On the effects of pseudorandom and quantum-random number generators in soft computing

In this work, we argue that the implications of pseudorandom and quantum-random number generators (PRNG and QRNG) inexplicably affect the performances and behaviours of various machine learning models that require a random input. These implications are yet to be explored in soft computing until this work. We use a CPU and a QPU to generate random numbers for multiple machine learning techniques. Random numbers are employed in the random initial weight distributions of dense and convolutional neural networks, in which results show a profound difference in learning patterns for the two. In 50 dense neural networks (25 PRNG/25 QRNG), QRNG increases over PRNG for accent classification at + 0.1%, and QRNG exceeded PRNG for mental state EEG classification by + 2.82%. In 50 convolutional neural networks (25 PRNG/25 QRNG), the MNIST and CIFAR-10 problems are benchmarked, and in MNIST the QRNG experiences a higher starting accuracy than the PRNG but ultimately only exceeds it by 0.02%. In CIFAR-10, the QRNG outperforms PRNG by + 0.92%. The n-random split of a Random Tree is enhanced towards and new Quantum Random Tree (QRT) model, which has differing classification abilities to its classical counterpart, 200 trees are trained and compared (100 PRNG/100 QRNG). Using the accent and EEG classification data sets, a QRT seemed inferior to a RT as it performed on average worse by − 0.12%. This pattern is also seen in the EEG classification problem, where a QRT performs worse than a RT by − 0.28%. Finally, the QRT is ensembled into a Quantum Random Forest (QRF), which also has a noticeable effect when compared to the standard Random Forest (RF). Ten to 100 ensembles of trees are benchmarked for the accent and EEG classification problems. In accent classification, the best RF (100 RT) outperforms the best QRF (100 QRF) by 0.14% accuracy. In EEG classification, the best RF (100 RT) outperforms the best QRF (100 QRT) by 0.08% but is extremely more complex, requiring twice the amount of trees in committee. All differences are observed to be situationally positive or negative and thus are likely data dependent in their observed functional behaviour

Efficient Dropout-resilient Aggregation for Privacy-preserving Machine Learning

With the increasing adoption of data-hungry machine learning algorithms, personal data privacy has emerged as one of the key concerns that could hinder the success of digital transformation. As such, Privacy-Preserving Machine Learning (PPML) has received much attention from both academia and industry. However, organizations are faced with the dilemma that, on the one hand, they are encouraged to share data to enhance ML performance, but on the other hand, they could potentially be breaching the relevant data privacy regulations. Practical PPML typically allows multiple participants to individually train their ML models, which are then aggregated to construct a global model in a privacy-preserving manner, e.g., based on multi-party computation or homomorphic encryption. Nevertheless, in most important applications of large-scale PPML, e.g., by aggregating clients' gradients to update a global model for federated learning, such as consumer behavior modeling of mobile application services, some participants are inevitably resource-constrained mobile devices, which may drop out of the PPML system due to their mobility nature. Therefore, the resilience of privacy-preserving aggregation has become an important problem to be tackled. In this paper, we propose a scalable privacy-preserving aggregation scheme that can tolerate dropout by participants at any time, and is secure against both semi-honest and active malicious adversaries by setting proper system parameters. By replacing communication-intensive building blocks with a seed homomorphic pseudo-random generator, and relying on the additive homomorphic property of Shamir secret sharing scheme, our scheme outperforms state-of-the-art schemes by up to 6.37$\times$ in runtime and provides a stronger dropout-resilience. The simplicity of our scheme makes it attractive both for implementation and for further improvements.Comment: 16 pages, 5 figures. Accepted by IEEE Transactions on Information Forensics and Securit

Trapdoor commitment schemes and their applications

Informally, commitment schemes can be described by lockable steely boxes. In the commitment phase, the sender puts a message into the box, locks the box and hands it over to the receiver. On one hand, the receiver does not learn anything about the message. On the other hand, the sender cannot change the message in the box anymore. In the decommitment phase the sender gives the receiver the key, and the receiver then opens the box and retrieves the message. One application of such schemes are digital auctions where each participant places his secret bid into a box and submits it to the auctioneer. In this thesis we investigate trapdoor commitment schemes. Following the abstract viewpoint of lockable boxes, a trapdoor commitment is a box with a tiny secret door. If someone knows the secret door, then this person is still able to change the committed message in the box, even after the commitment phase. Such trapdoors turn out to be very useful for the design of secure cryptographic protocols involving commitment schemes. In the first part of the thesis, we formally introduce trapdoor commitments and extend the notion to identity-based trapdoors, where trapdoors can only be used in connection with certain identities. We then recall the most popular constructions of ordinary trapdoor protocols and present new solutions for identity-based trapdoors. In the second part of the thesis, we show the usefulness of trapdoors in commitment schemes. Deploying trapdoors we construct efficient non-malleable commitment schemes which basically guarantee indepency of commitments. Furthermore, applying (identity-based) trapdoor commitments we secure well-known identification protocols against a new kind of attack. And finally, by means of trapdoors, we show how to construct composable commitment schemes that can be securely executed as subprotocols within complex protocols

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 /

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

Design of a 1.9 GHz low-power LFSR circuit using the Reed-Solomon algorithm for Pseudo-Random Test Pattern Generation

A linear feedback shift register (LFSR) has been frequently used in the Built-in Self-Test (BIST) designs for the pseudo-random test pattern generation. The volume of the test patterns and test power dissipation are the key features in the large complex designs. The objective of this paper is to propose a new LFSR circuit based on the proposed Reed-Solomon (RS) algorithm. The RS algorithm is created by considering the factors of the maximum length test pattern with a minimum distance over the time. Also, it has achieved an effective generation of test patterns over a stage of complexity order O (m log2 m), where m denotes the total number of message bits. We analyzed our RS LFSR mathematically using the feedback polynomial function for an area-sensitive design. However, the bit-wise stages of the proposed RS LFSR are simulated using the TSMC 130 nm IC design tool in the Mentor Graphics platform. Experimental results showed that the proposed LFSR achieved the effective pseudo-random test patterns with a low-test power dissipation (25.13 µW). Ultimately, the circuit has operated in the highest operating frequency (1.9 GHz) environment. &nbsp; &nbsp