Providing End-to-End Security Using Quantum Walks in IoT Networks
Creators
- 1. Menoufia University
- 2. Tecnológico de Monterrey
- 3. Kafrelsheikh University
- 4. Sejong University
- 5. Manchester Metropolitan University
- 6. Warsaw University of Technology
- 7. Institute of Computer Science
Description
Internet of Things acts an essential role in our everyday lives and it definitely has the potential to grow on the importance and revolutionize our future. However, the present communication technologies have several security related issues which is required to provide secure end to end connectivity among services. Moreover, due to recent, rapid growth of quantum technologies, most common security mechanisms considered secure today may be soon imperilled. Thus, the modern security mechanisms during their construction also require the power of quantum technologies to resist various potential attacks from quantum computers. Because of its characteristics, quantum walks (QW) is considered as a universal quantum computation paradigm that can be accepted as an excellent key generator. In this regard, in this paper a new lightweight image encryption scheme based on QW for secure data transfer in the internet of things platforms and wireless networking with edge computing is proposed. The introduced approach utilises the power of nonlinear dynamic behaviour of QW to construct permutation boxes and generates pseudo-random numbers for encrypting the plain image after dividing it into blocks. The results of the conducted simulation and numerical analyses confirm that the presented encryption algorithm is effective. The encrypted images have randomness properties, no useful data about the ciphered image can be obtained via analysing the correlation of adjacent pixels. Moreover, the entropy value is close to 8, the number of the pixel change rate is greater than 99.61%, and there is high sensitivity of the key parameters with large key space to resist various attacks.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
يلعب إنترنت الأشياء دورًا أساسيًا في حياتنا اليومية، ومن المؤكد أن لديه القدرة على النمو على أساس الأهمية وإحداث ثورة في مستقبلنا. ومع ذلك، فإن تقنيات الاتصال الحالية لديها العديد من القضايا المتعلقة بالأمن والمطلوبة لتوفير اتصال آمن من البداية إلى النهاية بين الخدمات. علاوة على ذلك، نظرًا للنمو السريع الأخير للتكنولوجيات الكمومية، فإن معظم آليات الأمان الشائعة التي تعتبر آمنة اليوم قد تتعرض للخطر قريبًا. وبالتالي، تتطلب آليات الأمان الحديثة أثناء بنائها أيضًا قوة التقنيات الكمومية لمقاومة الهجمات المحتملة المختلفة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. نظرًا لخصائصه، يعتبر المشي الكمومي (QW) نموذجًا عالميًا للحساب الكمومي يمكن قبوله كمولد رئيسي ممتاز. في هذا الصدد، يُقترح في هذه الورقة مخطط جديد لتشفير الصور خفيف الوزن يعتمد على QW لنقل البيانات الآمن في منصات إنترنت الأشياء والشبكات اللاسلكية مع الحوسبة الطرفية. يستخدم النهج المقدم قوة السلوك الديناميكي غير الخطي لـ QW لإنشاء صناديق تبديل وإنشاء أرقام عشوائية زائفة لتشفير الصورة العادية بعد تقسيمها إلى كتل. تؤكد نتائج المحاكاة والتحليلات العددية التي تم إجراؤها أن خوارزمية التشفير المقدمة فعالة. تحتوي الصور المشفرة على خصائص عشوائية، ولا يمكن الحصول على بيانات مفيدة حول الصورة المشفرة من خلال تحليل ارتباط وحدات البكسل المجاورة. علاوة على ذلك، فإن قيمة الإنتروبيا قريبة من 8، وعدد معدل تغيير البكسل أكبر من 99.61 ٪، وهناك حساسية عالية للمعلمات الرئيسية مع مساحة مفتاح كبيرة لمقاومة الهجمات المختلفة.Translated Description (French)
L'Internet des objets joue un rôle essentiel dans notre vie quotidienne et il a certainement le potentiel de grandir sur l'importance et de révolutionner notre avenir. Cependant, les technologies de communication actuelles présentent plusieurs problèmes liés à la sécurité qui sont nécessaires pour fournir une connectivité sécurisée de bout en bout entre les services. De plus, en raison de la croissance récente et rapide des technologies quantiques, la plupart des mécanismes de sécurité courants considérés comme sûrs aujourd'hui pourraient bientôt être mis en péril. Ainsi, les mécanismes de sécurité modernes lors de leur construction nécessitent également la puissance des technologies quantiques pour résister à diverses attaques potentielles des ordinateurs quantiques. En raison de ses caractéristiques, la marche quantique (QW) est considérée comme un paradigme de calcul quantique universel qui peut être accepté comme un excellent générateur de clés. À cet égard, dans cet article, un nouveau schéma de cryptage d'image léger basé sur QW pour le transfert de données sécurisé dans les plates-formes Internet des objets et la mise en réseau sans fil avec l'informatique de pointe est proposé. L'approche introduite utilise la puissance du comportement dynamique non linéaire de QW pour construire des boîtes de permutation et génère des nombres pseudo-aléatoires pour crypter l'image simple après l'avoir divisée en blocs. Les résultats de la simulation menée et des analyses numériques confirment que l'algorithme de cryptage présenté est efficace. Les images chiffrées ont des propriétés aléatoires, aucune donnée utile sur l'image chiffrée ne peut être obtenue par l'analyse de la corrélation des pixels adjacents. De plus, la valeur d'entropie est proche de 8, le nombre de taux de changement de pixel est supérieur à 99,61 % et la sensibilité des paramètres clés est élevée avec un grand espace de clé pour résister à diverses attaques.Translated Description (Spanish)
