Publicação: Modelo criptográfico baseado em autômatos celulares tridimensionais híbridos
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CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO
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Resumo
A popularização de equipamentos eletrônicos que capturam imagens digitais, bem
como a criação de várias aplicações que possibilitam a troca e compartilhamento das
mesmas através de canais de comunicação provocaram o surgimento de alguns problemas
inerentes. Dentre esses problemas estão a quebra de segurança e privacidade em sistemas
de informação. Para que essas questões sejam resolvidas, a utilização de sistemas
criptográcos na transmissão dessas informações se faz necessária. O principal objetivo
da criptograa é a garantia de que as informações transmitidas não serão copiadas, modi
cadas ou falsicadas. Muitos algoritmos de criptograa clássica e moderna já foram
investigados para garantir a troca segura de informações. Entretanto, quando a mensagem
que estiver sendo enviada for uma imagem, os algoritmos convencionais não favorecem
o arranjo nem a quantidade massiva de informações que são características estruturais
das mesmas. Assim, uma nova abordagem para este tema são os autômatos celulares
(ACs), que estão sendo estudados pela simplicidade de implementação e também por sua
capacidade de processar dados em paralelo. Nesse trabalho um novo modelo criptográco
tridimensional baseado autômatos celulares híbridos foi elaborado e chamado de 3DHCA.
Esse método utiliza o cálculo de pré-imagens, que corresponde à evolução do AC para
trás, e duas regras no processo de cifragem. Uma regra principal caótica é responsável
pela cifragem efetiva da mensagem e uma regra de contorno, que garante a existência da
pré-imagem para qualquer reticulado possível. Esse modelo tridimensional baseia-se em
um precursor chamado HCA que utiliza ACs unidimensionais. Inicialmente, uma aná-
lise da segurança do modelo unidimensional foi realizada através da Teoria dos Grafos.
A denição do novo modelo de criptograa tridimensional, bem como os experimentos
realizados para sua validação e renamento, são discutidos nessa dissertação. O método
resultante se mostrou seguro e passível de implementação com alto nível de paralelismo.
Assim, se torna uma opção extremamente interessante para a cifragem de grandes volumes
de dados, especialmente as imagens digitais coloridas.
Abstract
The popularization of electronic devices to capture digital images, as well as the creation
of several applications enabling exchange and sharing these images by communication
channels has brought some inherent problems. Among these problems it can be cited the
security violation and privacy in information systems. The use of cryptographic systems
in such information transmission is required to solve these issues. The main goal of cryptography
is to guarantee that the information will not be copied, modied or falsied.
Many classic and modern encryption algorithms have been investigated to ensure secure
exchange of information. However, when the message to be sent is an image, the conventional
algorithms do not favor image structural features: the spatial arrangement and
the massive amount of information. Thus, a new approach for this topic is the usage
of cellular automata (CA) in image encryption. CA are being studied due to their implementation
simplicity and also due to their capacity to process data in a fast parallel
way. In this work a novel cryptographic model based on three-dimensional hybrid cellular
automata was elaborated and named 3DHCA. This method employs pre-image calculus
which represents CA backward evolution and two rules are used in the encryption process.
The rst one is called major rule, and it is responsible for the eective encryption of the
message. The second one is used only in boundary lattice cells to ensure the existence of
pre-image for any lattice. This three-dimensional model is based on a precursor model called
HCA, which uses one-dimensional CA. Initially, an analysis of one-dimensional model
safety was performed using Graph Theory. The denition of the new three-dimensional
cryptographic model, as well as experiments for its validation and renement are discussed
in this dissertation. The resulting method has proved to be safe and appropriated for
an implementation with a high-level of parallelism. Thus, it becomes a very interesting
option for encryption using large volumes of data, especially digital color images.
Palavras-chave
Autômato celular, Cálculo de pré-imagens, Encriptação de imagens, Criptograa simétrica, Teoria dos grafos, Cellular automata, Pre-image calculus, Image encrytion, Symmetric cipher, Graph theory, Inteligência artificial, Criptografia
Citação
LIMA, Danielli Araújo. Modelo criptográfico baseado em autômatos celulares tridimensionais híbridos. 2012. 224 f. Dissertação (Mestrado em Ciências Exatas e da Terra) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2012. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2012.341