Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   5 ,  Octo be r   2020 ,  pp.  4824 ~ 4834   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 5 . pp 4824 - 48 34          4824       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   A   ne w d ynamic s peech en cryption  algorith m based on  L oren z  chaotic  map ov er  i nte rnet  p rotoc ol        Oba id a M.  A l - H az aimeh   Depa rtment  o f  C om pute r  Scie n ce a nd  In form at ion   Technol og y ,   Al -   Bal q a '   Appl ie d  Univer sit y ,   Jordan       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Feb   3 , 2 0 20   Re vised  Ma r   13 ,   2020   Accepte d  Ma r   2 4 , 202 0       Thi s  pape r  int r oduce s  a  d y n a m ic   spee ch  encr y pt ion  al gor it h m   base d  on  Lore nz  ch aot i c   m ap  over   int ern et   proto col   to  enha nc e  the  servic es  of    the   re al - t ime  ap pli c at ions  such  as  inc re ase s  the  sec urity   l evel  and  red uc es  la t ency .   Th e  pr oposed  al gorit h m   was   divi ded  int o  two  proc es ses:  d y namic   ke y   gene r ation   proc ess  using  128 - bit   hash  val ue  to  d y na m ic al l y   al t er     the   initial  sec re t   ke y s,  and  enc r y pt io n  and  de cr y pt ion  proc ess  using  Lore nz   s y stem.  In   the  p roposed  al gor it h m ,   the   p erf orm a nce   eva lu at ion   i s  ca rri ed  out   through  eff ic i en t   sim ula t ions  an d  implementatio ns  and  sta ti sti c al   ana l y sis.     In  addi ti on ,   the   ave rag e  ti m e  de lay   in  the   propo sed  al gorit hm   an d  som e  of     the   ex isti ng  a lg orit hm s  such  as  AES  is  comp are d.   The   ob ta i ned  result s   conc lud ed  tha t ,   the   proposed  d y namic  spe e ch  enc r y pt ion  al gorit hm   is  eff ectua l l y   se cur ed  ag ai nst  v ari ous  cr y p ta n aly s is  atta cks  and  h as   useful   cr y p tographic  prop ert i es   such  as  c onfusi on  and  diffusio n  for  bette r   voic e   comm unicati on   in the   voice  app li c ations fi el d  in  th e  In te rn e t.   Ke yw or d s :   AMR - WB - G .722.2   Chaos - the or y   Crypto gr a phy   IP  tel ep hony   Lor e nz  m ap     Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Ob ai da  M.  A l - h azai m eh,   Dep a rtm ent o f C om pu te r  Scie nce a nd Info rm at ion  Tec hnol ogy,   Al -   Ba lqa'   A pp li ed  U niv e rsity ,   21163, J orda n.    Em a il :  dr _obai da@ba u. e du.jo       1.   INTROD U CTION     Vo ic e  a ppli cat ion   over   I nter net  pr oto c ol  ( i.e.,  VoIP )  is  a  IP  te le phon y  te chnolo gy  that  al lows     the  voic e  data  as  hum an  voic e  to  tra ns fe rs   in  real - tim e  ov e r  In te r net  Pr ot oc ol  (i.e. ,  IP )   in  a  m anner  that   e m ulate s  the  tr aditi on al   te le phone  ser vice  (i.e.,   PST N )  [ 1 ,  2 ] .  In   ge ne ral,  the  vo ic e  ap plica ti on   over  int ern e t   prot oc ol  only   r equ i res  a n  pr ogram   on   t he  e nd - po i nt  com pu te r  (i.e.,   sen de r,   or   receive r)  capa ble  of  e nc od i ng  and d ec odin g  t ran sm it t ing  s pe ech a nd Inter ne t acc ess     [ 3 ,  4 ] .   Vo ic e  a pp li cat ion   over  inter ne t  pr ot oco l  te c hnology  pro vi des  m or e  adv a ntages  wh e n  it   is  com par ed   to  the  tra diti onal   te le ph one  se rv ic e.  IP   te le phony  te ch no l ogy  is  cheape r,   can  be  i nteg rated  with  oth e r  m edia  serv ic es ,  porta ble,  a nd  al lo ws   f or   m or e  e ff ic i ent  ba ndwi dth  util iz at ion .  T he refor e ,  the   ser vi ce  pro vid e rs  prefe r   the  IP   te le phony  te chnolo gy   as  a  m et ho d  to  re du ce  t he  cost  over  e xisti ng   m ultim edia   ser vices.  Mo r eov e r,   the  in fr ast ru ct ure  of  the  IP  te le phony  is  c ons idere d  as   a  s olid  ec onom ic al   gro und  i n  bu il ding  t he  m or e  recent   rev e nue - gen e r at ing   ser vices.   Ma rk edly ,  th e  dep loym ent  of   IP   te le ph on y  te ch no l ogy  is  beco m ing   m or e  popula r  an d  is   con si der e d  as   an  integral  pa rt  of   a  gl ob al   com petit ive  lan dsc ape  [ 5 ,  6 ] .   