Cryptographic requirements for chaotic secure communications

In recent years, a great amount of secure communications systems based on chaotic synchronization have been published. Most of the proposed schemes fail to explain a number of features of fundamental importance to all cryptosystems, such as key definition, characterization, and generation. As a consequence, the proposed ciphers are difficult to realize in practice with a reasonable degree of security. Likewise, they are seldom accompanied by a security analysis. Thus, it is hard for the reader to have a hint about their security. In this work we provide a set of guidelines that every new cryptosystems would benefit from adhering to. The proposed guidelines address these two main gaps, i.e., correct key management and security analysis, to help new cryptosystems be presented in a more rigorous cryptographic way. Also some recommendations are offered regarding some practical aspects of communications, such as channel noise, limited bandwith, and attenuation.Comment: 13 pages, 3 figure

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

Cryptanalysis of a computer cryptography scheme based on a filter bank

This paper analyzes the security of a recently-proposed signal encryption scheme based on a filter bank. A very critical weakness of this new signal encryption procedure is exploited in order to successfully recover the associated secret key.Comment: 6 pages, 1 figur

Deterministic Chaos in Digital Cryptography

This thesis studies the application of deterministic chaos to digital cryptography. Cryptographic systems such as pseudo-random generators (PRNG), block ciphers and hash functions are regarded as a dynamic system (X, j), where X is a state space (Le. message space) and f : X -+ X is an iterated function. In both chaos theory and cryptography, the object of study is a dynamic system that performs an iterative nonlinear transformation of information in an apparently unpredictable but deterministic manner. In terms of chaos theory, the sensitivity to the initial conditions together with the mixing property ensures cryptographic confusion (statistical independence) and diffusion (uniform propagation of plaintext and key randomness into cihertext). This synergetic relationship between the properties of chaotic and cryptographic systems is considered at both the theoretical and practical levels: The theoretical background upon which this relationship is based, includes discussions on chaos, ergodicity, complexity, randomness, unpredictability and entropy. Two approaches to the finite-state implementation of chaotic systems (Le. pseudo-chaos) are considered: (i) floating-point approximation of continuous-state chaos; (ii) binary pseudo-chaos. An overview is given of chaotic systems underpinning cryptographic algorithms along with their strengths and weaknesses. Though all conventional cryposystems are considered binary pseudo-chaos, neither chaos, nor pseudo-chaos are sufficient to guarantee cryptographic strength and security. A dynamic system is said to have an analytical solution Xn = (xo) if any trajectory point Xn can be computed directly from the initial conditions Xo, without performing n iterations. A chaotic system with an analytical solution may have a unpredictable multi-valued map Xn+l = f(xn). Their floating-point approximation is studied in the context of pseudo-random generators. A cryptographic software system E-Larm ™ implementing a multistream pseudo-chaotic generator is described. Several pseudo-chaotic systems including the logistic map, sine map, tangent- and logarithm feedback maps, sawteeth and tent maps are evaluated by means of floating point computations. Two types of partitioning are used to extract pseudo-random from the floating-point state variable: (i) combining the last significant bits of the floating-point number (for nonlinear maps); and (ii) threshold partitioning (for piecewise linear maps). Multi-round iterations are produced to decrease the bit dependence and increase non-linearity. Relationships between pseudo-chaotic systems are introduced to avoid short cycles (each system influences periodically the states of other systems used in the encryption session). An evaluation of cryptographic properties of E-Larm is given using graphical plots such as state distributions, phase-space portraits, spectral density Fourier transform, approximated entropy (APEN), cycle length histogram, as well as a variety of statistical tests from the National Institute of Standards and Technology (NIST) suite. Though E-Larm passes all tests recommended by NIST, an approach based on the floating-point approximation of chaos is inefficient in terms of the quality/performance ratio (compared with existing PRNG algorithms). Also no solution is known to control short cycles. In conclusion, the role of chaos theory in cryptography is identified; disadvantages of floating-point pseudo-chaos are emphasized although binary pseudo-chaos is considered useful for cryptographic applications.Durand Technology Limite

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 /

Digital Communication System with High Security and High Immunity

Today, security issues are increased due to huge data transmissions over communication media such as mobile phones, TV cables, online games, Wi-Fi and satellite transmission etc. for uses such as medical, military or entertainment. This creates a challenge for government and commercial companies to keep these data transmissions secure. Traditional secure ciphers, either block ciphers such as Advanced Encryption Standard (AES) or stream ciphers, are not fast or completely secure. However, the unique properties of a chaotic system, such as structure complexity, deterministic dynamics, random output response and extreme sensitivity to the initial condition, make it motivating for researchers in the field of communication system security. These properties establish an increased relationship between chaos and cryptography that create strong and fast cipher compared to conventional algorithms, which are weak and slow ciphers. Additionally, chaotic synchronisation has sparked many studies on the application of chaos in communication security, for example, the chaotic synchronisation between two different systems in which the transmitter (master system) is driving the receiver (slave system) by its output signal. For this reason, it is essential to design a secure communication system for data transmission in noisy environments that robust to different types of attacks (such as a brute force attack). In this thesis, a digital communication system with high immunity and security, based on a Lorenz stream cipher chaotic signal, has been perfectly applied. A new cryptosystem approach based on Lorenz chaotic systems was designed for secure data transmission. The system uses a stream cipher, in which the encryption key varies continuously in a chaotic manner. Furthermore, one or more of the parameters of the Lorenz generator is controlled by an auxiliary chaotic generator for increased security. In this thesis, the two Lorenz chaotic systems are called the Main Lorenz Generator and the Auxiliary Lorenz Generator. The system was designed using the SIMULINK tool. The system performance in the presence of noise was tested, and the simulation results are provided. Then, the clock-recovery technique is presented, with real-time results of the clock recovery. The receiver demonstrated its ability to recover and lock the clock successfully. Furthermore, the technique for synchronisation between two separate FPGA boards (transmitter and receiver) is detailed, in which the master system transmits specific data to trigger a slave system in order to run synchronously. The real-time results are provided, which show the achieved synchronisation. The receiver was able to recover user data without error, and the real-time results are listed. The randomness test (NIST) results of the Lorenz chaotic signals are also given. Finally, the security analysis determined the system to have a high degree of security compared to other communication systems