Розробка методу шифрування зображень з використанням сур'єктивних скінченних автоматів та використувального S-боксу в рамках розширеного стандарту шифрування

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.348368

Ключові слова:

шифрування зображень, сюр'єктивний скінченний автомат, користувацький S-блок, AES

Анотація

Об'єктом дослідження є схема шифрування зображень на основі AES-128 (Advanced Encryption Standard). Розглядається проблема збереження залишкової структури зображення та субідеальної статистичної/диференціальної безпеки, коли класичне AES наївно застосовується до візуальних даних. Запропонований метод дає зашифровані зображення з майже максимальною ентропією та низькими кореляціями пікселів з рівномірними гістограмами. Значення хі-квадрат зашифрованих зображень концентруються приблизно в межах 200–310 (близько до рівномірного розподілу), NPCR (Number Of Changing Pixel Rate) стабільно становить 99,623–99,657% з найкращим випадком 99,6547%, а UACI (Unified Averaged Changed Intensity) ≈ 33,64% на канал (RGB разом ≈ 22%). Тести на робустність показують ≈ 30,7 дБ при 50% кадруванні та ≈ 39,5–39,7 дБ при 0,01 шуму «сіль-перець» та 6,25% кадруванні. Ці результати пояснюються бітовими, залежними від стану перестановками, введеними сюр'єктивним автоматом (підвищення дифузії), та нелінійним S-боксом, синтезованим за суворими критеріями (наприклад, обмежена диференціальна однорідність, висока нелінійність), що посилює плутанину, а робота в режимі CBC (Cipher Block Chaining) забезпечує семантичну безпеку. Відмінні особливості, що забезпечують це рішення, включають: заміну ShiftRows/MixColumns на сюр'єктивний автомат; користувацький, оптимізований за критеріями S-бокс; та 10-раундовий конвеєр AES-128 CBC на випадковий. Разом вони забезпечують спостережувану статистичну однорідність, високий NPCR/UACI та стабільний робастність при деградації. Зрештою, результати вказують на застосовність для безпечної передачі та зберігання мультимедіа в каналах, схильних до шуму або часткової втрати даних, а також, оскільки перетворення не залежать від даних, узагальнення до тексту та загальних двійкових даних за умови належного керування

