I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   9 ,   No .   6 ,  Dec em b er   201 9 ,   p p .   4 8 5 0 ~4 8 5 9   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v9 i 6 . p p 4 8 5 0 - 4859          4850       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s co r e . co m/ jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JE C E   Co m pa ra tive  s tu dy   o f  s ev eral   o per a tion  m o des  of A ES  a lg o rith m   for enc ry ption EC G  b io m edi ca l  s ig na l       M us t a f a   E m a d H a m ee d 1 ,  M a s rulliza m   M a t   I bra hi m 2 ,  N urulfa j a r  Abd M a na p 3 ,   M o t ha na   L .   At t ia h 4   1 , 2, 3 , 4 Ce n tre f o r  T e lec o m m u n ica ti o n   Re se a rc h   a n d   In n o v a ti o n   (Ce T RI),     F a c u lt y   o f   El e c tro n ic an d   C o m p u ter E n g in e e rin g   (F KEKK ),   Un iv e rsiti   T e k n ik a l  M a la y sia   M e lak a   (U T e M ),   M a la y sia   1 De p a rtme n t  o f   Co m p u ter T e c h n iq u e s E n g i n e e rin g ,   Bil a d   A l - ra f id a n   Un iv e rsity   Co ll e g e ,   Di y a la,  Ba q u b a h ,   Ira q       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   27 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   A p r   9 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   J u n   26 ,   2 0 1 9       Bio m e d ica l  sig n a l  p ro c e ss in g   p ro v id e s  a   c ro ss - d isc ip li n a ry   i n tern a ti o n a l   f o ru m   th ro u g h   w h ich   re se a rc h   o n   sig n a l  a n d   im a g e s   m e a su re m e n t  a n d   a n a ly sis  in   c li n ica l  m e d icin e   a s  w e ll   a s  b io lo g ica l  sc ien c e s  is  sh a re d .   El e c tro c a rd io g ra p h y   (ECG )  sig n a l  is  m o re   f re q u e n tl y   u se d   f o r  d i a g n o sis  o f  c a rd io v a sc u lar  d ise a se s.   Ho we v e r,   th e   ECG   sig n a ls  c o n tain   se n siti v e   p riv a t e   h e a lt h   in f o rm a ti o n   a s  w e ll   a s  d e tails  th a t  se rv e   to   in d iv id u a ll y   d isti n g u is h   p a ti e n ts.  F o r  th is  re a so n ,   th e   in f o rm a ti o n   m u st  b e   e n c ry p ted   p rio r  t o   tran sm issio n   a c ro ss   p u b li c   m e d ia  so   a s   to   p re v e n t  u n a u th o rize d   a c c e ss   b y   a d v e rsa ries .   In   th is  p a p e r,   th e   p r o p o se d   t h e   u se   o f   th e   A d v a n c e d   En c ry p ti o n   S tan d a rd   a lg o rit h m   (A ES ),   w h ic h   is  o n e   o f   a   sy m m e tri c   k e y   b l o c k   c ip h e r   w it h   li g h tw e ig h t  p ro p e rti e s  f o r  e n h a n c e s   c o n f id e n t ialit y ,   in t e g rit y   a n d   a u th e n ti c a ti o n   i n   ECG   sig n a l  tran s m issio n .   Ho w e v e r,   so m e   o f   th e   c h a ll e n g e s   a risin g   f ro m   th e   u se   o f  th is  a lg o rit h m   a re   c o m p u tatio n a l  o v e rh e a d   a n d   lev e l   o f   se c u rit y ,   w h ich   o c c u r  w h e n   h a n d li n g   m o re   c o m p le x . T h e   A ES   a lg o rit h m   h a s   d iff e re n t  o p e ra ti o n   m o d e s  u sin g   th re e   d iff e re n t  k e y   siz e s   w h ich   c a n   b e   u ti li z e d   i n   e n c ry p ti n g   th e   w h o le  sa m p le  o f   ECG   b io m e d ica l   sig n a l  in   e lec tro n ic  h e a lt h c a re .   T h e   e x p e ri m e n ts  in   th is  re se a r c h ,   e x h ib it   c o m p a ra ti v e   stu d y   o f   u s in g   f i v e   m o d e s  o f   o p e ra ti o n   i n   A ES   a lg o rit h m ,   w h ich   a re   c o u p led   w it h   th re e   k e y   siz e s   b a se d   o n   t h e   e x e c u ti o n   ti m e   a n d   se c u rit y   le v e l  f o r  th e   e n c r y p ti o n   o f   ECG   b io m e d ica l  s ig n a ls  in   e lec tro n ic  h e a lt h c a re   a p p li c a ti o n .   T h u s,  w e   re p o rted   th a t  t h e   CBC  m o d e   o f   th e   A ES   a lg o rit h m   is  su it a b le  to   b e   a p p li e d   o f   se c u rit y   p u rp o se .   K ey w o r d s :   A E S  a l g o r ith m   Dec r y p tio n     E C G  s i g n a l   E n cr y p tio n   Secu r it y   Co p y rig h t  ©   2 0 1 9   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Mu s ta f a  E m ad   Ha m ee d ,   Dep ar t m en t o f   T elec o m m u n ic atio n   E n g i n ee r in g ,     Facu lt y   o f   E lectr o n ic  an d   C o m p u ter   E n g i n ee r i n g ,   Un i v er s iti T ek n ik al  Ma la y s ia  Me lak a,     Han g   T u ah   J a y a,   7 6 1 0 0   Du r ian   T u n g g al,   Me la k a,   Ma la y s ia.     E m ail:  m i h h h 2 2 1 @ g m ai l.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  b io m ed ical  Si g n al   p lace s   e m p h a s is   o n   co n tr ib u tio n s   to   r esear ch   i n   a s s o ciatio n   w it h   p r ac tical  an d   ap p licatio n s   w it h   r eg ar d   to   th e  ap p licatio n   o f   w a y s   an d   d ev ices  in   cl in ical  d ia g n o s is ,   tr ac k in g   o f   p atien t s   an d   m an a g e m e n t  [ 1 ] .   E lectr o ca r d i o g r a m   ( E C G)   is   b r o ad l y   u s ed   in   m ed ici n e  to   m o n ito r   m i n u t e  elec tr ical  ch an g e s   o n   th e  s k in   o f   a  p atie n t ’ s   b o d y   w h ich   a r is e  as   a  r esu lt  o f   h u m a n   h ea r t  ac ti v itie s   m ea s u r e d   u s i n g   e lectr o d es  p lace d   o n   s tan d ar d   1 2 - lead s   ( also   r ef er r ed   to   as  ch an n e ls )   [ 2 ] .   T h is   is   a  s im p le  tec h n iq u e  an d   n o n in v as iv e   m ea s u r e m e n t  w h ic h   ea s il y   in d icate s   a   n u m b er   o f   h ea r t  d is ea s es  a n d   th e  m ed ical  i n d u s tr ies  h a v e  b u ilt  a   d ed icate d   eq u ip m en t   t h at  ai d s   in   d iag n o s i s   o f   th e   s i g n a l   [ 3 ] .   C o n tr ar y ,   to   o th er   b io tech   a u t h en t icatio n   m et h o d s ,   th e  p atie n t  ca n   w e ar   th e  s y s te m ,   a n d   as  lo n g   as  it  i s   w o r n ,   a u t h en t icatio n   ca n   b e  s u s ta in ed .   T h er ef o r e,   th e  v io latio n   o f   t h e   in f o r m atio n   co n f id en tia lit y ,   i n teg r i t y   a n d   ac ce s s ib ilit y   m a y   ca u s e  t h e  d a m ag e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C o mp a r a tive  s tu d y  o f seve r a l o p era tio n   mo d es o f A E S   a lg o r ith m  fo r   en cryp tio n   ...   ( Mu s ta fa   E ma d   Ha mee d )   4851   to   its   o w n er   an d   h av e  s i g n i f ic an t  u n d esira b le  co n s eq u e n ce s   [ 4 ] .   Ho w e v er ,   th i s   r esu lts   i n   a  n e w   ch a llen g e  i n   ter m s   o f   t h e  s ec u r it y   f o r   tr an s m is s io n   o f   an   E C G  s i g n al  te m p late   [ 5 ] .   