Symmetry in Chaotic Systems and Circuits

Symmetry can play an important role in the field of nonlinear systems and especially in the design of nonlinear circuits that produce chaos. Therefore, this Special Issue, titled “Symmetry in Chaotic Systems and Circuits”, presents the latest scientific advances in nonlinear chaotic systems and circuits that introduce various kinds of symmetries. Applications of chaotic systems and circuits with symmetries, or with a deliberate lack of symmetry, are also presented in this Special Issue. The volume contains 14 published papers from authors around the world. This reflects the high impact of this Special Issue

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

Field-programmable gate array design of image encryption and decryption using Chua’s chaotic masking

This article presents a simple and efficient masking technique based on Chua chaotic system synchronization. It includes feeding the masked signal back to the master system and using it to drive the slave system for synchronization purposes. The proposed system is implemented in a field programmable gate array (FPGA) device using the Xilinx system generator tool. To achieve synchronization, the Pecora-Carroll identical cascading synchronization approach was used. The transmitted signal should be mixed or masked with a chaotic carrier and can be processed by the receiver without any distortion or loss. For different images, the security analysis is performed using the histogram, correlation coefficient, and entropy. In addition, FPGA hardware co-simulation based Xilinx Artix7 xc7a100t-1csg324 was used to check the reality of the encryption and decryption of the images

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 /

Entropy in Image Analysis II

Image analysis is a fundamental task for any application where extracting information from images is required. The analysis requires highly sophisticated numerical and analytical methods, particularly for those applications in medicine, security, and other fields where the results of the processing consist of data of vital importance. This fact is evident from all the articles composing the Special Issue "Entropy in Image Analysis II", in which the authors used widely tested methods to verify their results. In the process of reading the present volume, the reader will appreciate the richness of their methods and applications, in particular for medical imaging and image security, and a remarkable cross-fertilization among the proposed research areas

Cryptography and Its Applications in Information Security

Nowadays, mankind is living in a cyber world. Modern technologies involve fast communication links between potentially billions of devices through complex networks (satellite, mobile phone, Internet, Internet of Things (IoT), etc.). The main concern posed by these entangled complex networks is their protection against passive and active attacks that could compromise public security (sabotage, espionage, cyber-terrorism) and privacy. This Special Issue “Cryptography and Its Applications in Information Security” addresses the range of problems related to the security of information in networks and multimedia communications and to bring together researchers, practitioners, and industrials interested by such questions. It consists of eight peer-reviewed papers, however easily understandable, that cover a range of subjects and applications related security of information

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

COMPARATIVE STUDY OF CHAOTIC SYSTEM FOR ENCRYPTION

Chaotic systems leverage their inherent complexity and unpredictability to generate cryptographic keys, enhancing the security of encryption algorithms. This paper presents a comparative study of 13 chaotic keymaps. Several evaluation metrics, including keyspace size, dimensions, entropy, statistical properties, sensitivity to initial conditions, security level, practical implementation, and adaptability to cloud computing, are utilized to compare the keymaps. Keymaps such as Logistic, Lorenz, and Henon demonstrate robustness and high-security levels, offering large key space sizes and resistance to attacks. Their efficient implementation in a cloud computing environment further validates their suitability for real-world encryption scenarios. The context of the study focuses on the role of the key in encryption and provides a brief specification of each map to assess the effectiveness, security, and suitability of the popular chaotic keymaps for encryption applications. The study also discusses the security assessment of resistance to the popular cryptographic attacks: brute force, known plaintext, chosen plaintext, and side channel. The findings of this comparison reveal the Lorenz Map is the best for the cloud environment based on a specific scenario

Dynamic S-Box and PWLCM-Based Robust Watermarking Scheme

Due to the increased number of cyberattacks, numerous researchers are motivated towards the design of such schemes that can hide digital information in a signal. Watermarking is one of the promising technologies that can protect digital information. However, traditional watermarking schemes are either slow or less secure. In this paper, a dynamic S-Box based efficient watermarking scheme is presented. The original image was extracted at the receiver’s end without any loss of sensitive information. Firstly, the Secure Hash Algorithm is applied to the original image for the generation of the initial condition. Piece Wise Linear Chaotic Map is then used to generate 16 × 16 dynamic Substitution Box (S-Box). As an additional security feature, the watermark is substituted through dynamic S-Box. Hence, it is hard for the eavesdroppers to attack the proposed scheme due to the dynamic nature of S-Box. Lastly, lifting wavelet transform is applied to the host image and the High Low and High High blocks of host image are replaced with least significant bits and most significant bits of the substituted watermark, respectively. Robustness, efficiency and security of the proposed scheme is verified using Structure Similarity Index, Structure Dissimilarity Index, Structure Content, Mutual Information, energy, entropy, correlation tests and classical attacks analysis