Published January 1, 2021
| Version v1
Publication
Open
DS2B: Dynamic and Secure Substitution Box for Efficient Speech Encryption Engine
- 1. Khalifa University of Science and Technology
- 2. Nile University
Description
This paper proposes an efficient encryption technique based on Dynamic and Secure Substitution Box (DS2B) design suitable for IoT and resource-constrained platforms. The DS2B has the advantages of simple structure and good encryption performance. A different number of strong S-boxes could be generated with minor variations in the DS2B parameters. Performance analyses of the DS2B, including differential/linear cryptanalysis, bijective, nonlinearity, strict avalanche criterion (SAC), and bit independence criterion (BIC) have been presented where high nonlinearity, and low differential uniformity are achieved. Besides, a comparison with recent S-boxes is introduced which shows the robustness of the DS2B. To verify the DS2B, a speech encryption engine was realized on FPGA. Various security analyses were evaluated including the National Institute of Standards & Technology (NIST) statistical test suite, number of samples changes rate NSCR, mean square error (MSE), correlation, histogram, and spectrogram. In this work, the silence periods are encrypted in a way that makes them much harder to detect using the DS2B. The proposed encryption scheme achieved a throughput of 9.87 G bit/s, which is higher than previous work. A Xilinx Nexys 4 FPGA evaluation board was used for implementing and verifying the design.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تقترح هذه الورقة تقنية تشفير فعالة تعتمد على تصميم صندوق الاستبدال الديناميكي والآمن (DS2B) المناسب لإنترنت الأشياء والمنصات المحدودة الموارد. يتمتع DS2B بمزايا البنية البسيطة وأداء التشفير الجيد. يمكن إنشاء عدد مختلف من صناديق S القوية مع اختلافات طفيفة في معلمات DS2B. تم تقديم تحليلات أداء DS2B، بما في ذلك تحليل التشفير التفاضلي/الخطي، والموضوعية الثنائية، وعدم الخطية، ومعيار الانهيار الجليدي الصارم (SAC)، ومعيار استقلال البت (BIC) حيث يتم تحقيق عدم الخطية العالية، والتوحيد التفاضلي المنخفض. إلى جانب ذلك، يتم تقديم مقارنة مع صناديق S الحديثة التي تظهر متانة DS2B. للتحقق من DS2B، تم تحقيق محرك تشفير الكلام على FPGA. تم تقييم العديد من التحليلات الأمنية بما في ذلك مجموعة الاختبارات الإحصائية للمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، وعدد العينات التي تغير معدل NSCR، ومتوسط الخطأ المربع (MSE)، والارتباط، والمخطط التكراري، والمخطط الطيفي. في هذا العمل، يتم تشفير فترات الصمت بطريقة تجعل من الصعب اكتشافها باستخدام DS2B. حقق مخطط التشفير المقترح إنتاجية 9.87 جيجا بت/ثانية، وهو أعلى من العمل السابق. تم استخدام لوحة تقييم Xilinx Nexys 4 FPGA لتنفيذ التصميم والتحقق منه.Translated Description (French)
Cet article propose une technique de cryptage efficace basée sur la conception de la boîte de substitution dynamique et sécurisée (DS2B) adaptée à l'IoT et aux plates-formes à ressources limitées. Le DS2B a les avantages d'une structure simple et de bonnes performances de cryptage. Un nombre différent de boîtes S fortes pourrait être généré avec des variations mineures des paramètres DS2B. Des analyses de performance du DS2B, y compris la cryptanalyse différentielle/linéaire, la bijective, la non-linéarité, le critère d'avalanche strict (sac) et le critère d'indépendance des bits (BIC) ont été présentées lorsque la non-linéarité élevée et la faible uniformité différentielle sont atteintes. En outre, une comparaison avec les S-boxes récentes est introduite, ce qui montre la robustesse du DS2B. Pour vérifier le DS2B, un moteur de chiffrement de la parole a été réalisé sur FPGA. Diverses analyses de sécurité ont été évaluées, notamment la suite de tests statistiques du National Institute of Standards & Technology (NIST), le taux de variation du nombre d'échantillons NSCR, l'erreur quadratique moyenne (MSE), la corrélation, l'histogramme et le spectrogramme. Dans ce travail, les périodes de silence sont cryptées d'une manière qui les rend beaucoup plus difficiles à détecter à l'aide du DS2B. Le schéma de cryptage proposé a atteint un débit de 9,87 G bit/s, ce qui est plus élevé que les travaux précédents. Une carte d'évaluation FPGA Xilinx Nexys 4 a été utilisée pour mettre en œuvre et vérifier la conception.Translated Description (Spanish)