T h u s ,   it  is   v ital  t h at  h u g e  a m o u n ts   o f   d ata   tr af f ic  [ 6 ] ,  w i th   a  v ar iet y   o f   s ec u r it y   r eq u ir e m e n t s   b e  ea s il y   h an d led   i n   th e  h ea lt h c ar e  s y s te m s   a n d   b e  tr an s m itted   a n d   s to r ed   w h ile   en s u r in g   a  h i g h   lev el  o f   s e cu r it y   [7 ,   8] .   T h e  cr y p to g r ap h y   tech n o lo g y   is   a   s cien ce   o f   d ata  s ec u eit y ,   w h ic h   i n cl u d es  t h e  u s e  o f   a  cip h er ,   d escr ib es  a  p r o ce s s   o f   e n cr y p tin g   i n f o r m atio n   s o   th at  it s   m ea n i n g   is   h id d en   a n d   th u s ,   r e m a in   s ec u r i n g   f r o m   u n au t h o r ized   ac ce s s ,   a n d   n et w o r k   h ac k i ng  [9 ,   10] .  A cc o r d in g l y   th e  e n cr y p t io n   i s   q u ite   i m p o r ta n t  f o r   a  p r o tectio n   an d   s ec u r it y   e n v ir o n m e n t  f o r   th e  I n ter n et   [ 1 1 ] .   T h is   th er ef o r e,   b r in g s   i n   s u ita b ilit y   o f   t h e  s y m m etr ic  k e y   c r y p to s y s te m s   i n   co m p ar is o n   w it h   t h e  p u b lic - k e y   s o lu tio n s   f o r   ef f ec tiv e  p r o ce s s in g   o f   t h is   t y p e  o f   d ata  [ 1 2 ] .   T h e  ad v an ce d   en cr y p tio n   s t an d ar d   ( A E S)  h a s   b ec o m e  a  d e - f ac to   s tan d ar d   w h e n   talk in g   ab o u t  s y m m etr i c  k e y   cr y p to s y s te m s .   T h e  A E S  alg o r it h m   is   b ein g   ad o p ted   b y   m a n y   o r g an iza tio n s   ac r o s s   t h e  w o r ld   [ 1 3 ] .   I t  i s   m o s tl y   ap p licab le  to   g o v er n m en ts   f o r   d i f f er en t   lev els   o f   d ata  p r o tectio n   ( e. g .   th e  u s e  o f   A E S - 1 2 8 ,   A E S - 1 9 2   o r   A E S - 2 5 6 )   h en ce   s u itab ilit y   f o r   s en s iti v e  d ata   s to r ag e  r elate d   to   h ea lth ca r e   [ 1 4 ] .   T h u s ,   th e  A E S  al g o r ith m   h as  b ee n   u s ed   w it h   L i g h t w ei g h t  C r y p to g r ap h y   p r o p er ties   in   I n ter n et  o f   t h i n g s   ( I o T )   [ 1 5 ] .     No n eth ele s s   s o m e  o f   t h e  c h allen g es  ar i s i n g   f r o m   t h e  u s e  o f   t h i s   al g o r ith m   ar e   co m p u tatio n a l   o v er h ea d   an d   le v el  o f ,   s ec u r it y ,   w h ich   o cc u r   w h en   h a n d lin g   m o r e  co m p lex .   Fu r t h er m o r e  th e  co n f i g u r atio n   m o d e s   lik e  o p er atio n   o f   b lo ck   cip h er s   en ab le  th o s e  cip h er s   to   d ea l  w it h   lar g e  d ata  s tr e a m s ,   at  n o   r is k   o f   s ec u r it y   co m p r o m is atio n   [ 1 6 - 18] .   T h e  A E S   is   an   a lg o r it h m   f o r   b lo ck   en cr y p tio n ,   w i th   ex t en s i v e  u s e   in   p u b lic  m ed ia  co m m u n icatio n   esp ec iall y   th e  I n ter n et  o f   t h in g s   ( I o T )   [ 1 9 ] .   T h e  f iv e  s ta n d ar d ized   A E S  m o d es  o f   o p er atio n   in clu d e:  E C B   ( E lectr o n ic  C o d e  B o o k ) ,   C B C   ( C i p h er   B lo ck   C h ain in g ) ,   C FB   ( C ip h er   Feed B ac k ) ,   OFB   ( Ou tp u t Fee d B ac k )   a n d   C T R   ( C o u n ter )   [ 2 0 ] .    I n   th i s   p ap er ,   ex p o s u r e  co m p ar ativ e  s t u d y   o f   t h e  u s a g e  th e  A d v an ce d   E n cr y p tio n   Sta n d ar d   alg o r it h m   ( A E S),   w h ic h   is   a   s y m m etr ic   k e y   b lo ck   cip h er   f o r   e n cr y p t io n   a n d   d ec r y p tio n   p r o ce s s .   T h e  f i v e  m o d es  o f   o p er atio n   in   A E S  w il l  b e  p r es en ted ,   co u p led   w it h   th r ee   k e y   s izes  f o r   r esp ec tiv e  p ar a m eter s .   Fo r   ea ch   s ec u r it y   lev el,   t h e  e x ec u tio n   ti m e s   f o r   th e  w h o le  s a m p le   o f   E C G  b i o m ed ical   s i g n als  in   elec tr o n ic   h ea lt h ca r e  w il l  b e   p r esen ted .   T h is   p ap er   is   o r g an ized   as f o llo w s ;  Sectio n   2   e n ta ils   t h e  A E S a l g o r ith m .   T h e  d etails o f   m o d es  A E S   o p er atio n   ar e  in tr o d u ce d   in   Se ctio n   3 .   Sectio n   4   ex p lain s   t h e  s i g n a l  o f   elec tr o ca r d io g r am   ( E C G) .   E x p er i m e n tal  r es u lts   a n d   d is cu s s io n   asp ec t s   ar e  s h o w n   i n   Sectio n   5   a n d   co n clu s io n s   o f   th i s   p ap er   in     Sectio n   6 .       2.   D E SCR I P T I O N  OF   AE S   A L G O R I T H M   A E S  i s   a  s y m m etr ic  b lo ck   cip h er   w h ich   e n tails   a  1 2 8   b its   b lo ck   len g t h .   I t  ca n   ac co m m o d ate  th r ee   d is s i m ilar   k e y   le n g th s   1 2 8 , 1 9 2   an d   2 5 6   b its .   1 2 8   k e y   b it s   i n   th e   p r o ce s s   o f   e n cr y p t io n   r eq u ir es  1 0   p r o ce s s i n g   r o u n d s   w h i le  1 9 2 - b it  k e y s   n ee d   1 2   r o u n d s   an d   2 5 6 - b it  k e y s   1 4   r o u n d s   as  s h o w n   in   T ab le  1 .   A E S  is   th er ef o r e   an   al g o r ith m   t h at  i s   r o u n d   b as ed .     A p ar t  f r o m   t h e  las t  r o u n d ,   en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   h a s   f o u r   f u n ctio n s   f o r   ea ch   r o u n d .   On l y   th r ee   f u n cti o n s   ar e  n ee d ed   f o r   th e  last   r o u n d .   T h e  f o u r - r o u n d   f u n ctio n s   f o r   th e  en cr y p tio n   alg o r ith m   ar e   S u b B y te,   S h i f t R o w s ,   Mi x C o lu m n   a n d   A d d R o u n d Ke y .   Mo r eo v er ,   th e   s a m e  n u m b er   o f   r o u n d s   ap p ly   f o r   th e   d ec r y p tio n   al g o r ith m   w it h   r e v er s e  tr a n s f o r m at io n ,   w it h   a  d if f er e n ce   i n   o r d er   o f   r o u n d   f u n ct io n   i.e .   I n v Sh i f t R o w ,   I n v Su b B y te,   A d d R o u n d Ke y   a n d   I n v M ix C o lu m n   [ 2 1 ] .   Fi g u r e   1   s h o w   d et ails   e n cr y p tio n   a n d   d ec r y p tio n   p r o ce d u r es  o f   th e  A d v an ce d   E n cr y p tio n   S tan d ar d   alg o r it h m .   A   b r ief   d is c u s s io n   o f   t h e  f o u r   s tep s   in v o l v ed   in   t h e  o p er atio n   o f   th e  A E S  A l g o r it h m .     2 . 1 .   A E S e ncry ptio n a lg o rit h m   I n   th e  E n cr y p tio n   p r o ce s s   th er e  ex is t  v ar io u s   co n tr as tin g   tr a n s f o r m atio n s   t h at  ar e  s u cc es s i v el y   u ti lized   o v er   th e  d ata  b lo ck   b its   in   iter atio n s   t h at  ar e  s p ec if ic  in   n u m b er   r ef er r ed   as  r o u n d s .   T h e  le n g t h   o f   t h e  k e y   u s ed   d eter m in e s   h o w   m an y   r o u n d s   w ill   o cc u r   f o r   t h e  e n cr y p ti o n   p r o ce d u r e   [ 2 2 ] .   