Desp it e  of  al l  thes e   po sit ive   feat ures,  the   I P  te le phony  te ch nolog y  is   faci ng  so m e  diff ic ulti es  an d  c halle nges  s uc h  as   se cur it y ,   pack et   loss ,  an d  la te ncy.  Conseq uen tl y,  m or e  adv a nced   te c hn i qu e s  or   stra te gies  are  warr anted  to  com petentl y  m anag e  these  diff ic ulti es,  w hi ch  are  e xp ect ed  to  e nsure  t he   qu al it y  of   t he   IP   te le phony   te chnolo gy  se rv ic es  (i.e.,   Q oS )  [ 3 ,  7 ] .  F or   e xam pl e,  the  th reat  of   the  intr ud e rs  ov e r  I P   net wor ks   is  the  gr eat e st  secur it y  chal le ng e   in  IP   te le ph ony  te chn ol og y.  The  la te r  will   be  a  great   co nc ern   si nce  thes e  offende rs  uti li ze  var io us   s ni ff in g  too ls t o  com prom ise  the co nv ersati on   of  the  IP  tel epho ny. To  m anag ing  t he  secu rity  ch al le ng es, cr y ptog ra phy  serv e s as a  v al uab le  t oo l t o  m ai ntain dat a se crecy   [ 8 ,  9 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A n ew   dy namic  sp eec h  e ncry pt ion   algorit hm  ba s ed  on l or en z ch aoti c map     ( Obaida M . Al - H azaime h)   4825   The  sci e nce  of  crypt ology  co ns ist s  of  t wo   m ajo r   pa rts:  cr yptogra ph y  a nd  cry ptanaly sis .  The   sci enc e   of   c ryptol og y  and   it s  cry ptog raphic  pri m it ives  are  cat eg or i zed  as  il lustrat ed  in  Fi g ure  1.  W hile  cry ptog raphy   is  the  art  of  m ai ntaining   da ta   secrecy   ag ai ns t  una uthor iz ed  acce ss  (i. e.,  int ruders),   on  the  oth e r  sid ed ,  cryptanaly sis i s abo ut an al yz ing an d ha nd li ng in fr i ng em ent of sec ur e  co m m un ic at ion   [ 10 ,  11 ] .           Figure  1. Tax onom y of  c rypt ology       To  m ai ntain  data  secrecy   against  un a uthori zed  acce ss  ove r  IP   net works  the  crypto gr a phy  is  widely   us e d.   H oweve r,   m os t  of   th e  existi ng   c rypto gr a phic   al gorithm s  are  buil t  to  m ai nta in  te xt  data  s ecrecy .   Ther e f or e,   thes e  existi ng  al go rithm s  are  not  su it able  f or   voic e  app li cat io ns  over   inter net   prot oco l  beca us e  it   involves  e xten sive  com pu ta ti on   a nd  co nsum ed  a  la rg e  am ou nt o f  ti m e   (i.e.,   delay )  [ 5 ,  12 ] .  The  f ollow i ng  f our  perform an ce  f act or s:  e ncr ypt ion   delay ,  the  secur it y  le vel,  m essage  delay ,  an d  processi ng   powe r  a re  m ai nl y  us e d  to   m easur e  the   VoIP  se cur it y.  T he  sec ur it y  le vel  (i.e. ,  c om plexity )  of  the   secu rity   al gorithm   seem s  to   hav e   a n  im pact  on  these   m ea su rem ent  facto rs  [ 8 ,  13 ,  14 ] .   Con st ru ct in g  ne w  s peec h  e nc ryptio n  al go rithm s   base d  on  cha os   t heory  to  increase  t he  s ecur it y  le vel  has  dr a w n  for  m any  sci entist s  and   resea r che r s   at te ntion   [ 15 - 21 ] ,  but  unf ort un at el y  so m e   of   these  co nst ru ct ed   al go rithm s   hav e  a  nu m ber   of  pract ic al  pro blem s  in  te rm s  of   crypt analy sis  at ta cks  [ 22 ,  23 ] .    I n  t his  pap e r,   a  new   dynam ic   sp eec h  enc r ypti on  al gorithm   us ing   L or e nz  c ha ot ic   m ap  ov e r  I P  net work  is  pro posed .  Wh il e  g e ner at in g  a   cha otic  key  st ream ,   the  syst e m   par a m et ers  and   128 - bit  hash   val ue  of  the  plain - sp eec h  are  inc lud e d  in  the  pr opos e d  al gorithm   to   obt ai n a  highes t security  level.     The  rest o f   t his   pa per  is organi zed  int o  5   sect ion s   inclu din g  the  intr oductio n  as   f ollows:   s ect ion  2   ha s   descr i bed  the  pro posed   al gorit hm   based   on  L or e nz  syst em .  Sect ion   3   desc ribes  sim ulati on   r esult  a nd  se cur it y  analy sis,  an d  e xp la in s  the  procedu res  use d  to  te st  the  pro po s ed  al gorith m .  