Eine neue Methode, um Bilder sicher zu verschlüsseln

In der heutigen Welt ist digitale Kommunikation überall. Viele Bilder werden über soziale Medien, Telemedizin, Online-Sicherheitssysteme und das Internet der Dinge online gesendet und gespeichert. Leider können diese Bilder von unbefugten Personen während ihrer Reise über das Internet abgefangen, zerstört oder verändert werden. Deshalb ist es wichtig, diese Bilder sicher aufzubewahren. Eine Möglichkeit, digitale Bilder zu schützen, ist die Bildverschlüsselung.

Bildverschlüsselung funktioniert, indem der Inhalt eines Bildes durcheinandergebracht wird, sodass nur Personen mit dem richtigen Schlüssel es wieder zusammensetzen können. Dieser Prozess besteht aus zwei Hauptaktionen: Verwirrung und Diffusion. Verwirrung ändert die Pixelwerte basierend auf einem Schlüssel, während Diffusion die Positionen dieser Pixel umsortiert. Zusammen helfen diese Aktionen, das Bild zu sichern.

#Bedeutung der Sicherheit in der Bildverschlüsselung

Wenn es darum geht, Bilder abzusichern, muss eine gute Verschlüsselungsmethode empfindlich auf die verwendeten Schlüssel reagieren und einen grossen Schlüsselsatz haben. Ein grösserer Schlüsselsatz macht es schwieriger für jemanden, der versucht, die Verschlüsselung mit Brute-Force-Techniken zu knacken. Ausserdem muss ein starkes Bildverschlüsselungssystem das Bild effektiv durcheinanderbringen, besonders wenn Teile davon ähnliche Pixelwerte haben, was als Autokorrelation bekannt ist.

Historisch gab es verschiedene Methoden zur Bildverschlüsselung, von denen die meisten etwas namens S-Boxen verwenden. S-Boxen sind Werkzeuge, die helfen, einen Wert durch einen anderen innerhalb der Bilddaten zu ersetzen. Allerdings haben gängige Ansätze zur Verwendung von S-Boxen oft Schwierigkeiten bei Bildern, bei denen viele Pixel ähnlich aussehen.

#Probleme mit traditionellen S-Box-Methoden

Mehrere traditionelle Methoden verwenden S-Boxen zur Bildverschlüsselung. Sie können grob in drei Typen unterteilt werden: Verwendung einer einzelnen S-Box, mehrerer S-Boxen und mehrerer Runden mit mehreren S-Boxen. Obwohl diese Methoden weit verbreitet sind, haben sie bemerkenswerte Nachteile.

1. Einzelne S-Box-Methode: Diese Methode ersetzt jedes Pixel durch einen einzigartigen Wert aus einer S-Box. Das führt oft zu Problemen, bei denen das Bild nicht effektiv durcheinandergebracht wird. Zum Beispiel, wenn mehrere Pixel denselben Wert haben, werden sie durch dieselbe Zahl ersetzt, was das Gesamtbild nicht ausreichend verändert.

2. Mehrere S-Boxen-Methode: Diese Methode versucht, die Sicherheit zu verbessern, indem sie mehr als eine S-Box verwendet. Trotzdem zeigt sie immer noch Probleme, wie sichtbare Ränder im Bild, was bedeutet, dass die Verschlüsselung nicht stark genug ist.

3. Mehrere Runden mit mehreren S-Boxen: Dieser Ansatz versucht, eine bessere Verschlüsselung zu schaffen, indem das Bild mehrere Male mit verschiedenen S-Boxen durchlaufen wird. Diese Methode schafft es jedoch auch nicht, die Details des Bildes richtig zu verbergen, was zu schlechten Ergebnissen führt, selbst nach mehreren Runden.

Angesichts dieser Probleme besteht ein wachsender Bedarf an einer besseren Methode zur Bildverschlüsselung, besonders wenn es um hohe Autokorrelation geht.

#Einführung des neuen Verschlüsselungsschemas

Um diese Herausforderungen anzugehen, wurde ein neues Bildverschlüsselungsschema namens Single Round Single S-Box (SRSS) entwickelt. Dieses Schema konzentriert sich auf Einfachheit und Effektivität. Hier sind die Hauptmerkmale des SRSS-Systems:

• Einzelne S-Box: Die SRSS-Methode verwendet nur eine S-Box und nur eine Runde der Substitution. Das bedeutet, dass der Prozess schneller und weniger kompliziert ist als Methoden, die mehrere Runden oder S-Boxen erfordern.

