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 /

Rational approximations, multidimensional continued fractions and lattice reduction

We first survey the current state of the art concerning the dynamical properties of multidimensional continued fraction algorithms defined dynamically as piecewise fractional maps and compare them with algorithms based on lattice reduction. We discuss their convergence properties and the quality of the rational approximation, and stress the interest for these algorithms to be obtained by iterating dynamical systems. We then focus on an algorithm based on the classical Jacobi--Perron algorithm involving the nearest integer part. We describe its Markov properties and we suggest a possible procedure for proving the existence of a finite ergodic invariant measure absolutely continuous with respect to Lebesgue measure.Comment: 30 pages, 4 figure

Unitary Complexity and the Uhlmann Transformation Problem

State transformation problems such as compressing quantum information or breaking quantum commitments are fundamental quantum tasks. However, their computational difficulty cannot easily be characterized using traditional complexity theory, which focuses on tasks with classical inputs and outputs. To study the complexity of such state transformation tasks, we introduce a framework for unitary synthesis problems, including notions of reductions and unitary complexity classes. We use this framework to study the complexity of transforming one entangled state into another via local operations. We formalize this as the Uhlmann Transformation Problem, an algorithmic version of Uhlmann's theorem. Then, we prove structural results relating the complexity of the Uhlmann Transformation Problem, polynomial space quantum computation, and zero knowledge protocols. The Uhlmann Transformation Problem allows us to characterize the complexity of a variety of tasks in quantum information processing, including decoding noisy quantum channels, breaking falsifiable quantum cryptographic assumptions, implementing optimal prover strategies in quantum interactive proofs, and decoding the Hawking radiation of black holes. Our framework for unitary complexity thus provides new avenues for studying the computational complexity of many natural quantum information processing tasks.Comment: 126 pages, comments welcom

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

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

Computational Intelligence and Complexity Measures for Chaotic Information Processing

This dissertation investigates the application of computational intelligence methods in the analysis of nonlinear chaotic systems in the framework of many known and newly designed complex systems. Parallel comparisons are made between these methods. This provides insight into the difficult challenges facing nonlinear systems characterization and aids in developing a generalized algorithm in computing algorithmic complexity measures, Lyapunov exponents, information dimension and topological entropy. These metrics are implemented to characterize the dynamic patterns of discrete and continuous systems. These metrics make it possible to distinguish order from disorder in these systems. Steps required for computing Lyapunov exponents with a reorthonormalization method and a group theory approach are formalized. Procedures for implementing computational algorithms are designed and numerical results for each system are presented. The advance-time sampling technique is designed to overcome the scarcity of phase space samples and the buffer overflow problem in algorithmic complexity measure estimation in slow dynamics feedback-controlled systems. It is proved analytically and tested numerically that for a quasiperiodic system like a Fibonacci map, complexity grows logarithmically with the evolutionary length of the data block. It is concluded that a normalized algorithmic complexity measure can be used as a system classifier. This quantity turns out to be one for random sequences and a non-zero value less than one for chaotic sequences. For periodic and quasi-periodic responses, as data strings grow their normalized complexity approaches zero, while a faster deceasing rate is observed for periodic responses. Algorithmic complexity analysis is performed on a class of certain rate convolutional encoders. The degree of diffusion in random-like patterns is measured. Simulation evidence indicates that algorithmic complexity associated with a particular class of 1/n-rate code increases with the increase of the encoder constraint length. This occurs in parallel with the increase of error correcting capacity of the decoder. Comparing groups of rate-1/n convolutional encoders, it is observed that as the encoder rate decreases from 1/2 to 1/7, the encoded data sequence manifests smaller algorithmic complexity with a larger free distance value

LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volume

LIPIcs, Volume 251, ITCS 2023, Complete Volum

An ant-inspired, deniable routing approach in ad hoc question & answer networks

The ubiquity of the Internet facilitates electronic question and answering (Q&A) between real people with ease via community portals and social networking websites. It is a useful service which allows users to appeal to a broad range of answerers. In most cases however, Q&A services produce answers by presenting questions to the general public or associated digital community with little regard for the amount of time users spend examining and answering them. Ultimately, a question may receive large amounts of attention but still not be answered adequately. Several existing pieces of research investigate the reasons why questions do not receive answers on Q&A services and suggest that it may be associated with users being afraid of expressing themselves. Q&A works well for solving information needs, however, it rarely takes into account the privacy requirements of the users who form the service. This thesis was motivated by the need for a more targeted approach towards Q&A by distributing the service across ad hoc networks. The main contribution of this thesis is a novel routing technique and networking environment (distributed Q&A) which balances answer quality and user attention while protecting privacy through plausible deniability. Routing approaches are evaluated experimentally by statistics gained from peer-to-peer network simulations, composed of Q&A users modelled via features extracted from the analysis of a large Yahoo! Answers dataset. Suggestions for future directions to this work are presented from the knowledge gained from our results and conclusion

LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volume

LIPIcs, Volume 261, ICALP 2023, Complete Volum