1 0   iter ati o n s   ar e  n ec es s ar y   f o r     1 2 8   b its   k e y   len g t h ,   1 2   f o r   1 9 2   b its   an d   1 4   f o r   2 5 6   b its .   A   b r ief   d is c u s s io n   o f   t h e  s tep s   i n v o lv ed   in   th e  o p er atio n   o f   th e  A E S  Alg o r it h m   i s   as  f o l lo w s :   1.   Ke y E x p a n s io n s :  Usi n g   R ij n d ae l's   k e y   s ch ed u le,   d er iv atio n   o f   r o u n d   k e y s   f r o m   th e  c ip h er   k e y   is   d o n e.   Sep ar ate  1 2 8 - b it r o u n d   k e y   b l o ck   ar e  r eq u ir ed   b y   A E S f o r   e v er y   r o u n d   p lu s   a n o th er   o n e.   2.   I n itial R o u n d     a.   A d d R o u n d Ke y :  A   co m b i n atio n   o f   e v er y   b y te  o f   t h e  s tate  to   a  r o u n d   k e y   b lo ck   is   d o n e  u s in g   b it w is e   XOR.    b.   Su b B y te s :  A   n o n - l in ea r   r ep lace m en t  s tep   w it h   ea ch   b y te  u s ed   in s tead   o f   a n o th er   as  p er   th e  lo o k u p   tab le.   c.   Sh i f t R o w s :  A   tr a n s p o s itio n   s t ep   w h ich   e n tail s   s h if tin g   c y n i ca ll y   a  ce r tain   n u m b er   o f   s tep s   o f   th e  la s t   th r ee   r o w s   o f   th e  s tate.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 8 5 0   -   48 5 9   4852   d.   Mix C o lu m n s :  A   m i x i n g   o p er atio n   w h ich   en tai ls   b r in g i n g   t o g eth er   f o u r   b y te s   o f   ea c h   co lu m n   a n d   it   f u n ctio n s   o n   t h e  co lu m n s   o f   t h e  s tate.   3.   Fin al   R o u n d   ( No   Mi x C o l u m n s )   Su b B y tes,  S h i f t R o w s   a n d   A d d R o u n d Ke y .   T h e  s tep s   f o r   en cr y p ti n g   t h e   128 -   b it b lo ck   ar e:   a.   T h e  s et  o f   r o u n d   k e y s   f r o m   t h e  cip h er   k e y .     b.   I n itialize  s tate  ar r a y   an d   ad d   to g eth er   t h e  in i tial r o u n d   k e y   a n d   th e  s tar ti n g   s tate  ar r a y .   c.   C ir cu lar   p er f o r m a n ce   =  1   to   9 : e x ec u te  u s u al  r o u n d .   d.   Fin al  r o u n d   ex ec u tio n .   e.   C o r r elatin g   cip h er   tex t c h u n k   o u tp u t o f   la s t r o u n d   s tep .       T ab le  1 .   A E S P ar am eter s   f o r   th e  v ar io u s   A E S  v er s io n s   A ES  A l g o r i t h m   N u mb e r   o f     R o u n d   K e y   S i z e   B l o c k   S i z e   1 2 8 - B i t   10   4   4   1 9 2 - B i t   12   6   4   2 5 6 - B i t   14   8   4           Fig u r e  1 .   B lo ck   d iag r a m s   o f   AE S a lg o r ith m       2 . 2 .   AE S  d ec ry ptio n  a lg o rit h m     E x tr ac tio n   o f   t h e  p lain te x t  f r o m   a  cip h er   tex t  is   w h at  d escr ib es  d ec r y p tio n   p r o ce s s .   T h e  r ev er s e  o f   en cr y p tio n   i s   d o n e  w h er e  1 2 8   b its   o f   a  cip h er   tex t  ar e  c o n v er ted   b ac k   to   p lain   te x t  u s in g   t h e  in v er s e  o f   th e  f o u r   o p er atio n s .   I t  d etails  ab o u t  a  r ev er s e  o f   th e  p r o ce s s   o f   en cr y p tio n   b y   th e  ap p licati o n   o f   th e  f o llo w i n g   in v er s e  f u n ctio n s   [ 2 3 ] .   T h e  s tep s   ar e:    a.   I n v - S u b B y tes    b.   I n v - S h i f tr o w s     c.   I n v - Mi x - C o l u m n     d.   A d d r o u n d Ke y     A   k e y   e x p an s io n   r o u ti n e  is   u s ed   to   b r in g   o u t  a  k e y   s ch ed u le .   T h e  I n v - Mi x - C o l u m n   r ev er s e  o p er atio n   r eq u ir es  m atr ix   ele m e n t s   s i m i lar   to   th e  M ix - C o lu m n   s tep .   I f   t h e  t w o   co n s ta n t  m atr ices   ar e  in v er s e  o f   ea ch   o th er ,   it is   ea s y   to   p r o v e  th at  t h e  t w o   tr an s f o r m at io n s   ar e  i n v er s e  o f   ea ch   o th er .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C o mp a r a tive  s tu d y  o f seve r a l o p era tio n   mo d es o f A E S   a lg o r ith m  fo r   en cryp tio n   ...   ( Mu s ta fa   E ma d   Ha mee d )   4853   3.   M O DE S O F   AE S O P E R AT I O N   B lo ck   cip h er s   o p er ate  u s i n g   m et h o d s   o f   co n f i g u r atio n   w h er e  th e  cip h er s   ca n   u s e  d ata  s tr ea m s   t h at   ar e  h u g e  w it h   n o   r is k   o f   m an ip u latio n   o f   t h e  s ec u r it y   o f   d ata  [ 2 4 ] .   Ho w e v er   w ith   b lo c k   cip h er s ,   th er e  i s   a   p o s s ib ilit y   f o r   th e  u s e  o f   s ec r e t  k e y   b it s   th at  ar e  t h e  s a m e  f o r   s i m i lar   p lain te x t  p ar ts   f o r   en c r y p tio n .   T h er e  ca n   b e  a  g en e r atio n   o f   t h e  s a m e   cip h er tex t  b lo ck s   f o r   in p u t   d ata  th at  is   id en tical   if   o n e  o f   th e  d eter m i n is tic   alg o r ith m .   Hen ce ,   f o r   an   in tr u d er   w h o   k n o w s   th e  m es s ag e  p ar ts   th at  ar e  id en tical,   it  w o u ld   b e  ea s y   to   h av e   ac ce s s   to   m u c h   i n f o r m atio n .   C o n v e n ie n tl y ,   t h er e  is   a n   ex is te n ce   o f   w a y s   o n   h o w   to   b lu r   t h e  cip h er   o u tp u t  [ 2 5 ] .   T h e  p o in t  h er e  i s   to   h av e   a  co m b in at io n   o f   k n o w n   p lain te x t   b lo ck s   w it h   g en er ated   cip h er te x t   b lo ck s ,   an d   th e n   f o r   t h e  n e x t  b lo ck s ,   u s e  th e   r es u lt  as   th e  c ip h er   i n p u t.   T h er ef o r e  in   2 0 0 1   th e  NI ST   s tan d ar d ized   f i v e  m o d es   o f   o p er atio n :  E C B   ( E lectr o n ic  C o d e  B o o k ) ,   C B C   ( C ip h er   B lo ck   C h ai n i n g ) ,   C FB   ( C ip h er   Feed B ac k ) ,   OFB   ( Ou tp u t  Feed B ac k )   an d   C T R   ( C o u n ter ) ,   ap p lied   to   A E S  [ 2 5 ] .   T h er e  ex is t  a  p ar am eter   f o r   ea ch   m o d e  w h ic h   is   s i g n i f ican t   an d   p r o v id es  n ec e s s ar y   s ec u r it y   f o r   th e  a lg o r it h m .   An   in i tializatio n   v ec to r   ( I V)   i s   r eq u ir ed   f o r   all  th ese  m o d es  ( ex ce p t  E C B ) ,   w h ich   i s   a  s o r t  o f   ‘ d u m m y   b lo ck ’   to   s tar t  th e  p r o ce s s   f o r   th e  i n it ial  r ea l  b lo ck ,   an d   f o r   p r o v is io n   o f   s o m e  r an d o m izatio n   f o r   t h e  p r o ce s s .   I n   m o s t  ca s es  t h er e  is   n o   n ee d   f o r   th e  s ec r ec y   o f   I V,   b u t  i t  is   o f   b e n ef it  f o r   it  n o t  to   b e  u s ed   ag a in   w it h   t h e  s a m e  k e y .   Fo r   C FB ,   th er e  is   s p illi n g   o u t   o f   in f o r m at io n   ab o u t  t h e  i n it ial  p lain te x t  b lo ck   i f   a n   I V  is   r eu s ed ,   an d   ab o u t   s h ar i n g   o f   a n y   co m m o n   p r ef i x   b et w ee n   t h e  t w o   m e s s a g es.  