• Zufällige Operationen: Im Rahmen des SRSS-Systems wurde eine neue Technik namens Chaos-based Random Operation Selection System (CROSS) eingeführt. Diese Methode wählt zufällige Operationen für jedes Pixel aus, was hilft, die Pixel effektiv zu verwirren, selbst in Regionen, wo sie ähnlich sind.

Durch die Verwendung dieser Funktionen zielt die SRSS-Methode darauf ab, die Verbindungen zwischen den Pixeln im Bild zu unterbrechen. Sie stellt sicher, dass jedes Pixel auf eine Weise verändert wird, die es schwierig macht, das ursprüngliche Bild zu erraten, und hält gleichzeitig den Verschlüsselungsprozess schnell und unkompliziert.

#Wie das SRSS-Schema funktioniert

Das SRSS-System besteht aus ein paar einfachen Schritten. Wenn ein Bild verschlüsselt werden soll, kommen die folgenden Aktionen ins Spiel:

1. Eingabe: Das Originalbild wird genommen und seine geheimen Schlüssel werden für die chaotische Map eingerichtet.

2. Chaotische Map-Sequenz: Eine Sequenz von Zufallszahlen wird unter Verwendung einer chaotischen Map generiert. Dies hilft, die Auswahl der Operationen unvorhersehbar zu machen.

3. Pixelkonversion: Jedes Pixel des Originalbildes wird in acht Bits umgewandelt, die in zwei Teile für die Verarbeitung aufgeteilt werden.

4. Indexauswahl: Die am stärksten signifikanten und am wenigsten signifikanten Bits werden in Dezimalzahlen umgewandelt, um zu bestimmen, welcher S-Box-Wert das ursprüngliche Pixel ersetzen wird.

5. Zufällige Auswahl von Operationen: Unter Verwendung der zuvor generierten chaotischen Sequenz werden zufällige Operationen für jedes Pixel ausgewählt. Diese zufällige Auswahl stellt sicher, dass jedes Pixel eine einzigartige Transformation durchläuft.

6. Endausgabe: Die Werte aus der S-Box werden basierend auf der ausgewählten Operation verändert, bevor sie zurück ins Bild eingefügt werden. Das hilft sicherzustellen, dass keine klaren Ränder oder Muster sichtbar bleiben.

#Vorteile des neuen Schemas

Das SRSS-Schema bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu traditionellen Methoden:

• Erhöhte Sicherheit: Durch die Verwendung einer einzelnen S-Box und zufälliger Operationen versteckt die SRSS-Methode effektiv Muster im Bild, die Informationen über die Originaldaten offenbaren könnten.

• Weniger Komplexität: Da nur eine Runde der Verschlüsselung erforderlich ist, ist es einfacher zu implementieren und zu bedienen, was es für Anwendungen geeignet macht, die schnelle Verarbeitung erfordern.

• Statistische Analyse: Tests zeigen, dass die SRSS-Methode hervorragende statistische Eigenschaften hat. Sie bietet hohe Entropie (ein Mass für Zufälligkeit) und niedrige Korrelation (was weniger Vorhersehbarkeit bedeutet), was auf starke Sicherheit hinweist.

#Vergleich mit traditionellen Methoden

Im Vergleich zum SRSS-Schema mit traditionellen Verschlüsselungsmethoden sticht es durch seine Effektivität hervor. Zum Beispiel zeigen Bilder, die mit dem SRSS verschlüsselt wurden, klarere Sicherheitsverbesserungen, ohne sichtbare Ränder oder Muster, die ausgenutzt werden können.

Auf der anderen Seite zeigen Bilder, die mit älteren Methoden verschlüsselt wurden, zwar immer noch Verbesserungen nach mehreren Runden, aber die Effektivität des SRSS nach nur einer Runde ist ein bedeutender Fortschritt in diesem Bereich.

#Fazit

Zusammenfassend markiert die Entwicklung des Single Round Single S-Box (SRSS) Verschlüsselungsschemas einen bedeutenden Fortschritt beim Schutz digitaler Bilder. Durch den Fokus auf die Reduzierung der Komplexität bei gleichzeitiger Maximierung der Sicherheit geht der neue Ansatz effektiv auf die Herausforderungen ein, die traditionelle Verschlüsselungsmethoden darstellen, insbesondere im Umgang mit Bildern mit hoher Autokorrelation.

Mit seinen schnellen Verarbeitungszeiten und starken statistischen Ergebnissen ebnet das SRSS-Schema den Weg für verbesserten Schutz digitaler Bilder in einer Welt, die zunehmend auf Online-Kommunikation und -Speicherung angewiesen ist. Da die Technologie weiterhin fortschreitet, wird der Bedarf an robuster und effizienter Verschlüsselung nur wachsen, was Innovationen wie das SRSS immer relevanter macht.