Біографії авторів

Alibek Barlybayev, L.N. Gumilyov Eurasian National University

Doctor PhD, Professor

Department of Artificial Intelligence Technologies

Zhanat Saukhanova, L.N. Gumilyov Eurasian National University

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor

Department of Information Security

Gulmira Shakhmetova, L.N. Gumilyov Eurasian National University

Senior Lecturer

Department of Information Security

Altynbek Sharipbay, L.N. Gumilyov Eurasian National University

Doctor of Technical Sciences, Professor

Department of Artificial Intelligence Technologies

Sayat Raykul, L.N. Gumilyov Eurasian National University

Student

Department of Information Security

Altay Khassenov, L.N. Gumilyov Eurasian National University

Student

Department of Information Security

Посилання

  1. Chahar, S. (2024). Exploring the future trends of cryptography. Next Generation Mechanisms for Data Encryption, 234–257. https://doi.org/10.1201/9781003508632-16
  2. Kong, J. H., Ang, L.-M., Seng, K. P. (2015). A comprehensive survey of modern symmetric cryptographic solutions for resource constrained environments. Journal of Network and Computer Applications, 49, 15–50. https://doi.org/10.1016/j.jnca.2014.09.006
  3. Sharipbay, A., Saukhanova, Z., Shakhmetova, G., Barlybayev, A. (2023). Development of Reliable and Effective Methods of Cryptographic Protection of Information Based on the Finite Automata Theory. The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics, 26, 19–25. https://doi.org/10.55549/epstem.1409285
  4. Shakhmetova, G., Barlybayev, A., Saukhanova, Z., Sharipbay, A., Raykul, S., Khassenov, A. (2024). Enhancing Visual Data Security: A Novel FSM-Based Image Encryption and Decryption Methodology. Applied Sciences, 14 (11), 4341. https://doi.org/10.3390/app14114341
  5. Salami, Y., Khajevand, V., Zeinali, E. (2023). Cryptographic algorithms: A review of the literature, weaknesses and open challenges. Journal of Computer & Robotics, 2 (16), 63–115. http://dx.doi.org/10.22094/JCR.2023.1983496.1298
  6. Hospodár, M., Jirásková, G. (2024). Conversions Between Six Models of Finite Automata. International Journal of Foundations of Computer Science, 36 (03), 321–344. https://doi.org/10.1142/s0129054124430020
  7. Lotfi, Z., Khalifi, H., Ouardi, F. (2023). Efficient Algebraic Method for Testing the Invertibility of Finite State Machines. Computation, 11 (7), 125. https://doi.org/10.3390/computation11070125
  8. Abubaker, S., Wu, K. (2013). DAFA - A Lightweight DES Augmented Finite Automaton Cryptosystem. Security and Privacy in Communication Networks, 1–18. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36883-7_1
  9. Kodada, B. (2022). FSAaCIT: Finite State Automata based One-Key Cryptosystem and Chunk-based Indexing Technique for Secure Data De-duplication in Cloud Computing. https://doi.org/10.36227/techrxiv.20443653.v1
  10. Salas Pena, P. I., Ernesto Gonzalez Torres, R. (2016). Authenticated Encryption based on finite automata cryptosystems. 2016 13th International Conference on Electrical Engineering, Computing Science and Automatic Control (CCE), 1–6. https://doi.org/10.1109/iceee.2016.7751254
  11. Khatua, K., Chattopadhyay, S., Dhar, A. S. (2025). Performance evaluation for accelerated and efficient prediction of different regression models aggravated with BPSO for enhancing area efficiency through state encoding in sequential circuits. Swarm and Evolutionary Computation, 95, 101919. https://doi.org/10.1016/j.swevo.2025.101919
  12. Srilakshmi, S. (2012). On finite state machines and recursive functions application to cryptosystems. Anantapuram. Available at: https://shodhganga.inflibnet.ac.in/handle/10603/11436
  13. Meskanen, T. (2001). On finite automaton public key cryptosystems. Turku Centre for Computer Science. Available at: https://www.finna.fi/Record/utu.998871095405971
  14. Tao, R., Chen, S., Chen, X. (1997). FAPKC3: A new finite automaton public key cryptosystem. Journal of Computer Science and Technology, 12 (4), 289–305. https://doi.org/10.1007/bf02943149
  15. Tao, R., Chen, S. (1999). The generalization of public key cryptosystem FAPKC4. Chinese Science Bulletin, 44 (9), 784–790. https://doi.org/10.1007/bf02885019
  16. Kodada, B. B., D’Mello, D. A. (2021). Symmetric Key Cryptosystem based on Sequential State Machine. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1187 (1), 012026. https://doi.org/10.1088/1757-899x/1187/1/012026
  17. Seitkulov, Y., Ospanov, R., Tashatov, N., Eraliyeva, B., Sisenov, N. (2023). Software tool for analysis and synthesis of cryptographic S-boxes. KazATC Bulletin, 126 (3), 257–266. https://doi.org/10.52167/1609-1817-2023-126-3-257-266
  18. Ospanov, R., Seitkulov, Y., Eraliyeva, B. (2022). Generalized algebraic method for constructing 8-bit Rijndael S-block. KazATC Bulletin, 120 (1), 156–163. https://doi.org/10.52167/1609-1817-2022-120-1-156-163
  19. Zheng, D., Alkawaz, M. H., Johar, M. G. M. (2025). Privacy protection and data security in intelligent recommendation systems. Neural Computing and Applications, 37 (34), 28431–28448. https://doi.org/10.1007/s00521-025-11189-3
  20. Xu, X., Song, X., Liu, S., Zhou, N., Wang, M. (2025). New 2D hyperchaotic Cubic-Tent map and improved 3D Hilbert diffusion for image encryption. Applied Intelligence, 55 (7). https://doi.org/10.1007/s10489-025-06414-4
  21. Dougherty, S. T., Klobusicky, J., Şahinkaya, S., Ustun, D. (2023). An S-Box construction from exponentiation in finite fields and its application in RGB color image encryption. Multimedia Tools and Applications, 83 (14), 41213–41241. https://doi.org/10.1007/s11042-023-17046-6
  22. Norouzi, B., Mirzakuchaki, S., Seyedzadeh, S. M., Mosavi, M. R. (2012). A simple, sensitive and secure image encryption algorithm based on hyper-chaotic system with only one round diffusion process. Multimedia Tools and Applications, 71 (3), 1469–1497. https://doi.org/10.1007/s11042-012-1292-9
  23. Dokku, N. S., David Amar Raj, R., Bodapati, S. K., Pallakonda, A., Reddy, Y. R. M., Krishna Prakasha, K. (2025). Resilient cybersecurity in smart grid ICS communication using BLAKE3-driven dynamic key rotation and intrusion detection. Scientific Reports, 15 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17530-z
