024–1031, 2017, doi: 10.1109/CCNC.2017.7983280.
• [4] L. Akçay, E. Cil, A. Vardar, I. Yaman, R. Yeniceri, and M. E. Yalcin, “Implementation of a chaotic time-delay RNG based secure communication system on FPGA,” in 2017 10th International Conference on Electrical and Electronics Engineering, ELECO 2017, 2018, vol. 2018-Janua, pp. 1277–1280.
• [5] P. Ayubi, S. Setayeshi, and A. M. Rahmani, “Deterministic chaos game: A new fractal based pseudo-random number generator and its cryptographic application,” J. Inf. Secur. Appl., vol. 52, p. 102472, 2020, doi: 10.1016/j.jisa.2020.102472.
• [6] J. S. Khan and J. Ahmad, “Chaos based efficient selective image encryption,” Multidimens. Syst. Signal Process., vol. 30, no. 2, pp. 943–961, Apr. 2019, doi: 10.1007/s11045-018-0589-x.
• [7] A. Akgul, C. Arslan, and B. Aricioglu, “Design of an Interface for Random Number Generators Based on Integer and Fractional Order Chaotic Systems,” Chaos Teory Appl., vol. 1, no. 1, pp. 1–18, 2019, [Online]. Available: https://dergipark.org.tr/tr/pub/chaos/653247.
• [8] T. Tuncer, “Implementation of duplicate TRNG on FPGA by using two different randomness source,” Elektron. ir Elektrotechnika, vol. 21, no. 4, pp. 35–39, 2015, doi: 10.5755/j01.eee.21.4.12779.
• [9] T. Kaya, “A true random number generator based on a Chua and RO-PUF: design, implementation and statistical analysis,” Analog Integr. Circuits Signal Process., vol. 102, no. 2, pp. 415–426, 2020, doi: 10.1007/s10470-019-01474-2.
• [10] C. Li, Y. Liu, T. Xie, and M. Z. Q. Chen, “Breaking a novel image encryption scheme based on improved hyperchaotic sequences,” Nonlinear Dyn., vol. 73, no. 3, pp. 2083–2089, Aug. 2013, doi: 10.1007/s11071-013-0924-6.
• [11] M. Ceyhan and E. N. Yolaçan, “Görüntü Dosyalarının Şifrelenerek Güvenli Şekilde Saklanması,” J. Eng. Archit. Fac. Eskisehir Osmangazi Univ., vol. 29, no. 1, pp. 28–42, Apr. 2021, doi: 10.31796/OGUMMF.825306.
• [12] S. TÜRK and R. ŞAMLI, “Yapay Sinir Ağları İle Klasik Kriptografi Algoritmalarının Şifreli Veriler Üzerinden Sınıflandırılması,” Uludağ Univ. J. Fac. Eng., vol. 25, no. 2, pp. 651–664, Aug. 2020, doi: 10.17482/UUMFD.695128.
• [13] N. S. Atalay, Ş. Doğan, T. Tuncer, and E. Akbal, “İmge Şifreleme Yöntem ve Algoritmaları,” Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Derg., vol. 10, no. 3, pp. 815–831, Sep. 2019, doi: 10.24012/DUMF.478877.
• [14] M. Baykara, R. Daş, and G. Tuna, “A Novel Symmetric Encryption Algorithm and its Implementation,” Turkish J. Sci. Technol., pp. 5–9, 2017, Accessed: May 17, 2022. [Online]. Available: https://dergipark.org.tr/en/pub/tjst/issue/29290/313570.
• [15] M. Tuna, A. Karthikeyan, K. Rajagopal, M. Alcin, and İ. Koyuncu, “Hyperjerk multiscroll oscillators with megastability: Analysis, FPGA implementation and a novel ANN-ring-based True Random Number Generator,” AEU - Int. J. Electron. Commun., vol. 112, 2019, doi: 10.1016/j.aeue.2019.152941.
• [16] M. E. Çimen, S. Kaçar, E. Güleryüz, B. Gürevi̇n, and A. Akgül, “Kaotik bir hareket videosunun yapay sinir ağları ile modellenmesi,” J. Balıkesir Univ. Inst. Sci. Technol., vol. 20, no. 3, pp. 23–35, Oct. 2018, doi: 10.25092/BAUNFBED.476156.
• [17] H. Çeli̇k and N. Doğan, “K-En Az Anlamlı Bitlere Dayalı Kaotik Bir Harita Kullanan Renkli Görüntü Steganografisi,” J. Polytech., pp. 1–1, Dec. 2021, doi: 10.2339/POLITEKNIK.1008594.