Este documento propone una técnica de cifrado eficiente basada en el diseño de Caja de Sustitución Dinámica y Segura (DS2B) adecuada para IoT y plataformas con recursos limitados. El DS2B tiene las ventajas de una estructura simple y un buen rendimiento de cifrado. Se podría generar un número diferente de cajas S fuertes con variaciones menores en los parámetros DS2B. Se han presentado análisis de rendimiento del DS2B, que incluyen criptoanálisis diferencial/lineal, biyectivo, no linealidad, criterio estricto de avalancha (SAC) y criterio de independencia de bits (BIC) donde se logra una alta no linealidad y una baja uniformidad diferencial. Además, se introduce una comparación con las cajas S recientes que muestra la robustez del DS2B. Para verificar el DS2B, se realizó un motor de cifrado de voz en FPGA. Se evaluaron varios análisis de seguridad, incluido el conjunto de pruebas estadísticas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el número de muestras, la tasa de cambios de NSCR, el error cuadrático medio (MSE), la correlación, el histograma y el espectrograma. En este trabajo, los períodos de silencio se cifran de una manera que los hace mucho más difíciles de detectar utilizando el DS2B. El esquema de cifrado propuesto logró un rendimiento de 9.87 G bit/s, que es más alto que el trabajo anterior. Se utilizó una placa de evaluación Xilinx Nexys 4 FPGA para implementar y verificar el diseño.Files
09466846.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:4644aa2cc4d5bff67c2032e9c2725e0b
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- DS2B: صندوق استبدال ديناميكي وآمن لمحرك تشفير الكلام الفعال
- Translated title (French)
- DS2B : Boîte de Substitution Dynamique et Sécurisée pour un Moteur de Chiffrement de la Parole Efficace
- Translated title (Spanish)
- DS2B: Caja de sustitución dinámica y segura para un motor de cifrado de voz eficiente
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3175284576
- DOI
- 10.1109/access.2021.3093247
References
- https://openalex.org/W1894646615
- https://openalex.org/W1964850765
- https://openalex.org/W1975805105
- https://openalex.org/W2050283542
- https://openalex.org/W2065383271
- https://openalex.org/W2078553675
- https://openalex.org/W2090210875
- https://openalex.org/W2114972738
- https://openalex.org/W2295735082
- https://openalex.org/W2555795338
- https://openalex.org/W2588456215
- https://openalex.org/W2593877424
- https://openalex.org/W2621049407
- https://openalex.org/W2727299004
- https://openalex.org/W2735385107
- https://openalex.org/W2750719386
- https://openalex.org/W2765497248
- https://openalex.org/W2766532050
- https://openalex.org/W2779265082
- https://openalex.org/W2790709394
- https://openalex.org/W2797813330
- https://openalex.org/W2798761167
- https://openalex.org/W2821393409
- https://openalex.org/W2895283602
- https://openalex.org/W2905589478
- https://openalex.org/W2919954404
- https://openalex.org/W2924233255
- https://openalex.org/W2943221465
- https://openalex.org/W2943453591
- https://openalex.org/W2946548641
- https://openalex.org/W2970987811
- https://openalex.org/W2980057341
- https://openalex.org/W2990908914
- https://openalex.org/W2992131169
- https://openalex.org/W2992366504
- https://openalex.org/W2999022684
- https://openalex.org/W2999249171
- https://openalex.org/W3004257937
- https://openalex.org/W3012197803
- https://openalex.org/W3018470964
- https://openalex.org/W3037353307
- https://openalex.org/W3037778252
- https://openalex.org/W3044227546
- https://openalex.org/W3048923742
- https://openalex.org/W3049726582
- https://openalex.org/W3091826777
- https://openalex.org/W3096025769
- https://openalex.org/W3096546390
- https://openalex.org/W3112529455
- https://openalex.org/W387876803