Revisiting LFSMs

Linear Finite State Machines (LFSMs) are particular primitives widely used in information theory, coding theory and cryptography. Among those linear automata, a particular case of study is Linear Feedback Shift Registers (LFSRs) used in many cryptographic applications such as design of stream ciphers or pseudo-random generation. LFSRs could be seen as particular LFSMs without inputs. In this paper, we first recall the description of LFSMs using traditional matrices representation. Then, we introduce a new matrices representation with polynomial fractional coefficients. This new representation leads to sparse representations and implementations. As direct applications, we focus our work on the Windmill LFSRs case, used for example in the E0 stream cipher and on other general applications that use this new representation. In a second part, a new design criterion called diffusion delay for LFSRs is introduced and well compared with existing related notions. This criterion represents the diffusion capacity of an LFSR. Thus, using the matrices representation, we present a new algorithm to randomly pick LFSRs with good properties (including the new one) and sparse descriptions dedicated to hardware and software designs. We present some examples of LFSRs generated using our algorithm to show the relevance of our approach.Comment: Submitted to IEEE-I

Investigations of cellular automata-based stream ciphers

In this thesis paper, we survey the literature arising from Stephan Wolfram\u27s original paper, “Cryptography with Cellular Automata” [WOL86] that first suggested stream ciphers could be constructed with cellular automata. All published research directly and indirectly quoting this paper are summarized up until the present. We also present a novel stream cipher design called Sum4 that is shown to have good randomness properties and resistance to approximation using linear finite shift registers. Sum4 is further studied to determine its effective strength with respect to key size given that an attack with a SAT solver is more efficient than a bruteforce attack. Lastly, we give ideas for further research into improving the Sum4 cipher

Cellular Automata

Modelling and simulation are disciplines of major importance for science and engineering. There is no science without models, and simulation has nowadays become a very useful tool, sometimes unavoidable, for development of both science and engineering. The main attractive feature of cellular automata is that, in spite of their conceptual simplicity which allows an easiness of implementation for computer simulation, as a detailed and complete mathematical analysis in principle, they are able to exhibit a wide variety of amazingly complex behaviour. This feature of cellular automata has attracted the researchers' attention from a wide variety of divergent fields of the exact disciplines of science and engineering, but also of the social sciences, and sometimes beyond. The collective complex behaviour of numerous systems, which emerge from the interaction of a multitude of simple individuals, is being conveniently modelled and simulated with cellular automata for very different purposes. In this book, a number of innovative applications of cellular automata models in the fields of Quantum Computing, Materials Science, Cryptography and Coding, and Robotics and Image Processing are presented

Scalable Test Generators for High-Speed Datapath Circuits

This paper explores the design of efficient test sets and test-pattern generators for on-line BIST. The target applications are high-performance, scalable datapath circuits for which fast and complete fault coverage is required. Because of the presence of carry-lookahead, most existing BIST methods are unsuitable for these applications. High-level models are used to identify potential test sets for a small version of the circuit to be tested. Then a regular test set is extracted and a test generator TG is designed to meet the following goals: scalability, small test set size, full fault coverage, and very low hardware overhead. TG takes the form of a twisted ring counter with a small decoder array. We apply our technique to various datapath circuits including a carry-lookahead adder, an arithmetic-logic unit, and a multiplier-adder.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/43010/1/10836_2004_Article_154697.pd