In   sect ion   4 ,  a  c om par iso n  wit h  existi ng work i s g i ven an d fin al ly  co nclusi on is prese nted  i n sec ti on s  5 .       2.   PROP OSE D ALGO RITH M   In   pr act ic al ,  Lor e nz  c hao ti c  m ap  has  use fu l   c rypt ogra ph ic   prop e rtie s   su c h  as  co nfusi on   a nd   diffusi on,  sens it ivit y  to  init i al   con diti ons  and   par am et ers,   an d  un - pr e dicta bili ty   [ 20 ] .  Ther ef ore,  Lor e nz   chao ti c  m ap  is  us e d  in  this  pa per   t o  pro po se  a  new   sym m etr ic   sp eec h  enc r ypti on   al go rith m .  It  con sist s  of  tw o  m ajo r  par ts:   ke ys  gen e rati on   us in g  12 8 - bit  has h  value  of   plain  sp ee ch  fra m e  and   the  lo gisti c,  and   e nc rypti ng   the  sp eec h  f ra m e  us ing   c ha otic  sequ e nces  w hich  a re  ge ne r at ed  by  L or e nz   syst e m .  T he  overall   bl ock   di agr am   of the  pro pose d  al go rithm  arch it ect ur e ca n b e il lustrate d  by  Fig ur e   2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  5 ,  Oct ob e r 2 020  :    48 24   -   48 34   4826       Figure  2 .  Bl oc k diag ram       Be low,   we  wi ll   pr ovide   a n  i ntr oducto ry  de finiti on   of   the   Lor e nz  syst em   and   analy ze  it s  m ai n  po sit ive  featu r es  reg a rd i ng   t o  crypto gr a phy.   Then,  the  ste ps   to  im ple m e nt  su c h  a  proc ess  of   t he  enc r ypti on   par ts  will  b e  di scuss. T he decr ypti on   ste ps   f or c om plete n ess w il l al so   be  il lustrate d.      2.1.    L orenz  chaot ic  s ystem   Lor e nz  syst em   is  a  dynam ical  syst e m   wh ic h  was  st ud ie d  first  by  E dwar d   Norto n   L or e nz  ar ound   1960  [ 24 ] ,  T his   ch aotic   sy stem   is  descr i bed  by  non - li near  syst em   of   ordi nar y  di ff ere ntial   eq ua ti on s    (i.e., O DEs )   as  g ive n   i n  ( 1).     x ̇ = a ( y − x ) ,                 y ̇ = ( σ − z ) x − y , z ̇ = xy − bz .                     ( 1)     The   real   num ber s  a ,  σ ,  b   are   cal le d  t he   co ntr ol param et ers,   w he re  x ,  y ,  z   are v ariab le s  cal le d  the   s ta te  var ia bles,  a nd   x ̇ ,  y ̇ ,  an d  z ̇   are  the  t i m e  der ivati ve s  of  x ,  y ,  an d  z .  U su al ly ,  the  L orenz  syst em   ( 1 )   is  com m on ly   so lve d  nu m erical ly   us ing   R K45  (Runge - K utta  m et ho ds)  for  gi ven   c ont ro l  par am et ers,   and   i niti al   values  of     the  sta te   va riables  (i.e .,  x 0 ,  y 0 ,  z 0 ).  In  Fig ure   3  a   cha otic  at tract or   (i.e. ,  L or e nz   butt erf ly )  of   the  dy nam ic a l   Lor e nz sy stem  ( 1) is  pr e sente d.             Figure  3. Cha ot ic  att ractor   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A n ew   dy namic  sp eec h  e ncry pt ion   algorit hm  ba s ed  on l or en z ch aoti c map     ( Obaida M . Al - H azaime h)   4827   Fo r   diff e re nt  va lues  of  pa ra m et er   σ   the  dynam ic al   syst e m  ( 1 )   e xh i bits  cha os .   By   ha ving   posit iv e   Ly apun ov  ex pone nts  (i.e. ,  se ns it ivit y  to  ini ti al   conditi on s ),   c ha os   ca n  be   rec ognized   f or  m any  dyna m ic al  syst e m s,  and   i n  par ti cular   ( 1) .  In  Fig ure   4 ,   the  m axi m u m   Ly apun ov   ex pone nt  of   ( 1)   ve rsu s   val ues  of  σ   are   plo tt ed. I n  this  pap e r,   we ha ve  f ixe d  a   and   b   to  be  a = 10 ,  b = 8 / 3 , and  al lo w  v al ue o f  σ   to d y nam ic ally vary   in  the   inte rv al   [ 28 , 90 ]   to   pr ov i de  a   l arg e   e nough  ke y - sp ace   to   res ist   brute - force   at ta cks.   M or e over ,  t his  will  gu a ra ntee  that  (1)  has  de ns e  ( chao ti c)   at tract or s ,  wh ic h  is  i m po rtant  in  te r m s  of   crypt ogr aph y;   a ny  c ha ng e   in   init ia l  con diti ons  will   cause  traject or ie s  to  r e m ai n  in  the  sa m e  at tract or   set ,  thu s  m aking   it   diff ic ult  to   pr e dict  any  outc om e  without  knowing  the  e xact  i niti al   conditi ons  of   t he  syst e m   as  well   as  t he  it erati on  c ounts  i n    the num erical  so luti on.            