T h e  u s e  o f   an   I V  ag a in   f o r   OFB   an d   C T R ,   e n tire l y   d o es a w a y   w i th   t h e  s ec u r it y .     3 . 1 .   E lect ro nic c o debo o k   ( E CB )   T h is   is   a  s tr aig h t f o r w ar d   m o d e  o f   e n cr y p tio n   w h ic h   e n tail s   d iv id in g   t h e  m e s s a g e  to   f o r m   b lo ck s   a n d   en cr y p ti n g   ev er y   b lo ck   as   s e p ar ate  en titi es.  Ho w e v er   i n   t h is   m et h o d ,   en cr y p tio n   o f   th e  id en tical  p lai n te x t   b lo ck s   r esu lt s   in to   id en tical  ci p h er tex t  b lo ck s ;  h en ce ,   d i f f ic u lt  in   h id in g   o f   d ata  p atter n s .   T h er ef o r e,   it  lack s   p r o v is io n   o f   co n f id e n tiali t y   i n   a  m e s s a g e,   an d   it  is   n o t  r ec o m m e n d ed   f o r   u s e  in   cr y p to g r ap h ic  p r o to co ls     at  all  [ 2 6 ] .  Fi g u r e   2 ( a )   an d   F ig u r e   2 ( b )   s h o w   th e   en cr y p ti o n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce d u r es  o f   th e   E C B   m o d e  o p er atio n .           ( a)       ( b )     Fig u r e  2 .   ( a)   E n cr y p tio n   i n   t h e   E C B   m o d e,   ( b )   Dec r y p tio n   in   th e  E C B   m o d e       3 . 2 .   Ciph er   blo c k   c ha ini ng   ( CB C)   T o   ea ch   cip h er tex t  b lo ck   p r o d u ce d   ea r lier ,   an   XOR  is   ad d ed   to   ea ch   p lain tex t  b lo ck .   Fi g u r e  3 ( a )   an d   Fig u r e   3 ( b )   s h o w   t h e  en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce d u r es  o f   th e  CB C   m o d e  o p er ati o n .   E n cr y p tio n   o f   th e  r es u lt   is   t h en   p er f o r m ed   b y   a   cip h er   al g o r ith m .   T h e  o u tc o m e   o f   ea ch   s u cc ee d in g   cip h e r tex t b lo ck   r elies   o n   th e  p r ec ed in g   o n e  [ 2 7 ] .   T h e  in itial p lain te x t b lo ck   is   ad d ed   XOR to   an   u n s y s te m atic  i n itia lizatio n   v ec to r   ( I V) .   T h e  s ize  o f   t h e  v ec to r   an d   t h at  o f   t h e  p lain tex t   b lo ck   ar e  s i m ilar .   On l y   a  s i n g le  th r ea d   is   u s ed   to   p er f o r m   e n cr y p tio n   i n   C B C   m o d e.   Ho w ev er   w it h   th i s   d em er it,  th i s   m et h o d   is   w id esp r ea d   w h e n   u s in g   b lo ck   cip h er s .   C B C   m o d e  is   u s ed   in   m a n y   ap p licatio n s   s u ch   a s   e m ail  o r   w eb   d ata.   A d d itio n   o f   XOR  f r o m   th e   o u tp u t  d ata  o f   th e  d ec r y p tio n   alg o r ith m   to   t h e  p r ev io u s   ci p h er tex t  b lo ck   s h o u ld   b e  d o n e  in   th e  p r o ce s s   o f   p er f o r m in g   d ec r y p tio n   o f   a  c ip h er tex t  b lo ck .   B ec au s e  th e  cip h er tex t  b lo ck   i n   k n o w n   to   th e  r ec eiv er   af ter   o b tain in g   t h e  e n cr y p ted   m es s ag e,   w h ich   en ab le s   d ec r y p ti n g   t h e  m es s ag e   b y   t h e  u s e   o f   a  n u m b er   o f   t h r ea d s   co n cu r r en tl y .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 8 5 0   -   48 5 9   4854         ( a)     ( b )     Fig u r e  3 .   ( a)   E n cr y p tio n   i n   t h e   C B C   m o d e ,   ( b )   Dec r y p tio n   i n   th e  C B C   m o d e       3 . 3 .   Ciph er   f ee db a c k   ( CF B )   T h er e  is   s im i lar it y   b et w ee n   th e  C FB   m o d e  an d   th e  C B C   m o d e  as  d etailed   ab o v e.   T h e  m aj o r   co n tr ast  co m e s   as  a  r e s u l t  o f   e n cr y p ti n g   th e  cip h er tex t  d ata  f r o m   t h e  p r ec ed in g   r o u n d   ( n o t  t h e  p lain tex t  b lo ck )   an d   th en   co m b i n i n g   w it h   t h e  o u tc o m e   to   t h e  b its   o f   t h e  p l ai n te x t.  I t  d o es  n o t  a f f ec t  t h e  cip h er   s ec u r it y ,   h o w e v er   th e  o u tco m e   is   th at   t h e  s a m e   en cr y p tio n   al g o r ith m   ( as   w as   ap p lied   in   t h e  p lai n tex t  e n cr y p tio n   d ata)   o u g h t   to   b e  u s ed   w h e n   p er f o r m i n g   t h e  d ec r y p tio n   ac ti v it y   [ 2 8 ] .  Fig u r e   4 ( a )   an d   Fig u r e   4 ( b )   s h o w   th e  en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce d u r es o f   t h e  C FB   m o d e  o p er atio n .   On   o n e  h a n d ,   o n l y   a  s in g le  t h r ea d   ca n   b e  u s ed   to   p er f o r m   t h e  en cr y p tio n   o f   C FB   m o d e.   O n   th e  o t h er   h an d ,   a s   i n   C B C   m o d e,   n u m er o u s   t h r ea d s   ca n   b e  u s ed   to   d ec r y p t  c ip h er te x t  b lo ck s   s i m u lta n eo u s l y .   Si m ilar l y ,   d am a g e  o f   o n e  cip h er te x t  b it  d en o tes  th at  d a m ag e  w il l  o n l y   b e  d o n e  to   tw o   r ec eiv e d   p lain tex t  b lo ck s .   As  o p p o s ed   to   th e  p r ev io u s   b lo ck   cip h er   m o d es,  ex te n s io n   o f   t h e  en cr y p te d   m es s ag e  i s   n o t  n ec e s s ar y   till   th e  s ize  i s   eq u al  to   an   i n t e g er   m u ltip le  o f   a  s i n g le  b lo ck   len g th   [ 2 8 ] .             ( a)     ( b )     Fig u r e  4 .   ( a)   E n cr y p tio n   i n   t h e   C FB   m o d e ,   ( b )   Dec r y p tio n   i n   th e  C FB   m o d e       3 . 4 .   O utput   f ee db a c k   ( O F B )     Ke y s tr ea m   b its   m ea n t  f o r   en cr y p tio n   o f   s u cc e s s i v e  d ata  b lo ck s   ar e  g en er ated   b y   th e  al g o r ith m s   t h at   w o r k   i n   t h e  OFB   m o d e.   I n cid en tall y ,   th er e  i s   s o m e  s i m ilar i t y   b et w ee n   t h e  b lo ck   cip h er   w a y   o f   w o r k in g   an d   th e  t y p ical  s tr ea m   cip h er   w a y .   T h u s ,   Fig u r e  5 ( a )   an d   Fi g u r e   5 ( b )   s h o w   t h e  e n cr y p ti o n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce d u r es o f   th e  OFB   m o d e  o p er atio n .   T h e  en cr y p tio n   a n d   d ec r y p tio n   p r o ce d u r es  ca n   b e  m ad e  p o s s ib le  i f   a  s i n g le  t h r ea d   is   ap p lied   ev er y   s in g le  ti m e  o w in g   to   th e  f ac t  th at  t h er e  is   co n ti n u o u s   cr ea ti o n   o f   k e y s t r ea m   b its .   Si m ilar l y ,   a  s i m ilar   cip h er   en cr y p tio n   al g o r ith m   i s   ap p li ed   to   b o th   en cr y p tio n   a n d   d e cr y p tio n   i n   t h e  C FB   m o d e.   T h e  d is ad v an ta g e  o f   OFB   is   th at  a  r ep etitio n   o f   en cr y p tio n   o f   th e  i n itia lizatio n   v ec to r   m a y   r es u lt  i n   th e  s a m e  s tate  t h at  h as   p r ev io u s l y   o cc u r r ed .   