Complex Dynamics in Digital Nonlinear Oscillators: Experimental Analysis and Verification

A specific topology of Digital Nonlinear Oscillators (DNOs) has been implemented by using commercial off-the-shelf digital components to experimentally verify and demonstrate the capability of these circuits to support complex dynamics, independently from their implementation technology. In detail, a direct experimental evidence of the DNO dynamical behavior is presented at the analog level with a bifurcation diagram analysis, investigation of periodic and chaotic attractors, and dynamical stability. The autonomous circuit has been investigated as a source of entropy, adopting different figures of merit, including the Lempel–Ziv Complexity, to evaluate the dynamics measured under different operating conditions

Evolutionary robotics and neuroscience

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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 /

Producing Random Bits with Delay-Line Based Ring Oscillators

One of the sources of randomness for a random bit generator (RBG) is jitter present in rectangular signals produced by ring oscillators (ROs). This paper presents a novel approach for the design of delays used in these oscillators. We suggest using delay elements made on carry4 primitives instead of series of inverters or latches considered in the literature. It enables the construction of many high frequency ring oscillators with different nominal frequencies in the same field programmable gate array (FPGA). To assess the unpredictability of bits produced by RO-based RBG, the restarts mechanism, proposed in earlier papers, was used. The output sequences pass all NIST 800-22 statistical tests for smaller number of ring oscillators than the constructions described in the literature. Due to the number of ROs with different nominal frequencies and the method of construction of carry4 primitives, it is expected that the proposed RBG is more robust to cryptographic attacks than RBGs using inverters or latches as delay element

A Novel TRNG Based on Traditional ADC Nonlinear Effect and Chaotic Map for IoT Security and Anticollision

In the rapidly developing Internet of Things (IoT) applications, how to achieve rapid identification of massive devices and secure the communication of wireless data based on low cost and low power consumption is the key problem to be solved urgently. This paper proposes a novel true random number generator (TRNG) based on ADC nonlinear effect and chaotic map, which can be implemented by traditional processors with built-in ADCs, such as MCU, DSP, ARM, and FPGA. The processor controls the ADC to sample the changing input signal to obtain the digital signal DADC and then extracts some bits of DADC to generate the true random number (TRN). At the same time, after a delay based on DADC, the next time ADC sampling is carried out, and the cycle continues until the processor stops generating the TRN. Due to the nonlinear effect of ADC, the DADC obtained from each sampling is stochastic, and the changing input signal will sharply change the delay time, thus changing the sampling interval (called random interval sampling). As the input signal changes, DADC with strong randomness is obtained. The whole operation of the TRNG resembles a chaotic map, and this method also eliminates the pseudorandom property of chaotic map by combining the variable input signal (including noise) with the nonlinear effect of ADC. The simulation and actual test data are verified by NIST, and the verification results show that the random numbers generated by the proposed method have strong randomness and can be used to implement TRNG. The proposed TRNG has the advantages of low cost, low power consumption, and strong compatibility, and the rate of generating true random number is more than 1.6 Mbps (determined by ADC sampling rate and processor frequency), which is very suitable for IoT sensor devices for security encryption algorithms and anticollision

Design of Discrete-time Chaos-Based Systems for Hardware Security Applications

Security of systems has become a major concern with the advent of technology. Researchers are proposing new security solutions every day in order to meet the area, power and performance specifications of the systems. The additional circuit required for security purposes can consume significant area and power. This work proposes a solution which utilizes discrete-time chaos-based logic gates to build a system which addresses multiple hardware security issues. The nonlinear dynamics of chaotic maps is leveraged to build a system that mitigates IC counterfeiting, IP piracy, overbuilding, disables hardware Trojan insertion and enables authentication of connecting devices (such as IoT and mobile). Chaos-based systems are also used to generate pseudo-random numbers for cryptographic applications.The chaotic map is the building block for the design of discrete-time chaos-based oscillator. The analog output of the oscillator is converted to digital value using a comparator in order to build logic gates. The logic gate is reconfigurable since different parameters in the circuit topology can be altered to implement multiple Boolean functions using the same system. The tuning parameters are control input, bifurcation parameter, iteration number and threshold voltage of the comparator. The proposed system is a hybrid between standard CMOS logic gates and reconfigurable chaos-based logic gates where original gates are replaced by chaos-based gates. The system works in two modes: logic locking and authentication. In logic locking mode, the goal is to ensure that the system achieves logic obfuscation in order to mitigate IC counterfeiting. The secret key for logic locking is made up of the tuning parameters of the chaotic oscillator. Each gate has 10-bit key which ensures that the key space is large which exponentially increases the computational complexity of any attack. In authentication mode, the aim of the system is to provide authentication of devices so that adversaries cannot connect to devices to learn confidential information. Chaos-based computing system is susceptible to process variation which can be leveraged to build a chaos-based PUF. The proposed system demonstrates near ideal PUF characteristics which means systems with large number of primary outputs can be used for authenticating devices

FPGA-Based PUF Designs: A Comprehensive Review and Comparative Analysis

Field-programmable gate arrays (FPGAs) have firmly established themselves as dynamic platforms for the implementation of physical unclonable functions (PUFs). Their intrinsic reconfigurability and profound implications for enhancing hardware security make them an invaluable asset in this realm. This groundbreaking study not only dives deep into the universe of FPGA-based PUF designs but also offers a comprehensive overview coupled with a discerning comparative analysis. PUFs are the bedrock of device authentication and key generation and the fortification of secure cryptographic protocols. Unleashing the potential of FPGA technology expands the horizons of PUF integration across diverse hardware systems. We set out to understand the fundamental ideas behind PUF and how crucially important it is to current security paradigms. Different FPGA-based PUF solutions, including static, dynamic, and hybrid systems, are closely examined. Each design paradigm is painstakingly examined to reveal its special qualities, functional nuances, and weaknesses. We closely assess a variety of performance metrics, including those related to distinctiveness, reliability, and resilience against hostile threats. We compare various FPGA-based PUF systems against one another to expose their unique advantages and disadvantages. This study provides system designers and security professionals with the crucial information they need to choose the best PUF design for their particular applications. Our paper provides a comprehensive view of the functionality, security capabilities, and prospective applications of FPGA-based PUF systems. The depth of knowledge gained from this research advances the field of hardware security, enabling security practitioners, researchers, and designers to make wise decisions when deciding on and implementing FPGA-based PUF solutions.publishedVersio