Figure  4 .  Maxi m u m   l ya pu nov  e xpone nts       2.2.    Ge nera ti on   proce ss  fo r  t he  initial  va l ues and  pa r am eters   In   the  ge ne rati on   process,  we   util iz e  the  128 - bit  hash   valu e  of   the  plain - sp eec h  fr am e  gen e rated  by  MD5   ha sh  f un ct ion   t o  dyna m ic al l y  chang e  the   init ia l  secret  ke ys x 0 ,  y 0 ,  z 0 an d  σ 0 .  In  the   f ollow i ng  ste ps,     the g e ne rati on  process  is d e sc ribe d  in  the  det ai ls.     Algorithm 1: Generation process   Step 1:   Compute a 128 - bit hash value  K   from the plain speech frame  B j , and then  compute four    26 - bit sequences as the following:   = digits ( 0 − floo r ( 0 ) , 26 )   = digits ( 0 − floo r ( 0 ) , 26 )   = digits ( 0 − floo r ( 0 ) , 26 )   = digits ( 0 − floo r ( 0 ) , 26 )   Step 2:   Set  = mod ( co u nt ( , 1 ) , 13 ) .   Step 3:   Set  s = x n , y n , z n , 1 100   to construct the 128 - bit string.   Step 4:   Compute  a  new  128 - bi t  ha sh - va lu e  by   = rot L (   XOR   , ) ,   th en   di vi de   12 8 - bi t  ha s h   value into four 32 - bit vectors:  = 1 , 2 , 3 , 4 .   Step 5:   Normalize  the  initial  s ecret  key  t o  the  inter val  ( 0 , 1 )   using  f ( t ) = ( arct an   ( t ) + π / 2 ) / π   as the following:   = ( 0 ) ,  = ( 0 ) ,  = ( 0 ) ,  σ = ( 0 ) .   Step 6:   Se t    = 100 + co u nt ( , 1 ) , = 1 , 2 , 3 , 4   to   co n st ru ct   a  fo u r  ch ao ti c  nu mb er s  1 ,  2 ,  3 ,  4 ∈ ( 0 , 1 )   by   it er at in g  th e  lo gi st ic   ma p  1 ,  2 ,  3 ,  an d  4   t im es   us in g  th e   initial - values  ,  ,  ,  σ , respectively.   Step 7:   Finally,  the   following  f ormula  is  us ed  to  comput e  the  new  fo ur  chaotic  k eys  ̅ ,  ̅ ,  ̅ , and  σ ̅ :   [ ̅ ̅ ̅ ] = [ 0 0 0 ] + [ 1 2 3 ] + 2 − 32 × [ 1 2 3 ] , σ ̅ = 14 + 15 × ( 4 + 2 − 32 4 ) .     2.3.    Encr yption proce ss   In   th e  enc ryption   process ,  a  sever al   it erati ons  ove r  the  plain  sp eec h  f ra m e  that  inv olve s  a  set   of   op e rati on  su c h  as  substi tut ion s ,  pe rm uta ti on s,  tra nsfo r m at ion s,  an d  trans po sit io ns  are  pe rform ed  to  com plica te   the  proce ss  of  de crypti ng  c i pher  s peec h  fr a m e  by  cy be r - i ntr ud e rs  (i.e. ,  un a utho rized  a ccess)    [ 25 ,  26 ] .  I n  F ig ure   5  the  bl ock   diag ram   of   the  pro po s ed  de c ryptio n  process  is  presented .  The  sp eec h  encr y ption al gorithm  p r opos e d  in  this  pa per   consi sts o f  the   fo ll owin g  se qu entia l st eps:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  5 ,  Oct ob e r 2 020  :    48 24   -   48 34   4828   Algorithm 2: Encryption process   Step 1:   Arrange the 20 - ms speech frame in  = { 1 , 2 , … , }   of length   = 132 , each element  is   the 8 - bit representation of the bit 0 (BIT - 0: FF81)  or  the  bit  1 (BIT - 1:  007F)  of     the  coder parameters  which  is  codified  on  8  bits.   Step 2:   Set  ̅ = floo r ( / 13 ) , then iterate the Lorenz system  ( 1 ) using RK - 45 method for  ( ̅ + 1 )   times using the new initial - values   ( 0 ) = ̅ ,  ( 0 ) = ̅ , and  ( 0 ) = ̅ , and new  control parameter  = σ ̅ , to get three chaotic sequences  , , and  . Then  compute the following three sequences:   = { 1 , 2 , … , ̅ + 1 } ,       = { 1 , 2 , … , ̅ + 1 } ,       = { 1 , 2 , … , ̅ + 1 }   for  = 1 , 2 , … , ̅ + 1 :   = digits ( − floo r ( ) , 26 ) ,   = digits ( − floo r ( ) , 26 ) ,   = digits ( − floo r ( ) , 26 ) .   Step 3:   Set  ̃ = ̅   if  ( / 13 )   is an integer. Otherwise,  ̃ = ̅ + 1 ,. Then, partitioning   the  array    into  ̃   vectors as  = 1 , 2 , … , ̃   where,   = 13 ( − 1 ) + 1 , … , 13 , ̃ = 13 ̅ + 1 , … , , = 1 , 2 , … , ̅   Step 4:   Construct the sequence  = 1 , 2 , … , ̃   with = , for  = 1 , 2 , … , ̅ , and    ̃ = digits ( ̃ , length ( ̃ ) ) . Observe that  length ( ) = 28 + 28 = 56 bit = 7 × 8 bit , and  length ( ̃ ) = ( − 13 ̅ ) × 8 bit .   Ste p 5:   Construct rotations = co u nt ( , 1 ) , = 1 , 2 , … , ̃ .   