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

SHAH: Hash Function based on Irregularly Decimated Chaotic Map

In this paper, we propose a novel hash function based on irregularly decimated chaotic map. The hash function called SHAH is based on two Tinkerbell maps filtered with irregular decimation rule. Exact study has been provided on the novel scheme using distribution analysis, sensitivity analysis, static analysis of diffusion and confusion, and collision analysis. The experimental data show that SHAH satisfied admirable level of security.Comment: accepted for publication in International Journal of Electronics and Telecommunications, vol. 6

A Topological Study of Chaotic Iterations. Application to Hash Functions

International audienceChaotic iterations, a tool formerly used in distributed computing, has recently revealed various interesting properties of disorder leading to its use in the computer science security field. In this paper, a comprehensive study of its topological behavior is proposed. It is stated that, in addition to being chaotic as defined in the Devaney's formulation, this tool possesses the property of topological mixing. Additionally, its level of sensibility, expansivity, and topological entropy are evaluated. All of these properties lead to a complete unpredictable behavior for the chaotic iterations. As it only manipulates binary digits or integers, we show that it is possible to use it to produce truly chaotic computer programs. As an application example, a truly chaotic hash function is proposed in two versions. In the second version, an artificial neural network is used, which can be stated as chaotic according to Devaney

An authentication protocol based on chaos and zero knowledge proof

Port Knocking is a method for authenticating clients through a closed stance firewall, and authorising their requested actions, enabling severs to offer services to authenticated clients, without opening ports on the firewall. Advances in port knocking have resulted in an increase in complexity in design, preventing port knocking solutions from realising their potential. This paper proposes a novel port knocking solution, named Crucible, which is a secure method of authentication, with high usability and features of stealth, allowing servers and services to remain hidden and protected. Crucible is a stateless solution, only requiring the client memorise a command, the server's IP and a chosen password. The solution is forwarded as a method for protecting servers against attacks ranging from port scans, to zero-day exploitation. To act as a random oracle for both client and server, cryptographic hashes were generated through chaotic systems

The dynamics of complex systems. Studies and applications in computer science and biology

Our research has focused on the study of complex dynamics and on their use in both information security and bioinformatics. Our first work has been on chaotic discrete dynamical systems, and links have been established between these dynamics on the one hand, and either random or complex behaviors. Applications on information security are on the pseudorandom numbers generation, hash functions, informationhiding, and on security aspects on wireless sensor networks. On the bioinformatics level, we have applied our studies of complex systems to theevolution of genomes and to protein folding

Steganography Approach to Image Authentication Using Pulse Coupled Neural Network

This paper introduces a model for the authentication of large-scale images. The crucial element of the proposed model is the optimized Pulse Coupled Neural Network. This neural network generates position matrices based on which the embedding of authentication data into cover images is applied. Emphasis is placed on the minimalization of the stego image entropy change. Stego image entropy is consequently compared with the reference entropy of the cover image. The security of the suggested solution is granted by the neural network weights initialized with a steganographic key and by the encryption of accompanying steganographic data using the AES-256 algorithm. The integrity of the images is verified through the SHA-256 hash function. The integration of the accompanying and authentication data directly into the stego image and the authentication of the large images are the main contributions of the work

Integrated-Key Cryptographic Hash Functions

Cryptographic hash functions have always played a major role in most cryptographic applications. Traditionally, hash functions were designed in the keyless setting, where a hash function accepts a variable-length message and returns a fixed-length fingerprint. Unfortunately, over the years, significant weaknesses were reported on instances of some popular ``keyless" hash functions. This has motivated the research community to start considering the dedicated-key setting, where a hash function is publicly keyed. In this approach, families of hash functions are constructed such that the individual members are indexed by different publicly-known keys. This has, evidently, also allowed for more rigorous security arguments. However, it turns out that converting an existing keyless hash function into a dedicated-key one is usually non-trivial since the underlying keyless compression function of the keyless hash function does not normally accommodate the extra key input. In this thesis we define and formalise a flexible approach to solve this problem. Hash functions adopting our approach are said to be constructed in the integrated-key setting, where keyless hash functions are seamlessly and transparently transformed into keyed variants by introducing an extra component accompanying the (still keyless) compression function to handle the key input separately outside the compression function. We also propose several integrated-key constructions and prove that they are collision resistant, pre-image resistant, 2nd pre-image resistant, indifferentiable from Random Oracle (RO), indistinguishable from Pseudorandom Functions (PRFs) and Unforgeable when instantiated as Message Authentication Codes (MACs) in the private key setting. We further prove that hash functions constructed in the integrated-key setting are indistinguishable from their variants in the conventional dedicated-key setting, which implies that proofs from the dedicated-key setting can be naturally reduced to the integrated-key setting.EThOS - Electronic Theses Online ServiceGBUnited Kingdo

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 Multi-Factor Homomorphic Encryption based Method for Authenticated Access to IoT Devices

Authentication is the first defence mechanism in many electronic systems, including Internet of Things (IoT) applications, as it is essential for other security services such as intrusion detection. As existing authentication solutions proposed for IoT environments do not provide multi-level authentication assurance, particularly for device-to-device authentication scenarios, we recently proposed the M2I (Multi-Factor Multi-Level and Interaction based Authentication) framework to facilitate multi-factor authentication of devices in device-to-device and device-to-multiDevice interactions. In this paper, we extend the framework to address group authentication. Two Many-to-One (M2O) protocols are proposed, the Hybrid Group Authentication and Key Acquisition (HGAKA) protocol and the Hybrid Group Access (HGA) protocol. The protocols use a combination of symmetric and asymmetric cryptographic primitives to facilitate multifactor group authentication. The informal analysis and formal security verification show that the protocols satisfy the desirable security requirements and are secure against authentication attacks