I t  is   u n u s u al,   h o w ev er   i f   it  d o es  h ap p en ,   en cr y p tio n   o f   th e  p lain te x t  as   d o n e  b y   th e  s a m e  d ata  ea r lier ,   w i ll b e  d o n e  [ 2 8 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C o mp a r a tive  s tu d y  o f seve r a l o p era tio n   mo d es o f A E S   a lg o r ith m  fo r   en cryp tio n   ...   ( Mu s ta fa   E ma d   Ha mee d )   4855       ( a)       ( b )     Fig u r e  5 .   ( a)   E n cr y p tio n   i n   t h e   OFB   m o d e ,   ( b )   Dec r y p tio n   in   th e  OFB   m o d e       3 . 5 .   Co un t er   ( CT R)   I n   th i s   m o d e,   th e  o p er atio n   o f   th e  b lo ck   cip h er   is   th e  s a m e  as   to   a  s tr ea m   cip h er .   J u s t  li k e  i n   th e  OFB   m o d e,   cr ea tio n   o f   k e y s tr ea m   b its   is   d o n e   w it h o u t   r eg ar d   to   th e  e n cr y p ti n g   d ata  b lo ck s   co n ten t.  I n   t h i s   m o d e,   ad d itio n s   to   a  n o n ce   v a lu e  ar e  th e  s u b s eq u e n t  v alu e s   o f   a n   in cr ea s in g   c o u n ter .   T h e  n o n ce   m ea n s   a  d ig it  t h at  i s   d is tin ct :  a  d ig it  ap p lied   o n ce   an d   th e  en cr y p tio n   o f   t h e  o u tco m e  is   as  u s u al.   T h er ef o r e,   th e  r o le  o f   th e  n o n ce   i s   s i m ilar   to   th e  r o le  o f   i n itial izatio n   v ec to r s   i n   th e   p r ev i o u s   m o d e s   ( E C B ,   C B C ,   C F B   an d   OFB )   [ 1 7 ] .   T h e  en cr y p tio n   a n d   d ec r y p t io n   s tr ateg ie s   o f   t h e  C T R   m o d e   o p er atio n   as   s h o w n   i n   Fig u r e  6 ( a )   a n d   Fig u r e   6 ( b ) .  A   n u m b er   o f   t h r ea d s   ca n   b e  u s ed   to   p er f o r m   b o th   e n cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   co n cu r r e n tl y .   Ho w e v er ,   d a m ag e  f r o m   o n e  b it  o f   a  p lain te x t  o r   cip h er te x t,  r es u l ts   i n   d a m ag e  o f   o n l y   o n e  co r r esp o n d in g   o u tp u t b it.   T h u s ,   t h er e  is   a  p o s s ib ilit y   to   ap p l y   a  v ar iet y   o f   c o r r ec tio n   alg o r it h m s   to   tak e   b ac k   t h e  ea r lier   v a lu e   o f   co r r u p ted   p ar ts   o f   m ess a g e s   th at  w er e  ac ce p ted   [ 2 9 ] .   T h e  C T R   m o d e  is   o n e  o f   t h e  ac ce p ted   b lo c k   cip h er s   m o d e  o f   o p er atio n   [ 3 0 ] .           ( a)       ( b )     Fig u r e  6 .   ( a)   E n cr y p tio n   i n   t h e   OFB   m o d e ,   ( b )   Dec r y p tio n   in   th e  OFB   m o d e       4.   E L E C T RO CARD I O G RAM   ( E CG )   T h e  E C G  is   a  r ec o r d ed   elec tr ical  cu r r en t   w h o s e  r es u lts   ar e  g o tte n   f r o m   t h e  h ea r tb ea t.  E C G   w a v e f o r m s   ar e  d ep en d e n t  u p o n   th e  a n ato m ic  c h ar ac ter is tics   o f   t h e  h u m a n   h ea r t  an d   b o d y .   T h e  QR S   co m p le x es,  P   an d   T   w a v es  ex tr ac ted   f r o m   t h e  E C G  ar e  th e  co n s tit u e n ts   o f   E C G  f r a g m e n t s .   QR S  is   t h e  E C G   d ef lectio n   w h ic h   i s   a  r ep r esen t atio n   o f   v en tr icu lar   d ep o lar izatio n .   T h e  atr ial  d ep o lar izatio n   is   s u b s tit u ted   b y   P   w a v e  w h er e  atr ial  r ep o lar i za tio n   h ap p en s   w h e n   v en tr icu l ar   d ep o lar izatio n   o cc u r s   an d   is   u n k n o w n .   T h e  v en tr ic u lar   r ep o lar izatio n   i s   s u b s tit u ted   b y   th e  T   w av e  a s   s h o w n   i n   t h e  Fi g u r e  7 .   T h e  m u ltip le  i n d iv id u al   f ac to r s   g o v er n   th e ir   m o r p h o lo g y   an d   a m p l itu d e s   r esu lt in g   in   an   as s u m p tio n   ab o u t  t h e   u n iq u en e s s   o f   t h e   h u m a n   asp ec t s ,   s p ec i f icall y   b y   t h e  h ea r t  s h ap e  an d   p o s itio n .   Fo r   in s ta n ce ,   th e   QR S  co m p lex e s   i n   an   E C G   h av e  v ar io u s   s tr u ct u r es  ea s y   t o   d i s tin g u is h   i n   d if f er en t  ca s e s   [ 3 1 ] .   T h e  E C G  s i g n als  u s ed   in   t h is   s t u d y   w er e   o b tain ed   f r o m   th e  MI T - B I H  A r r h y t h m ia  d atab ase  th at  is   m ad e  u p   o f   4 8   h alf - h o u r   ex c er p ts   o f   t w o - ch a n n e l  a m b u lato r y   E C G  r ec o r d in g s   [ 3 2 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 8 5 0   -   48 5 9   4856       Fig u r e  7.   Dis p la y   o f   t h e  E C G  s ig n al       5.   RE SU L T S  A ND  AN AL Y SI S     T h is   p o r tio n   r ep o r ts   an d   d elib er ates  th e   r esu lts   o f   t h e  co n d u cted   in v e s ti g atio n s .   T h e  ex p er i m e n ts   ar e,   to   ev alu ate  t h e  ef f ec ti v en e s s   o f   th e  u t ilizatio n   i m p ac t  o f   d if f er en t  o p er atio n   m o d es  o f   t h e  A E S  alg o r it h m   u n d er   th r ee   k e y   s izes  f o r   en cr y p tio n   E C G  b io m ed ical  s ig n al  in   elec tr o n ic  h ea lt h ca r e.   T h e  co n d u cted   ex p er i m e n ts   ar e  p er f o r m ed   o n   a  co m p u ter   w it h   s p ec i f icati o n s   ( p r o ce s s o r   I n tel( R )   C o r e  ( T M)   i3 - 3 1 1 0 M  @   2 . 4 0 GHz ( C P Us), ~2 . 4 GHz ,   R A M   4 GB ,   u n d er   w in d o w s   1 0   p r o f ess io n al   6 4 - b it  u s i n g   MA T L A B   ( R 2 0 1 3 a) .   T h e  o r ig in a l  E C G  b io m ed ical  s ig n al  ca n   s h o w   in   Fi g u r e   8 ,   w h ic h   is   en cr y p ted   w it h   th e  AE S  alg o r ith m   u s in g   th r ee   k e y   m ag n it u d es  ( 1 2 8 - b i t,  1 9 2 - b it  an d   2 5 6 - b it)  a n d   f i v e  A E S  m o d e  o p er atio n   ( E C B ,   C B C ,   C FB ,   OFB   an d   C T R ) .   Fig u r e  9( a )   an d   Fig u r e   9( b )   s h o w   th e  e n cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   o f   E C G   b io m ed ical  s i g n al.   T h e  ex ec u tio n   o f   th e  p r o p o s ed   m et h o d   w as  as s es s ed   u s i n g   s o m e  p ar a m eter s ,   ti m el y   ex ec u tio n   an d   s ec u r it y   lev e l.                Fig u r e  8 .   Or ig in al  E C G  B io m ed ical  Sig n al           ( a)       ( b )     Fig u r e  9 .   ( a)   E n cr y p tio n   E C G  b io m ed ical  s ig n al ;   ( b )   Dec r y p t io n   E C G  b io m ed ical  s ig n al   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C o mp a r a tive  s tu d y  o f seve r a l o p era tio n   mo d es o f A E S   a lg o r ith m  fo r   en cryp tio n   ...   ( Mu s ta fa   E ma d   Ha mee d )   4857   5 . 1 .   