Step 6:   Finally,  the cipher speech frame    is obtained using the formula:   = rot L (      , ) , = 1 , 2 , … , ̃ .             Figure  5. Dec r ypti on  al gorith m       3.   SIMULATI O N RESULT  A ND SEC U RIT Y  ANALY SIS   This  sect io n  di scusses  the  pr opos e d  s peech  encr y ption   al gorithm ,  wh ic h  sim ulate d  on   a  1.6  G Hz   cor e  (TM)  i5 ,   1 - TB  hard  di sk   capaci ti es  and   4 - GB  m e m or y  with  MA TL AB  softw are.  I n  this  se ct ion ,   as  an  e xam ple,  dif fer e nt  s pee ch  sam ples  of  aud i o  file s  are   sel ect ed  with  diff e re nt  sam pling   rate  (i.e. ,  5000  sam ples  per   se cond ).   T he  sim ula ti on   res ult   was  validat e d  by  a pp ly in g  t he  sta ti sti cal   te sts  su c h  as   his togra m   analy sis,  co rrel at ion ,  ra ndom ness,   and   s ensiti vity   to  pro ve  the  pe rfor m ance  m e tric s  [ 22 ] .  Be low,   sta nd a rd iz e d   te sts are  giv e n.     3.1.    His togr am  a n al ys is te s t   To  eval uate  the  qual it y  of  encr ypte d  s pe ech  sig nals,  this  analy sis  is  the  m os t  ac cur at e  te st.  Pr act ic al ly ,  the  pro po se d  al gorithm   is  l ikely   to  encr ypt   the  plain  s pe ech  sig nals  in   a  rand om   mann e r     (i.e.,  noisy   sig nals).  Hist og ra m   of   the  in put  sp eec h  si gnal s  are  il lust rated  in   Fig ure   6(a)  a nd  Fig ure   6(d ) .     The  c orres pondin g  histo gr a m   of   the  e nc rypted   sp eec h  sig nals  usi ng   the  sec ret  ke ys:   x 0 ,  y 0 ,  z 0 ,  σ 0 ,    and   128 - bit  ha sh   val ue  of  th e  sp eech  sig na ls  are  il lustrate d  in  Fi g ure   6 (b)   an d  Fi gure   6( e ).   T he  res ults  in   Fig ure   6  s how s  that  the  histog ram s  of   the  encr y pted  sp eec h  sign al s  are  f ai rly   un ifo rm   distrib uted  an d  total ly  diff e re nt  from   the  plain  sp e ech  sig nals.  In  add it io n,   t he  resu lt   in dicat es  that  the  pro po s ed  al gorith m   can   be   dec ry pted  c orrectl y wit h  t he  c orrect k ey s as ill us trat ed  in  Fi gure  6( c )  a nd Fig ure   6(f) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A n ew   dy namic  sp eec h  e ncry pt ion   algorit hm  ba s ed  on l or en z ch aoti c map     ( Obaida M . Al - H azaime h)   4829       ( a)   (d)       ( b)   (e)           ( c)   (f)     Figure  6 .  H ist ogram   analy sis ,  ( a)  I nput s peec h  si gn a l _1 ,  ( b)  Encr y pted spee ch  si gn al _1 ,    ( c)   Dec rypted   sp eec h  sig nal _1 ,  ( d)  I nput s pe ech si gn a l _2 ,  ( e)  E ncr y pted  s peech si gnal _2 ,    ( f)   D ecrypte d  s peech si gnal _2       3.2.    Co rrel ati on   test   The  c hao ti c  syst e m   was  fou nd   to  pro du ce  a  st ron g  enc ryptio n  m et ho d,   w hi ch  can  be  eff ic ie ntly   ide nt ifie d  by c orrel at ion  m et ho d  [ 23 ] .  Th e  correl at ion  m et ho d i s co m pu te d as  ( 2) .      = c ov ( , ) √ ( ) √ ( )   ( 2)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  5 ,  Oct ob e r 2 020  :    48 24   -   48 34   4830   w he re     cov ( , ) = 1 ∑ ( − ( ) ) (  − ( ) ) = 1 ,       ( ) = 1 ∑ = 1 ,       ( ) = 1 ∑ ( = 1 − ( ) ) 2   ,       wh e re   N   is   the   num ber  of   sp ee ch   sam ples.  In  pro po se d  al gorit hm ,  the   correla ti on  c oe ff ic ie nt  cov ( x , y )   betwee n  the   pl ai n  a nd  t he  ci phere d  sp e ech   s a m ples  are   ta bula te d  in   Ta ble  1.   The   resu lt   in  Table   1  sh ows  t ha t  the   pro po se d  s pe ech  e ncr ypti on   al gorithm   is  eff ic ie nt  e nough,  bec ause  t he   correla ti on   t est   has   been sat isfie d t hat wo uld   resis t st at ist ic al  at tack s.       Table  1 .   C orrel at ion  test   File Na m e   Origin al   Encry p ted   Sa m p le_ 1 .wav   0 .98 1 5 3   0 .00 0 9 9 2   Sa m p le_ 2 .wav   0 .98 7 2 6   0 .00 0 6 4 2   Sa m p le_ 3 .wav   0 .99 1 1 4   0 .00 1 7 6 5   Sa m p le_ 4 .wav   0 .96 2 4 1   0 .00 1 3 5 7       3.3.    