DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97822-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40269095
تاريخ النشر: 2025-04-23
المؤلف: Amer Aljaedi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تشفير الصور/الإشارات المعتمد على الفوضى
نظرة عامة
تقدم هذه البحث خوارزمية تشفير خفيفة الوزن جديدة مصممة خصيصًا للأجهزة المحدودة الموارد في إنترنت الأشياء (IoT)، حيث تعالج الحاجة الملحة لتشفير البيانات بشكل فعال وآمن في هذا المجال الذي يتوسع بسرعة. تدمج الخوارزمية المقترحة تقنيات متقدمة، بما في ذلك التشفير الكمي، والأنظمة الفوضوية، وتحويل المويجات المنفصلة (DWT)، لتعزيز كل من الأمان والأداء. تبدأ عملية التشفير بتفكيك صورة ملونة إلى مكوناتها RGB، تليها تمثيل كمي وتطبيق عمليات الارتباك والانتشار. تستخدم هذه العمليات مصفوفة استبدال ومصفوفة مفاتيح لضمان ارتباك على مستوى البكسل وانتشار فعال للبيانات. يقوم DWT بمزيد من تحسين التشفير من خلال استخراج نطاقات التردد الفرعية، والتي يتم استبدالها بعد ذلك باستخدام قيم من صندوق استبدال محدد مسبقًا.
يتم تقييم أداء إطار التشفير المقترح بدقة من خلال تحليلات إحصائية متنوعة، مما ينتج عنه قيمة إنتروبيا تبلغ 7.9998، وارتباط قدره 0.0001، ومساحة مفاتيح قدرها $2^{947.862}$. تشير هذه النتائج إلى قدرات تشفير قوية ومرونة ضد الهجمات الإلكترونية، بما في ذلك الضوضاء، والقص، ومحاولات القوة الغاشمة. تُظهر الخوارزمية مستوى عالٍ من الارتباك والانتشار، مما يضمن أمان البيانات وسلامتها، بينما تحقق أيضًا أوقات تشفير سريعة مناسبة للتطبيقات في الوقت الحقيقي، حيث تعالج الصور بحجم 256 × 256 أو 512 × 512 في أقل من ثانية واحدة. ستستكشف الأعمال المستقبلية تنفيذ هذا الإطار على FPGA لتقييم أدائه من حيث كفاءة الطاقة واستخدام موارد الأجهزة، مع معالجة التحديات المحتملة المتعلقة باستهلاك الطاقة وتأخيرات المعالجة.
مقدمة
في هذا القسم، يقدم هدايتي وآخرون خوارزمية تشفير جديدة مصممة خصيصًا للأجهزة المحدودة الموارد في إنترنت الأشياء (IoT)، حيث تعالج عدم كفاءة الطرق التقليدية للتشفير من حيث المتطلبات الحاسوبية والطاقة. يدمج النهج الهجين المقترح تقنيات تشفير متعددة، بما في ذلك التشفير الكمي، والأنظمة الفوضوية، وتحويل المويجات المنفصلة (DWT)، لتعزيز كل من الأمان والكفاءة. من خلال الاستفادة من تقنيات تحسين الميتاهيرستيك، يحقق الإطار توازنًا بين الأداء والأمان، مما يجعله فعالًا بشكل خاص للتطبيقات في الوقت الحقيقي.
يوفر دمج التشفير الكمي طبقة إضافية من الأمان، خاصة ضد الهجمات الكمية المحتملة، بينما يسمح استخدام DWT باستخراج نطاقات التردد الفرعية من الصور، مع التركيز على المكونات ذات التردد المنخفض لتقليل التعقيد الحاسوبي. يضمن هذا التصميم الاستراتيجي أمانًا قويًا دون المساس بالكفاءة التشغيلية المطلوبة في بيئات إنترنت الأشياء.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد التجربة والتحليل الذي تم إجراؤه لتقييم إطار التشفير المقترح، والذي تم تنفيذه باستخدام MATLAB 2020 على نظام مزود بذاكرة وصول عشوائي سعة 8 جيجابايت، وقرص SSD سعة 512 جيجابايت، ونظام تشغيل Windows 11، ومعالج Intel Core i5 من الجيل الحادي عشر. استخدمت الدراسة مجموعة متنوعة من الصور المستمدة من مستودعات متاحة للجمهور على الإنترنت، بما في ذلك مشاهد طبيعية وصور اختبار قياسية (مثل، لينا، بابون، فلفل)، بالإضافة إلى صور طبية، ووجه، وصور فضائية. تم اختيار هذه الصور لضمان إمكانية المقارنة مع أنظمة التشفير الحالية ذات الحجم والخصائص المماثلة.