T i m e  e x ec utio n   T h e  ex ec u tio n   ti m e  o f   e n cr y p t io n   a n d   d ec r y p tio n   o p er atio n s   o f   th e  AE S  al g o r ith m   f o r   E C G   b io m ed ical   s i g n al  i s   s h o w n   i n   Fi g u r e   1 0 .   A cc o r d in g l y ,   d u r in g   d if f er en t   cip h er i n g   m o d e s   o p er atio n   ( E C B ,   C B C ,   OFB ,   C FB   an d   C T R )   th r ee   k e y   s ize s   ar e  u s ed .   Fro m   th e  co n d u cted   e x p er i m en t s ,   th e  r esu lt  i s   t h at,   th e  e n cr y p tio n   a n d   d ec r y p tio n   p r o ce s s es   o f   A E S   alg o r it h m   t h at   w er e  ap p lied   in   E C G   b io m ed i ca l  s ig n al   s h o w ed   th a t,  w h e n   u s i n g   th e  C FB   m o d e  o p er atio n ,   th er e  is   a  n ee d   f o r   h i g h   co m p u tatio n al  ti m e  co m p ar ed   w it h   th e  o th er   m o d e  o p er atio n .     A E S   O p e r a t i o n   M o d e s E C B CBC O F B C T R C F B E n c ry p t i o n   T i m e   (M i n ) 0 2 4 6 8 128- b i t 192- b i t 256- b i t     ( a)   A E S   O p e r a t i o n   M o d e s E C B CBC O F B C T R C F B De c ry p t i o n   T i m e   (M i n ) 0 2 4 6 8 128- b i t 192- b i t 256- b i t     ( b )       ( c)     Fig u r e  1 0 .   ( a)   His to g r a m   o f   T im e  E x ec u tio n   f o r   E n cr y p tio n   P r o ce s s ,   ( b )     His to g r a m   o f   T im e  E x ec u tio n   f o r   Dec r y p tio n   P r o ce s s ,   ( c)     His to g r a m   o f   T o tal  T im e  E x ec u tio n   f o r   E n cr y p tio n   a n d   Dec r y p tio n   P r o ce s s es in   A E S   Alg o r it h m       Ho w e v er ,   th er e  w a s   a  m i n i m u m   ti m e  i n   e x ec u tio n   t h e  E C B   m o d e  o p er atio n   w i th   1 2 8 - b it  an d   1 9 2 - b it   k e y   s izes,   w h ile  t h e  C B C   m o d e  o f   o p er atio n   h ad   a  lo w   ti m e  ex ec u t io n   w it h i n   2 5 6 - b it  k e y   s ize  as  co m p ar ed   to   o th er   m o d es   o p er atio n .   Fi g u r e  10( a )   an d   Fig u r e  10( b )   s h o w   t h e  h i s to g r a m   o f   t h e  t i m el y   e x ec u tio n   o f   en cr y p tio n   a n d   d ec r y p tio n   p r o ce s s es i n   t h e  A E S a l g o r ith m   f o r   E C G  b io m ed ical  s i g n al.   T h e  to tal  tim e  o f   ex ec u tio n   o f   en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce s s es  in   th e  A E S  al g o r ith m   f o r   E C G   b io m ed ical   s i g n al  s h o w n   i n   Fig u r e  10( c ) .   Ho w e v er ,   t h e  m i n i m u m   v al u e  o f   e x ec u tio n   ti m e  f o r   en cr y p tio n   p r o ce s s   is   3 . 2 8   m i n u tes   an d   3 . 2 9   m in u tes   f o r   d ec r y p tio n   p r o ce s s .   T h e  m a x i m u m   v alu e   o f   ex ec u tio n   ti m e  f o r   en cr y p tio n   p r o ce s s   i s   6 . 9 6   m i n u te s   a n d   7 . 0 4   m i n u te s   f o r   d ec r y p tio n   p r o ce s s .   T h er ef o r e,   th er e  is   n o   s ig n i f ica n t  v ar iatio n   i n   th e  ti m e  o f   e x ec u tio n   o f   th e  en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce s s es  b et w ee n   E C B ,   C B C   an d   OFB   A E S  m o d e  o p er atio n   w it h   th r ee   k e y   s izes  e x ce p t  C T R   an d   C FB   m o d es.  T h u s ,   th e  C FB   an d   C T R   o p er atio n   m o d e s   f o r   A E S  alg o r it h m   r e v ea led   h i g h   co m p u tatio n   o f   t h e  ti m e  ex ec u tio n   f o r   en cr y p tio n   an d   d ec r y p tio n   p r o ce s s es.     5 . 2 .   Ana ly s is   o f   s ec urit y   lev el   T h e  s ec u r it y   lev e l  is   u s ed   to   a n al y s i s   th e  s tr en g t h   o f   alg o r it h m   t h at  a  cr y p to g r ap h ic  p r i m i ti v e  s u c h   as   a  cip h er   o r   h ash   f u n ctio n   ac h i ev es.  T h e  s ec u r it y   le v el  is   t y p icall y   co n v e y ed   u s in g   " b its " .   T a b le  3   illu s tr ates   th e  s ec u r it y   le v el  f o r   th r ee   k e y   le n g t h s   in   t h e  A E S  alg o r it h m .   T h e  s y m m etr ic  cr y p to s y s t e m   w it h   λ - b it  k e y s   d o es  n o t  allo w   a  g e n er al  attac k   th a t  is   f aster   t h a n   ex h a u s ti v e  k e y s   w h er e  λ   r ep r esen ts   th e  v alu e  o f   t h e  len g t h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  9 ,   No .   6 ,  Dec em b er   2 0 1 9   :   4 8 5 0   -   48 5 9   4858   o f   th e  k e y   a n d   w h ich   is   al s o   th e  s ec u r it y   lev el.   T h er ef o r e,   an   as y m m e tr ic  cr y p to s y s te m   with   a  k e y   s ize  o f   λ - b its   ca n n o t  s u cc u m b   to   atta ck s   f aster   t h a n   an   e x h au s ti v e  k e y   s ea r ch .   As  a  r esu lt,  t h e  cr y p to s y s te m   i s   d escr ib ed   as  h av i n g   a  s ec u r it y   lev el  o f   λ .   An   e x h a u s tiv e  k e y   s ea r ch   t h at  h as  λ -   b it  k e y s   m a y   d e m a n d   f o r   u p   to   2 ^λ  d if f er e n t  k e y s   [ 3 3 ] .   I n   g en er al,   w i th   a  s u cc ess f u l  g e n er al  attac k   th at  r eq u ir es  e f f o r t  ap p r o x im a tel y   u p   to   2 ^λ,  th e n   a  cr y p to g r ap h ic  s y s te m   o f f er s   s ec u r it y   lev el  o f   λ .   Mo r eo v er ,   th e  e n s u i n g   n u m b er   f r o m   2 ^ λ   r ep r esen ts   th e  n u m b er   o f   attem p ts   r eq u ir ed   b y   t h e  h ac k er   t o   b r ea k   th e  cr y p to g r ap h ic  k e y .   On   th e  o th er   h an d ,   to   b e  ab le  to   k n o w   th e  p er i o d   o f   ti m e  r eq u ir ed   b y   a n   a ttack er   to   b r ea ch   a  cip h er te x t,  m ea s u r e m e n t  o f   th e  s ec u r it y   i s   n ee d ed .   T h is   i s   i m p o r tan t  a s   it   p r o v id es  co m p u tatio n al  s ec u r it y   to   th e   s y s t e m .   A   cip h er   is   s aid   to   b e  co m p u tat io n all y   s ec u r e  i f   t h er e  is   m o r e  b en e f it  to   t h e  i n f o r m atio n   i n   co m p ar is o n   to   t h e  co s t  o f   b r ea k i n g   o r   if   th er e  i s   m u c h   u s e f u ln e s s   i n   t h e  li f eti m e  o f   th e  in f o r m at io n   i n   co m p ar is o n   to   t h e  ti m e  r eq u ir ed   i n   b r ea ch in g   th e  cip h er tex t  [ 3 4 ] .        T ab le  3 .   I llu s tr ates  s ec u r i t y   l e v el  o f   A E S  a l g o r ith m   A ES  A l g o r i t h m   K e y   L e n g t h   K e y   B l o c k   S e c u r i t y   L e v e l   A ES 1 2 8   1 2 8   1 2 8   2 128   =   3 . 4 * 1 0 38   A ES 1 9 2   1 9 2   1 2 8   2 192   =   6 . 2 * 1 0 57   A ES 2 5 6   2 5 6   1 2 8   2 256 =   1 . 1 * 1 0 7       C o n s eq u en tl y ,   a n   as s u m p tio n   in   t h e  p r esen t   w o r k   is   th a t   th e  ap tn e s s   o f   t h e  attac k er   to   b r ea ch   th e  cip h er   h as  a  lo w   p r o b ab il it y   i f   t h er e  is   a  r i s e  i n   t h e  len g th   o f   t h e  b lo ck   a n d   th e  k e y .   