Rand om ness t e sts   To  m easur e  t he   stren gth  of  t he  e ncr y pted  sp eec h  f ram es   again st  crypt analy sis  at ta ck s,  we   ha ve   perform ed  a  diff e ren t  s uite  of  sta ti sti ca l  te st s  in  this  sect ion   know n  as  D IEHARD  (i.e.,  18 - te sts)  an d  NI S T   (i.e.,   15 - te sts)  te st  su it e  [ 23 ,  27 ] .  For  giv e n  s equ e nce,  the se  su it es  are  desi gn e d  m ai n ly  to  m easur e  the  qual it y  of   the  r an dom ness.   As  can  be   seen  from   T able  2  an d  Ta ble  3,   the  p - va lue  of   eac h  te st  ran ges  from   0.01   to   0.99 (i.e .,  s ucc ess r a nge),  whi ch  m eans th e e ncr y pted  se que nce is  rand om   at  the 99%  of c onfide nce le vel.       Table  2 .   DIEH ARD  t est s  su it e   Test No.   p - v alu e   Res u lt   1   0 .50 8 9 5 5   Testin g  pas sed   2   0 .35 2 1 7 8   Testin g  pas sed   3   0 .98 5 1 3 1   Testin g  pas sed   4   0 .43 2 2 3 4   Testin g  pas sed   5   0 .57 7 1 6 5   Testin g  pas sed   6   0 .53 1 1 6 8   Testin g  pas sed   7   0 .57 9 9 6 2   Testin g  pas sed   8   0 .46 1 1 8 1   Testin g  pas sed   9   0 .53 4 2 7 5   Testin g  pas sed   10   0 .44 0 0 8 5   Testin g  pas sed   11   0 .53 7 7 1 5   Testin g  pas sed   12   0 .69 8 6 2 1   Testin g  pas sed   13   0 .70 0 9 1 3   Testin g  pas sed   14   0 .38 5 7 2 5   Testin g  pas sed   15   0 .70 0 9 8 2   Testin g  pas sed   16   0 .67 2 7 2 7   Testin g  pas sed   17   0 .70 0 1 1 6   Testin g  pas sed   18   0 .07 1 1 6 3   Testin g  pas sed       Table  3 .   NIST  te sts suite   Test No.   p - v alu e   Res u lt   1   0 .64 4 5 6 9   Testin g  pas sed   2   0 .53 7 2 1 2   Testin g  pas sed   3   0 .82 2 9 5 3   Testin g  pas sed   4   0 .69 1 6 7 2   Testin g  pas sed   5   0 .28 7 1 8 5   Testin g  pas sed   6   0 .27 9 0 9 5   Testin g  pas sed   7   0 .51 3 4 4 8   Testin g  pas sed   8   0 .43 6 1 5 8   Testin g  pas sed   9   0 .21 4 3 6 7   Testin g  pas sed   10   0 .43 3 0 4 1   Testin g  pas sed   11   0 .20 7 4 1 5   Testin g  pas sed   12   0 .38 7 1 4 2   Testin g  pas sed   13   0 .59 7 8 2 4   Testin g  pas sed   14   0 .50 9 7 3 2   Testin g  pas sed   15   0 .48 4 7 2 7   Testin g  pas sed     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A n ew   dy namic  sp eec h  e ncry pt ion   algorit hm  ba s ed  on l or en z ch aoti c map     ( Obaida M . Al - H azaime h)   4831   3.4.    In f orm ati on  en tr opy   Inform at ion   en tro py  is  us e d  us ua ll y  as  a  m easur e   of  disor der,  or  rand om ness  in  encry pted  s peec h  sign al   [ 28 ] . T he  en tr opy f un ct ion   ( ) of a s ource   s   ca n be c om pu te d  a s  (3) .     ( ) = ∑ ( ) log 2 1 ( ) 2 − 1 = 1   (3)     wh e re  P (S i)  re pr ese nts  Si  pr obabili ty .  The  e ntr op y  va lue  f or  the  en crypte d  sp eec h  sig nals   sh ould  i deall y  be  8.   In   oth e r  wor ds,  if  the  e ntr op y  value  of   t he   encr y pted  s pe ech  sig nals  is  le ss  than  8,  th en  the  predict abili t y  threats  to  the   encr y pted  s pe ech  sig nals  are  exists.  In  this  pa per ,  ENT  te st  su it e  is  us ed  t o  cal culat e    the  inf or m at ion   entr opy  valu e.  Pr act ic al ly ,  ENT   is  a   s uite   com po sed  of   t he  f ollow i ng   three  te sts:   ent ropy,  serial   correla ti on,  an d  chi - square  c oeffici en t  as  sh own  in  Table  4.   F r om   these  r es ults,  the  obta ine d  va lues  are  evaluate d  to   be   alm os t  as  the   theo reti cal   valu e,  w hich   m eans  that  the   pr opos e d  s peech  e nc ryptio n  al go rithm   is  eff ic ie nt e noug h (i.e.,  secu re)  upon the  cry ptanaly sis at ta ck s ( i.e. , e ntr op y) .        Table  4.   E NT  test  su it e   No .   ENT   test su ite   Theo retical  v alu e   Ob tain ed  valu e   1   Entro p y   Clo se to  8   7 .99 9 9 8 6   2   Serial  co rr elatio n   Clo se to  0   0 .00 0 3 8 1   3   Ch i - sq u are  co ef f ic ien t   Clo se to  12 7 .5   1 2 7 .5019       3.5.    Ke y sens itivity tes t   To  en sure  the  secur it y  agains t  br ute - f or ce  a tt acks,  the  exc el le nt  encr ypte d  sp eec h  qu al i ty   m us t  be  sensiti ve  in  e xt rem e  way  wit h  res pect  to  th e  secret  keys  [ 24 ,  29 ] .  