شمل عملية التقييم عدة تحليلات إحصائية، بما في ذلك تحليل الإنتروبيا، وتحليل حساسية المفاتيح، وتحليل مساحة المفاتيح، وتحليل الهيستوغرام. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم مرونة إطار التشفير ضد مختلف الهجمات الإلكترونية، بما في ذلك القوة الغاشمة، والضوضاء، وهجمات القص. تعكس النتائج الإحصائية المبلغ عنها في هذا القسم القيم المتوسطة المستمدة من مكونات الصور المشفرة باللون الأحمر (R)، والأخضر (G)، والأزرق (B)، مما يوفر نظرة شاملة على أداء الإطار وميزاته الأمنية.
مناقشة
في هذا القسم المناقشة، يسلط البحث الضوء على الحاجة الملحة لطرق التشفير الخفيفة الوزن المصممة خصيصًا لإنترنت الأشياء (IoT) بسبب قيود الأجهزة ذات الطاقة المنخفضة والتهديد المتزايد للهجمات الإلكترونية، بما في ذلك تلك التي ت posed by quantum computing. غالبًا ما تفرض تقنيات التشفير التقليدية عبءًا حاسوبيًا كبيرًا، مما يجعلها غير عملية في البيئات المحدودة الموارد. الحل المقترح هو إطار تشفير كمي-فوضوي خفيف الوزن جديد يدمج التشفير الكمي، والأنظمة الفوضوية، وتحسين الميتاهيرستيك، وتقنيات تحويل المويجات المنفصلة (DWT). لا يعزز هذا النهج الأمان والكفاءة فحسب، بل يعالج أيضًا الثغرات المرتبطة بالطرق التقليدية، خاصة ضد التهديدات الكمية. يستخدم الإطار توليد مفاتيح فوضوية لزيادة العشوائية، مما يجعله أكثر مقاومة لهجمات القوة الغاشمة، بينما يضيف الاستبدال القائم على DWT طبقات من الأمان ضد مختلف الهجمات التشفيرية.
تم هيكلة الورقة لتوفير نظرة شاملة على أطر التشفير الحالية، والمعرفة الأولية اللازمة للطريقة المقترحة، وشرح مفصل لإطار التشفير نفسه. كما تتضمن نتائج تجريبية توضح فعالية الطريقة المقترحة مقارنة بالأنظمة الحالية. تحدد مراجعة الأدبيات التحديات الرئيسية في أمان إنترنت الأشياء، مثل الحاجة إلى حماية البيانات القوية وتقليل التعقيد الحاسوبي، والتي تهدف الإطار المقترح إلى معالجتها من خلال تصميمه وطرقه المبتكرة. بشكل عام، يساهم هذا البحث في تطوير معيار تشفير قوي يمكن تكييفه مع التحديات التشفيرية المستقبلية، خاصة تلك الناشئة عن التقدم في الحوسبة الكمية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97822-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40269095
Publication Date: 2025-04-23
Author(s): Amer Aljaedi et al.
Primary Topic: Chaos-based Image/Signal Encryption
Overview
This research presents a novel lightweight encryption algorithm specifically designed for resource-constrained Internet of Things (IoT) devices, addressing the critical need for efficient and secure data encryption in this rapidly expanding field. The proposed algorithm integrates advanced techniques, including quantum encryption, chaotic systems, and discrete wavelet transform (DWT), to enhance both security and performance. The encryption process begins with the decomposition of a color image into its RGB components, followed by quantum representation and the application of confusion and diffusion operations. These operations utilize a substitution matrix and a key matrix to ensure pixel-level confusion and effective data diffusion. The DWT further refines the encryption by extracting frequency sub-bands, which are then substituted using values from a predefined substitution box.
