Chaotic dynamical systems associated with tilings of RN\R^N

In this chapter, we consider a class of discrete dynamical systems defined on the homogeneous space associated with a regular tiling of $\R^N$, whose most familiar example is provided by the $N-$dimensional torus \T ^N. It is proved that any dynamical system in this class is chaotic in the sense of Devaney, and that it admits at least one positive Lyapunov exponent. Next, a chaos-synchronization mechanism is introduced and used for masking information in a communication setup

Algorithms and Architectures for Secure Embedded Multimedia Systems

Embedded multimedia systems provide real-time video support for applications in entertainment (mobile phones, internet video websites), defense (video-surveillance and tracking) and public-domain (tele-medicine, remote and distant learning, traffic monitoring and management). With the widespread deployment of such real-time embedded systems, there has been an increasing concern over the security and authentication of concerned multimedia data. While several (software) algorithms and hardware architectures have been proposed in the research literature to support multimedia security, these fail to address embedded applications whose performance specifications have tighter constraints on computational power and available hardware resources. The goals of this dissertation research are two fold: 1. To develop novel algorithms for joint video compression and encryption. The proposed algorithms reduce the computational requirements of multimedia encryption algorithms. We propose an approach that uses the compression parameters instead of compressed bitstream for video encryption. 2. Hardware acceleration of proposed algorithms over reconfigurable computing platforms such as FPGA and over VLSI circuits. We use signal processing knowledge to make the algorithms suitable for hardware optimizations and try to reduce the critical path of circuits using hardware-specific optimizations. The proposed algorithms ensures a considerable level of security for low-power embedded systems such as portable video players and surveillance cameras. These schemes have zero or little compression losses and preserve the desired properties of compressed bitstream in encrypted bitstream to ensure secure and scalable transmission of videos over heterogeneous networks. They also support indexing, search and retrieval in secure multimedia digital libraries. This property is crucial not only for police and armed forces to retrieve information about a suspect from a large video database of surveillance feeds, but extremely helpful for data centers (such as those used by youtube, aol and metacafe) in reducing the computation cost in search and retrieval of desired videos

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 /

A Systematic Methodology for Multi-Images Encryption and Decryption Based on Single Chaotic System and FPGA Embedded Implementation

A systematic methodology is developed for multi-images encryption and decryption and field programmable gate array (FPGA) embedded implementation by using single discrete time chaotic system. To overcome the traditional limitations that a chaotic system can only encrypt or decrypt one image, this paper initiates a new approach to design n-dimensional (n-D) discrete time chaotic controlled systems via some variables anticontrol, which can achieve multipath drive-response synchronization. To that end, the designed n-dimensional discrete time chaotic controlled systems are used for multi-images encryption and decryption. A generalized design principle and the corresponding implementation steps are also given. Based on the FPGA embedded hardware system working platform with XUP Virtex-II type, a chaotic secure communication system for three digital color images encryption and decryption by using a 7D discrete time chaotic system is designed, and the related system design and hardware implementation results are demonstrated, with the related mathematical problems analyzed

Design of nonlinear observer for chaotic message transmission

Thesis (Master)--Izmir Institute of Technology, Electronics and Communication Engineering, Izmir, 2013Includes bibliographical references (leaves: 60-64)Text in English; Abstract: Turkish and Englishx, 64 leavesChaos is an interesting nonlinear phenomena that occurs in wide variety of fields. A significant amount of research was devoted to understanding chaos and its properties. After that, researchers focused on searching for possible application areas for chaos to utilize its properties. The need to increase the security of a communication system is considered as a perfect match for chaos and its several properties, yielding chaotic communication. In this thesis, chaotic communication is approached from a control theory perspective. Specifically, three nonlinear observers are designed to extract message encrypted in a chaotic communication signal. The design and stability analysis is presented for the first observer, and the other observers are presented as modifications to the first one. Extensive numerical simulations are performed to demonstrate the viability of the proposed observers. Robustness of the observers to noise, additive disturbances, and parametric mismatch, and security of the observers are demonstrated numerically

Analysis and Design Security Primitives Based on Chaotic Systems for eCommerce

Security is considered the most important requirement for the success of electronic commerce, which is built based on the security of hash functions, encryption algorithms and pseudorandom number generators. Chaotic systems and security algorithms have similar properties including sensitivity to any change or changes in the initial parameters, unpredictability, deterministic nature and random-like behaviour. Several security algorithms based on chaotic systems have been proposed; unfortunately some of them were found to be insecure and/or slow. In view of this, designing new secure and fast security algorithms based on chaotic systems which guarantee integrity, authentication and confidentiality is essential for electronic commerce development. In this thesis, we comprehensively explore the analysis and design of security primitives based on chaotic systems for electronic commerce: hash functions, encryption algorithms and pseudorandom number generators. Novel hash functions, encryption algorithms and pseudorandom number generators based on chaotic systems for electronic commerce are proposed. The securities of the proposed algorithms are analyzed based on some well-know statistical tests in this filed. In addition, a new one-dimensional triangle-chaotic map (TCM) with perfect chaotic behaviour is presented. We have compared the proposed chaos-based hash functions, block cipher and pseudorandom number generator with well-know algorithms. The comparison results show that the proposed algorithms are better than some other existing algorithms. Several analyses and computer simulations are performed on the proposed algorithms to verify their characteristics, confirming that these proposed algorithms satisfy the characteristics and conditions of security algorithms. The proposed algorithms in this thesis are high-potential for adoption in e-commerce applications and protocols

Multimedia

The nowadays ubiquitous and effortless digital data capture and processing capabilities offered by the majority of devices, lead to an unprecedented penetration of multimedia content in our everyday life. To make the most of this phenomenon, the rapidly increasing volume and usage of digitised content requires constant re-evaluation and adaptation of multimedia methodologies, in order to meet the relentless change of requirements from both the user and system perspectives. Advances in Multimedia provides readers with an overview of the ever-growing field of multimedia by bringing together various research studies and surveys from different subfields that point out such important aspects. Some of the main topics that this book deals with include: multimedia management in peer-to-peer structures & wireless networks, security characteristics in multimedia, semantic gap bridging for multimedia content and novel multimedia applications

Entropy in Image Analysis III

Image analysis can be applied to rich and assorted scenarios; therefore, the aim of this recent research field is not only to mimic the human vision system. Image analysis is the main methods that computers are using today, and there is body of knowledge that they will be able to manage in a totally unsupervised manner in future, thanks to their artificial intelligence. The articles published in the book clearly show such a future

Dynamical Systems

Complex systems are pervasive in many areas of science integrated in our daily lives. Examples include financial markets, highway transportation networks, telecommunication networks, world and country economies, social networks, immunological systems, living organisms, computational systems and electrical and mechanical structures. Complex systems are often composed of a large number of interconnected and interacting entities, exhibiting much richer global scale dynamics than the properties and behavior of individual entities. Complex systems are studied in many areas of natural sciences, social sciences, engineering and mathematical sciences. This special issue therefore intends to contribute towards the dissemination of the multifaceted concepts in accepted use by the scientific community. We hope readers enjoy this pertinent selection of papers which represents relevant examples of the state of the art in present day research. [...