Discrete-Time Chaotic-Map Truly Random Number Generators: Design, Implementation, and Variability Analysis of the Zigzag Map

In this paper, we introduce a novel discrete chaotic map named zigzag map that demonstrates excellent chaotic behaviors and can be utilized in Truly Random Number Generators (TRNGs). We comprehensively investigate the map and explore its critical chaotic characteristics and parameters. We further present two circuit implementations for the zigzag map based on the switched current technique as well as the current-mode affine interpolation of the breakpoints. In practice, implementation variations can deteriorate the quality of the output sequence as a result of variation of the chaotic map parameters. In order to quantify the impact of variations on the map performance, we model the variations using a combination of theoretical analysis and Monte-Carlo simulations on the circuits. We demonstrate that even in the presence of the map variations, a TRNG based on the zigzag map passes all of the NIST 800-22 statistical randomness tests using simple post processing of the output data.Comment: To appear in Analog Integrated Circuits and Signal Processing (ALOG

A Novel Chaotic Image Encryption using Generalized Threshold Function

In this paper, after reviewing the main points of image encryption and threshold function, we introduce the methods of chaotic image encryption based on pseudorandom bit padding that the bits be generated by the novel generalized threshold function (segmentation and self-similarity) methods. These methods decrease periodic effect of the ergodic dynamical systems in randomness of the chaotic image encryption. The essential idea of this paper is that given threshold functions of the ergodic dynamical systems. To evaluate the security of the cipher image of this scheme, the key space analysis, the correlation of two adjacent pixels and differential attack were performed. This scheme tries to improve the problem of failure of encryption such as small key space and level of security.Comment: 7 pages, 5 figures, Published in international Journal of Computer Applications (March 2012

Theoretical Design and FPGA-Based Implementation of Higher-Dimensional Digital Chaotic Systems

Traditionally, chaotic systems are built on the domain of infinite precision in mathematics. However, the quantization is inevitable for any digital devices, which causes dynamical degradation. To cope with this problem, many methods were proposed, such as perturbing chaotic states and cascading multiple chaotic systems. This paper aims at developing a novel methodology to design the higher-dimensional digital chaotic systems (HDDCS) in the domain of finite precision. The proposed system is based on the chaos generation strategy controlled by random sequences. It is proven to satisfy the Devaney's definition of chaos. Also, we calculate the Lyapunov exponents for HDDCS. The application of HDDCS in image encryption is demonstrated via FPGA platform. As each operation of HDDCS is executed in the same fixed precision, no quantization loss occurs. Therefore, it provides a perfect solution to the dynamical degradation of digital chaos.Comment: 12 page

Microcontroller-based random number generator implementation by using discrete chaotic maps

In recent decades, chaos theory has been used in different engineering applications of different disciplines. Discrete chaotic maps can be used in encryption applications for digital applications. In this study, firstly, Lozi, Tinkerbell and Barnsley Fern discrete chaotic maps are implemented based on microcontroller. Then, microcontroller based random number generator is implemented by using the three different two-dimensional discrete chaotic maps. The designed random number generator outputs are applied to NIST (National Institute of Standards and Technology) 800-22 and FIPS (Federal Information Processing Standard) tests for randomness validity. The random numbers are successful in all tests

Cascading CMOS-Based Chaotic Maps for Improved Performance and Its Application in Efficient RNG Design

We present a general framework for improving the chaotic properties of CMOS-based chaotic maps by cascading multiple maps in series. Along with two novel chaotic map topologies, we present the 45 $nm$ designs for four CMOS-based discrete-time chaotic map topologies. With the help of the bifurcation plot and three established entropy measures, namely, Lyapunov exponent, Kolmogorov entropy, and correlation coefficient, we present an extensive chaotic performance analysis on eight unique map circuits (two under each topology) to show that under certain constraints, the cascading scheme can significantly elevate the chaotic performance. The improved chaotic entropy benefits many security applications and is demonstrated using a novel random number generator (RNG) design. Unlike conventional mathematical chaotic map-based digital pseudo-random number generators (PRNG), this proposed design is not completely deterministic due to the high susceptibility of the core analog circuit to inevitable noise that renders this design closer to a true random number generator (TRNG). By leveraging the improved chaotic performance of the transistor-level cascaded maps, significantly low area and power overhead are achieved in the RNG design. The cryptographic applicability of the RNG is verified as the generated random sequences pass four standard statistical tests namely, NIST, FIPS, Diehard, and TestU01

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 /