Synchronization of spatiotemporal semiconductor lasers and its application in color image encryption

Optical chaos is a topic of current research characterized by high-dimensional nonlinearity which is attributed to the delay-induced dynamics, high bandwidth and easy modular implementation of optical feedback. In light of these facts, which adds enough confusion and diffusion properties for secure communications, we explore the synchronization phenomena in spatiotemporal semiconductor laser systems. The novel system is used in a two-phase colored image encryption process. The high-dimensional chaotic attractor generated by the system produces a completely randomized chaotic time series, which is ideal in the secure encoding of messages. The scheme thus illustrated is a two-phase encryption method, which provides sufficiently high confusion and diffusion properties of chaotic cryptosystem employed with unique data sets of processed chaotic sequences. In this novel method of cryptography, the chaotic phase masks are represented as images using the chaotic sequences as the elements of the image. The scheme drastically permutes the positions of the picture elements. The next additional layer of security further alters the statistical information of the original image to a great extent along the three-color planes. The intermediate results during encryption demonstrate the infeasibility for an unauthorized user to decipher the cipher image. Exhaustive statistical tests conducted validate that the scheme is robust against noise and resistant to common attacks due to the double shield of encryption and the infinite dimensionality of the relevant system of partial differential equations.Comment: 20 pages, 11 figures; Article in press, Optics Communications (2011

On the Application of PSpice for Localised Cloud Security

The work reported in this thesis commenced with a review of methods for creating random binary sequences for encoding data locally by the client before storing in the Cloud. The first method reviewed investigated evolutionary computing software which generated noise-producing functions from natural noise, a highly-speculative novel idea since noise is stochastic. Nevertheless, a function was created which generated noise to seed chaos oscillators which produced random binary sequences and this research led to a circuit-based one-time pad key chaos encoder for encrypting data. Circuit-based delay chaos oscillators, initialised with sampled electronic noise, were simulated in a linear circuit simulator called PSpice. Many simulation problems were encountered because of the nonlinear nature of chaos but were solved by creating new simulation parts, tools and simulation paradigms. Simulation data from a range of chaos sources was exported and analysed using Lyapunov analysis and identified two sources which produced one-time pad sequences with maximum entropy. This led to an encoding system which generated unlimited, infinitely-long period, unique random one-time pad encryption keys for plaintext data length matching. The keys were studied for maximum entropy and passed a suite of stringent internationally-accepted statistical tests for randomness. A prototype containing two delay chaos sources initialised by electronic noise was produced on a double-sided printed circuit board and produced more than 200 Mbits of OTPs. According to Vladimir Kotelnikov in 1941 and Claude Shannon in 1945, one-time pad sequences are theoretically-perfect and unbreakable, provided specific rules are adhered to. Two other techniques for generating random binary sequences were researched; a new circuit element, memristance was incorporated in a Chua chaos oscillator, and a fractional-order Lorenz chaos system with order less than three. Quantum computing will present many problems to cryptographic system security when existing systems are upgraded in the near future. The only existing encoding system that will resist cryptanalysis by this system is the unconditionally-secure one-time pad encryption

Cryptanalysis of a Chaotic Image Encryption Algorithm Based on Information Entropy

Recently, a chaotic image encryption algorithm based on information entropy (IEAIE) was proposed. This paper scrutinizes the security properties of the algorithm and evaluates the validity of the used quantifiable security metrics. When the round number is only one, the equivalent secret key of every basic operation of IEAIE can be recovered with a differential attack separately. Some common insecurity problems in the field of chaotic image encryption are found in IEAIE, e.g. the short orbits of the digital chaotic system and the invalid sensitivity mechanism built on information entropy of the plain image. Even worse, each security metric is questionable, which undermines the security credibility of IEAIE. Hence, IEAIE can only serve as a counterexample for illustrating common pitfalls in designing secure communication method for image data.Comment: 9 pages, 6 figures, IEEE Access, 201

Pseudo-Random Bit Generator Using Chaotic Seed for Cryptographic Algorithm in Data Protection of Electric Power Consumption

Cryptographic algorithms have played an important role in information security for protecting privacy. The literature provides evidence that many types of chaotic cryptosystems have been proposed. These chaotic systems encode information to obviate its orbital instability and ergodicity. In this work, a pseudo-random cryptographic generator algorithm with a symmetric key, based on chaotic functions, is proposed. Moreover, the algorithm exploits dynamic simplicity and synchronization to generate encryption sub-keys using unpredictable seeds, extracted from a chaotic zone, in order to increase their level of randomness. Also, it is applied to a simulated electrical energy consumption signal and implemented on a prototype, using low hardware resources, to measure physical variables; hence, the unpredictability degree was statistically analyzed using the resulting cryptogram. It is shown that the pseudo-random sequences produced by the cryptographic key generator have acceptable properties with respect to randomness, which are validated in this paper using National Institute of Standards and Technology (NIST) statistical tests. To complement the evaluation of the encrypted data, the Lena image is coded and its metrics are compared with those reported in the literature, yielding some useful results

Difference map and its electronic circuit realization

"In this paper we study the dynamical behavior of the one-dimensional discrete-time system, the so-called iterated map. Namely, a bimodal quadratic map is introduced which is obtained as an amplification of the difference between well-known logistic and tent maps. Thus, it is denoted as the so-called difference map. The difference map exhibits a variety of behaviors according to the selection of the bifurcation parameter. The corresponding bifurcations are studied by numerical simulations and experimentally. The stability of the difference map is studied by means of Lyapunov exponent and is proved to be chaotic according to Devaney’s definition of chaos. Later on, a design of the electronic implementation of the difference map is presented. The difference map electronic circuit is built using operational amplifiers, resistors and an analog multiplier. It turns out that this electronic circuit presents fixed points, periodicity, chaos and intermittency that match with high accuracy to the corresponding values predicted theoretically.

Research on digital image watermark encryption based on hyperchaos

The digital watermarking technique embeds meaningful information into one or more watermark images hidden in one image, in which it is known as a secret carrier. It is difficult for a hacker to extract or remove any hidden watermark from an image, and especially to crack so called digital watermark. The combination of digital watermarking technique and traditional image encryption technique is able to greatly improve anti-hacking capability, which suggests it is a good method for keeping the integrity of the original image. The research works contained in this thesis include: (1)A literature review the hyperchaotic watermarking technique is relatively more advantageous, and becomes the main subject in this programme. (2)The theoretical foundation of watermarking technologies, including the human visual system (HVS), the colour space transform, discrete wavelet transform (DWT), the main watermark embedding algorithms, and the mainstream methods for improving watermark robustness and for evaluating watermark embedding performance. (3) The devised hyperchaotic scrambling technique it has been applied to colour image watermark that helps to improve the image encryption and anti-cracking capabilities. The experiments in this research prove the robustness and some other advantages of the invented technique. This thesis focuses on combining the chaotic scrambling and wavelet watermark embedding to achieve a hyperchaotic digital watermark to encrypt digital products, with the human visual system (HVS) and other factors taken into account. This research is of significant importance and has industrial application value

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 /