Internet de las cosas desempeña un papel esencial en nuestra vida cotidiana y definitivamente tiene el potencial de crecer en la importancia y revolucionar nuestro futuro. Sin embargo, las tecnologías de comunicación actuales tienen varios problemas relacionados con la seguridad que se requieren para proporcionar conectividad segura de extremo a extremo entre los servicios. Además, debido al reciente y rápido crecimiento de las tecnologías cuánticas, la mayoría de los mecanismos de seguridad comunes considerados seguros hoy en día pueden estar pronto en peligro. Por lo tanto, los mecanismos de seguridad modernos durante su construcción también requieren el poder de las tecnologías cuánticas para resistir varios ataques potenciales de los ordenadores cuánticos. Debido a sus características, los paseos cuánticos (QW) se consideran un paradigma de computación cuántica universal que puede aceptarse como un excelente generador de claves. En este sentido, en este documento se propone un nuevo esquema de cifrado de imágenes liviano basado en QW para la transferencia segura de datos en plataformas de Internet de las cosas y redes inalámbricas con computación de borde. El enfoque introducido utiliza el poder del comportamiento dinámico no lineal de QW para construir cuadros de permutación y genera números pseudoaleatorios para cifrar la imagen simple después de dividirla en bloques. Los resultados de la simulación realizada y los análisis numéricos confirman que el algoritmo de cifrado presentado es eficaz. Las imágenes cifradas tienen propiedades de aleatoriedad, no se pueden obtener datos útiles sobre la imagen cifrada mediante el análisis de la correlación de los píxeles adyacentes. Además, el valor de entropía es cercano a 8, el número de la tasa de cambio de píxeles es superior al 99,61% y existe una alta sensibilidad de los parámetros clave con un gran espacio clave para resistir varios ataques.Files
09088144.pdf.pdf
Files
(245 Bytes)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:936bc64c99bb15917acde1e13ee88acd
|
245 Bytes | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- توفير الأمن الشامل باستخدام المشي الكمومي في شبكات إنترنت الأشياء
- Translated title (French)
- Fournir une sécurité de bout en bout à l'aide de Quantum Walks dans les réseaux IoT
- Translated title (Spanish)
- Proporcionar seguridad de extremo a extremo utilizando Quantum Walks en redes IoT
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3023713876
- DOI
- 10.1109/access.2020.2992820
References
- https://openalex.org/W1620538313
- https://openalex.org/W1943579973
- https://openalex.org/W1965498832
- https://openalex.org/W1994917526
- https://openalex.org/W2000383364
- https://openalex.org/W2036823834
- https://openalex.org/W2058401212
- https://openalex.org/W2077767282
- https://openalex.org/W2079174845
- https://openalex.org/W2105103777
- https://openalex.org/W2111619626
- https://openalex.org/W2116286374
- https://openalex.org/W2130971702
- https://openalex.org/W2161027938
- https://openalex.org/W2212111137
- https://openalex.org/W2238499080
- https://openalex.org/W2410239325
- https://openalex.org/W2507650878
- https://openalex.org/W2518307365
- https://openalex.org/W2547085574
- https://openalex.org/W2551894759
- https://openalex.org/W2588353154
- https://openalex.org/W2606537796
- https://openalex.org/W2609722788
- https://openalex.org/W2757051818
- https://openalex.org/W2761014059
- https://openalex.org/W2768480011
- https://openalex.org/W2783171301
- https://openalex.org/W2790867243
- https://openalex.org/W2794742486
- https://openalex.org/W2906361067
- https://openalex.org/W2907164519
- https://openalex.org/W2910632723
- https://openalex.org/W2923032343
- https://openalex.org/W2944228462
- https://openalex.org/W2947158920
- https://openalex.org/W2964066680
- https://openalex.org/W2965879284
- https://openalex.org/W2982022928
- https://openalex.org/W2989102622
- https://openalex.org/W2990522378
- https://openalex.org/W2991954941
- https://openalex.org/W2994719874
- https://openalex.org/W2994988297
- https://openalex.org/W2998266342
- https://openalex.org/W3000167287
- https://openalex.org/W3003663149
- https://openalex.org/W3004307973
- https://openalex.org/W3005238411
- https://openalex.org/W3102327618