Hen ce ,   a  p h y s ica l   ar g u m e n t  r ev ea l s   co m p u ta tio n al  s ec u r it y   i n   s y m m etr ic  k e y   a g ain s t  attac k s .   I n   E q u atio n   ( 1 ) ,   th e  ti m e  to   attac k   a  cr y p to g r ap h ic  k e y   w h er e  th e  p o s s ib le  co m b in a tio n s   d eter m i n es  t h e  s ec u r it y   le v el  o f   th e  k e y   len g t h   ca n   b e   ca lcu lated   u s i n g   E q u a tio n   ( 2 )   to   f in d   t h e  n u m b er   o f   co m b i n at io n s   ch ec k ed   p er   s ec o n d   an d   t h er eb y   th e  n u m b er   o f   s ec o n d s   i n   o n e  y ea r .   W h er e  a  f aster   s u p er co m p u ter   i s   1 0 . 5 1 * 1 0 15 F lo p s  (F l o a ti n g   P o i n t  Op e ra ti o n )  p er   s ec o n d   w it h   t h e  q u a n tit y   o f   f lo p s   en ta iled   p er   co m b in atio n   ch ec k   is   1 0 0 0 .     Ti me   to   a tta c k = p o s s i b l e   co m b i n at i o n No . of   co m b i n at i o n   ∗   No . of   s ec                      ( 1 )     No   . of   c omb in a tion = 10 . 51 ∗ 10 ^ 15 1000                                  ( 2 )     T h e  co m p ar is o n ,   o n   t h e  b asi s   o f   t h e  ti m e   to   attac k   in   th e   A E S  al g o r ith m   v er s u s   k e y   len g t h ,   s u ch   th a t   A E S - 1 2 8 ,   A E S - 1 9 2   an d   A E S - 2 5 6   s h o w   in   T ab le  4 .       T ab le  4 .   T im e  to   attac k   o f   A E S a lg o r ith m   v er s u s   k e y   s ize   A ES  A l g o r i t h m   K e y   L e n g t h   T i me   t o   A t t a c k   A ES 1 2 8   1 2 8 - b i t   1 . 0 2 * 1 0 1 8  Y e a r s   A ES 1 9 2   1 9 2 - b i t   1 . 8 7 * 1 0 37   Y e a r s   A ES 2 5 6   2 5 6 - b i t   3 . 3 1 * 1 0 5 6  Y e a r s       6.   CO NCLU SI O N     T h is   p ap er   ex h ib it  co m p ar ativ e  s t u d y   o f   s ev er al  o p er ati o n   m o d es  o f   t h e  A E S  al g o r ith m   f o r   cr y p to g r ap h ic  E C G  b io m ed ical  s i g n a l  i n   a n   elec tr o n ic  h ea lt h ca r e  ap p licatio n .   T h e  m a in   o b j ec tiv e  w as  to   f in d   o u t  th e  p er f o r m a n ce   o f   t h e  m o s t  co m m o n   m o d es  o p er atio n   s u c h   a s   E C B ,   C B C ,   OFB ,   C FB   an d   C T R   o f   th e  alg o r it h m   a n d   to   u n d er l in e  th e  e x ec u t io n   ti m e  o f   ea ch   m o d e   o f   th e  A E S  al g o r ith m .   B ased   o n   th e  co n d u c ted   an al y s i s ,  th e   A E S  a lg o r it h m   w as  h ig h l y   co m p u tatio n al l y   e x p en s iv e ,   p ar ticu lar y   f o r   cr y p to g r ap h y   f o r   t h e  w h o le   s a m p l e  o f   t h e  E C G  b io m ed ical   s ig n a l.  T h e  co n d u c ted   ex p er i m en tal  r e s u l ts   clea r l y   s h o w ed   t h at  t h e  s ec u r it y   lev e l   in   2 5 6 - b it  k e y   le n g t h   o f   t h e  A E S   al g o r ith m   i s   b etter   t h a n   128 - b it  an d   1 9 2 - b it.  Ho w e v er ,   th e  OFB   m o d e  o p er atio n   ex h ib it s   m i n i m al  ti m e  o f   e x ec u tio n   w it h i n   1 2 8 - b it  ( 3 . 2 8 m )   in   th e  e n cr y p tio n   p r o ce s s   ( 3 . 2 9 m ) ,   th e  d ec r y p tio n   p r o ce s s ,   a n d   also   r eg ar d in g   th e   ca s e s   o f   E C B   an d   OFB   w it h i n   192 - b it.  W h ile  t h e  C B C   m o d e  o p er atio n   r ev ea led   t h e   lo w e s t  ti m e   ex ec u tio n   i n   2 5 6 - b it   ( 4 . 5 1 m )   e n cr y p tio n   p r o ce s s   an d   ( 4 . 9 3 m )   in   t h e  d ec r y p tio n   p r o ce s s .   Hen ce ,   t h e  lat en c y   i n   tr an s m is s io n   f o r   th ese  t y p es o f   d ata  m u s t   b e  f ast  a n d   f ea s ib le  i n   r ea l  ti m e  b ec au s e  it  a f f ec t s   t h e  p atien t 's  lif e  w it h in   a n   elec tr o n ic  h ea l th ca r e  ap p licatio n .   T h er ef o r e,   th e  A E S  alg o r it h m   n ee d s   i m p r o v e m en t  to   b e co m e  m o r e  co n f o r m ab le  an d   s u i tab le  f o r   h ea lth ca r e   ap p licatio n   in   th e   I n ter n et  o f   T h in g s   ( I o T ) .   I n   ad d itio n ,   th e  C B C   m o d e  o f   o p er atio n   w it h   a  2 5 6 - b it  k e y   s ize  o f   th e  A E S  al g o r ith m   is   s u itab le   an d   b etter   p r ac tically   lo w   p r o ce s s in g   ti m e  w it h   h i g h t  lev el   s ec u r it y   to   u s e  f o r   p r o tectio n   E C G  b io m ed ical  s i g n al  co m p ar ed   to   o th er   m o d es   o f   o p er atio n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       C o mp a r a tive  s tu d y  o f seve r a l o p era tio n   mo d es o f A E S   a lg o r ith m  fo r   en cryp tio n   ...   ( Mu s ta fa   E ma d   Ha mee d )   4859   RE F E R E NC E S     [1 ]   C.   K.  Ch e n ,   e t  a l . ,   “ P e rso n a li z e d   in f o rm a ti o n   e n c r y p ti o n   u si n g   ECG   sig n a ls  w it h   c h a o ti c   f u n c ti o n s, ”   In f.   S c i.   ( Ny ). ,  v o l.   1 9 3 ,   p p .   1 2 5 - 1 4 0 ,   2 0 1 2 .   [2 ]   V .   J.  Na v e e n ,   e t  a l . ,   “ No ise   re d u c ti o n   in   ECG   sig n a ls  f o r  b io - t e le m e tr y , ”   In t.   J .   El e c tr.  Co mp u t.   En g . ,   v o l.   9 ,   p p .   1 0 2 8 - 1 0 3 5 ,   2 0 1 9 .   [3 ]   S .   M .   Ja lale d d in e ,   e t  a l . ,   “ ECG   d a ta  c o m p re ss io n   tec h n iq u e s -- a   u n if ied   a p p ro a c h , ”   Bi o me d .   En g .   IEE E  T ra n s. ,   v o l.   3 7 ,   p p .   3 2 9 - 4 3 ,   1 9 9 0 .   [4 ]   U.  R.   S a x e n a   a n d   S .   P .   S in g h ,   “ M u lt i - P a rty   S e c u rit y   w it h   S EP   u si n g   A rti f icia l  N e u ra l  Ne t w o rk s,”   IAE S   In t .   J .   Arti f .   In tell. ,   v o l.   1 ,   p p .   1 2 1 - 1 2 6 ,   2 0 1 2 .   [5 ]   A .   G h a z v in i  a n d   Z .   S h u k u r,   “ S e c u rit y   Ch a ll e n g e s  a n d   S u c c e ss   F a c to rs  o f   El e c tro n ic  He a lt h c a re   S y s tem , ”   Pro c e d ia   T e c h n o l . ,   v o l .   1 1 ,   p p .   2 1 2 - 2 1 9 ,   2 0 1 3 .   [6 ]   M .   L .   A tt iah ,   e t  a l . ,   “ A d a p ti v e   M u lt i - sta te M il li m e ter W a v e   Ce ll   S e lec ti o n   S c h e m e   f o r  5 G co m m u n ica ti o n s,”   v o l.   8 ,   p p .   2 9 6 7 - 2 9 7 8 ,   2 0 1 8 .   [7 ]   H.  K .   P a ti l  a n d   R .   S e sh a d ri ,   “ Big   Da ta S e c u rit y   a n d   P riv a c y   Iss u e s  in   He a lt h c a re , ”   2 0 1 4   IEE E  In t.   Co n g r .   Bi g   D a ta ,  p p .   7 6 2 - 7 6 5 ,   2 0 1 4 .   [8 ]   M .   Bu rh a n u d d i n ,   e t  a l . ,   “ A   Re v ie w   o n   S e c u rit y   Ch a ll e n g e s  a n d   F e a tu re s  in   W irele ss   S e n so r  Ne tw o rk s:  Io T  P e rsp e c ti v e , ”   J .   