• [18] Ü. Çavuşoğlu, A. Akgül, S. Kaçar, İ. Pehli̇van, and A. Zengi̇n, “A novel chaos-based encryption algorithm over TCP data packet for secure communication,” Secur. Commun. Networks, vol. 9, no. 11, pp. 1285–1296, 2016, doi: 10.1002/sec.1414.
• [19] A. Akgul, S. Kaçar, and I. Pehlivan, “An Audio Data Encryption with Single and Double Dimension Discrete-Time Chaotic Systems,” Tojsat, vol. 5, no. 3, pp. 14–23, 2015.
• [20] L. Zhu et al., “A robust meaningful image encryption scheme based on block compressive sensing and SVD embedding,” Signal Processing, vol. 175, p. 107629, Oct. 2020, doi: 10.1016/j.sigpro.2020.107629.
• [21] C. Ti̇ken and R. Şamli, “A Comprehensive Review About Image Encryption Methods,” Harran Univ. J. Eng., vol. 7, no. 1, pp. 27–49, Apr. 2022, doi: 10.46578/HUMDER.1066545.
• [22] M. Demirtaş, “A Color Image Scrambling Method Based on Zigzag Transform and Cross-channel Permutation,” Eur. J. Sci. Technol., vol. 36, no. 36, pp. 91–95, May 2022, doi: 10.31590/EJOSAT.1106823.
• [23] N. Doğan and H. Çeli̇k, “Tarama Modeli Kullanan Karma Bir Görüntü Şifreleme Yöntemi,” J. Polytech., pp. 1–1, Dec. 2021, doi: 10.2339/POLITEKNIK.902661.
• [24] C. Balkesn and H. E. Kocer, “Embedding Encrypted Data into an Image with a Random Pixel Layout Approach,” Eur. J. Sci. Technol., pp. 123–130, Oct. 2020, doi: 10.31590/EJOSAT.802191.
• [25] E. Avaroglu, “Pseudorandom number generator based on Arnold cat map and statistical analysis,” Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 25, no. 1, pp. 633–643, 2017, doi: 10.3906/elk-1507-253.
• [26] T. Etem and T. Kaya, “A novel True Random Bit Generator design for image encryption,” Phys. A Stat. Mech. its Appl., vol. 540, 2020, doi: 10.1016/j.physa.2019.122750.
• [27] F. Özkaynak, “Cryptographically secure random number generator with chaotic additional input,” Nonlinear Dyn., vol. 78, no. 3, pp. 2015–2020, 2014, doi: 10.1007/s11071-014-1591-y.
• [28] A. Akgul, H. Calgan, I. Koyuncu, I. Pehlivan, and A. Istanbullu, “Chaos-based engineering applications with a 3D chaotic system without equilibrium points,” Nonlinear Dyn., vol. 84, no. 2, pp. 481–495, Apr. 2016, doi: 10.1007/s11071-015-2501-7.
• [29] T. Etem and T. Kaya, “Self-generated encryption model of acoustics,” Appl. Acoust., vol. 170, p. 107481, 2020, doi: 10.1016/j.apacoust.2020.107481.
• [30] T. Kaya, “Memristor and Trivium-based true random number generator,” Phys. A Stat. Mech. its Appl., vol. 542, p. 124071, 2020, doi: 10.1016/j.physa.2019.124071.
• [31] C. İnce, K. İnce, and D. Hanbay, “SecureRandom Kütüphanesi Kullanarak Yazılımsal Trivium Oluşturma,” Eur. J. Sci. Technol., vol. 34, no. 34, pp. 639–644, Mar. 2022, doi: 10.31590/EJOSAT.1084005.
• [32] A. Murat Garipcan, E. Erdem, and T. Tuncer, “Donanım Tabanlı Trivium Akış Şifreleme Algoritmasının FPGA Ortamında Gerçekleştirilmesi,” Fırat Üniv. Müh. Bil. Derg., vol. 29, no. 2, pp. 119–130, 2017.
• [33] X. Chen et al., “Pseudorandom Number Generator Based on Three Kinds of Four-Wing Memristive Hyperchaotic System and Its Application in Image Encryption,” Complexity, vol. 2020, 2020, doi: 10.1155/2020/8274685.
• [34] Y. Sang, J. Sang, and M. S. Alam, “Image encryption based on logistic chaotic systems and deep autoencoder,” Pattern Recognit. Lett., vol. 153, pp. 59–66, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.patrec.2021.11.025.