بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، برای ایجاد امنیت در تصویر برداری ماهواره ای یک سیستم رمزنگاری کلید متقارن مبتنی بر آشوب پیشنهاد شده است که از کلید مخفی با استفاده از چندین نگاشت آشوبگونه به نام های لجستیک، هنون، تنت، کیوبیک، سین و چبی چف توسعه داده شده است. همچنین از فضای DNA برای ارتقای عملکرد سیستم رمزنگاری استفاده شده است.در الگوریتم پیشنهادی رمزگذاری در دو مرحله انجام میشود. در مرحله اول کلید آشوبگونه تولید شده به اعداد باینری تبدیل میشود سپس هر دو عدد به یک عدد صحیح 0 - تا - 3 تبدیل میگردد.
این اعداد تعداد دفعات متمم شدن هر کاراکتر متناظر تصویر که در فضای DNA قرار دارد را تعیین مینماید. خروجی این مرحله یک تصویر متمم شده DNA است. در مرحله دوم این تصویر به معادل دسیمال خود تبدیل گردیده و هر بلوک آن با کلید XOR میشود تا بلوک رمز تولید شود. برای ارزیابی امنیت سیستم، تستهایی ازجمله مقدار آنتروپی، میزان همبستگی بین پیکسلهای تصویر، هیستوگرام وحساسیت کلید محاسبه شده است. نتایج نشان میدهد که الگوریتم پیشنهادی دارای امنیت رمزگذاری قابل قبول و فضای کلید بزرگی است. همچنین با استفاده از قوانین متمم گیریDNA به امنیت بالاتر و استحکام بیشتری نسبت به طرحهای پیشین رسیدیم که برای کارهای آینده میتوان از آن بهره گرفت.
-1 مقدمه
رمزنگاری دانشی است که به بررسی روشهای انتقال و دخیرهی اطلاعات به صورت امن میپردازد. در اصل رمزنگاری دانش تغییر دادن متن پیام یا اطلاعات به کمک کلید و با استفاده از یک الگوریتم است. به صورتی که تنها شخصی که از کلید و الگوریتم مطلع است قادر به استخراج اطلاعات اصلی باشد. رمزنگاری دو جزء اصلی دارد، الگوریتم و کلید. الگوریتم یک مبدل با فرمول ریاضی است. کلید یک رشته از ارقام دودویی - صفرویک - است که بخودی خود بی معنی است.
در این مقاله، الگوریتمی مبتنی بر ترکیب آشوب و DNA به منظور رمزنگاری اطلاعات به کاربرده شده است که در ادامه دلایل استفاده از این دو نوع روش رامطرح و به توضیح مختصری در مورد آن میپردازیم. آشوب پدیده ای است که در سیستم های غیر خطی رخ می دهد که حساسیت زیاد به شرایط اولیه و رفتار شبه تصادفی دارند. چنین سیستم هایی در حالتی که شرایط معادلات نمایی لیاپانوف را برآورده سازد در مد آشوب باقی خواهند ماند.
ویژگی مهمی که باعث شده این پدیده برای رمزنگاری بسیار مورد توجه قرار بگیرد [1-2] تعریف پذیری سیستم در عین رفتار شبه تصادفی آن است که باعث می گردد خروجی سیستم از دید مهاجم، تصادفی به نظر برسد در حالی که از دید گشاینده رمز تعریف پذیر بوده و قابل رمزگشایی است. در سال 1949 شانون دو ویژگی انتشار1و پخش2را برای سیستمهای رمزنگاری [3] برای به دست آوردن سطح امنیت بالا مطرح کرد و تعیین کرد که توابع آشوبی این دو پارامتر را دارا هستند.
رمزنگاری DNA یک زمینه جدید در امنیت اطلاعات است که ازمحاسبات DNA برای رمزنگاری اطلاعات استفاده میکند. راههای متفاوتی با استفاده از رمزنگاری DNA وجود دارد.[4-5] اطلاعات امنیتی را میتوان در اندازهی میکروسکوپی DNA به وجود آورد و در میان مقادیر بزرگ ساختارهای دیگر DNA پنهان کرد. DNA به عنوان یک خود مونتاژگر در نظر گرفته میشود. چون دارای پایههای متمم3 است که در فرایند پوندزنی با یکدیگر پیوند میخورند. بخشهای مختلف مقاله به شرح زیر است. در بخش 2 تئوری پایه ای الگوریتم شامل توضیح کدگذاری DNA و توابع آشوبی مورد استفاده در الگوریتم میباشد. در بخش 3 الگوریتم پیشنهادی شرح داده میشود. بخش 4 به تجزیه و تحلیل نتایج اختصاص یافته است و در بخش 5 ارائهی نتیجه گیری آمده است.