  24. Khan, M. A., Sharif, M., Akram, T., Raza, M., Saba, T., Rehman, A. (2020). Hand-crafted and deep convolutional neural network features fusion and selection strategy: An application to intelligent human action recognition. Applied Soft Computing, 87, 105986. https://doi.org/10.1016/j.asoc.2019.105986
  25. Zhang, H., Wu, Q. J., Nguyen, T. M. (2013). Incorporating Mean Template Into Finite Mixture Model for Image Segmentation. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 24 (2), 328–335. https://doi.org/10.1109/tnnls.2012.2228227
  26. Pareschi, F., Rovatti, R., Setti, G. (2012). On Statistical Tests for Randomness Included in the NIST SP800-22 Test Suite and Based on the Binomial Distribution. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, 7 (2), 491–505. https://doi.org/10.1109/tifs.2012.2185227
  27. Ullah, A., Jamal, S. S., Shah, T. (2017). A novel scheme for image encryption using substitution box and chaotic system. Nonlinear Dynamics, 91 (1), 359–370. https://doi.org/10.1007/s11071-017-3874-6
  28. Abdul, Y., Ramasamy, V., Kukaram, G., Boulaaras, S., Alharbi, A. (2025). A dynamic image encryption scheme through 2-D cellular automata and chaotic logistic map. Scientific Reports, 15 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-025-21225-w
  29. Sharmila, S., Bhuvaneswaran, R. S., Vaithiyanathan, D. (2025). Secure image encryption using Rubik’s Cube-based scrambling with chaos-driven diffusion and circular shifts. Optik, 339, 172533. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2025.172533
  30. Hadžic, V., Bloem, R. (2024). Efficient and Composable Masked AES S-Box Designs Using Optimized Inverters. IACR Transactions on Cryptographic Hardware and Embedded Systems, 2025 (1), 656–683. https://doi.org/10.46586/tches.v2025.i1.656-683
  31. Sharma, P. L., Gupta, S., Nayyar, A., Harish, M., Gupta, K., Sharma, A. K. (2024). ECC based novel color image encryption methodology using primitive polynomial. Multimedia Tools and Applications, 83 (31), 76301–76340. https://doi.org/10.1007/s11042-024-18245-5
  32. Kaushik, P., Attkan, A. (2021). A Chaotic and Hyperchaotic Map based Image Encryption Protocol for High-End Colour density Images using enhanced S-box pixel permutator. 2021 2nd International Conference on Computational Methods in Science & Technology (ICCMST), 174–180. https://doi.org/10.1109/iccmst54943.2021.00045
  33. Hermassi, H., Rhouma, R., Belghith, S. (2011). Improvement of an image encryption algorithm based on hyper-chaos. Telecommunication Systems. https://doi.org/10.1007/s11235-011-9459-7
  34. Ye, G., Wong, K.-W. (2012). An efficient chaotic image encryption algorithm based on a generalized Arnold map. Nonlinear Dynamics, 69 (4), 2079–2087. https://doi.org/10.1007/s11071-012-0409-z
  35. Song, C.-Y., Qiao, Y.-L., Zhang, X.-Z. (2013). An image encryption scheme based on new spatiotemporal chaos. Optik - International Journal for Light and Electron Optics, 124 (18), 3329–3334. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2012.11.002
  36. Zeng, J., Wang, C. (2021). A Novel Hyperchaotic Image Encryption System Based on Particle Swarm Optimization Algorithm and Cellular Automata. Security and Communication Networks, 2021, 1–15. https://doi.org/10.1155/2021/6675565
  37. Liu, H., Wang, X. (2011). Color image encryption using spatial bit-level permutation and high-dimension chaotic system. Optics Communications, 284 (16-17), 3895–3903. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2011.04.001
  38. Su, Y., Tang, C., Chen, X., Li, B., Xu, W., Lei, Z. (2017). Cascaded Fresnel holographic image encryption scheme based on a constrained optimization algorithm and Henon map. Optics and Lasers in Engineering, 88, 20–27. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.07.012
  39. Abdullah, A. H., Enayatifar, R., Lee, M. (2012). A hybrid genetic algorithm and chaotic function model for image encryption. AEU - International Journal of Electronics and Communications, 66 (10), 806–816. https://doi.org/10.1016/j.aeue.2012.01.015
  40. Abbasi, A. A., Mazinani, M., Hosseini, R. (2020). Evolutionary-based image encryption using biomolecules operators and non-coupled map lattice. Optik, 219, 164949. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164949
  41. Mahmud, M., Atta-ur-Rahman, Lee, M., Choi, J.-Y. (2020). Evolutionary-based image encryption using RNA codons truth table. Optics & Laser Technology, 121, 105818. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.105818
  42. Ghaz, A., Seddiki, A., Nouioua, N. (2022). Comparative Study of Encryption Algorithms Applied to the IOT. The Eurasia Proceedings of Science Technology Engineering and Mathematics, 21, 469–476. https://doi.org/10.55549/epstem.1226679
  43. Ahmad, M., Alam, M. Z., Umayya, Z., Khan, S., Ahmad, F. (2018). An image encryption approach using particle swarm optimization and chaotic map. International Journal of Information Technology, 10 (3), 247–255. https://doi.org/10.1007/s41870-018-0099-y
  44. Kaur, M., Kumar, V. (2018). Beta Chaotic Map Based Image Encryption Using Genetic Algorithm. International Journal of Bifurcation and Chaos, 28 (11), 1850132. https://doi.org/10.1142/s0218127418501328
Розробка методу шифрування зображень з використанням сур'єктивних скінченних автоматів та використувального S-боксу в рамках розширеного стандарту шифрування

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-12-30

Як цитувати

Barlybayev, A., Saukhanova, Z., Shakhmetova, G., Sharipbay, A., Raykul, S., & Khassenov, A. (2025). Розробка методу шифрування зображень з використанням сур’єктивних скінченних автоматів та використувального S-боксу в рамках розширеного стандарту шифрування. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(9 (138), 77–99. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.348368

Номер

Том 6 № 9 (138) (2025): Інформаційно-керуючі системи

Розділ

Інформаційно-керуючі системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Alibek Barlybayev, Zhanat Saukhanova, Gulmira Shakhmetova, Altynbek Sharipbay, Sayat Raykul, Altay Khassenov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.