I n  the   propose d  al gorithm ,  any  sli gh tl y   change ( i.e .,  bi t  flip)  on the fo ll ow in g  sensiti vity  f act or s: ha sh  v al ues,   keys, an d othe r  enc ryptio n  keys such as   par am et ers  that w ou l d gen e rat e a co m plete ly  d iffe re nt d ec ry ption res ults as  shown i n  Fi gu re   7.       ( a)   ( b)       ( c)   ( d)     Figure  7. Key  sensiti vity ,  (a )  Inp ut sp eec h si gn al ,  ( b)  Dec ry pted speec h  si gnal  w it h co rr e c t key ,    (c)   Dec rypted   sp eec h  sig nal  with inc orrect  key h a sh val ue ,  ( d)  Dec rypte d speec h  si gn al   with inc orrect  x 0       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  5 ,  Oct ob e r 2 020  :    48 24   -   48 34   4832   4.   COMP AR I S ON WIT H  E X I STI NG W ORKS   Ther e   are  seve ral  ty pes  of   del ay   in  the  c urre nt  IP  te le phon y  netw orks  s uc h  as  processi ng  (i.e .,  c oder ,  decode r,   dig it al   sign al   proc essing),  se rial iz at ion ,  qu e uing,  propagati on ,  an d  net wor k  delay   as  sho wn   i n    Fig ure  8.  So m e  of   them   are  fixed   w hile  othe rs  are  va riable   as  il lustrate d  i n  Table  5.  IP   t el ephon y  ap pli cat ion s  are  delay   se ns i ti ve.   T her e fore ,  the  IT U - T  ha s  rec omm end e d  that  t he  m axi m u m   threshold  of   t he  delay   tim e   (i.e.,   ∑ delay   so urces )  is  15 0  m s  [ 2 ,  5 ,  6 ] .  The  ada ptive  m ul ti - rate  wideb an d  ( AMR - WB  G.722. 2)  sp ee c h  cod ec   is  us e d  i n  this   pa pe r  to   colle ct   N   s pee ch  sam ples  as  on e   f ram e  becau se  it   s upport s  the  GS M  fea tures   su c h  as  disc on t inuous t ra ns m i ssion, c om fo rt  no ise  g e ner at i on, a nd  vo ic e a c ti vity  d et ect ion  [ 30 ] .           Figure  8 .    Pac ke t flo w       Table  5.   Delay  sour ce     Delay s o u rce   Fo r m u la   Descripti o n   Delay type   Co d er   = ( 2 + 1 ) ∗       +    ℎ       Co llect the sp eech  sa m p l es as  f ra m es.   Fix ed   Decod er   = 2   Play b ack o f  the co d er  p rocess .   Fix ed   Serialization   =                  Ti m e  to  clo ck  a  sp eech   f ra m e  on to  a  n etwo rk in terface .   Fix ed   Qu eu in g   = (          + 5120 )        Ti m e  the v o ice pac k et sp en d s in   rou ter.   Variable   Netwo rk   =          ∗ ( + )   Ti m e  the v o ice pac k et sp en d s to  go   f ro m  on e po in t to an o th er .   Variable   Prop ag atio n   C au sed  by  th e ligh t sp eed in  cop p er - b ased  netwo rks  ( i.e . ,  1 2 5 ,00 0   m iles  per secon d ),  or in  f ib er  (i. e. ,  1 8 6 ,00 0   m iles  per secon d )   Fix ed   Secu rity   C au sed  by   th e encr y p tio n  and  decry p t io n  pro cess es.   Fix ed       A  pract ic al   co m par ison   on  th e  aver a ge  tim e   delay   betwee n  adv a nced   e ncry ption   sta nda r d  al gorithm   and   pro posed   a lgorit hm   in  the  sam e  env iro nm ent  and   c ondi ti on s  is  m ade  in  this  sect io n.  In   e nd - to - e nd   delay ,  the  i m ple m ent at ion   res ult  shows  that  the  a ver a ge  tim e  delay   to  encr ypt  the  sp eec h  dat a  us in g  the  propose d  al gorithm   is  2.287 701494  m s   and   the  a ver a ge  tim e  delay   to  encr ypt  the  sp eec h  data  us in g  AES   is  2.783 276282 4  m s   as  illustrated  in  Table  6  and   Ta ble  7  re s pecti vely .  In   ot her   words,  a  colum n  char t  showi ng   the AES al gorithm  is slow er t han the  pro pos ed  s peec h  e ncry ption  al gorith m   is pr ese nted   in Fig ure  9.       Table  6 .   E nd - to - e nd  delay  ti m e fo r  f ast   Eth ern et   us in g  t he pr opos e d  s peec h  e ncr y ption al gorithm         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A n ew   dy namic  sp eec h  e ncry pt ion   algorit hm  ba s ed  on l or en z ch aoti c map     ( Obaida M . Al - H azaime h)   4833   Table  7 .   