The performance of the proposed encryption framework is rigorously evaluated through various statistical analyses, yielding an entropy value of 7.9998, a correlation of 0.0001, and a key space of $2^{947.862}$. These results indicate strong encryption capabilities and resilience against cyberattacks, including noise, cropping, and brute force attempts. The algorithm demonstrates a high level of confusion and diffusion, ensuring data security and integrity, while also achieving rapid encryption times suitable for real-time applications, processing images of size 256 × 256 or 512 × 512 in under one second. Future work will explore the implementation of this framework on FPGA to assess its performance in terms of energy efficiency and hardware resource utilization, addressing potential challenges related to power consumption and processing delays.
Introduction
In this section, Hedayati et al. present a novel encryption algorithm specifically designed for resource-constrained Internet of Things (IoT) devices, addressing the inefficiencies of traditional cryptographic methods in terms of computational and energy demands. The proposed hybrid approach integrates multiple cryptographic techniques, including quantum encryption, chaotic systems, and discrete wavelet transform (DWT), to enhance both security and efficiency. By leveraging metaheuristic optimization techniques, the framework achieves a balance between performance and security, making it particularly effective for real-time applications.
The incorporation of quantum encryption provides an additional layer of security, particularly against potential quantum attacks, while the use of DWT allows for the extraction of frequency sub-bands from images, focusing on low-frequency components to minimize computational complexity. This strategic design ensures robust security without compromising the operational efficiency required in IoT environments.
Methods
In this section, the authors detail the experimental setup and analysis conducted to evaluate their proposed encryption framework, implemented using MATLAB 2020 on a system equipped with 8GB RAM, a 512GB SSD, Windows 11, and an 11th Generation Intel Core i5 processor. The study utilized a diverse set of images sourced from publicly available online repositories, including natural scenes and standard test images (e.g., Lena, Baboon, Peppers), as well as medical, face, and satellite images. These images were selected to ensure comparability with existing encryption schemes of similar size and characteristics.
The evaluation process involved several statistical analyses, specifically entropy analysis, key sensitivity analysis, key space analysis, and histogram analysis. Additionally, the resilience of the encryption framework against various cyberattacks, including brute force, noise, and clipping attacks, was assessed. The statistical results reported in this section reflect the average values derived from the encrypted red (R), green (G), and blue (B) components of the images, providing a comprehensive overview of the framework’s performance and security features.
Discussion
In this discussion section, the research highlights the pressing need for lightweight encryption methods tailored for the Internet of Things (IoT) due to the constraints of low-power devices and the rising threat of cyberattacks, including those posed by quantum computing. Traditional encryption techniques often impose significant computational overhead, making them impractical for resource-constrained environments. The proposed solution is a novel lightweight quantum-chaotic encryption framework that integrates quantum encryption, chaotic systems, metaheuristic optimization, and discrete wavelet transform (DWT) techniques. This approach not only enhances security and efficiency but also addresses vulnerabilities associated with conventional methods, particularly against quantum threats. The framework employs chaotic key generation to increase randomness, making it more resistant to brute-force attacks, while DWT-based substitution adds layers of security against various cryptographic attacks.
The paper is structured to provide a comprehensive overview of existing encryption frameworks, the necessary preliminary knowledge for the proposed method, and a detailed explanation of the encryption framework itself. It also includes experimental results that demonstrate the effectiveness of the proposed method compared to existing schemes. The literature review identifies key challenges in IoT security, such as the need for strong data protection and minimal computational complexity, which the proposed framework aims to address through its innovative design and methodologies. Overall, this research contributes to the development of a robust encryption standard that is adaptable to future cryptographic challenges, particularly those arising from advancements in quantum computing.