-2 ابزارها و روشها
-1-2 کدگذاری و کدگشایی DNA
یکی از جدیدترین و موفقترین روشهای رمزگذاری تصویر رمزگذاری مبتنی بر DNA است. توسعهی رمزنگاری DNA ناشی از پیشرفت محاسبات DNA میباشد.[6] در علوم اطلاعات، کدگذاری دیجیتالی دودویی4 بنیادیترین روش کدگذاری است که هر نوع اطلاعاتی را میتوان به وسیله دو حالت 0 یا 1 یا ترکیبی از آنها کدگذاری کرد.[7] در رشتهی DNA دو نوع باز آلی وجود دارد. که سادهترین کدگذاری متناظربا کدنویسی چهار باز نوکلئوتید - A,C,G,T - استفاده از چهاررقم - 00 - 0 و - 01 - 1 و - 10 - 2 و - 11 - 3 میباشد.
بنابراین - 24تعداد جایگشتها: - 4! الگوی کدنویسی با این قالب وجود دارد .[51] همچنین مطابق با قاعدهی مکملی واتسون–کریک، در یک رشتهی دوگانه از DNA دو زنجیره به وسیلهی پیوندهای هیدروژنی ما بین زوج بازها به یکدیگر متصل شده اند، به طوری که همیشه آدنین5 با تیمین6 - دو پیوند هیدروژنی - و گوانین7 با سیتوزین8 - سه پیوند هیدروژنی - پیوند برقرار میکند. بنابراین برای رعایت مشخصات بیولوژیکی 4 باز نوکلئوتید، قانون مکملی - 1=0 - و - 0=1 - در کدگذاری دیجیتال پیشنهاد میشود.
[8] بنابراین مطابق با این قانون - 00 - 0 با - 11 - 3 و - 01 - 1 با - 10 - 2 مکمل است. لذا از میان این 24 نوع الگو تنها 8 نوع الگوی CTAG ، CATG ، GATC ، TCGA ، TGCA، ACGT وAGCT ساختاری متناسب با قانون مکملی بازهای نوکلئوتید دارند [9] که در جدول - 1 - نشان داده شده است. برای مثال ، اگر مقدار اولین پیکسل تصویر اصلی 173 باشد، آن را به دنباله باینری - 10101101 - تبدیل کنیم، با استفاده از قاعده کد گذاری DNA میتوانیم دنباله DNA را به صورت - GGTC - دریافت کنیم. بطوریکه 00,01,10,11 به ترتیب نشان دهندهی A=00, C=01 , G=10, T=11 هستند. جدول - 1 قوانین نگاشت کدگذاری و کدگشایی برای دنباله DNA را نشان میدهد..[10]
-2-2 توابع آشوبی
از دهه 1990 تعدادی الگوریتم رمزگذاری تصویر و متن مبتنی بر آشوب [11-14] و با کلید متقارن به منظور دستیابی به انتشار و اغتشاش برای ایمن سازی اطلاعات ارایه شده است. این الگوریتم ها بر مبنای یک نگاشت آشوبگونه تکی برای تولید کلید مخفی مورد استفاده قرار میگرفتند. این مقاله به طور عمده بر ایدهی استفاده از چندین نگاشت آشوبگونه برای تولید کلید مخفی تاکید دارد. که از طریق بهبود اغتشاش و انتشار در رمزگذاری، سطح امنیت الگوریتم را ارتقا میدهد.
الگوریتم پیشنهادی از 6 نگاشت آشوبگونه متفاوت به نام های لجستیک، تنت9، هنون10، سین11، کوبیک12 وچپیشف 13 استفاده میکند. دلیل انتخاب این نگاشتها، اثبات کارایی و امنیت آنها توسط بسیاری از محققان است .[15] همچنین باتوجه به اینکه به استفاده از توابع آشوبی در الگوریتم رمزنگاری تصاویر ماهواره دارای محدودیت است بنابراین باید از توابعی استفاده شود که دارای قابلیت پیاده سازی سادهای باشد.