E nd - to - e nd  delay  ti m e fo r  f ast   e t he rn et   us in g AE S alg or it hm               Figure  9. A verage  delay  tim e         5.   CONCL US I O N   In   this  pa per   we  ha ve  achie ved   our  obj ect ive  of   desi gnin g  a  dynam ic  sp eech  e ncr y ption   al gorit h m   base d  on  L orenz  cha otic  m ap  over  i nter ne t  pr ot oc ol  to   enh a nce  the  real - ti m e   serv ic es.  The  pro pose d  al gorithm   was  div ide d  int o  two  processes:  key  gen e rati on   proc ess  us i ng  128 - bit  has h  value,   a nd  enc ryptio n  and   decr y ptio n  proce ss  us i ng  Lo re nz  syst e m .  To  evalua te   the  secur it y  le vel  of   the  pro po se d  al go rithm ,  eff ic ie nt   sim ulati on s  a nd  im p lem entat ion s  a nd  analy sis  ha ve  been   c ondu ct ed.   T he  sec uri ty   le vel  is  increase d  b y  us in g  a  m ulti   key  with  ever y  new   sp eec h  pack et   an d  inc reasin g  a  key  l eng t h  w hich  pr otect s  the  propose d  al gorithm   agai ns t  va rio us   cry ptanaly sis  at ta cks.   In   a ddit ion ,  a  c om par iso n  bet ween   t he  aver a ge  ti m e  d el ay   in  the  propose d  a lgorit hm   and   so m e  of   the  exi sti ng   encr y ption   al gorit hm s  is  m ade.  The  resu lt s  en dorse   that    the  propose d  al gorithm   achieved   a  highe r   secu rity   le vel   with   a  l ow es t  aver a ge   dela y  tim e  and   it   is  a n  excell ent c ho ic e f or   voic e co m m un ic at ion  i n pr act ic al  app li cat ion s in  t he Inter net.       REFER E NCE S     [1]   B.   Goode ,   “ Voic e  over   in te rne t  p rotoc ol   (VoIP ), ”   Proce ed ings o f   t he  IE EE,  vol .   90 ,   no .   9 ,  pp .   1495 - 1517,   2002 .   [2]   H.  Oouch,   e t  al . ,  “ Stud y   on  appr opria t e  voice  da ta   l engt h  of  IP  p ac ke ts  for  VoIP   net work  adj ustm ent , ”   in  Global   Tele communic a t ions  Confe ren ce,   2002.   GL OBECOM'02.   IEEE ,   v ol.   2 ,   pp .   1618 - 1 622 ,  2002 .   [3]   R.   Dantu ,   et al . ,  “ Iss ues  and  cha l l enge s in   sec ur in g  VoIP , ”   C ompu te rs   &   S ec urity ,   vol.   28 ,   no .   8 ,   pp .   743 - 753 ,   2009 .   [4]   O.  M.  Al - Ha zai m eh,   “ Inc re ase   t he  sec ur ity   le v el  for  r ea l - ti m e  ap pli c at ion   usi ng  new  ke y   m an ag ement  solut ion, ”   Inte rnational   Jo urnal  of  Comput er  Scienc e  Iss ue s ( IJCSI ) ,   vol.   9 ,   no.   3,   p p.   240 - 2 46 ,   2012 .   [5]   S.  Na  and   S.  Yo o,   “ Allowabl e   pr opaga t ion  de lay   for  Vo IP  ca l ls  o f  acce pt able  qua li t y , ”   in  Proc ee d ings  of  th e  F irst  Inte rnational   W orkshop on  Ad va nce d  In te rne t  Se rvic es  and   App licati ons ,   pp.   47 - 5 6 ,  2002 .   [6]   O.  M.  Al - Haz aim eh,   “ New  cry p togra phi c  al gori t hm s  for   en hanc i ng  sec urity   of  voic e  da ta, ”   The sis ,   Univer siti   Utar a   Malay s ia,  2010 .   [7]   M.  Za ndi ,   et   al . ,  “ Overv ie w  of  sec urity   issues  of  VoIP , ”   in  Proceedi ngs  of  the   Thi rd  IASTED  Euro pean  Confe renc e   on  Inte rne t  and   Mult imedi a   Syst ems and  Applica ti ons ,   pp .   254 - 25 9 ,  2007 .   [8]   J.  Seedor f ,   “ Sec urity   cha l le ng es  for  peer - to - pe er S IP, ”   IEEE  N etwor k,   vol .   20 ,   no .   5 ,   pp .   38 - 45 ,   2 006.   [9]   O.  M.  Al - Ha za i m eh ,  “ Com bini ng  audi o   sam ple s a nd  image   fra m e s  for  enha n ci ng  vide o  se cur ity , ”   Indian  Journal   o f  Sci en ce and  Tec hnology ,   vol .   8 ,   no.   10 ,   p .   940 ,   2 015.   [10]   E.   Sch ae f er,  “ An  int roduc ti on   to  cr y ptogr aph y   and  Cr y p ta n a l y sis, ”   C al iforn i a' s  Si li con   Val l e y :  San ta   C la ra  Univ ersity ,   pp.   4 - 5,   2009 .   [11]   M.  Mishra  and  V.  H.  Manka r ,   “ Revi ew  on  c haotic  seque n ce s  bas ed  cr y ptogr aph y  and  cr y pt anal y s is, ”   Int ernati ona l   Journal  of   Elec t ronics  Engi n ee ri ng,   vol .   3 ,   no .   2 ,   pp.   189 - 194 ,   20 11.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.