Digital Design of New Chaotic Ciphers for Ethernet Traffic

Durante los últimos años, ha habido un gran desarrollo en el campo de la criptografía, y muchos algoritmos de encriptado así como otras funciones criptográficas han sido propuestos.Sin embargo, a pesar de este desarrollo, hoy en día todavía existe un gran interés en crear nuevas primitivas criptográficas o mejorar las ya existentes. Algunas de las razones son las siguientes:• Primero, debido el desarrollo de las tecnologías de la comunicación, la cantidad de información que se transmite está constantemente incrementándose. En este contexto, existen numerosas aplicaciones que requieren encriptar una gran cantidad de datos en tiempo real o en un intervalo de tiempo muy reducido. Un ejemplo de ello puede ser el encriptado de videos de alta resolución en tiempo real. Desafortunadamente, la mayoría de los algoritmos de encriptado usados hoy en día no son capaces de encriptar una gran cantidad de datos a alta velocidad mientras mantienen altos estándares de seguridad.• Debido al gran aumento de la potencia de cálculo de los ordenadores, muchos algoritmos que tradicionalmente se consideraban seguros, actualmente pueden ser atacados por métodos de “fuerza bruta” en una cantidad de tiempo razonable. Por ejemplo, cuando el algoritmo de encriptado DES (Data Encryption Standard) fue lanzado por primera vez, el tamaño de la clave era sólo de 56 bits mientras que, hoy en día, el NIST (National Institute of Standards and Technology) recomienda que los algoritmos de encriptado simétricos tengan una clave de, al menos, 112 bits. Por otro lado, actualmente se está investigando y logrando avances significativos en el campo de la computación cuántica y se espera que, en el futuro, se desarrollen ordenadores cuánticos a gran escala. De ser así, se ha demostrado que algunos algoritmos que se usan actualmente como el RSA (Rivest Shamir Adleman) podrían ser atacados con éxito.• Junto al desarrollo en el campo de la criptografía, también ha habido un gran desarrollo en el campo del criptoanálisis. Por tanto, se están encontrando nuevas vulnerabilidades y proponiendo nuevos ataques constantemente. Por consiguiente, es necesario buscar nuevos algoritmos que sean robustos frente a todos los ataques conocidos para sustituir a los algoritmos en los que se han encontrado vulnerabilidades. En este aspecto, cabe destacar que algunos algoritmos como el RSA y ElGamal están basados en la suposición de que algunos problemas como la factorización del producto de dos números primos o el cálculo de logaritmos discretos son difíciles de resolver. Sin embargo, no se ha descartado que, en el futuro, se puedan desarrollar algoritmos que resuelvan estos problemas de manera rápida (en tiempo polinomial).• Idealmente, las claves usadas para encriptar los datos deberían ser generadas de manera aleatoria para ser completamente impredecibles. Dado que las secuencias generadas por generadores pseudoaleatorios, PRNGs (Pseudo Random Number Generators) son predecibles, son potencialmente vulnerables al criptoanálisis. Por tanto, las claves suelen ser generadas usando generadores de números aleatorios verdaderos, TRNGs (True Random Number Generators). Desafortunadamente, los TRNGs normalmente generan los bits a menor velocidad que los PRNGs y, además, las secuencias generadas suelen tener peores propiedades estadísticas, lo que hace necesario que pasen por una etapa de post-procesado. El usar un TRNG de baja calidad para generar claves, puede comprometer la seguridad de todo el sistema de encriptado, como ya ha ocurrido en algunas ocasiones. Por tanto, el diseño de nuevos TRNGs con buenas propiedades estadísticas es un tema de gran interés.En resumen, es claro que existen numerosas líneas de investigación en el ámbito de la criptografía de gran importancia. Dado que el campo de la criptografía es muy amplio, esta tesis se ha centra en tres líneas de investigación: el diseño de nuevos TRNGs, el diseño de nuevos cifradores de flujo caóticos rápidos y seguros y, finalmente, la implementación de nuevos criptosistemas para comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet a velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Dichos criptosistemas han estado basados en los algoritmos caóticos propuestos, pero se han adaptado para poder realizar el encriptado en la capa física, manteniendo el formato de la codificación. De esta forma, se ha logrado que estos sistemas sean capaces no sólo de encriptar los datos sino que, además, un atacante no pueda saber si se está produciendo una comunicación o no. Los principales aspectos cubiertos en esta tesis son los siguientes:• Estudio del estado del arte, incluyendo los algoritmos de encriptado que se usan actualmente. En esta parte se analizan los principales problemas que presentan los algoritmos de encriptado standard actuales y qué soluciones han sido propuestas. Este estudio es necesario para poder diseñar nuevos algoritmos que resuelvan estos problemas.• Propuesta de nuevos TRNGs adecuados para la generación de claves. Se exploran dos diferentes posibilidades: el uso del ruido generado por un acelerómetro MEMS (Microelectromechanical Systems) y el ruido generado por DNOs (Digital Nonlinear Oscillators). Ambos casos se analizan en detalle realizando varios análisis estadísticos a secuencias obtenidas a distintas frecuencias de muestreo. También se propone y se implementa un algoritmo de post-procesado simple para mejorar la aleatoriedad de las secuencias generadas. Finalmente, se discute la posibilidad de usar estos TRNGs como generadores de claves. • Se proponen nuevos algoritmos de encriptado que son rápidos, seguros y que pueden implementarse usando una cantidad reducida de recursos. De entre todas las posibilidades, esta tesis se centra en los sistemas caóticos ya que, gracias a sus propiedades intrínsecas como la ergodicidad o su comportamiento similar al comportamiento aleatorio, pueden ser una buena alternativa a los sistemas de encriptado clásicos. Para superar los problemas que surgen cuando estos sistemas son digitalizados, se proponen y estudian diversas estrategias: usar un sistema de multi-encriptado, cambiar los parámetros de control de los sistemas caóticos y perturbar las órbitas caóticas.• Se implementan los algoritmos propuestos. Para ello, se usa una FPGA Virtex 7. Las distintas implementaciones son analizadas y comparadas, teniendo en cuenta diversos aspectos tales como el consumo de potencia, uso de área, velocidad de encriptado y nivel de seguridad obtenido. Uno de estos diseños, se elige para ser implementado en un ASIC (Application Specific Integrate Circuit) usando una tecnología de 0,18 um. En cualquier caso, las soluciones propuestas pueden ser también implementadas en otras plataformas y otras tecnologías.• Finalmente, los algoritmos propuestos se adaptan y aplican a comunicaciones ópticas Gigabit Ethernet. En particular, se implementan criptosistemas que realizan el encriptado al nivel de la capa física para velocidades de 1 Gbps y 10 Gbps. Para realizar el encriptado en la capa física, los algoritmos propuestos en las secciones anteriores se adaptan para que preserven el formato de la codificación, 8b/10b en el caso de 1 Gb Ethernet y 64b/10b en el caso de 10 Gb Ethernet. En ambos casos, los criptosistemas se implementan en una FPGA Virtex 7 y se diseña un set experimental, que incluye dos módulos SFP (Small Form-factor Pluggable) capaces de transmitir a una velocidad de hasta 10.3125 Gbps sobre una fibra multimodo de 850 nm. Con este set experimental, se comprueba que los sistemas de encriptado funcionan correctamente y de manera síncrona. Además, se comprueba que el encriptado es bueno (pasa todos los test de seguridad) y que el patrón del tráfico de datos está oculto.<br /