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 /

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

Securing Wireless Communications of the Internet of Things from the Physical Layer, An Overview

The security of the Internet of Things (IoT) is receiving considerable interest as the low power constraints and complexity features of many IoT devices are limiting the use of conventional cryptographic techniques. This article provides an overview of recent research efforts on alternative approaches for securing IoT wireless communications at the physical layer, specifically the key topics of key generation and physical layer encryption. These schemes can be implemented and are lightweight, and thus offer practical solutions for providing effective IoT wireless security. Future research to make IoT-based physical layer security more robust and pervasive is also covered

Quantum Key Distribution

This chapter describes the application of lasers, specifically diode lasers, in the area of quantum key distribution (QKD). First, we motivate the distribution of cryptographic keys based on quantum physical properties of light, give a brief introduction to QKD assuming the reader has no or very little knowledge about cryptography, and briefly present the state-of-the-art of QKD. In the second half of the chapter we describe, as an example of a real-world QKD system, the system deployed between the University of Calgary and SAIT Polytechnic. We conclude the chapter with a brief discussion of quantum networks and future steps.Comment: 20 pages, 12 figure

Implementation of the advanced encryption standard algorithm on an FPGA for image processing through the universal asynchronous receiver-transmitter protocol

Communication among end users can be based either on wired or wireless technology. Cryptography plays a vital role in ensuring data exchange is secure among end users. Data can be encrypted and decrypted using symmetric or asymmetric key cryptographic techniques to provide confidentiality. In wireless technology, images are exchanged through low-cost wireless peripheral devices, such as radio frequency identification device (RFID), nRF, and ZigBee, that can interface with field programmable gate array (FPGA) among the end users. One of the issues is that data exchange through wireless devices does not offer confidentiality, and subsequently, data can be lost. In this paper, we propose a design and implementation of AES-128 cipher algorithm on an FPGA board for image processing through the universal asynchronous receiver transmitter (UART) protocol. In this process, the advanced encryption standard (AES) algorithm is used to encrypt and decrypt the image, while the transmitter and receiver designs are implemented on two Xilinx BASYS-3 circuits connected with a ZigBee RF module. The encrypted image uses less memory, such as LUTs (141), and also consumes less chip power (0.0291 w), I/O (0.003), block RAM (0.001 w), data, and logic to provide much higher efficiency than wired communication technology. We also observe that images can be exchanged through the UART protocol with different baud rates in run time

Recent Advancements on Symmetric Cryptography Techniques -A Comprehensive Case Study

Now a day2019;s Cryptography is one of the broad areas for researchers; because of the conventional block cipher has lost its potency due to the sophistication of modern systems that can break it by brute force. Due to its importance, several cryptography techniques and algorithms are adopted by many authors to secure the data, but still there is a scope to improve the previous approaches. For this necessity, we provide the comprehensive survey which will help the researchers to provide better techniques

Design and implementation of a multi-modal sensor with on-chip security

With the advancement of technology, wearable devices for fitness tracking, patient monitoring, diagnosis, and disease prevention are finding ways to be woven into modern world reality. CMOS sensors are known to be compact, with low power consumption, making them an inseparable part of wireless medical applications and Internet of Things (IoT). Digital/semi-digital output, by the translation of transmitting data into the frequency domain, takes advantages of both the analog and digital world. However, one of the most critical measures of communication, security, is ignored and not considered for fabrication of an integrated chip. With the advancement of Moore\u27s law and the possibility of having a higher number of transistors and more complex circuits, the feasibility of having on-chip security measures is drawing more attention. One of the fundamental means of secure communication is real-time encryption. Encryption/ciphering occurs when we encode a signal or data, and prevents unauthorized parties from reading or understanding this information. Encryption is the process of transmitting sensitive data securely and with privacy. This measure of security is essential since in biomedical devices, the attacker/hacker can endanger users of IoT or wearable sensors (e.g. attacks at implanted biosensors can cause fatal harm to the user). This work develops 1) A low power and compact multi-modal sensor that can measure temperature and impedance with a quasi-digital output and 2) a low power on-chip signal cipher for real-time data transfer

Authenticated public key elliptic curve based on deep convolutional neural network for cybersecurity image encryption application

The demand for cybersecurity is growing to safeguard information flow and enhance data privacy. This essay suggests a novel authenticated public key elliptic curve based on a deep convolutional neural network (APK-EC-DCNN) for cybersecurity image encryption application. The public key elliptic curve discrete logarithmic problem (EC-DLP) is used for elliptic curve Diffie–Hellman key exchange (EC-DHKE) in order to generate a shared session key, which is used as the chaotic system’s beginning conditions and control parameters. In addition, the authenticity and confidentiality can be archived based on ECC to share the (Formula presented.) parameters between two parties by using the EC-DHKE algorithm. Moreover, the 3D Quantum Chaotic Logistic Map (3D QCLM) has an extremely chaotic behavior of the bifurcation diagram and high Lyapunov exponent, which can be used in high-level security. In addition, in order to achieve the authentication property, the secure hash function uses the output sequence of the DCNN and the output sequence of the 3D QCLM in the proposed authenticated expansion diffusion matrix (AEDM). Finally, partial frequency domain encryption (PFDE) technique is achieved by using the discrete wavelet transform in order to satisfy the robustness and fast encryption process. Simulation results and security analysis demonstrate that the proposed encryption algorithm achieved the performance of the state-of-the-art techniques in terms of quality, security, and robustness against noise- and signal-processing attacks