T e lec o m mu n .   El e c tro n .   C o mp u t.   E n g . ,   v o l.   1 0 ,   p p .   1 7 - 2 1 ,   2 0 1 8 .   [9 ]   P .   W a n d a   a n d   H.  J.  Jie ,   “ Eff icie n t  Da ta  S e c u rit y   f o r   M o b il e   In sta n t  M e ss e n g e r, ”   T EL KOM NIKA  T e lec o mm u n ica ti o n   Co mp u t i n g   E lec tro n ics   a n d   C o n tr o l ,   v o l .   1 6 ,   p p .   1 4 2 6 ,   2 0 1 8 .   [1 0 ]   E.   R.   A rb o led a ,   e t  a l . ,   “ Ch a o ti c   riv e st - sh a m ir - a d ler m a n   a lg o rit h m   w it h   d a ta  e n c r y p ti o n   sta n d a rd   sc h e d u li n g , ”   Bu ll .   El e c tr.  En g .   In fo rm a t ics ,   v o l.   6 ,   p p .   2 1 9 - 2 2 7 ,   2 0 1 7 .   [1 1 ]   A .   K.  T rip a th y ,   e t  a l . ,   “ Da ta  c r y p to g ra p h y   b a se d   o n   m u sic a l  n o tes   o n   a   f in g e rb o a rd   a lo n g   w it h   a   d ic e , ”   In d o n e s.  J .   El e c t r.  En g .   Co m p u t .   S c i . ,   v o l.   1 4 ,   p p .   1 2 8 6 - 1 2 9 0 ,   2 0 1 9 .   [1 2 ]   D.  El m in a a m ,   “ P e rf o r m a n c e   e v a lu a ti o n   o f   sy m m e tri c   e n c r y p ti o n   a lg o rit h m s,”   In t.   J .   Co m p u t .   Ne two rk s ,   v o l.   8 ,   p p .   2 8 0 - 2 8 6 ,   2 0 0 8 .   [1 3 ]   S .   Ra jk u m a r  a n d   R.   M a laic h a m y ,   “ S e c u re   c ry p to g ra p h ic  a lg o rit h m   f o r  a   f a u lt   to lera n t  m o d e l  in   u n m a n n e d   a e rial  v e h icle s,”   In t.   Co n f.   E lec tr.  En g .   Co mp u t .   S c i .   In f o rm a ti c s ,   v o l.   1 ,   p p .   1 0 5 - 1 1 0 ,   2 0 1 4 .   [1 4 ]   M .   E.   Ha m e e d ,   e t  a l . ,   “ Re v ie w   o n   Im p ro v e m e n t  o f   A d v a n c e d   En c ry p ti o n   S tan d a rd   (A ES )  A l g o rit h m   b a se d   o n   T im e   Ex e c u ti o n ,   Dif f e re n ti a l  Cr y p tan a ly sis a n d   L e v e l  o f   S e c u rit y , ”   v o l.   1 0 ,   p p .   1 3 9 - 1 4 5 ,   2 0 1 8 .   [1 5 ]   M .   Ka tag i  a n d   S .   M o riai,   “ L ig h twe ig h t  Cry p to g ra p h y   f o r   th e   In tern e t  o f   T h in g s,”   p p .   7 - 1 0 ,   2 0 0 8 .   [1 6 ]   N.  H.  M .   A li ,   e t  a l . ,  “ A   n o v e l  m u lt i  m o d if ica ti o n   in   A ES   b l o c k   c ip h e r  a lg o rit h m   f o r  c o m p lex it y , ”   In ter n a t io n a l   Rev iew o n   Co m p u ter s a n d   S o ft wa re ,   v o l.   9 ,   p p .   9 0 1 - 9 0 5 ,   2 0 1 4 .   [1 7 ]   S .   S .   P riy a ,   e t  a l . ,   “ A n   Ef f icie n t  Ha rd w a r e   A r c h it e c tu re   f o r  Hig h   T h ro u g h p u t  A ES   E n c ry p to r  Us in g   M UX   Ba se d   S u b   P ip e l in e d   S - Bo x , ”   W ire l.   Per s.  Co mm u n . ,   v o l .   9 4 ,   p p .   2 2 5 9 - 2 2 7 3 ,   2 0 1 7 .   [1 8 ]   A .   A .   T h in n   a n d   M .   M .   S .   T h w in ,   “ M o d if ica ti o n   o f   A ES   a l g o rit h m   b y   u sin g   se c o n d   k e y   a n d   m o d if ied   su b b y tes   o p e ra ti o n   f o r  tex t  e n c ry p ti o n , ”   L e c t.   No tes   El e c tr.  E n g . ,   v o l.   4 8 1 ,   p p .   4 3 5 - 4 4 4 ,   2 0 1 8 .   [1 9 ]   S .   D.  P u tra,  e t  a l . ,   “ Re v e a li n g   A ES   En c r y p ti o n   De v ice   Ke y   o n   3 2 8 P   M icro c o n tr o ll e rs  w it h   Diff e r e n ti a l  P o w e r   A n a l y si s,”   In t.   J .   El e c tr.  C o mp u t.   En g . ,   v o l.   8 ,   p p .   5 1 4 4 - 5 1 5 2 ,   2 0 1 8 .   [2 0 ]   D.  Blaz h e v sk i,   “ M o d e s o f   o p e ra ti o n   o f   th e   a e s a lg o rit h m , ”   p p .   2 1 2 - 2 1 6 ,   2 0 1 3 .   [2 1 ]   NIST ,   “ A n n o u n c i n g   th e   A DV AN CED  ENCRYP T ION   S TAND A RD,”   Fed .   In f.   Pro c e ss .   S ta n d .   Pu b l. ,   v o l.   1 9 7 ,   2 0 0 1 .   [2 2 ]   M .   M o h u rle  a n d   V.  V .   P a n c h b h a i,   “ Re v ie w   o n   re a li z a ti o n   o f   A ES   e n c r y p ti o n   a n d   d e c ry p ti o n   w it h   p o w e r  a n d   a re a   o p ti m iza ti o n , ”   1 st I EE E   In t .   Co n f.   Po we r E lec tro n .   In tell.   C o n tr o l  E n e rg y   S y st.  ICP EICE S   2 0 1 6 ,   p p .   3 1 - 3 3 ,   2 0 1 7 .   [2 3 ]   S .   M o re   a n d   R .   Ba n so d e ,   “ Im p lem e n tatio n   o f   A ES   w it h   T i m e   Co m p lex it y   M e a su re m e n t  f o r  V a rio u s  In p u t, ”   v o l.   1 5 ,   2 0 1 5 .   [2 4 ]   A .   R.   Re d d y ,   “ Re v ise d   a e s a n d   it s  m o d e s o f   o p e ra ti o n , ”   v o l.   5 ,   p p .   3 1 - 3 6 ,   2 0 1 2 .   [2 5 ]   M .   J.  Dw o rk in ,   “ Re c o m m e n d a ti o n   f o r  b l o c k   c ip h e r  m o d e s o f   o p e ra ti o n , ”   2 0 0 7 .   [2 6 ]   S .   S riv a sta v a ,   e t   a l . ,   “ In ter  Cip h e r  Blo c k   Di ff u sio n :  A   No v e l  T ra n sf o r m a ti o n   f o r  P ro p o se d   P a ra ll e l  A ES , ”   2 Nd   In t.   Co n f.   Co mm u n .   C o mp u t.   S e c u r.  { [ }Ic c c s - 2 0 1 2 ] ,   v o l.   1 ,   p p .   8 7 2 - 8 7 9 ,   2 0 1 2 .   [2 7 ]   M .   V a id e h i  a n d   B.   J.  Ra b i,   “ De sig n   a n d   a n a ly si s  o f  A ES - CBC  m o d e   f o r  h ig h   se c u rit y   a p p li c a ti o n s, ”   2 n d   In t .   Co n f .   Cu rr .   T re n d s  En g .   T e c h n o l .   ICCT ET   2 0 1 4 ,   p p .   4 9 9 - 5 0 2 ,   2 0 1 4 .   [2 8 ]   M .   Dw o rk in ,   “ NIST   S p e c ial  P u b li c a ti o n   8 0 0 - 3 8 G   |   Re c o m m e n d a ti o n   f o r  Blo c k   Cip h e r  M o d e s  o f   Op e ra ti o n :  M e th o d s f o r  F o rm a t - P re se rv in g   E n c ry p ti o n , ”   Na t l.   I n st.  S ta n d .   T e c h n o l.   S p e c .   P u b l .   8 0 0 - 38G ,   p p .   1 - 2 8 ,   2 0 1 6 .   [2 9 ]   P .   Ro g a w a y ,   e t  a l . ,   “ CT R - M o d e   En c ry p ti o n , ”   2 0 1 3 .   [3 0 ]   B.   Ba k h a c h e ,   e t   a l . ,   “ I m p ro v e m e n t  o f   th e   se c u rit y   o f  Zi g Be e   b y   a   n e w   c h a o ti c   a l g o rit h m , ”   IEE E  S y st.  J . ,   v o l.   8 ,   p p .   1 0 2 1 - 1 0 3 0 ,   2 0 1 4 .   [3 1 ]   H.  A l - Ha m a d i,   e t  a l . ,   “ L ig h tw e i g h t  S e c u rit y   P ro to c o l   f o r  ECG   Bio - S e n so rs , ”   W ire l.   Per s.  Co m mu n . ,   v o l.   9 5 ,   p p .   5 0 9 7 - 5 1 2 0 ,   2 0 1 7 .   [3 2 ]   M IT - BIH,  “ M IT - BIH arrh y th m ia  d a tab a se , ”   Av a il a b le:  h tt p :/ /p h y si o n e t. o rg /p h y sio b a n k /d a tab a se /m it d b /.   [3 3 ]   A .   Len stra ,   “ Ke y   len g th s,”   Ha n d b .   In f.   S e c u r. ,   p p .   1 - 3 7 ,   2 0 0 4 .   [3 4 ]   L .   S .   M o d e ls,  “ a n d   P   Erf o rm a n c e   E  V a l u a ti o n   o f   M   O d e ls U  S e d , ”   p p .   3 - 7 ,   2 0 1 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.